基于PMAC的数控系统研究与开发_图文

1、西安理工大学硕士学位论文基于PMAC的数控系统研究与开发姓名:彭玉海申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:李言20070801 第三章基于PMAC运动控制卡构建数控系统3基于PMAC运动控制卡构建数控系统3.1概述构建一个开放式数控系统,首先必须考虑开放式数控系统的实现途径,前面介绍目前有三种方式可以实现开放式数控系统,根据开放方式数控系统的发展、成本以及开发难度我们采用“IPC+可编程运动控制器”的形式,即将可编程运动控制器嵌入IPC(工业控制机中。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以IPC为平台,以mC标准插件形式的开放式可编程运动控制器为核心。这种结构支持用户的开发和扩展,

2、具有上、下两级的开放性,其优点是成本低、可运行用户自定义的软件、界面比传统的CNC友好。美国DeltaTau公司的PMAC拥有自身的CPU,同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址空间,具有计算速度最快、质量可靠、功能稳定、控制精度高、灵活性好、可共享计算机所有资源等特点,所以,在本项目中选用美国DeltaTauDataSystem公司的多轴运动控制器。Delta Tau公司的PMAC产品可以分为板卡级和系统级运动控制器,由于系统级运动控制器属于高度集成产品,所以选用板卡级产品。板卡级产品根据总线形式主要有PCI、VME和PCI04总线接口形式,考虑到性价比,我们选用PMAC2A.PCI

3、04运动控制卡。3.2PMC2A_PCI04运动控制卡 PMAC2APC.104(如图3-1所示是PMAC板卡级系列产品,是为嵌入式应用系统而开发使用的结构紧凑、经济实惠、被设计成OEM系列的产品,在提供齐全的PMAC板卡功能的同时,拥有更小巧的结构,更全面的功能和更方便的扩展性。不采用附件时,它可以使用模拟量±10V或者脉冲加方向的位置控制信号,通过附件还可以是PWM的脉宽斩波输出。可以图3-1PMAC2A PC-104运动控制卡外形ofPMAC2APC-104通过Pcl04总线与上位机通讯,也可以使用双Fig.3-1AppearancePMAC2A PC-104运动控制卡提供4个

4、轴的步进和伺服能力,性能参数如下:40MHz DSP56311CPU128k×24SRAM用户内存 西安理工大学硕士学位论文 图3-58通道PMAC运动控制#组Fig.3-58chaIlrwIs PMAC cafds group就运动控制系统而言,其执行的不单纯是运动程序,往往伴随着逻辑控制程序。在一个数控系统中,其处理的逻辑变量主要有原点、限位、主轴功能、换刀功能以及一些辅助功能(如工件夹紧、冷却液开关等,一般由可编程逻辑控制器(PLC完成。因此,在一段数控程序中既包含运动程序,又包含PLC程序。基于PMAC运动控制卡的开放式数控系统主卡可以实现各轴的原点和限位处理:而其他逻辑控制

5、需要扩展I/O板,用ACC.2P通信扩展板和ACC.-34AA光电隔离串行I/O扩展板扩展32输入/32输出的系统I/O,用于外部FO控制。如上所述,数控系统硬件采用“NC嵌入IPC”的形式,以PLK-450工业控制计算机为基础,在/PC的ISA总线插槽上接入ISA转PCI04转接卡来适配PMAC-PCI04运动控制卡,这样IPC的CPU与PMAC运动控制卡的CPU就形成主从式结构。当然,工控机与PMAC运动控制卡也可以通过RS232C串口来实现实时通信。为实现PMAC的多轴控制(数控功能,PMAC板卡上扩展了上述相应的附件,构成的数控系统的硬件结构如图3-6所示。工控机上的CPU与PMAC的

6、CPU(DSP560001/DSP56000I构成主从式双微处理器结构,PMAC主要完成对试验台五轴运动(输出控制量以及检测实际运动量并反馈和丌关量(原点限位等的控制,工控机则主要实现系统的管理功能。16 西安理工大学硕士学位论文 图38数控技术试验台人机界面Fig.3-8Interface of NC technology experilIlental bench3.5本章小结20 第四章基于本数控系统的数控技术试验台试制驱动输出,最高响应频率为400KHz。(2光栅尺选型目前,在高精度的位胃检测系统中,大量采用光栅作为检测反馈元件,光栅是将机械位移或模拟量转变为数字脉冲的测量装置。本试验台

7、中配置光栅尺的主要目的是进行检测系统的定位精度和重复定位精度(当然,更换伺服驱动系统为直流或者交流时可以参与反馈。光栅尺选用英国RENlSHAW的RGH22系列RGH22D型直线光栅尺,RGH22D型直线光栅尺是20肛m栅距的光栅尺,其测量性能优异、可靠性强、易于使用,广泛应用于各种测量场合,分辨率为5“m,速度可达8m/s,是开放式的非接触光学系统,能够消除摩擦和磨损,可保证高速、高分辨率的可靠运动。即使在车间环境使用,其独创的光学滤波系统也能确保极好的信号稳定性。RGH22P30DOOA读数头具有行业标准的模拟或数字信号输出,模拟信号为20圳m的周期,数字信号的分辨率为5ttm。所有系统均

8、配有独创的内置安装状态指示灯LED,如果安装正确则绿灯亮。所有型号的读数头都有参考零位和/或限位开关。参考零位提供可重复的起始位置,而限位开关则指示行程的终点。RGH22读数头也有双限位开关选项,在行程的两端提供各自的信号输出。红外发光二极管把光发射到光栅尺的刻划面,然后通过透明的指示光栅刻划面将光反射到读数头中。这样就在读数头的检测面产生了正弦干扰条纹。该光学系统采用对80条以上的条纹进行均分的技术,有效滤掉了与光栅尺刻划周期不匹配的信号。即使在光栅尺受到污染或轻微损坏的情况下,也能确保信号的稳定性。独特的光学设计确保了很小的短周期误差,周期误差(即细分误差通常小于士O.15 Itm。线性误

9、差特性为每60毫米士O.75IIm,或任意每米士3/am。除此以外,还要配置原点开关、限位开关等,试制的试验台外形及控制柜如图4.3及图禾4所示。 幽4-3数控技术试验台外形Fig.4-3Appearance ofNC technology experimental bench西安理工大学硕士学位论文4.5本章小结图44数控技术试验台控制柜本章主要介绍了数控技术试验台的设计试制,从机械系统、执行元件、检测元件等方面的选用出发,论述了数控技术试验台的组成。机械系统采用串联结构的滑台和转台实现移动和转动自由度,为了提高系统性能,采用滚珠丝杠副和滚动导轨副;考虑的成本,执行元件采用步进电动机;检测元

10、件采用编码器,最终与基于PMAC的数控系统构成一个 典型的机电一体化产品数控技术试验台。 AV(n一伺服周期AP(n一AP(n一1;CV(n一伺服周期CP(n一cP(n一1;CA(n一伺服周期CV(n_cV(n1;n内的实际速度,即每个伺服周期最后两个实际位置的差值n内的指令速度,即每个伺服周期最后两个指令位置的差值n内的指令加速度,即每个伺服周期最后两个指令速度的差值一IIE(n一伺服周期n内的跟随误差的积分,大小为【尼(_,】。j=O下面具体来整定数控系统的PID参数。图5-3PID执行程序界面Fig.53Interface ofPID executive program整定之前,首先要检

11、查试验台连接是否正确,然后开机,运行PID执行程序。PID执行程序提供的信号源有7种,用户还可以自定义信号源。我们在调整时主要用两种信号源,即阶跃位置信号(Position Step和抛物线速度(Parabolic Velocity信号,可以调整这两种信号的特性(信号的幅度、时间。通过调整与系统特性相关的参数来调整系统的特性,改变了其中的参数以后,就可以执行阶跃响应过程或抛物线响应过程。阶跃响应过程主要用来调整系统的P、I、D等参数,而抛物线响应主要是用来调整系统的动态特性,涉及到的参数主要是速度和加速度前馈。调节界面如图5-3所示。(1通过阶跃响应过程来调整系统的P、I、D参数(以2号电机即Y轴电机为例在线性定常控制系统中,阶跃输入信号是最