【《基于PMAC的五轴数控系统设计》15000字】

基于PMAC的五轴数控系统设计目录TOC\o"1-2"\h\u32527摘要 摘要五轴数控铣床是一种先进的，具有较高的生产效率、较高的加工精确度、高自动化程度的生产设备，还能加工普通机床难以完成的复杂曲面类零件，如叶轮、叶片、曲轴等，在实际生产中应用广泛。本论文针对五轴数控铣床设计一种应用PMAC运动控制卡的开放式数控系统，其中主要研究的是机床硬件系统。开放式数控系统与其他数控系统相比具有开放柔性高、成本低、优化扩展容易、投资没有较大的风险和可以引入先进的PC软硬件技术等优点，能够较好的解决变化频率快的需求和封闭的控制系统的矛盾，从而快速并且有效的响应新的加工需求。论文首先构建以工控机+PMAC为基础的总体结构，之后根据PMAC卡选择开放式数控系统的其他基本硬件，实现PC机人机交互和PMAC卡主要控制的硬件总体结构。最后，通过PCwin32pro软件系统对PMAC卡的I、P、Q、M参数进设置并进行初始化程序编制。完成以PMAC运动控制卡为控制核心的开放式五轴数控系统设计。关键词：五轴数控机床；开放式数控系统；PMAC运动控制卡；PCwin32pro第一章绪论1.1课题背景1.1.1开放式数控系统的介绍数控系统（NumericalControlSystem）是数字控制系统的简称，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统，通过利用数字文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制REF_Ref16920\r\h[1]。传统的普通的数控系统采用的是专用的一个计算机系统，对用户来说它的软件和硬件都是内封闭的，这种闭式数控系统对用户来说是一个只有输入和输出的“黑匣子”，它的内部细节是无法被探知的。这种数控系统存在以下问题：(1)传统数控系统的封闭性，会导致不同数控系统生产厂家所生产的软硬件产品不相互兼容，提高了购买成本和产品生命周期的使用成本，威胁到了用户的投资安全性。同时PC的技术远远高于传统专用控制器软硬件的主流技术，系统无法“借用”日新月异的PC技术而升级REF_Ref24418\r\h。(2)固定死的系统功能，不能充分反映机床制造厂的生产经验，不仅某些机床或工艺特征需要的性能无法提供，而且系统无法被用户进行重新定义和扩展，最终用户的特殊要求更是难以满足。作为机床生产厂来讲，当然希望自己生产的数控机床以自己的特色来区别于竞争对手的产品，从而在愈发激烈的市场竞争中占有一席之地，而传统的数控系统是无法达到要求的。(3)传统数控系统缺少统一、有效和高速的通道来和其他控制设备或者网络设备进行互连，信息将被锁在“黑匣子”里，每一台设备都会变成“孤孤零零的海岛”，大大阻碍了企业的网络化和信息化发展。(4)传统数控系统的人机界面不灵活，维护费用和系统的培训费用较昂贵。花费巨资购买高档数控设备的许多厂家面对几本甚至十几本厚厚的技术资料却束手无策。不仅缺乏使用和维护知识，无法充分利用购买的设备让其发挥作用，而且一旦发生故障，面对“黑匣子”不知从何下手，昂贵的维修费更加令人头痛REF_Ref24418\r\h。科技的进步使得计算机在制造过程中大放异彩，得到了非常普遍的应用，提高制造性能的需要越来越强烈，而这种封闭式数控系统结构的局限性也随之越发突出。为了适应不断发展的现代技术需求，克服这些明显的缺点，未来的CNC控制器必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与第三方软件等，而不必重新设计硬件和软件。想要达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。IEEE(美国电气电子工程师协会)关于开放式系统的定义是：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式REF_Ref5653\r\h[8]。也就是说,开放式数控系统可以根据自己的加工需求，通过选配和集成模块组件来更改或扩展系统的功能，而且，来源于不同的部件供应商的各个功能模块能够相互兼容并组成系统。开放式数控系统主要有以下特点：模块化模块化是数控系统开放的基础。包括数控功能模块化和系统体系结构模块化。前者是指用户可以根据自己的要求选装所需的数控功能;后者是指数控系统内实现各个功能的算法是可分离的、可替换的REF_Ref5653\r\h[8]。标准化标准化的基础是模块化，因为标准的制定要建立在模块合理划分的基础上不同公司开发的各种部件和功能模块必须符合一定的标准。在这个标准约束下生产的不同公司的产品就能够拼装成一台功能完整、集多家公司智慧与一体的控制器。可移植性系统软件可以在不同特性的硬件平台上运行，同时，不同应用程序模块也可以在不同生产商提供的系统平台上运行。由此得知，设备无法影响系统的功能软件，即可以在不同的硬件平台上通过一致的设备接口来应用统一的控制机制和数据格式。二次开发性开放式数控系统具有允许用户根据自身的需要进行二次开发的特点。比较简单的二次开发包括用户界面的重新设计、参数设置等。深层的二次开发允许用户将自己设计的标准功能模块集成到开放式数控系统中。所以系统应当提供接口标准,包括访问和修改系统参数的方法以及开放式系统提供的API(应用程序接口)和其他工具REF_Ref2815\r\h[8]。网络化现代意义上的网络化数控系统是以通讯和资源共享为手段,以车间乃至企业内的制造设备的有机集成为目标,支持ISO-OSI网络互联规范的自主数控系统REF_Ref7057\r\h[5]。并且能够支持现今的Internet标准，开放性从而更加强大,它的联网功能不需要其他的接口部件或者上位机，而是通过标准网络设备来实现。开放体系结构是从人机操作界面到底层控制内核，从软件到硬件的全方位开放。计算机丰富的软硬件资源可以在基于PC的开放式数控系统中得到充分利用，开放式数控系统编制程序时还可使用通用的高级语言，用户在使用计算机将标准化的外设、应用软件进行灵活地组合和使用的同时也便于实现网络化。基于PC的开放式数控系统大致可分为以下三种类型：（1）PC嵌入NC型该类型的系统是PC与NC之间用专用的总线连接并且将PC装入到NC内部。这种系统响应迅速，数据传输快,反应灵敏。同时，使用原型NC系统可以不加修改。这种数控系统虽然具有一定的开放性,但没有改变传统数控系统的NC部分，其总体体系结构还是不开放的。此类系统如日本的FANUC160/180/210是典型的PC嵌入NC模式的CNC系统。在FANUCCNC专用32位总线插槽中插入一块名为MMC-IV的PC模块,通过专用接口使CNC与MMC-IV紧密结合。德国的SIEMENS840D系统包括集成有PLC的MMC模块,通过多点接口(MPI)与NCU(含CNC和PLC部分)模块相连REF_Ref10025\r\h[20]。NC嵌入PC型该类型系统就是个人计算机的扩展槽中插有运动控制板或整个CNC单元(包括集成的PLC)。实时控制由CNC单元或运动控制板来承担,PC机作非实时处理，这种方法能够方便地实现人机界面的个性化和开放化。美国的DELTA公司的PMAC-NC开放式数控系统将PMAC卡(可编程多轴运动控制器)插入PC机扩展槽中，总线接口为CANBUS。德国INDRAMAT公司的MTC-200系列开放式数控系统将MTC-PCNC和MTC-PPLC卡插入PC机扩展槽中，总线接口为SERCOS。POWERAUTOMATION公司的PA8000系列数控系统同样将PA-CNCENGINE运动控制卡插入PC机扩展槽中,构成开放式数控系统REF_Ref10025\r\h[20]。全软件型NC该类型系统是指使用PC来实现CNC的全部功能，通过装在PC机上扩展槽的伺服接口卡来实现对伺服驱动的控制，这种类型的特点是编程处理灵活，软件通用性好。因为这种CNC装置的主体是PC机,所以PC机不断扩大的存储量、不断提高的计算速度和性能可以不断优化的特点得到充分利用。但是其开放式功能完完全全由软件实现，目前正处于探求阶段﹐还没有大规模投入到实际的应用中。本论文中采用的是第二种结构，“PC＋可编程运动控制器”结构的开放式数控系统，是当前最为理想的开放式数控系统，具有性能稳定、良好的灵活性、可共享计算机的所有资源等优点。已被广泛应用于数控机床、各类机器人、三坐标测量﹑在线检测及加工、卫星定位跟踪﹑弯管机、注塑机以及各类机床的数控化改造等方面REF_Ref11126\r\h[17]。这种体系结构以IPC为上位机，采用商用的标准化模块组件，采用ISA总线形式；以多轴运动控制器PMAC为下位机作为控制核心。这种结构相比于其他类型对PC机的系统软件和数据处理功能更为强大。1.1.2国内外开放式数控系统的发展和研究现状（1）国外的开放式数控系统发展过程国外的开放式数控系统直到90年代初才得以实现和开发使用，但是早在80年代初就开始研究一种基于PC的开放式数控系统。当今世界上诸多数控系统生产研发单位为了研究开发更新一代的数控系统都利用了PC机的充分的软件和硬件资源。数控系统由于装载开放式结构而有了更强的扩展性、适应性、柔性、通用性,当今世界的数控系统正朝着网络化、智能化、标准化的开放体系结构的方向快速发展。为了解决变化频繁的加工需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾，必须建立一种新型的可扩充、可重构、可模块化的控制系统结构,用来增强数控系统的加工柔性,从而能够有效地、快速地响应变化频繁的加工需求。因此，欧美及日本等工业发达国家都相继进行了大量的投入和研究。日本和欧洲在90年代初提出了OSEC及OSACA计划。日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController，控制器的开放系统环境）计划是在国际机器人和工厂自动化研究中心IROFA(InternationalRoboticsandFactoryAutomationCenter)建立的开放式数控委员会倡导下，由3个机床厂、1个系统厂和2个信息公司发起的。其目的是开发基于PC平台的新一代开放结构数控系统。OSEC采用了3层功能结构，即应用层、控制层和驱动层，这种结构实现了零件造型、工艺规划（加工顺序、刀具轨迹、切削条件)、机床控制原理（程序解释、操作模块控制、智能处理等)、刀具轨迹控制、顺序控制轴控制等REF_Ref31197\r\h[3]。欧洲的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems，自动化系统中开放式体系结构）计划是1990年由德国、法国、瑞士等欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研联合发起的。该计划是针对欧盟的机床正从批量大的通用机床向批量小的专用机床发展，而通用CNC系统的大部分功能对专用的机床冗余，却不具备专用机床所需的特殊功能这一现实提出的。其目标是开发出开放性的CNC系统，允许机床厂对系统做修改、补充、扩展、裁剪来适应不同用户的需要。OSACA数控平台由硬件和软件组成，包括操作系统、通讯系统、系统设定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过API(ApplicationProgramInterface，应用程序接口)与具体应用模块AO(ArchitectureObject,结构对象体)发生关系REF_Ref31197\r\h[3]。（2）国内的数控系统发展过程我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”到“九五”的二十年的发展,基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。我国的数控技术，再“八五”攻关中，不失时机地提出了以自主版权为日标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以PC机为基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中Ⅰ型和中华1型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数控系统,航天Ⅰ型和蓝天I型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。其中，华中数控系统有限公司的华中-2000型高性能数控系绕是面向21世纪的新一代数控系统。华中-2000型数控系统（HNC-2000)是在华中I型（HNC-1）高性能数控系统的基础上开发的开放式数控系统。该系统采用通用工业PC机、TFT真彩色液品显示器,具有多轴通道控制能力和内装式PLC,可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性高、性能价格比高、操作维护方便的优点REF_Ref12919\r\h[6]。目前国比较有代表性的新型开放式数控系统研究主要有以下几种:1）基于软件芯片的开放式数控系统华中科技大学近来提出了一种基于软件芯片(SoftwareIntegratedChip，简称SIC)的开放式数控系统。在该模式中，运用面向对象的机制，通过对数控软件的标准化与规化研究，把数控系统的功能抽象化后封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口、可以重用的SIC,每个SIC完成数控系统的一个独立模块的功能，如插补功能由插补芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通过建立一个数控系统软件芯片集成开发环境对SIC进行管理，用户可以对SIC进行检索、浏览和维护，还可以添加新的SICOS用户在组装数控系统或进行二次开发时,可以将芯片库中检索出的SIC按照用户所要求的功能进行集成，并可以加入用户新开发的SIC一起组装，这样开发出的数控系统比以前节省较多时间，总体质量也有大幅提高REF_Ref14287\r\h[10]。2）基于现场总线技术的开放式数控系统现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以在上百台设备之间实时传递上千路的信号。当前现场总线接口和数据交换大多遵循SERCOS(serialreal-timecommunicationspecification串行通信实时协议),是目前用于数字伺服而后传动数据通信的唯一国际标准REF_Ref14287\r\h[10]。SERCOS构成一个封闭的环路，根据PLC和伺服系统之间的不同地址，计算机与数字伺服系统之间的实时数据通信利用插在计算机中的SOFTSERCANS卡来实现，基于现场总线的开放式结构数控系统从而形成。但是SERCOS总线技术十分昂贵，对于其普及应用会产生一定的不利影响。1.2课题主要研究内容本次设计是为一台具有X、Y、Z三个平动轴，A、C两个旋转轴的五轴数控铣床设计一种开放式数控系统，以满足数控机床的加工需求。设计的主要内容包括：搭建控制系统：控制系统采用NC嵌入PC型开放式数控系统结构，将功能强大的可编程多轴运动控制器（PMAC）插入工业控制计算机（IPC）的扩展槽内组成开放式体系结构。工业控制计算机作为人机交互平台，为用户开发控制系统提供各种开发工具和管理软件；PMAC作为整个控制系统的核心，完成伺服插补、运动控制、安全控制、信号采集等主要功能。一个双CPU的数控系统就这样形成，不仅系统的控制精度高，而且系统的柔性和开放性也较为优越。伺服系统的选择：伺服系统采用松下A6系列交流伺服驱动器及其配套电机,具有很好的稳定性、快速响应性以及较高的控制精度。系统的控制电路连接：包括PMAC卡与伺服驱动器的连接、PMAC卡与手轮的连接、PMAC卡与I/O接口电路板的连接。PMAC卡的软件配置：研究PMAC卡的配套软件PCwin32pro的使用，编写PMAC卡的初始化程序。第二章基于PMAC的五轴数控系统的硬件电路设计2.1PMAC运动控制卡2.1.1PMAC卡的介绍基于总线DSP处理器的运动控制卡PMAC全称为可编程多轴控制器(ProgrammableMulti-AxisController)，是美国DeltaTauDataSystems公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器。它取代了先前数控系统的集成控制芯片，是现代数控系统中最常用的伺服控制系统。控制卡以强大DSP处理器计算功能为基础，能完成运动轨迹控制，插补运算，定时控制和PLC时序控制等功能。它把工控机的CPU处理能力和控制卡功能通过总线结合在一起，使得运动控制精度提高、速度加快、运行也更平稳。这种工控机和运动控制卡构成的数控系统被广泛应用于各种制造加工行业领域中REF_Ref16775\r\h[15]。PMAC采用了摩托罗拉公司的高性能数字信号处理器DSP56000(Digitalsignalprocessor)作为CPU，能同时控制1到8根轴，也可控制同一机器上的8根轴及他们之间的任意组合。它可以单独执行存储在存储器内的程序，也可以执行运动程序和PLC程序，灵活性高由此可见。还可进行以串口、总线两种方法与上位机进行通信以及伺服环更新。它可以进行实时多任务处理，自动对任务优先级进行判别，是目前功能强大的运动控制卡之一。一台PC机可以最多控制32根轴，也就是说一台PC机上可以同时插入四块PMAC卡，还可通过连接扩展版来外扩128根轴，由此可见PMAC卡功能超级强大。PMAC的伺服控制的精度已经处于同一行列控制卡技术的前列，它具有顶尖的伺服控制性能。在处理能力方面，PMAC运动控制器的伺服更新率是一般运动控制器的5倍以上，达到20~30MHz，执行效率是一般运动控制器的5倍以上，可以达到每秒处理500~750个程序块，控制精度更高，伺服算法可以达到9项。PMAC运动控制卡的输出位数为16位、计算位数为56位、轨迹更新率可达500~750Hz；而在输入带宽特性上，PMAC运动控制器是一般运动控制器的10~15倍，它的串行输入带宽高达10~15MHz,所以在各种类型的数控机床、各种类型的机器人、各种机床的改造、各种产品的生产线、食品印刷和包装、卫星的定位跟踪、航天航空、船舶工业等机电一体化的工业生产中。2.1.2PAMC卡的功能与优点（1）执行PLC程序运行运动程序的顺序性使得PMAC卡有能力相互协调其他坐标系的动作来完成一系列的运动，然而当执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些程序就无法适合坐标系的运动。对于这种类型的任务，PMAC会提供用户一个能力--编写“PLC程序”。PLC的全称是可编程逻辑控制器，PLC会在处理器时间允许的情况下尽可能快的连续扫描操作,与PMAC卡的工作十分相似。这些程序是非常有用的，对于那些运动顺序上不同步的任务来说。（2）执行运动程序PMAC的最显著的任务是按照运动程序中提供的顺序执行每一个运动。当被通知运行一个运动程序时，PMAC将运行一次执行命令的一个指令，同时将进行该移动命令(包括非移动的任务）的所有计算并完成，准备好该运动的实际执行。PMAC板总是在实际运动之前工作，如果有特殊要求的话，它会正确地与即将执行的动作相调和。（3）伺服环更新对于PMAC的用户来说，自动执行的任务实质上是无法肉眼观察到的。因此PMAC会以一个固定的频率（通常是2KHz上下）对每一个电机进行伺服更新。伺服更新的过程如下描述,首先由运动程序或者别的运动命令得到的等式，再根据这个等式求得要求的位置增量（如果有需要的话），然后比较得到的位置增量和由反馈传感器得到的实际位置,最后在这两者的差的基础上发出一个输出命令来使此差值变小，反复这个过程，直到此差值令人满意再结束。这部分的功能并不需要任何命令，是自动产生的。（4）换相更新如果要求PMAC卡给一台多相电机进行换相，那么PMAC卡将会自动以一个固定的频率（通常是9KHz上下）进行换相更新。换相更新，也可以称作是相位更新，它的过程对一台电机来讲是这样工作的，测量并估算（或者要么只有测量，要么只有估算）电机转子的磁场方向，然后通过分布在电机的不同相位的伺服更新来算出命令，最后分配给电机。跟伺服环更新一样，这个功能并不需要任何的命令，也是自动产生。（5）资源管理PMAC会自动的定期实现资源管理的功能，从而确认整个系统是否处于正常的工作状态。这些功能包括看门狗计时器的更新，还包括安全检查功能，例如放大器错误，随动误差限制，软件超行程限制，硬件超行程限制。如果发生一些硬件或者软件的故障使一些功能语句无法得到执行，那么看门狗计时器将会触发，从而关闭PMAC卡保证安全。（6）与主机通信PMAC甚至是可以在一个运动序列的中间与主机通信，这是有一些运动控制卡没有的能力。PMAC接受一个命令后，会采取一个动作——将命令放入一个程序缓冲区方便后续的执行，然后提供主机数据以响应命令，再开始电机的移动。如果命令是非法的或者说是错误的，它会报错给主机。（7）任务优先级为了让应用程序能有效、安全地运行，PMAC卡会按照优先级电路组织任务，这样的任务会得到最优化的处理。在优先级已经固定好后，用户可以控制不同任务得以执行的频率。2.1.3PMAC卡的硬件结构PMAC卡的CPU提供DAC+10V或脉冲和方向命令输出四个通道。可选的通信板提供了额外的I/O端口以及USB或以太网接口，以实现更快的通信。可选的轴扩展板提供了一组四个附加的伺服通道和I/O端口。选择的PMAC卡的结构框图如图2.1所示。图2.1PMAC2A-PC104硬件结构图（1）J1端口它可提供8个/16个、电压范围0~5V/士2.5V的模拟输入量，是一个20芯片的模拟输入端口。（2）J2端口提供8输入/8输出的TTL电平，是一个26芯多路连接器，通常连接拨档开关。（3）J3端口用于一般目的的IO口连接，是一个40芯片的接线端口，它可以提供32路TTL电平的输入/输出。（4）J4端口用于高速通讯及网络互联，是一个光纤连接器。（5）J5端口提供RS-232C串行口与外设进行通讯，是一个串行通讯结构接口。（6）J6端口通过PMAC的附件产品可以控制LED显示器，是一个显示连接器。（7）J7端口可以连接电子手轮，是一个手摇脉冲发生器连接器。（8）J8端口由8个光电编码器通道提供位置比较信号，是一个位置比较接口。（9）J9、J10、J11、J12四个端口可控制8根伺服轴。其中J9控制轴1、轴2，J10控制轴3、轴4，依此类推。每一个端口均为100芯，通常它通过扁平电缆与PMAC控制器的附件ACC-8S（相当于接线端子）相连，然后再输出信号以控制伺服轴REF_Ref10109\r\h[20]。2.2基于PAMC卡的控制系统的总体设计整个系统以PMAC卡为控制核心，上位机是研华IPC-610H工控机，伺服系统控制轴的运动并通过PMAC卡附件转接板ACC8S与PMAC卡连接，构成半闭环控制。传感器等辅助I/O信号通过PMAC卡附件ACC34AI/O扩展版与PAMC连接。控制系统原理图如图2.2所示。图2.2控制系统原理图2.3基于PMAC卡的五轴数控系统硬件选型2.3.1PMAC卡的分类与选择（1）PMAC卡按控制电机的控制信号不同分有1型卡和2型卡。1型卡控制信号为土10V模拟量，主要用速度方式控制伺服电。2型卡则输出PWM数字量信号，可直接变为PULSE+DIR信号，用来控制步进电机和位置控制方式的伺服电机REF_Ref11072\r\h[11]。（2）PMAC卡按控制轴数来分:有2轴卡(MINIPMACPCI),4轴卡(PMACPCILite，PMAC2-PClLite，PMAC2A-PC/104及Clipper)，8轴卡:(PMAC-PCI，PMAC2-PCl，PMAC2A-PC/104及Clipper)，32轴卡:(TURBOPMAC和TURBOPMAC2)REF_Ref11072\r\h[11]。（3）PMAC卡按通讯总线形式分:有ISA总线，PCI总线，PC104总线，网口和VME总线。PMAC各种轴数的1型和2型卡,都有上述的计算机总线方式供选择。PMAC除上述板卡形式外,还可以提供集成的系统级产品。如：UMAC，IMAC400,IMAC800,IMACflexADVANTAGE400,ADVANTAGE900等REF_Ref11072\r\h[11]。此次设计中需要控制5个运动轴，因此采用PMAC2A-PC104型号的PMAC卡。PAMC2A-PC104卡的3D示意图如图2.3所示图2.3PAMC2A-PC104卡3D示意图2.3.2工控机

研华IPC-610-H是一款4U高，14插槽机架式工业计算机机箱，专为任务关键型应用而设计。该单元包括一个多功能14插槽无源背板，高效率300WATX，配备PFC（功率因数校正）电源和双易于维护的冷却风扇。灵活的机械设计支持通过电源支架更换单PS/2或冗余电源。前可视系统可以显示电源，硬盘驱动器和系统电压活动。冷却系统用的是具有双高CFM风扇的高级冷却系统，可以提供充足的流量来冷却关键部位。数据传输，备份和输入使用前端可访问USB和PS/2键盘l/0接口，可连接各种外围设备。综合考虑成本与经济性能，IPC-610-H成为一个性价比最高的最佳选择。如图2.4所示为所选工控机示意图。图2.4研华IPC-610H2.3.3伺服驱动器及电机 为保证数控机床的控制精度和运行加工指令的稳定性，经过横向对比和考虑经济成本后选择松下MINASA6系列的MADLT15SF型号的驱动器和其配套的MSMF022L1A1型号的电机。MSMF022L1A1型号的电机的额定转速为3000r/min，额定功率为200W，与之相配的是绝对式旋转编码器。图2.5MADLT15SF型驱动器2.3.4变频调速主轴单元主轴变频器采用的是松下VF0400V等级变频器，最大功率1.5kw，额定电流3.8A，采用三相交流电源；电机则采用额定功率为0.75kw的普通三相电机。2.3.5传感器采用恒兴星GCS898系列的小型光栅尺，光栅栅距0.020mm，分辨率5um，性能可靠，安装方便，性价比高。2.3.6手轮为满足五轴数控铣床的一些加工需求，考虑经济预算和性能要求，选用性价比比较合适的DC-5V-100PPR型号的手轮。图2.6手轮示意图2.4控制系统的连线设计2.4.1PMAC卡与伺服驱动器的连线通过扁平电缆将PMAC卡上的电机接口JMACH1与外部接线端子板ACC-8S连接（JMACH1与ACC-8S的接线针脚为一一对应关系)，再使用电缆将ACC-8S与电机伺服驱动器进行连接，从而完成PMAC与伺服驱动器之间的连接。PMAC的AGND线接在伺服驱动器的控制信号返回线GND上。电机编码器的反馈信号通过伺服驱动器的输出信号引脚AO、AO/、BO、BO/、ZO、ZO/与PMAC的输入信号引脚CHAn+、CHAn-、CHBn+、CHBn-、CHCn+、CHCn-之间的连接反馈给PMAC。以控制X轴运动的#1驱动器为例，接口连线如图2.7所示。图2.7ACC8S与#1MADLT15SF的接线图2.4.2PMAC卡与手轮的接线PMAC卡与手轮的具体接线图如图2.9所示。其余的接口闲置不接线。手轮可以接急停开关来控制整个机床的断电。图2.9PMAC卡与手轮的接线图2.4.3急停信号的设计（1）弱电部分的急停信号为了保证系统的安全性，设计了急停开关来使机床断电。SW1常闭开关是机床上的急停开关，SW1是手轮上的急停开关，线路图如图2.10所示。图2.10手轮（机床）急停开关电路图强电部分的急停信号QF1作为断路器用来保护电路，闭合ON开关时线圈KM1得电吸附，开关KM1闭合，机床正常通电；按下手轮上的急停开关SW2（或者机床急停开关SW1）后，RL1断电，磁吸开关断开，系统断电，线圈KM1失电断开吸附，开关KM1断开，不再供电。如图2.11所示。图2.11急停信号电路图2.4.4PMAC卡的输入输出信号（1）传感器信号的输入传感器的信号通过接线端子板，再经过光电耦合后传递给PMAC信号。如图2.12所示。图2.12传感器信号输入PMAC卡的输出为了更好的传递PMAC的开关量输出，对此设计了一个继电器板，作为数控装置的转接单元使用,方便连接和提高可靠性。继电器板上有16个开关量输入端子，最多可以输出16个开关量，其中8个给出定义，剩下8个看加工实际情况再作定义。具体端子的定义如表2.1所示。表2.1端子指令对应表端子标号指令含义J17M03主轴正转J16M04主轴反转J15M05主轴停转J14M081号冷却液开J13M10夹紧J12M11放开J11M14主轴停转，关闭冷却液J10M30主轴停转，关闭冷却液，程序结束2.4.5变频器的信号传递松下VF0系列变频器与PMAC卡的连接如图2.13所示。J15-2接继电器板上的J15端子，J16-2、J17-2同理接对应的J16、J17端子。图2.13变频器的接线图为了防止同时按下正反装开关出现的短路，设计一种正反转开关互锁的结构，如图2.14所示。其中SB1是主轴停转开关，SB2是主轴正转开关，SB3是主轴反转开关。图2.14正反转开关的互锁2.5本章小结本章主要介绍数控铣床控制系统的硬件选型及系统平台的搭建——以PMAC作为控制系统的核心，通过PMAC与伺服驱动器之间的线路连接和机床电气控制电路的线路连接，实现PMAC对整个系统的控制。此外根据系统使用和安全性的要求，对传感器信号的传递、急停开关的线路连接和正反转开关的互锁进行设计。

第三章PMAC卡的系统参数设置3.1PMAC卡的软件开发工具开放式数控系统的特点不仅体现在模块化结构和标准化接口使得用户可以根据需要组装自己的系统这种硬件的开放上，而且在软件方面也有出色表现，开放式数控系统可以提供相应的开发工具,数控系统的组件用户可以非常方便的开发自己的数控系统。针对PMAC运动控制器，DeltaTau公司提供了三大开发工具：PAMC软件开发工具示例程序PEWin32pro；驱动接口函数库PComm32pro；ActiveX控件PTALKDT。3.1.1PEWin32proPEWin32pro提供给用户一个友好的面向PMAC的串行口终端界面和一个用来编辑PMAC运动程序及PLC程序的文本编辑器，是建立和管理PMAC应用系统的开发工具。除此之外，PEWin32pro还包括一套配置和运行PMAC及其附件的界面，其中包括电机驱动界面、各种变量配置界面、坐标系设置界面、用于观察各种PMAC变量和状态寄存器的窗口等（如图3.1所示）REF_Ref21392\r\h[21]。PEWin32pro充分利用了Windows窗口操作环境的优点：Windows复制及粘贴功能、剪贴板的剪切功能可以在文本编辑器中使用。作为PMCA的系统管理工具，PEWin32pro具有强大的PMAC系统设置功能，使用PEWin32pro可以极大地减少在开发基于PMAC的数控系统中的困难，它的功能包括：（1）对PMAC数以千计的I、P、Q和M变量的赋值处理，包括宏支持；（2）坐标系和轴的初始化；（3）运动程序和PLC程序的编写和输入；（4）显示PMAC卡接口实时状态等。3.1.2PComm32proPComm32pro是DeltaTau公司为PMAC开发的最新的通讯驱动函数库，其前身是PComm32。PComm32pro共包含400多个动态链接库函数，由PMAC.DLL(通讯函数库)、PMAC.SYS(内核驱动程序)和PMAC.VXD(32位虚拟设备驱动程序)三个文件组成,,几乎提供了所有与PMAC进行通讯的方法。其程序设计方便、灵活、可移植性好，可用于Windows98/Me/2000和XP下PMAC应用程序的开发。并且PComm32pro适用于各种类型的PMAC。结构示意图如图3.2所示。图3.1PEWin32pro界面图3.2PComm32pro结构图3.1.3PTALKDTPTALKDT可以提供强大而有效的与PMAC的通讯，作为一个ActiveX控件，是一个面向DeltaTau公司提供的32位驱动器Pcomm32的友好用户接口。我们都知道通讯函数在可靠的应用软件中扮演了极为重要的角色，而PTALKDT可以使编程人员免去了自己编写通讯程序的烦琐任务。PTALKDT为用户提供多种同PMAC进行通讯的方式，可用PC总线、DPRAM或者串行口进行PC机与PMAC之间的通讯。3.2PMAC卡的变量PMAC有许多种类型的变量。每个字母代表不同类型的变量，每种类型有自己的特点。在PMAC中，一个变量是由一个跟随着0到1023的数字的单个字母(I，P，Q或M)指定的。不同类型的变量都有这样一个共同的特征，当在一个表达式内引用它们的名字时，将使用这些变量的当前值(读出)；还可通过等式给它们赋值(写入)。3.2.1I变量I变量（初始化或设置变量）在内存中有固定的位置，并有预先定义好的意义，他们对PMAC卡功特性进行设置。大多数为整形量，特定变量的值的变化范围是不一样的。一共有1024个I变量，从I0到I1023，如下表3.1所示。表3.1I变量对应的设置I变量定义IO-I79一般的PMAC卡设置I80-I99连接旋转变压器设置I100-I1841#电机设置I185-I199坐标系1设置I200-I2842#电机设置I285-I299坐标系2设置…………I800-I8848#电机设置I885-I899坐标系8设置I900-I9791-16编码器设置I980-I1023为其他用途保留例如：数控系统需控制五个轴，则PMAC卡需要保证5个电机启动，另外三个通道关闭。为保证PMAC2A-PC104能够正常使用，必须设置相应的初始化I变量，具体设定如下：I100=1；I200=1；I300=1；I400=1；I500=1；I600=0；I700=0；I800=0；I7000=6527；I7001=0；I7002=3；I10=3713991；I101=1；I7016=3；I102=$78002；I125=$78000；I124=$120001；I183=$78001；I7010=7；3.2.2M变量M变量一般只需要用在线命令进行一次定义，因为它将被存在后备电池RAM或闪存内。被定义的M变量可以重复使用。M变量的定义是通过由减号和大于号组成的“定义箭头”(->)来完成的。首先可以将M变量与I/0端口联系起来，通过前文得知每个PMAC多轴运动控制器可接32个I/0板，每块板有A,B两个端口，其中A为只读，B端口为只写。每个端口共有32个数据输入/输出位，这样通过定义一个与之对应的32位M变量来对I/O口操作，定义的格式如下:Mxxxx->TWS：4x(n+(0或1))+(1或2)其中xxxx是一个0至1023间的整数，TWS是将M变量与I/O板联系的命令符；n是卡的序号，范围从0至31,要与I/0卡上拨码开关的设置相同；(0或1)指定I/0板端口。0为A端口，1为B端口；后一个括号中的数字设定卡的读写特性,1为只读,2为只写。例如定义变量M501为第一块I/O卡A端口：M501->TWS：1//1#板A端口，只读1=4x(0+0)+1定义变量M507为为第二块I/0卡B端口：M507->TWS：14//1#板B端口，只写14=4x(1+1)+23.2.3P变量P变量是全局用户变量。共有1024个P变量，从P0到P1023。一个给定的P变量与其它P变量是一样的；所有坐标系都可以读写所有的P变量（与Q变量对比，它只能被给定的坐标系读写）。这就允许在不同的坐标系间传递有用的信息。P变量在程序中可任意使用：位置，距离，速度，时间，模式，角度，中间计算，等等。它们在内存中有固定的位置，为48位的浮点变量，但没有预先定义用途。举例：如果想顺序地把P101到P200作为位置输入，则可使用下面的这段语句。F10P1=101；数组检索变量WHILE(P1<201)；开始循环X(P(P1))；随着P1改变，目标位置也随之改变DWELL100P1=P1+1；给检索变量增量ENDWHILE3.2.4Q变量Q变量，像P变量一样，是通用的用户变量。一个给定的Q变量的意义(以及它包含的值)和使用它的坐标系有关。这导致几个坐标系可以使用同一个程序。例如，都包括直线X(Q1+25)Y(Q2))，但它们自己的Q变量的值不同(在这里表示不同的目标点)REF_Ref11072\r\h[11]。但是Q变量在内存中有固定的位置，为48位的浮点变量，却没有预先定义用途。PMAC卡Q变量的内存分配如表3.2所示。表3.2PMAC卡Q变量的内存分配内存位置坐标系1坐标系2坐标系3坐标系4坐标系5坐标系6坐标系7坐标系8$14000512768256896384640128………………$147F1276398953831023511767255$14801286408963840512768256………………$14FF2557671023511127639895383$15002567680512128640896384………………$157F3838951276392557671023511$15803848961286402567680512………………$15FF5111023255767383895127639$16005120256768384896128640………………$167F6391273838955111023255767$16806401283848965120256768………………$16FF7672555111023639127383895$17007682565120640128384896………………$177F8953836391277672555111023$17808963846401287682565120………………$17FF1023511767255895383639127当通过一个运动程序来存取一个Q变量时，该变量将属于运行该程序的坐标系。如果不同的坐标系运行相同的运动程序，它将使用不同的Q变量。当想要通过一个PLC程序存取Q变量时，将使用由PLC程序中的ADDRESS命令指定的坐标系的Q变量。每个PLC程序都可以选定一个特定的坐标系，它与其它的PLC程序或主机的选定是独立的。如果PLC程序中没有使用ADDRESS命令，程序将使用坐标系1的Q变量。3.3运行运动程序的步骤3.3.1系统初始化系统的初始化主要进行PMAC的选择和参数预置等功能，在系统软件运行过程中完成，通过OpenPmacDevice(DeviceNumber)函数实现PMAC卡的识别和加载，函数PmacGetResponseA(DeviceNumber，response,255,"%100")初置伺服电机速度，函数PmacSendLineA(DeviceNumber,"#1j/#2j#3j/l4j/#5j/#1hm#2hm#3hm#4hm#5hm")实现电机闭环控制并返回零点。初始化代码如下：PrivateSubForm_Load()DeviceNumber=PmacSelect(hWnd)’选择PMAC卡If(DeviceNumber<0OrDeviceNumber>7)ThenEndElsereturn_value=OpenPmacDevice(DeviceNumber)’启动PMAC卡If(return_value)ThenTimer1.Enabled=TrueTimcr2.Enabled=TrueTimer3.Enabled=TrueTimcr4.Enabled=TrueTimer5.Enabled=TrueCallPmacGetResponseA(DeviceNumber,response,255,"%100")’初置电机速度CallPmacSendLineA(DeviceNumber,"#1j/#2j/#3j/#4j/#5j/#1hm#2hm#3hm#4hm#5hm")’电机闭环控制并返回零点hsbspeed.Value=100ElseEndEndIfEndIfopLmotor(0).Value-Truereturn_value=PmacGetResponseA(DeviceNumber,response,255,"#5p")Text1(4).Text=Format(CStr(response/10000),"0.000")Labell.Caption="%:"&hsbspeed.ValueEndSub3.3.2设置一个坐标系为了在PMAC卡上运行程序，必须首先定义一个坐标系，以1#坐标系为例设置坐标系。定义轴输入&1命令。这将指向1#坐标系。可以通过键入&<CR>来确认当前坐标系。接着，输入#1->X命令(1和X之间的箭头由减号和大于号组合而成；箭头之前没有空格)。它表示1#坐标系(&1)的X轴同1#电机配给。在这里，X轴的单位默认为为一个编码器步数。比例系数轴如果想要缩放X轴的单位，可以在定义时在X之前放置一个放大系数。例如，如果电机有一个500线的编码器，以4X译码，和一个5螺距(每英寸5转)丝杆直线转换运动，得到10，000步/英寸，则用#1->10000X来定义X轴。多轴如果要设置另一个电机，想要把它包括在同一个坐标系内。例如，#2->10,000Y把2#电机匹配给这个坐标系的Y轴，单位是10,000步1用户单位。3.3.3编写一个运动程序在定义坐标系之后，就可以准备编写一个程序。输入OPENPROG1命令来打开一个程序缓冲区，并且输入CLEAR来清除缓冲区内可能存在的任何东西。现在输入的程序行将被存在1#程序缓冲区内。一个完成简单的前后梯形运动的程序如下所示：LINEAR;直线插补ABS;绝对运动模式F2.00;2英寸/秒.X10.0;移到X=10英寸X0.0;移回X=03.3.4程序开始在把程序输入PMAC的缓冲区后，它将被运行。在运行程序1之前，确认已指定了希望程序运行的坐标系(在我们的例子中为&1)，键入B1<CR>(指向程序1的开始)，然后键入R<CR>。带数值的B命令指定了坐标系下的工作程序。R命令将开始执行该程序。3.3.5程序停止停止程序运行有许多方法。Q命令（Quit）意为在当前执行运动结束后停止程序，A命令(Abort)意为坐标系中的电机立刻开始减速，这两个命令使程序准备执行(运行或单步)程序的下一行。如果想要重新开始程序，输入B命令(无数值的B命令意为重新执行当前工作)，它将程序计数器重置回顶部(程序完成后将自动把计数器置回顶部)。3.3.6简单运动程序实例本例是在PMAC上编写一个简单的运动程序。首先程序规定了怎样运动,然后执行运动。**********************************设置和定义*********************************************&1;坐标系统1CLOSE;确保所有缓存关闭#1->X;电机#1定义为X轴*********************************运动程序文本********************************************OPENPROG1;打开缓存，为#1电机编程输入程序CLEAR;清楚缓存内容LINEAR;线性插补运动方式ABS;绝对方式：运动由位置规定TA500;设置500毫秒加速时间TS0;设置无S曲线加速时间F5000;设置5000单位的进给速度X10000;使X轴运动到位置10000DWELL500;在此停顿50毫秒X0;使X轴运动到位置0CLOSE;关闭缓存，结束程序*********************************执行此程序**********************************************&1B1R;坐标系1，指向程序开始，运行程序3.4如何用PMAC卡的语言实现G、M代码PMAC可以把通用的机床G、M、T和D代码作为子例程来调用，从而执行机床类型的G、M、T、D程序。3.4.1G、M、T、D代码当PAMC在运动程序中遇到带有一个值的字母G，会认为这是在调用运动程序10n0的命令，其中n是G字母后的值的百位上的数值。去掉百位上的数字得到的值乘上1000以后将会得到用来指定行标的数值。当遇到一个返回语句时，他将返回调用它的程序REF_Ref25895\r\h[19]。例如，当遇到G15时会跳转至PROG1000的N15000,遇到G114时会跳转至PROG1010的N14000。与G代码所不同的是，M代码所用的是PROG10n1，T代码用的是PROG10n2，D代码用的是PROG10n3。3.4.2G代码的实现（1）G00点到点定位在PMAC卡中可以通过使用RAPID命令可以实现该代码的运行。（2）G01直线插补在PMAC卡中可以通过使用LINER命令实现该代码的运行。（3）G02平面顺时针圆弧在PMAC卡中可以使用CIRCLE1命令来实现，例如：N02000CERCLE1RET。（4）G03平面逆时针圆弧在PMAC卡中使用CIRCLE2命令来实现的，例如：N02000CIRCLE2RET。（5）G04暂停该代码要求使用READ命令和DELL命令。不同的G代码在一个P之后或在一个X之后有一个保持时间。PMAC相应的使用一个RE