本科毕业设计基于运动控制卡的开放式数控系统研究Word文档下载推荐.docx
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第一章绪论
数控技术作为制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，已成为先进制造技术的重要组成部分，是发展现代集成制造和智能制造的主体技术，是当今各种先进制造系统的基础和前提条件。
数控系统是数控技术的核心，也是数控发展的关键技术，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要的作业。
因此，数控系统技不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础性战略技术，越来越得到世界各国的高度重视和大力发展。
1.1数控系统的发展
1.开放结构的发展[1]
自从1952年美国马省理工学院研制出第一台试验性数控系统以来，数控技术发展十分迅速，从电子管数控、晶体管数控、中小规模IC数控，到小型计算机数控、微处理数控，再到基于个人PC机数控，已有50余年的历史了。
它综合了计算机、通信、微电子、自动控制、传感测试、机械制造等多门技术，数控系统从性能到可靠性都得到了根本性的提高。
PC的引入，不仅微CNC提供了十分坚实的硬件资源和及其丰富的软件资源，更为CNC开放化提供了基础。
2.伺服驱动系统的发展
伺服技术是数控系统的重要组成部分，它的电动机、电路及检测装置等的技术水平都有极大的提高。
电动机由早期采用步进电动机和液压扭矩放大器，到采用液压伺服系统、小惯量直流伺服电动机、大惯量直流伺服电动机、交流伺服电动机以及近来出现的数字伺服系统。
与通常的模拟伺服系统相比，数字伺服系统的脉冲当量从1um减小到0.1um，进给速度仍能达到10m/min。
组成伺服驱动电路的位置、速度和电流控制环节部分实现数字化，甚至以单片微机或高速数字信号处理器为硬件基础，进行全数字化控制，与CNC系统的计算进行双向通信联系，就避免了零点漂移，提高了位置与速度控制的精度和稳定性。
3.CNC系统的连网
数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；
网络的主要任务是进行通信，共享信息。
这种通信通常分为三级：
工场管理级、车间单元控制级和现场设备级。
其中，现场总线是面向工场底层自动化及信息集成的数字网络技术，它集现场设备的远程控制、参数化机故障诊断为一体。
由于现场总线具有开放性、互操作性、互换性、可集成性，因此是实现数控系统设备层信息集成的关键技术，对提高生产效率、降低生产成本非常重要。
4.数控机床结构的发展
数控机床的主运动部件不断向高速化方向发展，除采用直流调速电动机和交流变频调速电动机驱动主轴部件，以提高主运动的速度和调速范围，并缩短传动链外，近来更有采用电主轴，将主轴部件做在电动机转子上，从而大大提高了主轴转速和减少了机械传动惯量，主轴转速最高可达30000-100000r/min，而且仅用1.8s即可从零转速升到最高转速。
1.2数控系统的组成和工作原理
1.2.1数控系统的组成
机床数控系统主要由几个部分组成：
零件加工程序的输入、数据处理、插补计算和伺服机构的控制。
应用计算机的数控机床是综合了现代计算机技术、自动控制技术、传感器和测试技术、机械制造技术等领域的最新成就发展起来的，它使得机械加工达到了更高的水平。
计算机数控系统主要由硬件和软件两大部分组成。
系统控制软件配合系统硬件合理的组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息与控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求，有条不絮的进行加工。
软件的组成如图1-1所示[2]：
零件程序的输入输出
管理软件显示
诊断
系统软件译码
刀具补偿
控制软件速度控制
插补运算
位置控制
图1-1CNC系统软件的组成
1.2.2数控系统的工作原理
1.输入
输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。
CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。
存储方式是将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出；
NC方式是CNC一边输入一边加工的方式，即在前一程序加工时，输入后一个程序的内容。
2.译码
译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线和圆弧等），加工速度信息（F代码）和其它辅助信息（M、S、T等代码）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专业区域。
编译过程中还有进行语法检测，发现错误立即报警。
3.刀具补偿
刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。
通常，通常零件程序是以零件轮廓轨迹来编程。
刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。
4.进给速度处理
数控加工程序给定的刀具移动速度，是在各坐标合成方向上的速度。
速度处首先要进行的工作是根据合成速度来计算个运动坐标方向的分速度。
另外对于机床允许的最低和最高速度的限制也在这里处理。
有的数控机床的CNC软件的自动加减速也放在这里。
5.插补
插补的任务是在一条已知起点和终点的曲线上进行“数据点的密化”。
插补是在每
个插补周期运行一次。
在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。
通常经过若干个插补周期后，插补完成一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
6.位置控制
位置控制处在伺服系统的位置环上，主要任务是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈为是相比较，用其差值去控制进给电机。
在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等，以提高机床的位置精度。
7.I/O处理
I/O处理主要是处理CNC与机床之间的强电信号的输入、输出和控制（如换刀、换
挡、冷却等）。
8.显示
CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。
有的CNC系统中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图像显示。
9.诊断
诊断功能分联机诊断和脱机诊断。
联机诊断是指CNC系统中的自诊断程序，脱机
诊断是指系统运转条件下的诊断。
脱机诊断还可以采用远程通信方式进行。
1.3开放式数控系统
1.3.1开放式数控系统产生的历史背景[2]
从1952年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展已日趋完善，已由最初的硬件数控（NC）,经过计算机数控（CNC），发展到今天以微型计算机为基础的数控（MNC）、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS）等，现在正朝着更高的水平发展。
但随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，对制造商所产生的产品不但要求价格低、质量好，而且要求交货时间短，售后服务好，还要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。
而传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。
传统数控系统的缺点如下：
（1）系统硬件和软件结构都是专用的，各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性，软件也无可移植性、无可伸缩性；
（2）各种数控系统都具有专用复杂的内部结构，一旦数控系统发生故障，往往要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用；
（3）升级和进一步开发困难，市场上难以找到可替换的配件，致使部件损坏不能及时修复而导致整个设备不能正常运行；
（4）与通用计算机不兼容，致使专用封闭式数控系统的发展一般滞后5年左右。
1.3.2开放式数控系统的概念和特征
从目前研究来看开放式数控系统体系结构还没有统一、明确的概念,实现技术还处于百家争鸣的阶段，美国电气电子工程师协会给出的开放式数控系统的定义是：
能够在多种平台上运行，可以和其他系统相互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。
一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征:
（1）即插即用（plug&
play）：
数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力,以满足具体控制功能要求。
（2）可移植性（portability）：
功能模块可运行于不同的控制系统内。
（3）可扩展性（expandability）：
功能相似、接口相同的模块之间可相互替换,有随技术进步而更新硬软件的可能。
（4）可缩放性（scalability）：
控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减,成为规模化系列产品。
（5）互操作性（interoperability）：
模块之间能相互协作（交换数据）,容易实现和其他自动化设备互连。
因此，一个完全开放的数控系统应该是：
以分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造应该是可移植的和透明的；
系统的拓补结构和性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途。
即可实现CNC、PLC、RC（RobotControll）和CC（CellControll）等控制功能；
系统中各模块相互独立，在此平台上、系统厂、机床厂及最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中，进行系统开发设计时,允许各模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求；
同时使来自不同供应商的模块之间具有相互操作性。
只有这样才能保证机床厂、用户对系统作补充、扩展或者修改。
1.3.3开放式数控系统的优点
正是开放式数控系统的特性,使其具有传统数控系统无法比拟的优点,成为数控技术发展的方向。
开放式数控系统的优点主要有:
（1）向未来技术开放。
由于软、硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容。
这将使系统的开发费用大大降低而系统性能与可靠性将不断改善，并处于长生命周期。
（2）标准化的人机界面，标准化的编程语言，方便用户使用。
（3）向用户开放。
通过更新产品、扩充功能、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足用户特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止。
另外，用户自身的技术能方便地融入，创造出自己的产品。
（4）可减少产品品种，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强了市场响应能力和竞争能力。
1.3.4开放式数控系统结构的分类
就结构形式而言，基于PC的开放式数控系统主要有3种[9]：
（1）PC嵌入NC型。
该类型系统是把PC嵌入到NC内部，PC与NC之间用专用的总线连接。
PC将实现用户接口、文件管理以及通信功能等，NC卡将负责机床的运动控制和开关量控制。
这种数控系统通常由厂家选用PC的功能部件，将其集成到CNC中，PC与CNC之间采用专用的总线进行快速数据传输。
这种数控系统的优点既继承了制造商多年来积累的数控软件技术，又利用了计算机丰富的软件资源。
但这种数控系统尽管具有一定的开放性。
但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。
因此，用户无法介入数控系统的核心。
（2）NC嵌入PC型。
以PC机作为系统的核心，把运动控制卡插入到PC机的扩展槽中完成数控系统的功能，软件的通用性好，一般PC机处理各种非实时任务，运动控制卡处理实时任务。
这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力。
它本身就是一个数控系统，可以单独使用。
（3）软件（SOFT）型。
CNC功能全部由应用软件来实现，硬件部分仅是PC与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。
该系统具有较好的开放性，但由于控制系统运行于非实时的操作系统Windows上，系统的实时性要求处理就比较困难，开发难度大。
其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC等。
本系统着眼于经济型数控机床控制系统的设计，选择NC嵌入PC型进行开放式数控系统的开发研究。
以PC+运动控制器为控制系统核心，系统的控制轴数为4轴，联动轴数为3轴，驱动原件为伺服电动机，选用的运动控制卡是MPC07。
第二章数控系统的实现
2.1数控系统硬件的实现
2.1.1数控系统硬件综述
数控系统由I/O装置、CNC装置、驱动控制装置和机床电器逻辑控制装置四部分组成，从总体看它是几个部分通过I/O接口的互连，以单微处理器结构为例如图2-1所示。
CPU
总
线
EPROM
COMSROM或磁泡存储器
读带机
读带机接口
纸带穿孔机
穿孔机和电传机接口
电传机
机床
I/O接口
MDI/CRT接口
数控面板
CRT
位置控制
速度控制单元
M
PLC接口
图2-1数控系统结构框图
CNC装置是数控系统的控制核心，其硬件和软件控制着各种数控功能的实现，它与数控系统的其他部分通过接口相连。
CNC装置与通用计算机一样，是由中央处理器（CPU）及存储数据与程序的存储器等组成。
存储器分为系统控制软件程序存储器（ROM），加工程序存储器（RAM）及工作区存储器（RAM）。
CNC系统对机床进行自动控制所需的各种外部控制信息及加工数据都是通过输入设备送入CNC装置的存储器中，作为控制的依据。
一般输入CNC系统的有关零件加工程序、控制参数和补偿数据因输入设备而异，有多种输入方式：
纸带输入、键盘输入及计算机通信输入等。
而CNC系统的工作过程状态和数据一般通过显示器和各种指示灯开向用户显示。
驱动控制装置用以控制各个轴的运动，其中进给轴的位置控制部分常在数控装置中以硬件位置控制模块或软件位置调节器实现，即数控装置接收实际位置反馈信号，将其与插补计算出的命令位置相比较，通过位置调节作为轴位置控制给定量，再输出给伺服驱动系统。
2.1.2嵌入式系统硬件结构
嵌入式数控系统必须包含一个可编程计算部件，也可以包含多个，构成多CPU系统。
嵌入式处理器或控制器种类很多，比较常用的有ARM、嵌入式X86、MCU等，处理器是整个系统运算和控制的中心，它的架构越来越趋向由于采用RISC指令集Harvard架构。
如图2-2所示，一般嵌入式处理器中集成CLD控制器，它提供薄膜晶体管液晶屏（TFT）显示器的接口，通过这个接口可以直接驱动液晶屏显示。
内存单元
内存
FLASH
串口
USB
嵌入式可编程计算部件
PLC
进给轴接口
主轴接
以太网接
传感器接口
I/O
主轴驱动单元
伺服单元
显示接
图2-2嵌入式系统硬件结构图
平台通过USB主控制器实现对USB设备的支持和控制。
处理器中也可能集成了USB客户端控制器，一般通过这个接口进行上位机与平台间的应用软件调试。
串口用来实现上、下位机通信，在有些伺服驱动装置中也提供串口连接，因此也可通过串口与驱动连接。
进给轴接口是数控系统和进给伺服系统的桥梁，现阶段常用的伺服控制系统，进给控制接口一般有串行式接口、脉冲式接口、模拟式接口等。
主轴控制接口数控系统与主轴驱动单元，它包含两个部分：
主轴速度控制输出和主轴编码器输入。
数控系统内集成的PLC主要完成主轴转速的S代码，刀具功能的T代码和控制主轴正反转与起停、主轴换挡、冷却液开关、卡盘松紧等M代码。
传感器接口用来检测机床的位置信息，实现各种控制算法的计算输入。
2.1.3NC嵌入PC式结构数控系统的硬件组成
硬件结构是CNC系统工作的基础。
嵌入式数控的硬件结构必须全面支持开放式系统的互操作性、移植性、互换性、可扩展性等开放理念，有利于系统的集成、更新、维护和向新技术迁移。
因此，嵌入式体系结构硬件应该是以总线和网络为基础的模块化拓扑结构。
硬件结构的开放化设计主要包括两个方而，即模块的划分与总线的选择。
“NC嵌入PC”式结构，它由开放体系结构运动控制卡+PC机构成。
它开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统。
因而这种开放结构运动控制卡被广泛应用于制造自动化控制各个领域。
“NC嵌入PC”式结构框图如图2-3所示：
PC机
输入任务输出显示
DPRAM
运动控制卡
（MPC07）
编码器输入伺服输出
图2-3NC嵌入PC式结构框图
NC嵌入PC的开放式数控系统旨在突破传统数控系统壁垒，建立一种基于PC平台的人机交互性较好、扩展性较好、廉价、易以维护的开放数控系统。
通过可视的界面，采用普通PC加运
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