21 数控CNC 系统的分析选用.docx

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21数控CNC系统的分析选用

第1章引言

1.1本课题研究的意义及主要内容

数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。

随着IC技术和计算机技术的发展，市场上出现了多种功能强大的微控制器，为开发新型的、面向不同应用对象和层次的高性价比数控系统提供了坚实的平台。

随着市场和科学技术需求的不断发展，现代制造技术对加工设备提出了更高的要求。

传统的加工手段逐渐被数字化、集成化、智能化及网络化的数控加工方式所代替。

模块化的开放式数控系统是当今数控技术发展的方向，其实现的最主要途径是数控系统的PC化。

数控模块PC化有3种类型，其中应用最广泛的是“PC+数控模块”的结构。

PMAC（Programablemultiaxescontroller）多轴运动控制器就是这样的一个模块。

本文介绍在对车床改造中开发的以工业控制机（IPC）为系统支撑平台，以PMAC运动控制器为数控模块的双CPU开放式数控系统。

该系统用IPC处理非实时部分，而插入IPC的PMAC多轴运动控制器承担运动的实时控制。

本系统的特点是:

各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度。

第2章机床数控设计改造及数控系统分析选用

数控系统一般分为硬件数控系统（NumericalControl简称NC）和计算机数控系统又称软件数控系统（ComputerNumericalCentral简称CNC）两种。

计算机数控系统（CNC）是在硬件数控系统（NC）基础上发展起来的，是一种包含计算机在内的数字控制系统，是由专用计算机控制软件实现部分或全部功能的数控系统，它很容易通过软件来更改或扩充功能，CNC系统的逻辑控制，几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一执行。

2.1数控（CNC）系统的分析选用

机床数控系统设计，数控系统的选择对设计结果起到关键作用。

容易被接受的数控系统应具备良好的性价比、高的可靠性、强大的操作功能，以及良好的售后服务和市场供应性。

现在数控系统升级和功能拓展的可能性也是消费者着重考虑的问题之一。

数控系统的选择有多种方案，如全部自行设计、制作；采用单片机或STD模块改制；选用现成的数控系统作少量的适应性改动或配接。

模块化开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。

多CPU开放式数控系统实现的最主要途径是数控系统的PC化，PC化有三种途径：

1）在PC机上增加数控模块；2）在数控系统上增加PC模块；3）以软盘文件的形式来管理数控程序，把CNC模块插入PC机中是PC化的一种主要方式，PMAC（ProgrammableMultipleAxesController）运动控制器就是这样的一个数控模块。

本设计提出了以PMAC运动控制器作为CNC模块，工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并将该控制系统应用于车床数控数字化测量加工系统的开发，取得了良好的效果。

本设计介绍了基于PMAC的并行双CPU开放式数控数字化测量加工系统，并给出了硬软件的设计框图。

本系统的特点是：

各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度。

第3章数控车床系统的硬件结构

3.1硬件系统框架

数控车床系统的硬件包括IPC机、运动控制器、驱动器、电动机、立式车床。

IPC机提供了一个软件的开发平台（采用Windows操作系统），用户可以根据运动控制器提供的接口函数，开发自己的软件控制系统；运动控制器可以对机床的连续轨迹运动进行多轴联动控制，内部提供了典型的插补算法，如直线插补、圆弧插补等。

系统采用“NC嵌人PC”型开放式结构，即在工控机为系统支持平台的基础上，采用PMAC2一Lite可编程多轴控制器作为核心控制器，以PMAC插入IPC内扩展插槽的方式形成数控系统的控制中心。

IPC上的CPU与PMAC卡上的CPU构成主从式双微处理器结构，2个CPU分别完成相应的功能。

作为核心管理者的IPC，主要实现对底层设备的管理和宏观控制，以及系统后台数据管理调度和人机交互接口等功能。

而作为核心运动控制者的PMAC2-Lite，则主要完成车床各轴的运动控制，控制面板开关量的控制及PLC等实时性任务。

控制系统硬件由工业控制机（IPC），在板配置有双端口RAM的四轴运动控制器PMAC2一Lite,Acc一34AI/0扩展接口板，Acc一8P伺服信号中转板，松下公司的交流伺服系统（包括电机和驱动器），变频器等组成。

数控系统硬件框图如图3-1所示。

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图3-1系统硬件组成框图

第4章数控系统硬件具体设计内容

车床控制系统采用工业控制机（IPC）为基础，在工业控制机主板上的内扩展槽插上PMAC多轴运动控制器和双端口存储器（DPRAM），形成该机床的控制中心。

工业控制机上的CPU与PMAC的CPU（DSP56001）构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中PMAC主要完成机床三轴的运动控制、控制面板开关量的控制和数字化采集的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。

为了实现PMAC多轴运动控制的功能，还需在PMAC板上扩展相应的I/0板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等，最终形成一个完整的控制系统。

控制系统硬件由主频为233MHz的工业控制机、PMAC-Lite1.5运动控制器、I/0板、双端口RAM（DPRAM）、伺服单元及交流伺服电机等组成。

数控系统的硬件组成框图如图4-1所示。

图4-1数控系统的硬件组成框图

（1）PMAC运动控制器与主机之问的通讯采用了两种方式。

一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通信，主机与PMAC运动控制器主要通过PC总线通讯，至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM交换信息。

总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找PMAC运动控制器，其中指定的地址是由PMAC的跳线确定。

双端口RAM主要是用来与PMAC进行快速的数据通讯和命令通讯。

一方面，双端口RAM在用于向PMAC写数据时，在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载；另一方面，双端口RAM在用于从PMAC中读取数据时，可以快速地重复地获取系统的状态信息。

譬如，交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停被更新，并目能够被PLC或被PMAC自动地写入DPRAM。

如果系统中不使用DPRAM，这些数据必须用PMAC的在线命令（如?

P,V等），通过PC总线进行数据的存取。

由于通过DPRAM进行的数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时问要少得多，因此响应的速度就快得多。

在该控制系统中，主机和PMAC之问数据的传送利用了PMAC为DPRAM提供的如下功能：

1）DPRAM控制面板功能（从主机到PMAC）；

2）DPRAM伺服系统状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；

3）DPRAM后台常量状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；

4）DPRAM后台变量状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；

5）DPRAMASCII通讯缓冲区（双向）；

6）DPRAM二进制转换程序缓冲区（从主机到PMAC）；

除了上面快速自动的存取功能外，还可以用PMAC的M变量和主机的指针变量来指定DPRAM中还没有被使用的寄存器，实现数据在主机与PMAC之问的传送。

而PMAC在使用数据采集功能时，所采集的数据直接送到DPRAM中，而不是常规的RAM中。

该控制系统利用了DPRAM进行数据的自动存取，提高了系统的响应速度和系统加工精度，该机床控制系统的分辨率为1um，同时也方便了控制系统中模块之问的快速通讯和地址表的设定，便于编程。

（2）PMAC系统的内置PLC功能是经智能I/0接口的输入输出实现的。

在控制系统中，送入PLC的输入信号主要有:

操作面板和机床上的控制按钮选择开关等信号；各轴的行程开关机械零点开关等信号；机床电器动作、限位、报警等信号；强电柜中接触器、气动开关接触等信号；各伺服模块工作状态信号等。

这些信号是通过光电隔离以后送到智能I/0接口上，光电隔离有效地将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。

PLC输出的信号主要有:

指示灯信号；控制继电器、接触器、电磁阀等动作信号；伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。

这些信号经I/0接口送到相应的继电器上，最终控制相应的电器。

（3）A/D接口板的主要作用是将仿形仪送出的代表压偏量的额定模拟电压转化为数字量，作为压偏量反馈信号供闭环仿形控制或数据采集所用。

D/A接口将CPU计算出的各轴速度指令信号转化成模拟量送到各轴的交流伺服模块，以控制各轴伺服电机的运动。

该系统的A/D转换器内置于PMAC中，同时通过光电藕合器进行光电隔离，有效地将数字地与模拟地隔离开来，提高了系统可靠性和稳定性。

第5章系统软件功能模块设计与实现

该数控系统采用了前后台式结构，相应地整个软件分为前台程序和后台程序。

前台程序的设计充分考虑了软件的开放性，这样就可以根据某些具体要求增加软件的功能模块，为了实现这样的功能，要在调度程序中留有一定的时间片供使用，PMAC应用程序提供了利用中断调用这些模块的功能。

前台程序主要包括插补模块、伺服驱动模块、PLC监控模块、数据采集及数字化加工模块等，也可以根据具体要求加入一些新的控制模块。

前台程序功能模块如图5-1所示，其功能模块如图5-2所示。

该数控系统采用的“PC+运动控制器”的主从分布式结构体系。

上位机的应用程序是在Windows操作系统下，采用VC++6.0开发而成的。

在Windows境下开发控制系统，可以很方便地与CAD/CAM等多种应用软件相交互或集成，且VC++6.0是面向对象的编程语言，利用它更易实现程序的模块化，提高数控软件的可组合性和可重用性。

上位机应用程序实现的主要功能有:

①良好的人机界面；②多种数据的运算与处理；③与PMAC之间的信息传递；④系统的诊断。

数控车床的上位人机界面程序主要是将数控系统的操作界面显示在屏幕上，为操作者提供一个直观的操作环境。

这是数控软件开发中较重要的一部分，主要包括程序编辑、系统参数配置、加上运行、状态显示、自诊断和在线帮助等。

程序编辑界面主要用于数控文件的编辑、复制、存储和删除等操作，实现文档和系统内部数据的管理。

系统参数配置界面可以方便地配置M变量、I变量、电机参数等各个系统参数。

加工运行界面用于将NC代码进行解释并下载到PMAC中，通过PMAC去执行插补等功能。

状态显示界面用于显示电机的实际位置、命令位置、速度以及运动时间等各种状态参数，通过显示的参数来了解加工性能的好坏，从而根据需要在系统配置界面中调整参数设置。

自诊断界面用于显示各种主要故障原因及其初步解决方案。

在线帮助界面为用户提供该人机界面的使用帮助说明。

整个人机界面基于Windows环境，采用菜单式按钮，具有很好的人机交互性。

下位机应用程序即PMAC实时控制软件由预处理模块，插补运算模块，伺服驱动模块，PLC监控模块和数据采集模块等组成。

PMAC提供了直线插补、样条插补、与圆弧插补，位置-速度-时间（PVT）运动模式。

已经被固化在PMAC运动控制器中。

在加工时可以根据需要选择相应的运动模式。

伺服驱动算法也已作为PMAC内核的一部分，但PMAC允许用户使用自己编写的伺服算法。

这样就可以在运动程序中改变PID伺服滤波的控制参数得到一个良好的控制系统。

PLC监控模块主要是对系统状态进行判断，保证系统安全并对机床的输人输出等状态进行监控。

数控采集可以动态地对工件进行跟踪扫描，从而使运动控制器与外部事件同步。

程序解释模块由G代码解释、M代码解释、T代码解释组成，可以根据需要定做相应的代码。

这些解释程序在主机文本编辑器上编辑调试好后，下载到PMAC内存固定区域中，当加工时，PMAC自动调用相应的解释程序，保证了加工的实时性，再辅以电机参数和伺服参数的设置，就实现了实时控制的参数化。

图5-1前台功能模块图

图5-2后台功能模块图

在层次结构上，系统软件可分为以下3层:

应用层、核心层和硬件层。

应用层包括开发的应用程序及其它应用软件，通过接口API（PMAC.DLL和操作系统API）与核心层进行交互；核心层通过硬件驱动程序（PMAC.DLL）与系统硬件（PMAC2-lite和转接板）进行交互，从而完成了系统的基本控制和服务。

核心层由操作系统、控制核心和接口API组成。

如果需要对系统功能进行扩展，只需编写基于API的应用程序模块，而不必对整个软件系统做任何改动。

因此，核心层实现了对外基于API的完全开放性。

经过编译和解释，应用程序将加工程序、PLC程序和伺服程序在线指令等转化为PMAC卡可以识别指令，并调用PMAC.DLL函数通过实时控制中心实现对硬件的控制。

同时对硬件产生的中断进行及时的响应，实现了控制的实时性。

另一方面，操作系统核心与实时控制核心的紧密结合，作为系统软件的中心，控制着整个系统可靠稳定地运行。

第6章数控系统设计完成后的调试

在系统的硬件设计和软件设计都完成之后，最后需要对整个系统进行联合调试。

在过程中，可以发现并解决很多最初设计时所没有考虑到的问题，以便系统能在实际的作环境中稳定、可靠地工作。

将所有元器和芯片焊接在电路板上进行硬件调试。

为了便于调试和测试，PCB板在第一轮制作时，用了两层板。

经过硬件和软件调试，硬件设计验证正确，软件设计实现了基本功能，系统运行稳定可靠，满足了设计要求。

结论

随着我国国民经济的高速发展，数字控制技术的高度成熟，数控机床在制造业中发挥着重要作用，特别是近几年来应用比例越来越大，有效地保证了产品的质量，使得人们对其有了更清楚的认识。

但由于产品零件的类型、形状、尺寸、和用途的差异很大，零件的加工批量相差悬殊。

其质量和精度的要求也有显著的不同，因此制造业需要高、中、低档不同层次的数控机床。

而对于机床的数控系统更是要求甚高。

数控系统的选择应考虑其开放性、先进性、可靠性和可维护性。

长期以来，数控系统的发展一直采用封闭式的体系结构，是很难适应当今多元化生产的现状，人们提出了“开放式数控系统”的概念。

本论文对开放式数控系统的体系结构和构建标准进行分析和研究，具体工作总结如下：

1.对开放式数控系统的体系结构和国内外的研究现状进行了深入的分析和研究，提出了开放式数控系统应具备相互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点；

2.其中采用工业微机的开放式数控体系已成为世界数控技术的发展潮流，其性能价格比高、审计扩展能力强、可靠性和可维护性好；

3.分析了基于工业PC的开放式数控系统的三种结构形式进行了研究，我所开发的数控车床实验平台的硬件结构是把CNC模块插入PC机中的模式，数控系统采用模块化的结构；

4.提出了以PMAC运动控制器作为CNC模块，工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并将该控制系统应用于车床数控数字化测量加工系统的开发；

5.该数控系统以通用的工业控制机为基础，采用功能强大的运动控制器PMAC承担插补计算、位置控制速度控制等任务。

这种设计方案缩短了数控系统开发周期，且PMAC这种多任务并行执行及对优先级正确排序的能力，大大减轻了主机和编程器在处理事件和任务切换的复杂性这两方面的负担。

提高数控系统的控制精度、运行速度、加工精度、稳定性和多样性。

致谢

本论文的完成，首先要感谢母校——重庆三峡学院的辛勤培育之恩。

其次要感谢我的指导老师王悦善老师对我的指导和帮助，再次也感谢各位领导的关心和支持。

在王老师的悉心指导与无微不至的关怀帮助下，才使我的论文得以顺利完成。

王老师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。

老师以他严谨的治学态度和敏锐周密的思维言传身教，对科研事业的执著追求和不懈努力的精神，严谨治学、不断探索的科研作风，都给我留下了深刻的印象，让我受益匪浅，是我今后人生路上的最好榜样。

再次要感谢在论文设计中相互讨论的同学，他们在论文设计中给予了我很好的建议。

最后，向所有给予我关怀和帮助的师长和同学们表示衷心的感谢！

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英文翻译

CNClatheCNCsystemdesign

SHENGong-xu

ChongqingThreeGorgesUniversityAppliedtechnologyinstituteMachinerydesignmanufactureandautomation（Numericalcontrol）2006Grade,ChongqingWanzhou404100

Abstract:

Inthispaper,throughthemodernCNCtechnologystatusanddevelopmenttrendanalysisandresearch,combinedwithnumericalcontrolsystemdesignoftheoverallidea,proposedtoindustrialcontrolcomputerasthecore,usingPMAC2aLitemotioncontroller,designedanddevelopedanewtypeofCNCsystem,andintheapplicationofCNClathe.IPCforsystemmanagementfunctions,PMACtocompletethree-axismotioncontrolmachinetools,controlpanelswitchvolumecontrolanddigitalacquisitionofcontrol.TheCNCsystemhasbeentestrunthedebugger,thesystemisstableandreliableoperationtomeetthedesignrequirements."

Keywords:

PMACCNCsystemIPCDigitalCollection