【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 83。 37 參 考文獻(xiàn) 39 附錄 39 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 1 第一章 緒 論 數(shù)控技術(shù)作為制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，是發(fā)展現(xiàn)代集成制造和智能制造的主體技術(shù)，是當(dāng)今各種先進(jìn)制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)和前提條件。數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)的核心，也是數(shù)控發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，其功能強(qiáng)弱、性能 優(yōu)劣直接影響著數(shù)控設(shè) 備的加工質(zhì)量和效能發(fā)揮，對(duì)整個(gè)制造系統(tǒng)的集成控制、高效運(yùn)行、更新發(fā)展都具有至關(guān)重要的作業(yè)。因此，數(shù)控系統(tǒng)技不僅作為數(shù)控發(fā)展的先導(dǎo)技術(shù)，而且作為制造業(yè)的基礎(chǔ)性戰(zhàn)略技術(shù)，越來(lái)越得到世界各國(guó)的高度重視和大力發(fā)展。 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 [1] 自從 1952 年美國(guó)馬省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)以來(lái)，數(shù)控技術(shù)發(fā)展十分迅速，從 電子管數(shù)控、晶體管數(shù)控、中小規(guī)模 IC 數(shù)控，到小型計(jì)算機(jī)數(shù)控、微處理數(shù)控，再到基于個(gè)人 PC 機(jī)數(shù)控，已有 50 余年的歷史了。它綜合了計(jì)算機(jī)、通信、 微電子、自動(dòng)控制、傳感測(cè)試、 機(jī)械制造等多門技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)從性能到可靠性都得到了根本性的提高 。 PC 的引入，不僅微 CNC 提供了十分堅(jiān)實(shí)的硬件資源和及其豐富的軟件資源，更為 CNC 開放化提供了基礎(chǔ)。 伺服技術(shù)是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分 ，它的電動(dòng)機(jī)、電路及檢測(cè)裝置等的技術(shù)水平都有極大的提高。電動(dòng)機(jī)由早期采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和液壓扭矩放大器，到采用液壓伺服系統(tǒng)、小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)、交流伺服電動(dòng)機(jī)以及近來(lái)出現(xiàn)的數(shù)字伺服系統(tǒng)。與通常的模擬伺服系統(tǒng)相比，數(shù)字伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量從 1um 減小到，進(jìn)給速度仍能 達(dá)到 10m/min。 組成伺服驅(qū)動(dòng)電路的位置、速度和電流控制環(huán)節(jié)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，甚至以單片微機(jī)或高速數(shù)字信號(hào)處理器為硬件基礎(chǔ)，進(jìn)行全數(shù)字化控制，與 CNC 系統(tǒng)的計(jì)算進(jìn)行雙向通信聯(lián)系，就避免了零點(diǎn)漂移，提高了位置與速度控制的 精度和穩(wěn)定性。 系統(tǒng)的連網(wǎng) 數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺(tái)機(jī)床到控制多臺(tái)機(jī)床的分級(jí)式控制需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信 ； 網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是進(jìn)行通信，共享信息。這種通信通常分為三級(jí)：工場(chǎng)管理級(jí)、車間單元控制級(jí)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí)。其中，現(xiàn)場(chǎng)總線是面向工場(chǎng)底層自動(dòng)化及信息集成的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制、參數(shù)化 機(jī)故障診斷為一體。由于現(xiàn)場(chǎng)總線具有開放性、互操蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 2 作性、互換性、可集成性，因此是實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備層信息集成的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本非常重要。 數(shù)控機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)部件不斷向高速化 方向發(fā)展 ， 除采用直流調(diào)速電動(dòng)機(jī)和交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸部件， 以提高主運(yùn)動(dòng)的速度和調(diào)速范圍 ， 并縮短傳動(dòng)鏈外，近來(lái)更有采用電主軸，將主軸部件做在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上，從而大大提高了主軸轉(zhuǎn)速和減少了機(jī)械傳動(dòng)慣量，主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá) 30000100000r/min，而且僅用 即可從零轉(zhuǎn)速升到最高轉(zhuǎn)速。 數(shù)控系統(tǒng)的組成和工作原理 數(shù)控系統(tǒng)的組成 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主要由幾個(gè)部分組成 ： 零件加工程序的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)計(jì)算和伺服機(jī)構(gòu)的控制。應(yīng)用計(jì)算機(jī)的數(shù)控機(jī)床是綜合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器和測(cè)試技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等領(lǐng)域的最新成就發(fā)展起來(lái)的，它使得機(jī)械加工達(dá)到了更高的水平。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件合理的組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息與控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求，有條不絮的進(jìn)行加工。軟件的組成如圖 11 所示 [2]： 零件程序的輸入輸出 管理軟件 顯示 診斷 系統(tǒng)軟件 譯碼 刀具補(bǔ)償 控制軟件 速度控制 插補(bǔ)運(yùn)算 位置控制 圖 11 CNC 系統(tǒng)軟件的組 成 數(shù)控系統(tǒng)的工作原理 輸入 CNC 控制器的通常有零件加工程序、機(jī)床參數(shù)和刀具補(bǔ)償參數(shù)。 CNC 輸入工作方式有存儲(chǔ)方式和 NC 方式。存儲(chǔ)方式是將整個(gè)零件程序一次全部輸入到 CNC 內(nèi)部存儲(chǔ)器中，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中把一個(gè)一個(gè)程序調(diào)出 ； NC 方式是 CNC 一邊輸入一邊加蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 3 工的方式，即在前一程序加工時(shí)，輸入后一個(gè)程序的內(nèi)容。 譯碼是以零件程序的一個(gè)程序段為單位進(jìn)行處理，把其中零件的輪廓信息 （ 起點(diǎn)、終點(diǎn)、直線和圓弧等），加工速度信息（ F 代碼）和其它輔助信息（ M、 S、 T 等代碼）按照一定的語(yǔ)法規(guī)則解釋 成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在指定的內(nèi)存專業(yè)區(qū)域 。編譯過程中還有進(jìn)行語(yǔ)法檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤立即報(bào)警。 刀具補(bǔ)償包括刀具半徑補(bǔ)償和刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。通常，通常零件程序是以零件輪廓軌跡來(lái)編程。刀具補(bǔ)償?shù)淖饔檬前蚜慵喞壽E轉(zhuǎn)換成刀具中心軌跡。 數(shù)控加工程序給定的刀具移動(dòng)速度，是在各坐標(biāo)合成方向上的速度。速度處首先要進(jìn)行的工作是根據(jù)合成速度來(lái)計(jì)算個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)方向的分速度。另外對(duì)于機(jī)床允許的最低和最高速度的限制也在這里處理。有的數(shù)控機(jī)床的 CNC 軟件的自動(dòng)加減速也放在這里。 插補(bǔ)的任務(wù)是在一條已知起點(diǎn)和終點(diǎn)的曲線上進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化”。插補(bǔ)是在每 個(gè)插補(bǔ)周期運(yùn)行一次 。在每個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)，根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段。通常經(jīng)過若干個(gè)插補(bǔ)周期后，插補(bǔ)完成一個(gè)程序段的加工，也就完成了從程序段起點(diǎn)到終點(diǎn)的“數(shù)據(jù)點(diǎn)密化”工作。 位置控制處在伺服系統(tǒng)的位置環(huán)上，主要任務(wù)是在每個(gè)采樣周期內(nèi)，將插補(bǔ)計(jì)算出的理論位置與實(shí)際反饋為是相比較，用其差值去控制進(jìn)給電機(jī)。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標(biāo)方向的螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)?，以提高機(jī)床的 位置精度。 I/O 處理主要是處理 CNC 與機(jī)床之間的強(qiáng)電信號(hào)的輸入、輸出和控制（如換刀、換 擋、冷卻等）。 CNC 系統(tǒng)的顯示主要是為操作者提供方便，通常有零件程序的顯示、參數(shù)的顯示、刀具位置顯示、機(jī)床狀態(tài)顯示、報(bào)警信息顯示等。有的 CNC 系統(tǒng)中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模擬加工圖像顯示。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 4 診斷功能分聯(lián)機(jī)診斷和脫機(jī)診斷。聯(lián)機(jī)診斷是指 CNC 系統(tǒng)中的自診斷程序，脫機(jī) 診斷是指系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的診斷。脫機(jī)診斷還可以采用遠(yuǎn)程通信方式進(jìn)行。 開放式數(shù)控系統(tǒng) 開放式數(shù)控 系統(tǒng)產(chǎn)生的歷史背景 [2] 從 1952 年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái)，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已日趨完善，已由最初的硬件數(shù)控 （ NC） ,經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)控 （ CNC） ，發(fā)展到今天以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)控 （ MNC） 、直接數(shù)控 （ DNC） 和柔性制造系統(tǒng) （ FMS） 等，現(xiàn)在正朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場(chǎng)全球化的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，對(duì)制造商所產(chǎn)生的產(chǎn)品不但要求價(jià)格低、質(zhì)量好，而且要求交貨時(shí)間短，售后服務(wù)好，還要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個(gè)性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來(lái)越不能滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。傳 統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下： （ 1） 系統(tǒng)硬件和軟件結(jié)構(gòu)都是專用的，各廠家的主板、伺服電路板專門設(shè)計(jì)，廠家之間產(chǎn)品無(wú)互換性，軟件也無(wú)可移植性、無(wú)可伸縮性； （ 2） 各種數(shù)控系統(tǒng)都具有專用復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，一旦數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障，往往要找生產(chǎn)廠家來(lái)維修，很不方便，而且大大提高了維修費(fèi)用； （ 3） 升級(jí)和進(jìn)一步開發(fā)困難，市場(chǎng)上難以找到可替換的配件，致使部件損壞不能及時(shí)修復(fù)而導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備不能正常運(yùn)行； （ 4） 與通用計(jì)算機(jī)不兼容，致使專用封閉式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展一般滯后 5 年左右。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念和特征 從目前研究來(lái)看 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)還沒有統(tǒng)一、明確的概念 ,實(shí)現(xiàn)技術(shù)還處于百家爭(zhēng)鳴的階段 ，美國(guó)電氣電子工程師協(xié)會(huì)給出的開放式數(shù)控系統(tǒng)的 定義 是：能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)行 ， 可以和其他系統(tǒng)相互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。 一般來(lái)說 ， 對(duì)于開放式數(shù)控系統(tǒng)都強(qiáng)調(diào)五個(gè)方面的性能特征 : (1) 即插即用 （ plugamp。play）： 數(shù)控功能采用模塊化的結(jié)構(gòu)且各模塊具有即插即用的能力 ,以滿足具體控制功能要求 。 (2) 可移植性 （ portability） ： 功能模塊可運(yùn)行于不同的控制系統(tǒng)內(nèi) 。 (3) 可擴(kuò)展性 （ expandability） ： 功能相似、接口相同的模塊之間可相互替換 ,有隨技術(shù)進(jìn)步而更新硬軟件的可能 。 (4) 可縮放性 （ scalability） ： 控制系統(tǒng)的大小 （ 模塊的數(shù)量與實(shí)現(xiàn) ） 可根據(jù)具體的應(yīng)蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 5 用增減 ,成為規(guī)?；盗挟a(chǎn)品 。 (5) 互操作性 （ interoperability） ： 模塊之間能相互協(xié)作 （ 交換數(shù)據(jù) ） ,容易實(shí)現(xiàn)和其他自動(dòng)化設(shè)備互連 。 因此 ， 一個(gè)完全開放的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該是 ： 以分布式控制原則 ， 采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu) ， 其構(gòu)造應(yīng)該是可移植的和透明的 ； 系統(tǒng)的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)和性能應(yīng)是可縮放的 ， 以便根據(jù)需要可方便實(shí)現(xiàn)重構(gòu)、編輯 ， 實(shí) 現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途 。 即可實(shí)現(xiàn)CNC、 PLC、 RC （ Robot Cont roll） 和 CC（ Cell Cont roll） 等控制功能 ； 系統(tǒng)中各模塊相互獨(dú)立 ， 在此平臺(tái)上 、 系統(tǒng)廠、機(jī)床廠及最終用戶都可很容易地把一些專用功能和其它有個(gè)性的模塊加入其中 ， 進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí) ,允許各模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā) ， 為此要有方便的支撐工具 ， 各模塊接口協(xié)議應(yīng)明確 ， 具有一種較好的通信和接口協(xié)議 ， 以便各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過通信實(shí)現(xiàn)信息交換 ， 通過信息交換滿足實(shí)時(shí)控制要求 ； 同時(shí)使來(lái)自不同供應(yīng)商的模塊之間具有相互操作性 。 只有這樣才能保證機(jī)床廠、 用戶對(duì)系統(tǒng)作補(bǔ)充、擴(kuò)展或者修改 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 正是開放式數(shù)控系統(tǒng)的特性 ,使其具有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn) ,成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的方向 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要有 : (1) 向未來(lái)技術(shù)開放 。 由于軟、硬件接口都遵循公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議 ， 只需少量的重新設(shè)計(jì)和調(diào)整 ， 新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容 。 這將使系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善 ， 并處于長(zhǎng)生命周期 。 (2) 標(biāo)準(zhǔn)化的人機(jī)界面 ， 標(biāo)準(zhǔn)化的編程語(yǔ)言 ， 方便用戶使用 。 (3) 向用戶開放 。 通過更新產(chǎn)品、擴(kuò)充功能、 提供可供選擇的硬軟件產(chǎn)品的各種組合以滿足用戶特殊應(yīng)用要求 ， 給用戶提供一個(gè)方法 ， 從低級(jí)控制器開始 ， 逐步提高 ， 直到達(dá)到所要求的性能為止 。 另外 ， 用戶自身的技術(shù)能方便地融入 ， 創(chuàng)造出自己的產(chǎn)品 。 (4) 可減少產(chǎn)品品種 ， 便于批量生產(chǎn)、提高可靠性和降低成本 ， 增強(qiáng)了市場(chǎng)響應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類 就結(jié)構(gòu)形式而言，基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有 3 種 [9]： (1) PC 嵌入 NC 型 。 該類型系統(tǒng)是把 PC 嵌入到 NC 內(nèi)部， PC 與 NC 之間用專用的總線連接。 PC 將實(shí)現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信功能等， NC 卡將負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 6 制和開關(guān)量控制。這種數(shù)控系統(tǒng)通常由廠家選用 PC 的功能部件，將其集成到 CNC 中，PC 與 CNC 之間采用專用的總線進(jìn)行快速數(shù)據(jù)傳輸。這種數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)既繼承了制造商多年來(lái)積累的數(shù)控軟件技術(shù)，又利用了計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源。但這種數(shù)控系統(tǒng)盡管具有一定的開放性。但由于它的 NC 部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)還是不開放的。因此，用戶無(wú)法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。 (2) NC 嵌入 PC 型。以 PC 機(jī)作為系統(tǒng)的核心，把運(yùn)動(dòng)控制卡插入到 PC 機(jī)的擴(kuò)展 槽中完成數(shù)控系統(tǒng)的功能，軟件的通用性好，一般 PC 機(jī)處理各種非實(shí) 時(shí)任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制 卡處理實(shí)時(shí)任務(wù)。這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速 DSP 作為 CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和 PLC控制能力。它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。 (3) 軟件 （ SOFT） 型。 CNC 功能全部由應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件部分僅是 PC 與伺服驅(qū)動(dòng)和外部 I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。該系統(tǒng)具有較好的開放性，但由于控制系統(tǒng)運(yùn)行于非實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng) Windows 上，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求處理就比較困難，開發(fā)難度大。其典型產(chǎn)品有美國(guó) MDSI 公司的 Open CNC 等。 本系統(tǒng)著眼于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，選擇 NC 嵌入 PC 型進(jìn)行開 放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)研究。以 PC+運(yùn)動(dòng)控制器為控制系統(tǒng)核心，系統(tǒng)的控制軸數(shù)為 4 軸，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為 3 軸，驅(qū)動(dòng)原件為伺服電動(dòng)機(jī)，選用的運(yùn)動(dòng)控制卡是 MPC07。 蘭州交通大學(xué)畢業(yè) 設(shè)計(jì)（ 論文 ） 7 第二章 數(shù)控系統(tǒng) 的實(shí)現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)硬件的實(shí)現(xiàn) 數(shù)控系統(tǒng)硬件綜述 數(shù)控系統(tǒng)由 I/O 裝置、 CNC 裝置、驅(qū)動(dòng)控制裝置和機(jī)床電器邏輯控制裝置四部分組成，從總體看它是幾個(gè)部分通過 I/O 接口的互連，以單微處理器結(jié)構(gòu)為例如圖 21 所示。 圖 21 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 CNC 裝置是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，其硬件和軟件控制著各種數(shù)控功能的實(shí)現(xiàn)，它與數(shù)控系統(tǒng)的其他部分