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1、工学硕士学位论文V7 9 4 墨6 7基于P M A C 磨螺纹数控系统研制王家畴哈尔滨理工大学2 0 0 5 年3 月哈尔滨理工人学工学硕士学位论文基于P M A C 磨螺纹数控系统研制摘要数控机床是现代化生产中高度自动化、高效率的生产设备，它的出现提高了零件的加工精度和加工效率，减轻了工人的劳动强度，取得了良好的经济效益，并有利于生产管理的科学化和现代化。本文就是基于这种思想，开发了磨螺纹机床数控系统。该系统以工业控制机(1 P C)和可编程多轴控制器(P M A C)构成主从分布式双微处理器结构，以此作为系统的控制中心。为了实现P M A C 多轴运动控制功能，还在P M A C 板上扩
2、展相应的F O 转接板，同时采用松下高性能的交流伺服电机、伺服驱动单元、编码器等模块最终构成一个完整的开放性磨螺纹数控系统。浚系统开发平台主要构建于P M A C 自身软硬件资源蒸础之上，软硬件功能实现模块化划分，各功能模块之间通过标准的接口协调工作，共同完成数控功能。所研制的系统是一个能同时完成程序译码解释、插补计算、伺服控制、系统管理等任务的控制系统，能对各种不同型号的高压玻璃钢管进行磨削，它不仅具备了一般商用数控系统的通用功能，而且还具备了磨螺纹机床所必需的螺纹参数输入、砂轮磨损补偿、螺纹型号选择等特定功能。同时，以P M A C 多轴运动控制器为控制系统的核心控制器，不仅大大地简化了数
3、控系统的开发周期，实现了资源的合理配置，而且系统开发者和机床用户今后还可以根据需求实时增减功能模块，将自己特殊的加工工艺、管理经验和操作技能纳入控制系统形成自己的产品特色。关键词P M A C：数控系统；磨螺纹机床；双微处理器竺垒堡矍三查兰三兰堡圭兰堡鎏三T h eD e v e l o p m e n to fC N CS y s t e mB a s e dO i lP M A Ct oT h r e a dG r i n d i n gM a c h i n eT o o lA b s t r a c tN Cm a c h i n et o o li sw i d e l yu s e
4、 df o ri t sh i g he f f i c i e n c ya n dw e l lm a c h i n i n gp r e c i s i o ni nm o d e r np r o d u c t i o n I tr e d u c e st h ew o r k e r s l a b o ri n t e n s i t ya n db r i n g sc o n s i d e r a b l ee c o n o m yp r o f i t st oU St o o E s p e c i a l l yp e o p l ec a nr u ni ti
5、 nas c i e n t i f i ca n dm o d e r nw a y B a s e do nt h i sp r i n c i p l e，t h et h r e a dg r i n d i n gC N Cs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e d T h es y s t e mc a l l e dt h ed i s t r i b u t e d d u a lC P Us t r u c t u r ea d o p t st h ei n d u s t r yP C(I P C)a n dt h ep r o g
6、r a m m i n gm u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r(P M A C)；I P Ca n dP M A Ca r et h ec o n t r o lt e n o ro ft h es y s t e mw h i c hc o m p l e t e sP a n a s o n i cA Cs e r v om o t o Ls e r v oc o n t r o lu n i t sa n de n c o d e r se t c I no r d e rt or e a l i z et h ef u n c t i o
7、 no fP M A Cm u l t i a x i a lm o v e m e n t R e l e v a n tI Oc o m m u t a t o r sw e r ee n l a r g e di nP M A Cb o a r d T h ed e v e l o p m e n to fC N Cs y s t e mc o n s i s t so fp M A Ci t so w nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e A no p e n a r c h i t e c t u r eh a r d w a r es y s t
8、 e ma n ds o f t w a r es y s t e ma r em a i n l ys e p a r a t e di n t os o m ef u n c t i o nm o d u l e sw i t hs t a n d a r di n t e r f a c e s T h e s ef u n c t i o nm o d u l e sw i l lw o r kc o o r d i n a t e l y T h eC N Cs y s t e md i s c u s s e db yt h i sp a p e ri sar e a lt i m
9、 ea n dm u l t i t a s kc o n t r o ls y s t e m I tc a l ld e a lw i t hc o d i n gi n t e r p r e t a t i o n s e r v oc o n t r o la n ds y s t e mm a n a g e m e n ts i m u l t a n e i t ya n dp r o c e s sv a r i o u sm o d e lh i g hp r e s s u r eg l a s sp i p e N o to n l yi th a v e st h e
10、f u n c t i o no fg e n e r a lc o m m e r c i a lC N Cs y s t e m，b u ta l s oi th a ss o m es p e c i a lf u n c t i o n ss u c ha si n p u t t i n gs c r e wt h r e a dp a r a m e t e r,c o m p e n s a t i n gw e a r i n gg r i n d i n gw h e e l，s e l e c t i n gm o d e le t c A tt h es a m et i
11、 m e，N o to n l yt h ek e r n e lc o n t r o l l e ro fC N Cs y s t e mb a s e do nP M A Cc o n t r o l l e rs h o r t e n st h ee x p l o i t i v ec y c l e，a c h i e v i n gr e s o u r c er a t i o n a lc o n f i g u r a t i o n，b u ta l S Ot h eC N Cd e v e l o p e ra n dt h ec u s t o m e rc a n
12、i n c r e a s eo rd e c r e a s et h ef u n c t i o nm o d u l e sa c c o r d i n gt ot h e i rr e q u i r e m e n t s，a n db r i n gt h e i rt e c h n o l o g i e s，e x p e r i e n c e sa n ds k i l l si n t ot h eo p e nC N C K e y w o r d sP M A C；N Cs y s t e m；t h r e a dg r i n d i n gm a c h
13、i n et o o l；D u a lC P UI I-哈尔滨理工人学工学硕士学位论文1 1 课题背景第l 章绪论我国目前8 0 的油井是靠注水采油，原油含水量达到9 0 以上。对目前国内普遍采用的金属钢管腐蚀非常严重。为解决金属管道防腐问题，国家也曾投入大量的科研力量，但未能从根本上解决问题。目前世界上较发达国家都采用了无机非金属材料制作的高压玻璃钢管。该产品具有耐高压、耐腐蚀、内壁光滑、流阻小、保温性能优良、不结腊、使用寿命长而深受世界各石油生产国的欢迎。二十世纪五十年代，高压玻璃钢管道首次在油田上得到应用。随后，其便以优异的性能在油田地面管线和注水管线中得到迅速推广。九十年代中期，我国
14、首次在三次采油工艺中采用高压玻璃钢管道。目前，每年世界石油工业应用高压玻璃钢管道达数千公里。美国是世界上应用玻璃钢管道历史最长、应用量最大的国家。我国在这方面的起步较晚，但近几年里迅速上升之势。本课题研制的基于P M A C 卡的磨螺纹数控系统主要用于控制机床加工、生产高压玻璃钢管道接口处的外螺纹。这种高压玻璃钢管广泛应用于世界各国油田的石油输送，因此出于安全和输送能力的考虑对高压玻璃钢管的密封性有着很高的要求。并且对石油设备设计和规范等制定了一套石油界通用的美国石油协会(A _ P I)标准。而在国内，用于加工高压玻璃钢管外螺纹的数控机床加工出来的产品虽能在封闭性方面勉强能达到要求，但是在具
15、体指标方面大多数是不符合A P I 标准的。这些指标如：螺纹齿高、螺纹螺距、螺纹锥度以及每英寸螺纹齿数等等，这样就大大降低了产品出售的竞争力。而同时玻璃钢管有着广阔的市场前景，可以用于石油、水等的运输管道。在美国，玻璃钢管石油管道长度已经达到1 0 0 余万公里，我国大庆、玉门等四大主要油田的玻璃钢管总长度才只有4 0 0 0公里。发达国家中玻璃钢管管道占石油运输管道的比例都很大，并且呈不断上升趋势。P M A C 多轴运动控制器是目前功能最强大的开放式多轴控制器，能应用于各种各样设备的控制，从那些精密到百万分之一英寸的精密仪器到那些数百千瓦的大型设备。同时，P M A C 提供了功能强大的编
16、程语言，风格类似哈尔滨理T 大学工学硕上学位论文Q B a s i c，易于掌握，可以编写循环执行的P L C 程序、顺序执行的运动控制程序，通过将这两类程序的结合，便能够方便的实现对数控机床的控制，加工出形状复杂的零件，同时可以达到很高的精度，这恰恰可以满足加工高压玻璃钢管外螺纹对加工的要求。l。2 数控系统的发展状况和趋势1 2 1 数控系统简介数字控制(N C)技术就是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的-r -J 技术，数控系统是利用数控技术实现实时多任务控制的系统，主要由数控装置、伺服系统等部分组成，这些组成部件直接影响到系统的计算速度、伺服更新速度、实时性、系统通讯以及资源
17、管理等功能。数控装置是数控系统乃至整个数控机床的核心，它接收输入装置送来的数控加工指令信号，经由数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床运动部件按规定要求动作。数控装置输出的控制信号包括：经插补运算得到的各坐标轴的进给速度、进给方向和位移量指令信号；运动部件的变速、换向和启停信号：选择和交换刀其指令信号；控制冷却、润滑、启停等辅助指令信号。伺服系统又称拖动系统或随动系统，是数控系统的重要组成部分，伺服系统把来自数控装置的各种指令脉冲信号，经过一定的信号变换以及电压和功率放大后通过交、直流伺服电机或步进电机等驱动元件来执行，将其转换成受控部件的运动，使工
18、作台(或刀架)精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动。数控系统按照控制方式可分为开环控制、闭环控制、半闭环控制和混合闭环控制系统。开环控锘I 系统没有反馈环节。不能对控制对象的输入指令和执行结果进行比较，驱动执行元件一般为步进电机，步进电机的步距角很大程度上影响着整个数控系统的控制精度；闭环和半闭环控制系统有检测反馈环节，能把控制输出量和目标值相比较，以其偏差值对控制对象进行自动调节，直至把偏差控制在一定范围内，其驱动执行元件一般采用交、直流伺服电机，其中闭环控制系统的检测反馈装置通常安装在工作台上，半闭环控制系统则将检测反馈坏节安装在丝杠上或电机输出端，显然，由于丝杠和工作台之间的机械传动部
19、分存在着传动误差，控制精度要比闭环控制方式要低，但由于整个系统结构喻尔滨理工人学工学硕士学位论文简单，易于调整，己成为当前主流的控制形式，并且机械执行机构的传动误差可通过各种补偿功能进行补偿，故仍可得到较高的控制精度。1 2 2 数控技术的发展历程数控技术首先是从自动化过程中产生的，它是综合机械加工技术、自动控制、检测技术、计算机技术和微电予技术而形成的一门边缘科学，也是当今世界上机械制造业的高技术。数控技术是在第二世界大战后，由于军事工业的需要，首先在美国发展起来的。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森公司合作，研制出世界上第一台三坐标数控铣床，它是由数控装置、可编程控制器(P c)，
20、主轴驱动及进给驱动装置等部分组成，数控系统所有功能均由硬件完成，故称之为硬件数控。随后美国的K&T 公司便研制出了带刀库的加工中心，通过自动换刀实现在同一台机床上自动完成磨削、钻、铰、攻丝等多道工序，从此开创了加工中心时代。早期的数控系统(N C)是以硬接线逻辑电路为控制核心的，因此在功能、可靠性和维护性方面都有很大的局限性。当时的计算机由于价格昂贵，功能有限，没能被普遍应用于数控系统中，直到1 9 7 4 年，以处理机为控制核心的计算机控制系统问世，机床计算机控制(C N CC o m p u t e r i z e dN u m e r i c a lC o n t r 0 1)才进入实用
21、化阶段。此后，随着微电子技术、计算机技术和机械制造等有关技术的进一步发展，C N C 逐渐完善并迅速推广开来。这类数控装置的硬件电路是由小型或微型计算机再加上通用或专用的丈规模集成电路制成。数控机床的主要功能几乎全由系统软件来实现，不同功能的机床其系统软件也就不同，所以在修改和增加系统功能时，不须改变硬件电路，只须改变系统软件，因此具有较高的灵活性；同时由于硬件电路基本上是通用的，这就有利于大量生产，提高质量和可靠性，缩短制造周期和降低成本，现在绝大多数数控装置都是C N C 的。随着计算机技术和大规模集成电路的迅速发展，其软硬件的成本较以前有了大幅度的降低，所以数控机床己经在西方普及，在国内
22、它也在以不可阻挡之势替代普通机床。经过短短的四十多年，数控机床已在世界各工业国家普遍生产和应用。其控制系统在技术上已更新了五代：5 0 年代电子管控制，6 0 年代晶体管控制，6 0 年代中期逻辑电路，7 0 年代集威电路控制，7 0 年代中期微处理器控制，8 0年代超大规模集成电路控制，8 0 年代末发展到3 2 位微处理器控制，现在已向多微处理器方向发展，数控技术的广泛应用，促进了国民经济的飞速发展，并哈尔滨理I：大学工学硕士学位论文成为了国民经济的支柱。所以说数控机床的研制成功和应用是机械制造业的次革命。1 2 3 数控系统在国内外的研究概况数控系统是一种位置控制系统，其工作原理是根据输
23、入指令插补出理想的运动轨迹，然后输入到执行机构，加工出所需要的零件，刀具与工件的相对运动轨迹是由编程设定的。而数控系统作为数控机床的控制中枢，是发展最快的组成部分，是数控技术不断进步的标志。一般来讲，数控系统包括数控装置和伺服装置。日本是数控系统生产大国，F A N U C 公司的产量占世界产量的一半以上。1 9 8 7 年推出了至今仍占领先地位F A N U C 一1 5，先后又推出F A N U C 1 6，F A N U C 1 8 和F A N U C 一2 0 等系统。另外，日本M A Z A K 和M I T S B I S H 公司也具有较强的生产和开发能力。进入8 0 年代，美
24、国为了改变制造业衰退的状况，提出了振兴美国国内机床工业的行动计划，即由空军与国家制造科学中心(N C M S)共同领导下的“下一代工作站机床控制器”体系结构的研究计划(T h en e x tG e n e r a t i o nW o r k s t a t i o n M a c h i n eC o n t r o l l e r(N G C)A r c h i t e c t u r eP r o g r a m)。欧共体的自动化系统中开放式体系结构O S A C A(O p e nS y s t e mA r c h i t e c t u r ef o rC o n t r o l
25、w i t h i nA u t o m a t i o nS y s t e m s)、E S P R I T5 4 7 1、F A M E(F i v eA x e sM a n u f a c t u r i n gE n v i r o n m e n t)。法国、意大利等西方研究结构也在积极开展数控系统体系结构的研究工作。同样，近年来国内开放式数控技术的发展也突飞猛进，我国已经把数控系统的研究和开发及其产业化列为国家“八五”、“九五”期间的重点攻关项目，旨在改组改造，优化结构。现己成功开发出具有自主版权的华中I 型、中华I 型、航天I 型和蓝天I 型四个数控系统。以华中数控为例，除开
26、发生产出各类车床、铣床。加工中心的通用数控系统外，还研制开发出齿轮加工、激光加工等多种专用数控系统，利用总线式、模块化、开放型、嵌入式等多种形式的硬件结构，使系统具备了较好的模块化、层次化特征，其配套能力强，扩展和伸缩性好，便于用户实现二次开发。我国的数控技术也正以惊人的速度迎头赶上。同时，中科院沈阳计算机研究所从我国具体国情出发，制定了“新代机床控制器开放式系统体系结构标准规范参考模式”，以此为规范，北京机床研究所引进了德国P A 公司的开放式C N C 数控系统P A。8 0 0 0 的全套技术，对其产品进行应用开发：华中科技大学则更具体地提出了可重用的数控软件芯片的哈尔滨理工大学工学顶十
27、学位论文开发思想，并已成功研制出该软件芯片，该思想把面向对象的C N C 系统软件模块分为系统、控制单元和基本类三个层次，并把底层的具有标准化接口的基本类称之为软件芯片，丌发过程中充分利用面向对象语言的继承和派生等特性，满足了软件重用的要求，使得数控软件芯片易于扩展和修改，具有较好的丌放性。目前，国内有很多企业、高校、研究所等单位利用具有嵌入式和开放特性的伺服运动控制器(如美国D e l t aT a u 公司的P M A C)进行开放式数控系统的研究、开发和应用。1 2 4 数控系统的发展趋势近年来，由于计算机技术、微电子及功率电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺
28、服系统的出现，使数控系统性能日臻完善，各项性能指标大为提高，主要具有以下的发展趋势和发展特点：1 开放式、模块化、多处理器结构；2 不断完善的工作站功能；3 丰富的编程方式：4 采用先进、高效的精度保障技术；5 通讯联网功能不断加强：6 智能化。总之，数控技术正在向高精度、高效率、高柔性、开放式和智能化方向发展。1 3 课题来源及主要研究内容本研究课题“基于P M A C 的磨螺纹数控系统的研制”为哈尔滨理工大学智能机械研究所与大庆汉维长垣高压玻璃钢管道有限公司协作项目。我们主要工作是在机床结构的基础上，用多轴运动控制器P M A C 结合外围元器件开发一套比较完整的磨螺纹数控系统，要求该数控
29、系统的通用性较强、操作简单、运行可靠，主要用加工高压玻璃钢管道的外螺纹。根据该数控系统所要实现的功能，本课题涉及计算机接口技术、电子、机械、编程等多学科知识，主要完成以下的工作：1 以通用工业控制P C 机和可编程多轴运动控制器(P M A C)为基础，对该开放式C N C 系统进行总体方案的设计。在理论上完成了对P M A C 系统的结堕查堡矍三查耋三兰堡圭兰堡篁圣构、性能和各接I S l 功能的理解，在实践上实现了P M A C 与工控机(I P C)，P M A C 与系统的通讯，并提出数控系统总的软硬件控制方案。2 依据该系统的控制要求，选用了合理硬件单元，实现了控制系统硬件结构的设计
30、。3 伺服控制方式的选择。主要完成了伺服系统控制方式选择；完成了伺服控制电路与主电路的设计及控制原理的分析；完成了伺服电机与伺服单元的选型。4 控制系统后台管理软件设计。控制系统后台管理软件设计主要是数控系统的管理调度，包括系统初始化、数控程序解释、数据通讯、以及文件操作等，文中分别阐述了这些功能的实现方法。程序采用V i s u a lc+6 0 作为开发工具，在由D e l t aT a u 公司提供的P C o m m 3 2 通讯函数库以及相应的驱动程序、P E W i n 3 2 调试程序的支持下，调用P M A C 的动态链接库P m a c，d l l，结合A c t i v e
31、 X 控件P T A L K D T 完成了对P M A C 硬件操作。5 P L C 程序设计。采用结构清晰、功能强大的内嵌式P L C，实现了机床I O 控制，工作台和主轴手动控制，数控加工程序自动运行和系统安全保护等功能。6。整个控制系统的联机与调试。针对磨螺纹机床的特点配置运动控制器的参数，调试系统的性能、电机的零点漂移、相位、电机控制伺服环。调试后的参数存储在带电池后备的R A M 中供系统使用。哈尔滨理工大学工学硕上学位论文第2 章磨螺纹机床数控系统硬件结构研究与开发2 1 磨螺纹机床数控系统总体方案为了有针对性的对该数控系统进行设计和开发，在此特别对该机床的主体结构进行简要分析。
32、该磨螺纹机床的主体结构是由床身、底座、主轴箱、尾架、管道夹具、水平工作台等组成。该磨螺纹机床的主体结构俯视图如下图(2-1)所示：图2 一l 磨螺纹机床结构图示意图F i g 2 1S t r u c t u r eS k e t c hM a po f T h r e a dG r i n d i n gM a c h i n eT o o l2 1 1 磨螺纹机床的主体方案2 11lP M A C 综述由于该控制系统是在P M A C 的基础上进行开发的，为了能够对P M A C 有所了解，现在对P M A C 性能作简要的综述。可编程多轴控制器P M A C(P r o g r a m
33、m a b l eM u l t i A x i sC o n t r o l l e r)“是一个拥有高性能伺服运动的控制器，它可以利用高级的计算机语言(如c 语言、V i s u a lc+，V i s u a lB a s i c 等)，最多可同时实现八根轴运动控制。通过一个功能强大的数字信号处理器(D S P)，处理了所有有关的计算与控制，该系统哈尔滨理工大学T 学硕士学位论文P M A C 中的C P U 采用了M o t o r o l a 的D S P 5 6 0 0 0 1 微处理器。P M A C 卡既可以以脱机方式运行，又可以通过串行接口或总线接口用一台主机来控制它运行。P
34、 M A C 可以通过硬件设置的选择、参数设置和运动程序及P L C 程序的编写，从而实现一些特殊功能。每一个P M A C 最多能够控制八根轴，这八根轴可以相互联动以实现各轴问协调运动；每一根轴也可以被放入它自己的坐标系中，从而得到八个完全独立的运动；或者它们中的其它组合形式。P M A C 的微处理器与轴的伺服系统通信是通过被特殊设计的门阵列I C s(作为D S P G A T E 而提到)来实现的，每一个I C s 能够控制四个模拟输出通道、四个作为输入的编码器和四个来自附件的模拟驱动输入。一片P M A C 板可以运用这些门阵列I C s 的一个到四个，从而可以规定硬件的配置总数，以
35、便统计输入和输出的数量和类型，最多可以有1 6 片P M A C 卡完全同步地联系到一起使用，这样可以控制1 2 8 根轴的运动。事实上，P M A C 也是一台完整的计算机，它可以通过存储在它自己内部的程序进行单独的操作和运算，而且它是一台实时的多任务的计算机，能够自动对任务进行优先等级判别，从而使具有高等级的任务比具有低等级的任务优先被执行，而这在很多个人计算机P C(P e r s o n a lC o m p u t e r)上是没能实现的。即使P M A C 与一台计算机连接到一起进行使用，它们之间的通信也应该被认为是一台计算机与一台计算机之间的通讯，而不是主计算机与它的外围设各之间
36、的通讯。事实上，P M A C 能够同时执行多个任务并能够正确地进行优先级排序能力，使它能够在处理时问和任务切换的复杂性这两方面大大减轻主机和编程器的负担，提高整个控制系统的运行速度和控制精度。通过上述的介绍和分析，P M A C 伺服运动控制器具有以下几个功能：1 执行运动程序的功能。P M A C 最明显的任务是按运动程序中的顺序执行每一个运动程序。当被告知执行一个运动程序时，P M A c 一次只能执行运动程序中的一个指令，而在执行这些运动程序之前，P M A C 必须先对移动性指令和非移动性指令进行全面的计算，为以后实际执行运动程序作好准备，从而协调执行机构的实际运动。2 执行P L
37、C 程序的功能”。运动程序的顺序特性使得它能够很好地适应一系列的运动并互相协调其它坐标的动作，然而当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些程序就不适于作坐标的运动。对于这些类型的任务，P M A C 提供了编写P L C 程序的能力，它在处理器时间允许的情况下对P L C 程序进行快速地扫描操作，从而完成执行P L C 程序的功能。3 伺服环更新功能。P M A C 在自动执行任务时，它都以一个固定的频率哈尔滨理工人学丁学硕士学位论文(通常是2 K H Z 左右)对交流伺服电机进行伺服环更新。伺服更新是自动执行的，不需要任何指令，在伺服更新时，P M A C 先根据运动程序或别的运
38、动指令求得所要求的位置的增量，然后将所求的位置同由反馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两者差值的基础上对该差值进行修改，使之变小，如此反复，直到此差值小于所设定的误差值为止。4 资源管理的功能。P M A C 会定期自动地执行资源管理的功能，阻确认整个系统是处于正常的工作状态下。这些功能主要包括安全检查，如：随动误差限制，硬件超行程限制，软件超行程限制，放大器错误；还有看门狗计时器的更新，如果任何硬件或软件出现问题而使这些功能不能厩常执行，看门狗计时器就会触发，而将P M A C 卡关闭。5 与主机通信的功能。P M A C 可以在任何时间与主机进行通信，甚至是在一个运动序列的中间。P M
39、A C 先接受一个命令，然后将命令放入一个程序缓冲区以便以后执行命令所用，最后提供数据以响应主机，开始电机的运动等等，如果命令是非法的，它将向主机报错。6 具有任务优先级的功能。P M A C 在执行任务时，任务是按照优先级电路组织起来的，这样可以使它们得以最优化，从而让应用程序能有效地、安全地运行。当优先级固定下来以后，不同的任务会以相同的执行频率进行刷新。7 高分辨率的模拟输出控制功能。P M A C 可在外设主接口(J M A C H)上提供四通道的光电隔离、高精度的模拟输出信号。P M A C 的每个通道能够提供了1 6 位1 8 位的由数模转换器得到的D A C 和D A C 正交差
40、动输出，每个D A C 输出了范围为1 0 V+1 0 V，分辨率达到3 0 0 删位。2 1 1 2 控制系统的总体方案设计传统数控系统的开发主要是以工控机为基础，在W I N D O W S 或D O S 操作系统支持下，通过利用高级计算机语言编制相应的应用程序来进行运动控制和P L C 逻辑控制。对于需要有插补功能时，还必须编制相应的插补程序；对于需要刀具补偿要求时，还必须编制相应的刀具补偿程序；对于I O 接口的通讯，还必须编制相应的接口驱动程序等等。在这种情况下，工作量非常大，开发周期长，并且所开发出来的应用程序在开放性和扩充升级能力方面比较差。随着计算机技术、微电子技术及控制技术的
41、飞速发展，特别是大量可编程运动控制模块的出现，使得采用开放式体系结构进行数控系统的开发成为数控系统发展的必然趋势。因此，该数控系统利用高性能的工控机为基础，在W I N D O W S 操作系统的支持下，引入可编程多轴运动控制器(P M A C)，充分利用P M A C 内部自带喻尔滨理T 大学工学硕士学位论文的插补功能模块、刀具补偿功能模块、P 1 D 控制模块及内嚣式的P L C 逻辑控制模块等技术，依据该机床系统控制的具体要求，通过P M A C 内部参数进行初始化来实现与主机、外部系统的通讯，利用P M A C 自身语言调用或编制运动程序或P L C 控制程序来实现系统的控制，而且能够
42、将编制好的程序下载到P M A C 中，可以供以后重复使用或调用，使得系统功能不断完善和提高，具有很大的开放性。磨螺纹机床控制系统采用工业控制机(P C)作为控制中心，上位机与P M A C 多轴运动控制器之间直接通过串行总线接口(C O M)连接进行通讯，充分利用P M A C 现有的软硬件资源，形成该机床的控制中心。由工控机上C P U 与P M A C 的C P U(D S P 5 6 0 0 0 D S P 5 6 0 0 1)构成主从式双微处理器结构，两个C P U 各自实现相应的功能，其中P M A C 主要完成机床X，Y，z 轴的运动控制和控制面板开关量控制，工控机则主要完成系统
43、管理功能。为了实现P M A C 的功能，还需在P M A C 板上扩展相应的I O 板、伺服驱动单元、伺服电机、放大器、编码器等，最终形成一个完整的数控系统。根据以上的设计要求，该数控系统的总体设计方案如图2 3 所示：图2-3 数控系统总体设计方案F i g 2-3G l o b a lS c h e m eo f C N CS y s t e m2 1 2 磨螺纹数控系统的功能该磨螺纹数控系统不仅具有一般机床的数控功能和P L C 功能，而且还为哈尔滨理丁大学1=学硕士学位论文以后扩展仿形功能和数据采集功能提供接口。该控制系统主要具有以下的一些基本功能：1 基本的调度管理功能。数控系统是
44、一种复杂的实时多任务控制系统，它涉及到多任务和多功能控制，所以对它们进行合理的调度管理，使之协调有序地工作是数控系统的必备功能。2 人机交互功能。数控系统有大量的信息需要实时或非实时地显示出来，提供给操作人员参考。同时，操作者也有大量的信息和命令要提供给控制系统。因此方便灵活的人机交互功能是衡量数控系统的重要指标。3 加工程序的预处理功能。数控加工程序是以特定的标准代码(典型I S O代码)来表示其加工信息和加工数据的，因此数控系统要对其进行解释和编译处理，提取辅助功能控制信息供辅助功能控制用；提取数据信息和运动控制信息进行处理后供轨迹控制用。4 轨迹控制功能。轨迹控制功能是数控系统的最重要的
45、功能。根据预处理而得的加工信息和数据进行刀具补偿和插补计算，得出每个插补周期中每个坐标的进给量，进而控制伺服电机运动，加工所需的工件。5 伺服控制功能。伺服控制系统是控制器和机械的桥梁，数控系统通过它来控制电机进行运动来完成相应的轨迹控制。对于不同的要求丽采用不同的驱动电机时，所采用的伺服控制器不同。6 逻辑控制及监控功能。数控机床除了控制机床按要求的轨迹运动外，还要完成对一些加工所必须的辅助设备进行控制和监控工作，如：回零控制、硬件超行程限位出错、伺服放大出错等等，以保证加工能自动、顺利地进行。2 2 控制系统硬件结构2 2 1 控制系统硬件结构上一节对该系统总体方案己经作了讨论，根据总体方
46、案的要求，这里就这种系统硬件结构进行分析。为了使整个系统具有可扩展性、可升级性和易维护性，该系统采用了通用的板级模块。根据控制系统的构成，整个系统的硬件分为基本系统和扩展系统。基本系统由工业控制机和多轴可编程运动控制器P M A C 组成，主要完成系统的基本功能。另外在I 0 地址等方面留有充足的空间，以便以后扩展或升级所用。基本硬件系统包括工控机(I P C)，P M A C 伺服控制器，智能扩展转接板、哈尔滨理丁人学工学硕士学位论文标准的P M A C4 0 2L C D 液晶显示器”|、标准的P M A C4 4 键盘、彩色显示器和各种工业级电源等等，它们组成一个主从分粕式的双c P u
47、 控制系统，在应用系统程序和操作系统的支持下，完成一些基本功能。在基本硬件控制系统的基础上，针对磨螺纹机床的实际情况，在螓本硬件控制系统上扩展了伺服驱动单元、i o 单元，这样就构成了该系统硬件结构，如图2 4 所示。图2 4 基】1P M A C 磨螺纹数控系统基本硬件结构框图F i g 2 S t r u c t u r a lF r a m eo fC N CS y s t e mb a s e do nP M A Ct oT h r e a dG r i n d i n gM a c h i n eT o o l由上图2-4 所示，基于P M A C 的磨螺纹数控系统硬件部分主要由工拧
48、机(I P C)、P M A C 伺服运动控制器、通用数字U 0 功能模块、控制面板(M C P)功能模块和伺服运动控制模块等组成。下面对各功能模块分别予以介绍：1 P C 微机”“。工控机(I P C)完备的软硬件环境是本系统丌发的基础，其固有的C P U、B I O S、存储器、串并行口、中断控制器以及标准扩展槽等硬件设备为系统提供了良好的开发平台，使得系统设计开发任务标准化、简单化。本系统开发过程中充分利用了P C 微机完备的软硬件资源，其微处理器与P M A C 的D S P 芯片构成了一种主从C P U 的结构形式，在基本总线通讯方式的基础上，两者之间通过共享双端1：3 存储器来完成
49、相互间的通讯和快速数据传输，并由逻辑控制电路来解决主从C P U 对双端口R A M 访问冲突难题。在功能上，P C 微机主要负责完成系统管理等非实时控制任务，而P M A C 则充分利用喻尔滨理工大学工学硕士学位论文自身高速运算特性和强大的处理能力集中完成实时控制任务，从而满足了本数控系统多轴、高精度的数控控制要求。2 P M A C 伺服运动控制器。它采用M o t o r o l a5 6 0 0 0 1 系列D S P(数字信号处理器”1)作为其C P U，由专门的P R O M、R A M、E A R O M 以及I C s 门阵列电路等组成。整个运动控制部件完成控制系统所必需的串行
50、通讯、程序译码解释、插补计算、伺服控制以及各种用于机床的M 变量设置、查询功能，同时还完成信号、伺服状态和其它可配鬣的输入输出等功能。其中串行通讯部分的主要任务在于接收和发送主机与运动控制器之间的各种控制指令以及数控系统的调试。在伺服运动过程中，P M A C 伺服运动控制器可接收O 5 v 的数字正交编码器信号，每个D S P G A T EI C s 可连接4 个编码器。P M A C 通过D A C 模拟输出实现对伺服运动的控制，故P M A C 配备了伺服信号转接板(R T T l l)”来实现与驱动器的联接，它通过扁平电缆与P M A C 的J M A C H1：3,t”相连接，除提