CJK6132A车床闭环数控系统及其开放性研究.pdf

第33卷第3期2001年5月四川大学学报（工程科学版）JOURNALOFSICHUANUNIVERSITY（ENGINEERINGSCIENCEEDITION）Vol.33No.3=May2001文章编号：1009-3087（2001）03-0092-03CJK6132A车床闭环数控系统及其开放性研究刘晓彬，徐晓秋，刘胜青（四川大学制造科学与工程学院，四川成都610065）摘要：论述了开放式数控系统的基本原理以及兼容性、互换性、可移植性和扩展性等特点。介绍了以步进电机为饲服电机的CJK6132A车床闭环数控系统的基本原理改进的时间分割法，改进的时间分割法使以步进电机为驱动电机的闭环数控系统易于实现。对开放式数控系统的实现做了研究：通过制定标准和协议，实现系统的开放性；对开放式数控系统进行层次模块化设计：物理层、软件层设计。介绍了CJK6132A车床闭环数控系统的特点及开放性。本系统具有良好的兼容性和扩展性，成本低。关键词：开放式数控系统；OOP；时间分割法中图分类号：TP391.73文献标识码：AResearchofCJK6132ALatheClose-loopNCSystemandItsOpenCharacteristicLIUXiao-bin，XUXiao-qiu，LIUSheng-qing（CollegeofManufacturingSci.andEng.，SichuanUniv.，Chengdu610065，China）Abstract：Inthisarticle，thecharacteristicoftheopenNCsystemsuchascompatibility，expansibilityhasbeendis-cussed.TherationaleofCJK61312AlatheClose-loopNCsystemImprovingtime-sharingmethodwhichmakesthelatheClose-loopNCsystemwithsteppingmotoreasytobeactualized.WecanactualizetheopencharacteristicofNCsystembyestablishingcriticandprotocol.ThephysiclayerandthesoftwarelayeroftheopenNCsystemslayeringandmodelingdesign，thecharacteristicandtheopencharacteristicofCJK6132AlatheClose-loopNCsystemareintroduced.ThisNCsystemhasgoodcompatibility，expansibilityandisinexpensive.Keywords：openNCsystem；OOP；time-sharingmethod20世纪90年代以来，数控系统出现了基于PC的新一代开放式数控系统。传统的封闭式专用系统，没有一个强有力的体系结构支撑，不能进行可靠的软件扩展，不能满足用户二次开发。因此，为适应数控联网能力等个性化要求，创建一个新的强有力的开放性体系结构是数控发展的必然趋势。一些发达国家针对CNC所面临的问题和开放式数控发展的必然趋势，以设计生产开放式数控系统为目标，相收稿日期：2000-05-22作者简介：刘晓彬（1974-），男，硕士生.研究方向：微机数控及自动化.继推出了各自的开放式体系结构规范，如美国的NGC和OMAC计划，欧盟的OSACA计划，日本的OSEC计划等。国内很多高校近几年在基于PC的新一代开放式数控系统领域做了许多研究，并取得了很大的转机，但是都还不具备开放式数控系统的本质特性。各系统所采用的体系结构并不一致，尚未解决开放式数控系统的平台问题，并且相互间缺乏兼容性和互换性。四川大学金工实习中心为提高教学和生产实践，对一台CJK6132A车床进行闭环数控改造，并对开放式数控系统进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。1开放式数控系统特点及原理开放式数控系统是近几年来才发展起来的数控系统，以通用微机为平台，建立标准化的应用程序接口，统一实时的通信系统直接提高了数控系统对不同需求的适应性，具有强有力的结构支撑，能进行可靠的软件扩展并满足用户的二次开发，系统之间具有兼容性和互换性。开放式数控系统利用软件实现所有控制功能，使硬件系统最小化；通过制定标准和协议，实现系统的开放性。开放式数控系统的核心问题仍然是控制刀具或工件的运动，加工出零件的表面形状，其插补原理仍然是硬件插补或软件插补，插补方法分为基准脉冲插补和数据采样插补。其中基准脉冲插补适用于以步进电机为驱动装置的开环数控系统，数据采样插补适用于闭环、半闭环以及直流和交流伺服电机为驱动装置的位置采样控制系统。2基本原理及改进的时间分割法在本系统中的应用2.1基本原理该系统是在四川大学工业培训中心原有的车床开环数控系统的基础上进行的，以步进电机为传动源。传统的程序循环延时方法虽具有实现方法简单，编程容易、可靠性高，但是要占用CPU处理时间，效率低，在闭环控制系统中，CPU同时还要进行数据采样及数据的分析处理。本系统在时间分割法的理论基础上，利用外部定时/计数器的溢出信号向CPU申请中断，中断服务程序完成步进电机的控制和计算机系统的中断恢复及计数器重新置数。由于定时/计数器独立于处理器而不占用CPU的时间，CPU只完成数据采集及处理等工作；步进电机两次中断的时间间隔就相当于延时，从而提高了步进电机的效率。2.2改进的时间分割法在本系统中的应用时间分割法的插补计算原理是根据进给速度计算出每个固定时间内（下一个插补周期）的进给量段值，并根据加工轨迹的特点计算出下一周期各个联动坐标轴的位置增量值，然后将该位置增量值变换成各个坐标轴方向上的均匀移动。这个固定的时间段称为插补周期；计算各个轴的位移增量值并变换成各个坐标方向的均匀位移称为粗插补；而实现各个坐标轴的移动过程称为精插补。通常粗插补由软件完成，精插补则由饲服控制系统软件和硬件完成。我们在时间分割法的基础上，经过不断的改进，研制出了适合于步进电机作伺服元件的插补方法改进的时间分割法。改进的时间分割法的插补运算仍然分为粗插补和精插补。以直线插补为例：在粗插补中，通过该算法占用的指令数计算出的插补运算时间，以及通过反馈采样周期、精度、速度确定插补周期Tc；通过Tc、进给速度Ft以及该插补直线段的终点坐标Xe、Ze计算出本插补周期的各个坐标的位移X及Z；通过反馈采样和比较环节计算得本次插补周期内各轴位移实际的进给量Xf、Zf，并换算成相应的脉冲数Px、Pz，圆整得Px、Pz；采用DDA脉冲分配法，利用脉冲分配数组Xi、Zj分配X、Z轴的脉冲数。在精插补中，将粗插补中分配完成的脉冲数组Xi、Zj送入脉冲发送的中断服务子程序中，中断服务子程序由8253可编程定时/记数器产生的中断调用；CPU响应中断后，转入脉冲发送中断服务子程序，判断脉冲数组相应的内容，若数组内容为1，就向硬件端口发送脉冲，若为0，则不发，从而完成了本次插补周期内将各轴步进电机的进给脉冲的协调分配。3开放式数控系统的实现研究开放式数控系统实际上是对通用标准的遵从。即只要遵循通用的数控标准就可以实现系统的兼容，即具有开放性。所谓系统是指实际数控系统中与通用标准有关的各部分。所以开放系统是指实际数控系统中与通用标准有关的部分。所以开放系统和通用标准一样，是一个抽象的东西，它的目的是为协调系统的标准的开发提供一个共同的基础，从而易于实现异构数控系统之间的兼容，它只是一种技术规范，而不是具体系统实现的工程规范。目前在国内还没有统一的开放式数控系统标准，我们在研究国内外有关资料的同时，对开放式数控系统的研制提出了许多建设性的构想。3.1开放式数控系统的层次功能模块化设计1）物理层设计物理层是开放式数控系统的最底层，保证其功能实现的协议是第一物理连接的机械、电气、功能和过程特性的规范。开放式数控系统的物理层包括输入模块、饲服模块、反馈模块、驱动模块、机床本体以及通信模块组成。物理层对各模块的机械、电气、功能和过程特性加以规范，并形成标准。39第3期刘晓彬，等：CJK6132A车床闭环数控系统及其开放性研究本系统则由输入装置、通用微机、反馈系统、伺服机构、放大电路、总线接口和机床本体组成。硬件系统的模块化设计便于制定标准的硬件接口。系统结构如图1所示。图1系统结构框图Fig.1Systemstructurescheme2）软件层设计软件层是开放式数控系统的层次结构的最高层，直接面向用户，实现编译、设置、手工操作、直线插补、圆弧插补、采样、升降速控制、刀具补偿、丝杆补偿、帮助等功能。本系统采用了MS-DOS操作系统平台，MS-DOS采用分段式的内存管理机制，其应用程序在内存中虚地址与物理地址具有一一对应的关系。Intel的80x86CPU系列芯片可在三种模式下工作：实模式、保护模式、V86模式。在实模式下工作的DOS系统虽只具有1MB的寻址能力，但利可以同硬件直接打交道。因此在实时控制特别是在实时性特别高的控制系统中，采用DOS系统可以圆满的完成任务。系统采用了当今决大多数软件都采用的OOP（面向对象的程序设计方法），用C+语言编写。软件系统模块包括，编译程序，插补程序，加工控制程序，显示程序等。OOP编程方法的引入及程序的模块化设计使软件易于扩充和重用，并提高了软件开发效率和维护性。3.2本系统的特点及开放性1）实现了全软件控制。本系统实现全软件控制使系统的硬件达到了最小化；采用C+编写的应用程序，完成了诸如信息处理、刀补运算、插补计算、加减速控制、伺服控制等基本功能以及位置控制、速度控制、矢量变换控制等功能，以及数据采集、发送控制脉冲；硬件只是完成信号的放大、转换等电气特性的匹配，因此软件易于二次开发。通过制定硬件、软件接口的标准及协议，即实现系统的开放性。2）解决了操作平台的问题。采用了DOS操作系统。在实模式下工作的DOS系统虽只具有1MB的寻址能力，但是可以同硬件直接打交道。因此在实时控制特别是在实时性特别高的控制系统中，采用DOS系统可以圆满的完成任务。3）采用了步进电机为伺服电机。交、直流伺服电机较之步进电机具有更多的优点，但本系统是在原有的开环控制系统的基础上进行的，并且可能采用交、直流伺服电机使机床本体传动系统的性能不一定满足要求，因此仍然采用了步进电机，成本低。4）采用了改进的时间分割法。由于采用了步进电机为伺服电机，因此，在传统的时间分割法的基础上，此系统采用改进的时间分割法。专门设计的精插补中断服务程序，使伺服系统的精度和速度较之开环系统得到了很大的提高。5）由于以PC为控制机，易于通过网络监测、控制；易于实现离线编程。4结束语该系统