五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方法

五軸聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方法1概述從MIT開發(fā)出第一臺三軸銑床數(shù)控系統(tǒng)到現(xiàn)在的四十多年中，數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法經(jīng)歷了巨大的變化。特別是近十年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)到詳細設(shè)計，從軟件設(shè)計到硬件設(shè)計，都與早期的數(shù)控系統(tǒng)有了很大不同。早期的數(shù)控系統(tǒng)出于效率的考慮，許多功能采用硬件電路實現(xiàn)，專用性很強，可維護性、可擴展性比較差。另一方面，通用計算機的運算速度隨時間以指數(shù)規(guī)律不斷提高，現(xiàn)在一臺微機的運算能力已經(jīng)達到或超過了早期的小型機，而且，通用型微機應(yīng)用廣泛，有完善和開放的標(biāo)準(zhǔn)，有眾多外圍硬件設(shè)備和豐富的軟件資源的支持。借助微機進行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以達到事半功倍的效果，因此成為目前數(shù)控領(lǐng)域的國際趨勢。五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)動軸數(shù)比較多，同時又涉及到兩個回轉(zhuǎn)運動，插補算法復(fù)雜，而且其各組成部分，如伺服驅(qū)動單元、位置反饋單元、誤差補償、電氣控制、機床機械結(jié)構(gòu)等在不同的應(yīng)用場合有不同的特點，在系統(tǒng)整體設(shè)計時對此應(yīng)有充分的考慮。目前，多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)不能滿足這種多樣性的需要，對不同的應(yīng)用場合，就得選用不同型號的數(shù)控系統(tǒng)，這勢必增加開發(fā)與維護費用。研究開放式數(shù)控系統(tǒng)及其功能部件，就可以根據(jù)用戶需要，比較容易地對整個數(shù)控系統(tǒng)進行重新組合，以提高系統(tǒng)的可移植性、可伸縮性、可維護性和兼容性。2數(shù)控系統(tǒng)硬件的開放化設(shè)計2.1硬件設(shè)計的一般原則傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為兩個流派：采用專用芯片的大板結(jié)構(gòu)與總線式體系結(jié)構(gòu)。大板結(jié)構(gòu)對用戶而言是一個封閉的系統(tǒng)，功能的擴展與系統(tǒng)維護都受到限制?？偩€式結(jié)構(gòu)有一定的靈活性，但由于這種總線由生產(chǎn)廠自己確定，缺乏共同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品之間不具備互換性，所以，這種設(shè)計方法已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的需要。另一方面，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機的速度與十幾年前相比是天壤之別。在這種形勢下的軟硬件設(shè)計中，人們關(guān)注的重點出現(xiàn)了由效率向互換性、可維護性轉(zhuǎn)移。受其影響，在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計進程中，由大板結(jié)構(gòu)或?qū)Ｓ每偩€向標(biāo)準(zhǔn)總線、可重組的單元模塊發(fā)展成為國際趨勢。硬件設(shè)計的開放化主要體現(xiàn)在總線標(biāo)準(zhǔn)上。開放化的數(shù)控系統(tǒng)是由多種模塊構(gòu)成的，模塊通過標(biāo)準(zhǔn)的總線連成一個整體。總線的選擇應(yīng)當(dāng)滿足三個要求：①在技術(shù)上有一定的先進性，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)各種功能模塊對信息交互的需要。②總線標(biāo)準(zhǔn)完全開放，且在國際上得到廣泛認可與應(yīng)用，而不是由某個廠商自己定義使用的某種特殊總線標(biāo)準(zhǔn)。③具有高度的可靠性。選擇了合適的總線標(biāo)準(zhǔn)后，才能進行各功能模塊的設(shè)計。在數(shù)控系統(tǒng)中，主要的功能模塊有：運動軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機床操作面板及數(shù)控面板接口模塊、通訊模塊、顯示模塊等。功能模塊應(yīng)當(dāng)能夠重新配置，以免不同模塊I/O端口地址及中斷類型發(fā)生沖突。2.2五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們選擇工控機作為設(shè)計的基礎(chǔ)。工控機本身符合多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放化的計算機系統(tǒng)，與常用的微機有良好的兼容性，有大量的軟硬件的支持。目前工控機底板插槽總線類型主要有兩種：ISA總線（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線）和PCI總線（外圍設(shè)備接口）°ISA總線的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，但已能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。同時，高總線速率會對各功能模塊的硬件提出更高的要求。因此，我們選用ISA總線作為所有模塊設(shè)計的基礎(chǔ)。由于五軸聯(lián)動插補算法復(fù)雜，有大量浮點運算，對實時性要求又較高，我們選用Pentium166CPU完成插補運算。另外，系統(tǒng)中各個坐標(biāo)軸還需具備位置控制功能，位置控制實時性很強，且控制軸數(shù)比較多，該任務(wù)與插補共用一個CPU會導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)主機負擔(dān)太重，實時性不易保證，而且故障風(fēng)險過于集中，較好做法是每根軸采用一個獨立的CPU進行控制，采用層次式體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)。根據(jù)位置控制CPU與主機交互信息方法的不同，分為兩種結(jié)構(gòu)（見圖1）。第一種結(jié)構(gòu)把位置控制板直接插到工控機底板的ISA插槽中，在這種情況下，主機與多個位控板之間直接進行信息傳輸，由于位控板CPU速度低，數(shù)據(jù)通訊階段會浪費主機CPU資源，控制軸數(shù)越多，主機CPU的效率就越低。此外，主機還需采取措施來保證多個位控板在時間上的準(zhǔn)確同步。因此，我們選擇了第二種結(jié)構(gòu)。第二種結(jié)構(gòu)采用單獨的通訊機完成主機與位控板之間的信息傳遞。通訊機一方面通過雙口存儲器與主機之間進行信息交換，另一方面通過自建的局部總線與位控板進行信息交換。雙口存儲器容量為2kb，它同時也起數(shù)據(jù)緩沖器的作用。這種方案大大減少了主機用于信息交換的CPU時間。圖1分布式多CPU數(shù)控系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)通訊機在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它接收Pentium166插補得出的各坐標(biāo)軸位置指令，通過并行口把這些指令分發(fā)給位控板。另外，通訊機還提供對數(shù)控面板按鍵及指示燈的管理功能。通訊機的設(shè)計見圖2。圖中的仿ISA總線，提供了通訊機與位控板之間傳輸信息的通道。這時的“仿ISA總線”是根據(jù)位控板及常用控制插卡的需要而設(shè)計的，它重建了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線的部分信號，包括：1/0操作所需的各種信號線、中斷信號線、就緒控制、電源線等。按照“仿ISA總線”設(shè)計的位控板與標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線完全兼容。這樣做有兩個好處：①在系統(tǒng)開發(fā)階段，通訊機與位控板的設(shè)計和調(diào)試工作可借助微機各自單獨完成，兩者之間無先后依賴關(guān)系；②在控制軸數(shù)較少的系統(tǒng)中，可以采用圖1中的第一種結(jié)構(gòu)，把位控板直接插到工控機的底板上，方便地實現(xiàn)對系統(tǒng)的重組。圖2通訊機設(shè)計原理在設(shè)計過程中，在通訊機與位控板之間，我們曾