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                          五軸聯動開放化數控系統的設計

                          五軸聯動開放化數控系統的設計

                          1 概述
                          從MIT開發出第一臺三軸數控銑床數控系統判現在的四1多年中,數控系統的設計方法經歷了巨大的變化。特別是近I一年來,跟著計算機技術的迅猛發展,數控系統從整體結構到具體設計,從軟件設計到硬件設計,都與早期的數控系統有了很大不同。一早期的數控系統出十效率的考慮,很多功能采用硬件電路實現,專用性很強,可維護性、可擴展性比較差二另一方而,通用計算機的運算速度隨時間以指數規律不斷進步,現在一臺微機的運算能力已經達到或超過了早期的小型機,而且,通用型微機應用廣泛,有完善和開放的尺度,有眾多外IIII硬件設備和豐碩的軟件資源的支持。借助微機進行數控系統的開發可以達到事半功倍的效果,因此成為目前數控領域的國際趨勢。
                            五軸聯動數控系統聯動軸數比較多,同時義涉及到兩個回轉運動,插補算法復余,而且其各組成部門,如伺服驅動單兒、位置反饋單元、誤差補償、電氣控制、機床機械結構等在不同的應用場合有不同的特點,在系統整體設計時對此應有充分的考慮。目前,多數數控系統不能知足這種多樣性的需要,對不同的應用場合,就得選用不同型號的數控系統,這勢必增加開發與維護用度。研究開放式數控系統及其功能部件,就可以根據用戶需要,比較輕易地對整個數控系統進行重新組合,以進步系統的可移植性、可伸縮性、可維護性和兼容性。
                          2 數控系統硬件的開放化設計
                          2.1 硬件設計的一般原則
                          傳統數控系統的硬件設計分為兩個流派:采用專用芯片的大板結構與總線式體系結構。人板結構對用戶而言是一個封鎖的系統,功能的擴展與系統維護都受到限制??偩€式結構有一定的靈活性,但因為這種總線由出產)一自己確定,缺乏共同的行業尺度,不同)一商的產品之間不具備互換性,所以,這種設計方法已不適應現代制造業的需要。另一方而,跟著計算機技術的發展,微機的速度與}一兒年前比擬是天地之別。在這種形勢一「的軟硬件設計中,人們關注的重點泛起了由效率向互換性、可維護性轉移。受其影響,在數控系統的設計進程中,由大板結構或專用總線向尺度總線、可重組的單兒模塊發展成為國際趨勢。
                          硬件設計的開放化主要體現在總線尺度上。開放化的數控系統是由多種模塊構成的,模塊通過尺度的總線連成一個整體??偩€的選擇應當知足三個要求:莊技術上有一定的提高前輩性,能夠知夠數控系統各種功能模塊對信息交互的需要。線尺度完全開放,且在國際上得到廣泛認可應用,而不是由某個廠商自己定義使用的某種特殊總線尺度。睡其有高度的可靠性。
                          選擇了合適的總線尺度后,才能進行各功能模塊的設計。在數控系統中,主要的功能模塊有;運動軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機床操縱而板及數控而板接口模塊、通信模塊、顯示模塊等。功能模塊應當能夠重新配置,以免不同模塊I/O端口地址及間斷類型發生沖突口
                          2.2 五軸聯動數控系統的硬件設計
                          在五軸聯動數控系統開發過程中,我們選擇工控機作為設計的基礎。工控機木身符合多種產業尺度,是一種開放化的計算機系統,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總線產業尺度總線)和PCT總線(外圍設備接口)。ISA總線的數據傳輸速率比較低,但已能知夠數控系統的需要。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TSA總線作為所有模塊設計的基礎。
                          由十五軸聯動插補算法復雜,有大量浮點運算,對實時性要求又較高,我們選用Pentium166 CPU完成插補運算。另外,系統中各個坐標軸還需具備位置控制功能,位置控制實時性很強,且控制軸數比較多,該任務與插補共用一個CPU會導致數控系統主機負擔太重,實時性不易保證,而且故障風險過于集中,較好做法是何根軸采用一個獨立的CPU進行控制,采用層次式體系結構構成系統。根據位置控制CPU與主機交互信息方法的不同,分為兩種結構見圖1。第一種結構把位置控制板直接插到土控機底板的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,因為位控板CPU速度低,數據通信階段會鋪張主機CPU資源,控制軸數越多,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正確同步。因此,我們選擇了第二種結構。第二種結構采用單獨的通信機完成主機與位控板之間的信息傳遞。通信機一方而通過雙口存儲器與主機之間進行信息交換,另一方而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,‘己同時也起數據緩沖器的作用。這種方案大人減少了主機用于信息交換的CPU時間。
                          3 數控系統軟件的開放化設計
                          開放化數控系統的軟件設計首先需要選擇合適的操縱系統和軟件開發工具。
                          以PLC為例說明了數控系統軟件開放化設計的思惟。我們按照這種思路完成了數控系統的軟件設計。固然在開發初期反復做了多次分析討論,但在系統結構確定后,軟硬件開發回是比較順利的。從開發過程和聯機調試情況來看,開放化設計可以有效縮短軟件的開發周期,進步數控系統軟件的質量。

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