五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法1概述從MIT開發(fā)出第一臺(tái)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(jì)方法經(jīng)歷了巨大的變化。特別是近十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)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(xì)設(shè)計(jì)，從軟件設(shè)計(jì)到硬件設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)，專用性很強(qiáng)，可維護(hù)性、可擴(kuò)展性比較差。另一方面，通用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律不斷提高，現(xiàn)在一臺(tái)微機(jī)的運(yùn)算能力已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了早期的小型機(jī)，而且，通用型微機(jī)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(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以達(dá)到事半功倍的效果，因此成為目前數(shù)控領(lǐng)域的國(guó)際趨勢(shì)。五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)比較多，同時(shí)又涉及到兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，插補(bǔ)算法復(fù)雜，而且其各組成部分，如伺服驅(qū)動(dòng)單元、位置反饋單元、誤差補(bǔ)償、電氣控制、機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)等在不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的特點(diǎn)，在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)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(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，就得選用不同型號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)，這勢(shì)必增加開發(fā)與維護(hù)費(fèi)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(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行重新組合，以提高系統(tǒng)的可移植性、可伸縮性、可維護(hù)性和兼容性。2數(shù)控系統(tǒng)硬件的開放化設(shè)計(jì)2.1硬件設(shè)計(jì)的一般原則傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)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(duì)用戶而言是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，功能的擴(kuò)展與系統(tǒng)維護(hù)都受到限制。總線式結(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(jì)方法已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的需要。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)的速度與十幾年前相比是天壤之別。在這種形勢(shì)下的軟硬件設(shè)計(jì)中，人們關(guān)注的重點(diǎn)出現(xiàn)了由效率向互換性、可維護(hù)性轉(zhuǎn)移。受其影響，在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)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(guó)際趨勢(shì)。硬件設(shè)計(jì)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)的總線連成一個(gè)整體。總線的選擇應(yīng)當(dāng)滿足三個(gè)要求：①在技術(shù)上有一定的先進(jìn)性，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)各種功能模塊對(duì)信息交互的需要。②總線標(biāo)準(zhǔn)完全開放，且在國(guó)際上得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，而不是由某個(gè)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(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì)。在數(shù)控系統(tǒng)中，主要的功能模塊有：運(yùn)動(dòng)軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機(jī)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(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，我們選擇工控機(jī)作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。工控機(jī)本身符合多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與常用的微機(jī)有良好的兼容性，有大量的軟硬件的支持。目前工控機(jī)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(shí)，高總線速率會(huì)對(duì)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(jì)的基礎(chǔ)。由于五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)算法復(fù)雜，有大量浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)性要求又較高，我們選用Pentium166CPU完成插補(bǔ)運(yùn)算。另外，系統(tǒng)中各個(gè)坐標(biāo)軸還需具備位置控制功能，位置控制實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，且控制軸數(shù)比較多，該任務(wù)與插補(bǔ)共用一個(gè)CPU會(huì)導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)負(fù)擔(dān)太重，實(shí)時(shí)性不易保證，而且故障風(fēng)險(xiǎn)過(guò)于集中，較好做法是每根軸采用一個(gè)獨(dú)立的CPU進(jìn)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(jī)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(jī)底板的ISA插槽中，在這種情況下，主機(jī)與多個(gè)位控板之間直接進(jìn)行信息傳輸，由于位控板CPU速度低，數(shù)據(jù)通訊階段會(huì)浪費(fèi)主機(jī)CPU資源，控制軸數(shù)越多，主機(jī)CPU的效率就越低。此外，主機(jī)還需采取措施來(lái)保證多個(gè)位控板在時(shí)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(dú)的通訊機(jī)完成主機(jī)與位控板之間的信息傳遞。通訊機(jī)一方面通過(guò)雙口存儲(chǔ)器與主機(jī)之間進(jìn)行信息交換，另一方面通過(guò)自建的局部總線與位控板進(jìn)行信息交換。雙口存儲(chǔ)器容量為2kb，它同時(shí)也起數(shù)據(jù)緩沖器的作用。這種方案大大減少了主機(jī)用于信息交換的CPU時(shí)間。圖1分布式多CPU數(shù)控系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)通訊機(jī)在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它接收Pentium166插補(bǔ)得出的各坐標(biāo)軸位置指令，通過(guò)并行口把這些指令分發(fā)給位控板。另外，通訊機(jī)還提供對(duì)數(shù)控面板按鍵及指示燈的管理功能。通訊機(jī)的設(shè)計(jì)見圖2。圖中的仿ISA總線，提供了通訊機(jī)與位控板之間傳輸信息的通道。這時(shí)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(jì)的，它重建了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線的部分信號(hào)，包括：1/0操作所需的各種信號(hào)線、中斷信號(hào)線、就緒控制、電源線等。按照“仿ISA總線”設(shè)計(jì)的位控板與標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線完全兼容。這樣做有兩個(gè)好處：①在系統(tǒng)開發(fā)階段，通訊機(jī)與位控板的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作可借助微機(jī)各自單獨(dú)完成，兩者之間無(wú)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(jī)的底板上，方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的重組。圖2通訊機(jī)設(shè)計(jì)原理在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在通訊機(jī)與位控板之間，我們?cè)?/p>