五轴联动开放化数控系统的设计

五轴联动开放化数控系统的设计

1 概述
从MIT开发出第一台三轴数控铣床数控系统判现在的四1多年中,数控系统的设计方法经历了巨大的变化。特别是近I一年来,跟着计算机技术的迅猛发展,数控系统从整体结构到具体设计,从软件设计到硬件设计,都与早期的数控系统有了很大不同。一早期的数控系统出十效率的考虑,很多功能采用硬件电路实现,专用性很强,可维护性、可扩展性比较差二另一方而,通用计算机的运算速度随时间以指数规律不断进步,现在一台微机的运算能力已经达到或超过了早期的小型机,而且,通用型微机应用广泛,有完善和开放的尺度,有众多外IIII硬件设备和丰硕的软件资源的支持。借助微机进行数控系统的开发可以达到事半功倍的效果,因此成为目前数控领域的国际趋势。
  五轴联动数控系统联动轴数比较多,同时义涉及到两个回转运动,插补算法复余,而且其各组成部门,如伺服驱动单儿、位置反馈单元、误差补偿、电气控制、机床机械结构等在不同的应用场合有不同的特点,在系统整体设计时对此应有充分的考虑。目前,多数数控系统不能知足这种多样性的需要,对不同的应用场合,就得选用不同型号的数控系统,这势必增加开发与维护用度。研究开放式数控系统及其功能部件,就可以根据用户需要,比较轻易地对整个数控系统进行重新组合,以进步系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容性。
2 数控系统硬件的开放化设计
2.1 硬件设计的一般原则
传统数控系统的硬件设计分为两个流派:采用专用芯片的大板结构与总线式体系结构。人板结构对用户而言是一个封锁的系统,功能的扩展与系统维护都受到限制。总线式结构有一定的灵活性,但因为这种总线由出产)一自己确定,缺乏共同的行业尺度,不同)一商的产品之间不具备互换性,所以,这种设计方法已不适应现代制造业的需要。另一方而,跟着计算机技术的发展,微机的速度与}一儿年前比拟是天地之别。在这种形势一「的软硬件设计中,人们关注的重点泛起了由效率向互换性、可维护性转移。受其影响,在数控系统的设计进程中,由大板结构或专用总线向尺度总线、可重组的单儿模块发展成为国际趋势。
硬件设计的开放化主要体现在总线尺度上。开放化的数控系统是由多种模块构成的,模块通过尺度的总线连成一个整体。总线的选择应当知足三个要求:庄技术上有一定的提高前辈性,能够知够数控系统各种功能模块对信息交互的需要。线尺度完全开放,且在国际上得到广泛认可应用,而不是由某个厂商自己定义使用的某种特殊总线尺度。睡其有高度的可靠性。
选择了合适的总线尺度后,才能进行各功能模块的设计。在数控系统中,主要的功能模块有;运动轴位置控制模块、电气控制模块、机床操纵而板及数控而板接口模块、通信模块、显示模块等。功能模块应当能够重新配置,以免不同模块I/O端口地址及间断类型发生冲突口
2.2 五轴联动数控系统的硬件设计
在五轴联动数控系统开发过程中,我们选择工控机作为设计的基础。工控机木身符合多种产业尺度,是一种开放化的计算机系统,与常用的微机有良好的兼容性,有大量的软硬件的支持。目前工控机底板插槽总线类型主要有两种:ISA总线产业尺度总线)和PCT总线(外围设备接口)。ISA总线的数据传输速率比较低,但已能知够数控系统的需要。同时,高总线速率会对各功能模块的硬件提出更高的要求。因此,我们选用TSA总线作为所有模块设计的基础。
由十五轴联动插补算法复杂,有大量浮点运算,对实时性要求又较高,我们选用Pentium166 CPU完成插补运算。另外,系统中各个坐标轴还需具备位置控制功能,位置控制实时性很强,且控制轴数比较多,该任务与插补共用一个CPU会导致数控系统主机负担太重,实时性不易保证,而且故障风险过于集中,较好做法是何根轴采用一个独立的CPU进行控制,采用层次式体系结构构成系统。根据位置控制CPU与主机交互信息方法的不同,分为两种结构见图1。第一种结构把位置控制板直接插到土控机底板的ISA插槽中,在这种情况下,主机与多个位控板之间直接进行信息传输,因为位控板CPU速度低,数据通信阶段会铺张主机CPU资源,控制轴数越多,主机CPU的效率就越低。此外,主机还需采取措施来保证多个位控板在时间上的正确同步。因此,我们选择了第二种结构。第二种结构采用单独的通信机完成主机与位控板之间的信息传递。通信机一方而通过双口存储器与主机之间进行信息交换,另一方而通过自建的局部总线与位控板进行信息交换。双口存储器容量为2kb,‘己同时也起数据缓冲器的作用。这种方案大人减少了主机用于信息交换的CPU时间。
3 数控系统软件的开放化设计
开放化数控系统的软件设计首先需要选择合适的操纵系统和软件开发工具。
以PLC为例说明了数控系统软件开放化设计的思惟。我们按照这种思路完成了数控系统的软件设计。固然在开发初期反复做了多次分析讨论,但在系统结构确定后,软硬件开发回是比较顺利的。从开发过程和联机调试情况来看,开放化设计可以有效缩短软件的开发周期,进步数控系统软件的质量。

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