开放式数控系统实验指导书.doc

开放式数控系统实验指导书一、 实验目的1．通过本系统使学生了解开放式软数控系统的软硬件构成、特点及软数控功能模块的划分2．通过编制数控加工程序，对数控加工过程进行仿真，加深对数控系统基本原理的理解，了解并体会数控装置内部信息流的处理过程二 、实验内容1. 语法检查和译码功能演示2. 刀具补偿功能演示3. 加减速处理功能演示三 、 实验设备开放式软数控系统四 实验原理------开放式软数控系统介绍1．开放始数控系统的特征：国际电气和电子工程师协会 IEEE 对开放式系统的定义为：An open system provides capabilities that enable properly implemented applications to run on a variety of platforms from multiple vendors,interoperate with other system applications and present a consistent style of interaction with the user.（具有下列特性的系统可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的不同平台上，可与其它系统的应用互操作，并且具有风格统一的用户交互界面。

什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为开放式数控系统应该具有下列特征：（1）可互换性（interchangeability）:系统高度模块化，并且这些功能模块具有完全开放的标准接口不同厂商的功能模块可相互替代，具有互换性2）可移植性（portability）:这是指系统的计算平台无关性，源代码要最大限度地兼容多种计算平台3）可伸缩性（scalability）:包括两重的含义：一方面是指一种系统可以运行在不同规模的计算平台上，另一方面是指其规模完全是可定制的，集成商1可以根据控制对象（机床）的特性、加工条件或用户的要求，增减系统的功能模块或调节系统参数，实现控制目标4）互操作性(interoperability) ：主要包括系统内部标准部件之间的互操作性，不同系统之间的互操作性，系统和外部应用之间的互操作性这不仅要求系统的各个功能部件具有开放的数据接口，而且要求系统的实现要完全遵循支持数据交换的软件规范，如面向网络、面向对象等5）可扩展性 (expandability): 可由用户或集成商扩展部分部件的功能，使系统具有增强的性能表现 要实现数控系统的开放性，必须将其进行功能分解，形成独立的、可完成不同功能的模块，并且对各模块进行标准接口制定，使各模块之间仅通过标准接口通讯，协同完成数控功能。

2．软数控系统与其它非软数控系统的区别：数控系统是由软件和硬件共同组成的，在非软数控系统中，数控系统的运动控制功能是由专用 NC 或内嵌于PC 机扩展槽的专用 CNC 卡来完成，如图 1（a 、b ）所示；而在软数控系统中，其 CNC 功能完全由运行在 PC 机 CPU 上的软件 (称为 SoftCNC)来完成，如图 1（c）所示 由软件来实现系统的主要功能部件，这种实现形式的变革使得系统可以可方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统实现难度，缩短研发周期，有助于技术创新，有望大幅度提升数控系统的控制性能；而且软件化实现也大大增强了系统的可伸缩性和可调节性，促使系统实现完全开放成为可能 3．本开放式软数控系统的硬件构成：包括工业PC机、SoftSERCANS通讯卡、交流数字伺服驱动器、带SERCOS接口的I/O模块、电机、专 用 NC 专 用 CN卡 + I/OSoftCN模 拟 接 口 专 用 数 字 接 口 或 标 准数 字 接 口 数 字 接 口(a) (b) (c)图 12由于本系统的CNC 部分完全由软件模块实现，而且SoftCNC 与伺服装置之间采用SERCOS 通讯协议。

一方面，SERCOS 协议是目前唯一称为国际标准的数字伺服通讯协议，符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O模块产品的生产厂家众多，用户可以进行选择和配置，以满足控制轴数、控制方式等要求另一方面，SERCOS 协议采用光纤通讯，传输速度高达 16Mbaud，且具有极高的抗电气干扰能力；它属于串口传输，与传统数控的并口传输相比，布线少，大大降低了安装和维修费用因此就硬件而言，整个系统构成非常简洁，且具有互操作性、可伸缩性等开放特征3．本开放式软数控系统的硬件构成：包括工业PC机、SoftSERCANS通讯卡、交流数字伺服驱动器、带SERCOS接口的I/O模块、电机由于本系统的CNC 部分完全由软件模块实现，而且SoftCNC 与伺服装置之间采用SERCOS 通讯协议 一方面，SERCOS 协议是目前唯一称为国际标准的数字伺服通讯协议，符合SERCOS标准的伺服驱动器和I/O模块产品的生产厂家众多，用户可以进行选择和配置，以满足控制轴数、控制方式等要求另一方面，SERCOS 协议采用光纤通讯，传输速度高达16Mbaud，且具有极高的抗电气干扰能力；它属于串口传输，与传统数控的并口传输相比，布线少，大大降低了安装和维修费用。

因此就硬件而言，整个系统构成非常简洁，且具有互操作性、可伸缩性等开放特征图 2 开放式软数控系统硬件组成34．系统软件平台：采用 WindowsNT 和美国 Venturcom 公司的 RTX(Real-Time Extension)作为系统的软件平台WindowsNT在工业领域应用广泛，稳定性好，开发支持工具众多，易于开发图形用户接口；另外，数控系统所要求的实时性由RTX来保证它是内置于Windows的实时操作系统，可以认为是Windows的一个实时子系统，对原硬件抽象层 HAL 进行了实时扩展该实时硬件抽象扩展层隔离了 RTX 和 Windows 之间的中断，RTX 线程运行时 Windows 的中断被屏蔽，但 Windows 不能屏蔽 RTX管理的中断在单 CPU 的情况下，所有 RTX 线程的优先级高于所有 Windows 线程优先级（包括 Windows 管理的中断和延迟过程调用 DPCs）RTX 可以保证任意线程的最差响应时间为 50µS可见，实时扩展的本质就是将 Windows 当作一个受实时内核调度管理的任务，其优先级最低它不影响 Windows 的原有功能，而增强了其实时性能。

 5．SoftCNC 介绍：为了实现系统的开放性，根据数控系统的工作原理，将其划分成多个模块，利用 Visual C++为开发工具开发软件模块，构成模块库 ,主要包括人机接口 HMI 模块、译码模块、刀具补偿模块、加减速处理模块、插补模块，软 PLC 模块等其中人机接口 HMI 模块、译码模块、刀具补偿模块属于数控系统中的非实时部分，这些任务并不要求很强的实时性，使用图 3 WindowsNT 与 RTX 协同工作4Windows 的定时器就可以满足要求，因此利用 COM 技术将这些模块编制成为在 Windows 环境下运行的 COM 组件数控系统中另一部分实时任务是指加减速处理模块、插补模块，软 PLC 模块等这些强实时性任务必须在 RTX 环境下完成，才能保证其实时性要求，但是 RTX 并不支持 COM 技术，而另外提供了与 Win32 DLL 功能类似的 RTDLL，它可以在 RTX 环境下动态地加载或卸载这些完成实时任务的模块以 RTDLL 的形式构成 RTDLL 库如图 4 所示，COM 模块库和 RTDLL 模块库建立完成并注册后，用户可以编写系统配置文件来进行定制，当系统启动后，根据配置文件的内容从模块库中动态加载所需模块。

下面介绍各模块的功能，图 5 所示为系统内部信息处理过程下面对各模块功能加以介绍： 人机接口模块：可完成数控加工程序的输入、编辑，实时数据的显示、加工仿真等任务加工程序的输入方式包括磁盘输入、光盘输入、手动键盘输入、通讯接口输入、通过网卡输入等方式 译码模块：将输入的数控加工程序按一定的规则翻译成 CNC 装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放译码结果在译码过程中还要完成对程序段的语法检查等工作，一旦发现错误，立即报警显示出来人 机 接 口刀 具 补 偿译 码 加 减 速 处 理插 补软 PLC系 统 配 置 程 序COM库 RTDL库图 4 系统配置过程示意图5 刀具补偿模块：由于 CNC 系统通过控制刀架的参考点实现加工轨迹，但实际上切削时实使用刀尖或刀刃边缘完成，这样就需要在刀架参考点与刀具切削点之间进行位置偏置，从而使数控系统的控制对象由刀架参考点变换到刀尖或刀刃边缘这种变换过程就称之为刀具补偿刀具补偿模块包括刀具长度补偿和刀具半径补偿 加减速处理模块：为了保证机床在启动动或停止时不产生冲击、失步、超程或震荡，必须对进给速度进行加减速处理 插补模块：是通过插补计算程序在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”，插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，并将给微小数据段的各个坐标轴分量（如∆x，∆y，∆z）输出到各个轴上。

 软 PLC 模块：也由软件实现，该模块接收来自数控加工程序和操作面板的开关命令、机床反馈等离散数字信号，经过逻辑计算，其结果输出给 I/O模块，控制机床开关设备的动作66．SERCOS 通讯与伺服系统在本实验装置中，SoftCNC 与伺服系统之间采用数字接口 ---SERCOS 进行数据通讯由安装在 PC 机扩展槽内的 SERCOS 通讯卡、带 SERCOS 接口的交流数字伺服驱动器、带 SERCOS 接口的 I/O 模块通过光纤连接构成SERCOS 光纤环在光纤环内，通过伺服参数、电机参数的设定，实现命令值、实际值、诊断报警信号、PLC 输入输出口状态等信息的实时传送；而且可以在光纤环内安装带SERCOS 接口的 I/O 模块，从而在同一光纤环内完成 SoftPLC 和 I/O 系统之间的通讯，使整个系统的结构变得更为简单，见图 2 和图 5采用 SERCOS 技术，传输速率达 4Mbit/s、8Mbit/s、16Mbit/s，伺服周期可设定为 0.062、0.125、0.25、0.5、1…65ms，支持位置、速度、扭矩三种控制模式，而且这些控制环节位置灵活，可全部指定在伺服控制器内完成，数控装置将位置命令由 SERCOS 输出，通过 SERCOS 光线环串行传输给伺服装置，伺服装置也通过 SERCOS 接口接收位置命令，由伺服装置完成全部调节。

五 实验步骤（一）译码模块实验：人 机 接 口 HMI网卡 串口 磁盘 光盘 MDI程 序 输 入译 码刀 具 补 偿加 减 速 处 理插 补 SERCOS 接 口软 PLC带 SERCOS接 口 的 交 流数 字 伺 服 器 +电 机 带 SERCOS接 口 的 I/O模 块 +执 行 元 件M、 S、 T工 业 控 制 PC机 控 制 坐 标 轴 运 动的 连 续 数 字 信 息控 制 刀 具 更 换 、主 轴 起 停 、 换 向变 速 、 冷 却 液 开关 等 逻 辑 离 散 信息图 5 系统内部信息流71. 启动“开放式软数控实验系统”，点击菜单“数控程序”→“输入”→“手动方式”，出现程序编辑窗口，通过键盘输入下面铣削加工程序如图所示工件，进行周边精铣加工，且加工程序启动时刀具在参考点位置，参考点位置如图所示，选择 Φ30 立铣刀，并以零件的中心孔作为定位孔，加工时的走刀路线如图 1-6 所示，其加工程序如下：N0010 G92 X450.0 Y250.0 Z300.0N0020 G00 G90 X175.0 Y120.0N0030 Z-5.0 M。