0 前言

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可擴展性、可移植性、可互換性的特點。現(xiàn)已成為CNC 系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。具有改進哈佛結構(havard structure) 的DSP 使CNC 系統(tǒng)的軟硬件資源得以最大限度的利用。與馮. 諾依曼結構相比,哈佛結構的程序和數(shù)據(jù)具有獨立的存儲空間,改進的結構使數(shù)據(jù)總線和程序總線之間有局部的交叉連接,這使程序的提取、數(shù)據(jù)讀寫和DMA 存取可以并行地進行。

1 系統(tǒng)的軟硬件組成

　　1.1 硬件

　　交流伺服系統(tǒng)是一個典型的速度閉環(huán)系統(tǒng), 伺服驅動器從主控制系統(tǒng)接受電壓變化范圍為-Ui～Ui 的速度指令信號。電壓從- Ui變化到Ui 的過程中,伺服電機可實現(xiàn)從反轉最高速度變化到零,然后再變化到正轉最高速度。帶位置環(huán)的全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng),不僅可以進行位置的閉環(huán)控制,還使得交流伺服電機可以像步進電機一樣易于控制, 上位控制器可以是CNC、PLC 或者直接是Compuer 等。交流伺服系統(tǒng)的位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)都集成在伺服驅動器內部。伺服電機都帶有高精度的光電編碼器,給伺服驅動器提供高精度的速度和位置反饋信號。在本系統(tǒng)中的信濃伺服驅動器就可以直接返回編碼器信號, 同時接受10V 的直流電壓。因此,此類伺服系統(tǒng)很易于應用于PC 機構成的系統(tǒng)中。

　　MCT8000F4 型DSP 多軸運動控制器通過PC 機ISA 總線直接與PC 機相連接,組成主控制系統(tǒng)?？刂破骱诵男酒瑸門I 公司的TMS320C31。

　　1.2 軟件

　　為了使該系統(tǒng)軟件易于維護,具有可重構性、可擴展性,在軟件設計中采用模塊化設計方法。按CNC 系統(tǒng)的實時多任務設計系統(tǒng)軟件模塊。

　　①加工控制,如點動、自動、選擇、模擬、輔助加工等。

　?、诩庸ぼ壽E跟蹤,在界面上將刀具的加工軌跡按實際加工情況顯示出來。

　?、奂庸ば畔⒌膭討B(tài)顯示,如加工坐標、數(shù)控程序段等。

　?、苡脩魟幼鞯谋O(jiān)控。

　?、菪盘柕谋O(jiān)測,對下位機傳來的信號進行判定,并給系統(tǒng)相應的指示。

　　⑥寫數(shù)據(jù),將上位機的命令與數(shù)據(jù)傳遞給下位機,以指揮機床運動。

2 系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)

　　2.1 硬件

　　圖2 所示為用MCT8000F4 控制器控制交流伺服系統(tǒng)。其中,MCT8000F4 I/ O接口板上的硬件端口定義。

　　MCT8000F4 控制板和MCT8000F4 - IO 接口板向伺服放大器輸出控制信號。編碼器檢測電機的實際位置并通過ENC 反饋給MCT8000F4 。MCT8000F4 將位置指令與編碼器反饋的實際位置信號比較,產(chǎn)生的偏差信號通過DAC 輸出端子DAC0. 1. 2 輸入伺服放大器,從而形成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng);通過DAC 端子的電壓值可調節(jié)電機的轉速。數(shù)字輸出信號DO0. 1. 2 用于控制伺服放大器。

　　系統(tǒng)采用信濃的DOS016b - CB752F 交流伺服驅動器。伺服　　電機為信濃8CB75 - 2SE6F。本伺服驅動器有以下特性?！　∷欧姍C的特性參數(shù):　　額定功率:750W　　額定轉矩:24. 4kgf . cm　　最大轉矩:61. 0kgf . cm　　編碼器線數(shù):2000 線　　電機額定轉速:3000min　　輸入電壓:AC 200/ 220v 交流市電,單相50/ 60Hz　　控制系統(tǒng):單相全波整流場效應晶體管脈寬調制系統(tǒng)　　速度控制范圍:1 :1000　　額定速度控制電壓:10v

　　內置功能:七段LED 顯示報警和信號,內置再生電路,電源延遲開啟(大約1 秒) ,保護功能(過流,過載,過熱,機超速,電源控制出錯等) 。

　　2.2 　軟件

　　典型的編程結構應包括: ①需要導入的函數(shù)庫; ②函數(shù)原型清單區(qū)域,全局變量聲明區(qū)域; ③中斷服務例程又稱前臺編程; ④初始化; ⑤無限循環(huán)又稱后臺編程; ⑥用戶自定義函數(shù)體.前臺編程、初始化及后臺編程重要程序如下所示。

　　pos_s 和pos_e 可設置電機初始點和終點位置絕對坐標,通過改變其值可實現(xiàn)電機的位置控制;control 可設置電壓數(shù)值,通過改變其值可實現(xiàn)電機的速度控制;line move 1 PTP 為直線運動軌跡插補函數(shù),可設置最大允許速度(360) 、最大允許加速度(3600) 、采樣周期等。

3 人機交互界面

　　本系統(tǒng)的人機交互界面采用Borland 公司的C ++ Builder5. 0進行編寫。C ++ Builder 是基于C 語言的快速開發(fā)工具,它同時具有C ++ 語言的靈活和可視化編程的便利,功能強大、界面友好、使用方便,并且提供了豐富的VCL 組件庫,避免了在界面開發(fā)上浪費過的精力。

　　本次設計的人機交互界面主要包括以下兩個組成部分: ①主操作界面,包括狀態(tài)信息和代碼編譯; ②參數(shù)設定界面;

　　(1) 主操作界面

　　主操作界面中包括代碼編譯部分、狀態(tài)顯示部分以及主要功能按鈕。主狀態(tài)信息框中主要顯示出三個數(shù)控軸的當前位置,并用指示燈表示各軸的運行狀態(tài);副狀態(tài)顯示組框中顯示各種加工過程的情況,包括當前使用的刀具和夾具編號、當前刀具補償、冷卻液狀態(tài)、主軸轉速、進給速度及各伺服軸的目標位置等信息;編譯結束之后,將生成的數(shù)據(jù)結構傳送到下位機DSP 內存中以進行加工工作。主窗體上方的下拉菜單和右側的按鈕可以對用于打開其他界面和完成系統(tǒng)功能,工具條中的圖表按鈕包括編輯用的功能以及基本的數(shù)控系統(tǒng)操作按鈕,以方便使用。

　　(2) 參數(shù)設定界面

　　系統(tǒng)的參數(shù)設定界面。一些比較重要的系統(tǒng)參數(shù)都在這個界面中設定。用戶可以根據(jù)自己的具體情況對其中部分參數(shù)進行修改,同時,當外界的硬件環(huán)境改變時,只需要改變參數(shù)就可以完成系統(tǒng)的重新構建,體現(xiàn)了開放性的宗旨。

　　伺服軸的設置:這一頁中包括對每個伺服軸的PID 參數(shù),DAC輸出口的偏差,編碼器的線數(shù)與倍頻,每軸的最大允許速度、加速度,以及系統(tǒng)插補運算所需要的采樣周期;刀具與夾具:對系統(tǒng)所使用的各刀具和夾具進行編號,并對刀具的長度補償和半徑補償進行設定;主軸設置:對于銑床系統(tǒng)的主軸進行設置,包括主軸的轉速范圍,最大允許加速度,主軸原點位置和主軸的PID 參數(shù)及DAC 的電壓偏差;控制口設置:對MCT8000 I/ O板上的各輸出端口進行了設置,主要包括各軸的使能控制端口、各軸的DAC 和編碼器的端口以及系統(tǒng)冷卻液、潤滑液等輔助功能使能端口的設定;點動與軸的行程:分別對各軸點動時的額定轉速,原點位置,最大行程與反向間隙誤差進行規(guī)定。

　　對于一個具體的數(shù)控系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)是不應該經(jīng)常變動的。因此,我們可以把系統(tǒng)參數(shù)保存成文件,利用打開按鈕直接打開;而一些新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng),可以借鑒之前系統(tǒng)的參數(shù)設定,更可以從網(wǎng)絡上遠程下載一些固定俗稱的規(guī)定結果,減少了重復操作的麻煩。

4 系統(tǒng)集成

　　分別完成了上位機部分的程序和下位機DSP 程序代碼后,還需要對各部分軟件程序進行整合,組成整個系統(tǒng)的控制部分。下位機的DSP 程序是可以在C 語言的編程環(huán)境中完成,但MCT8000 的下位機處理器只能處理COFF(公用目標文件格式)格式的目標文件,這樣就需要運用MCT8000 的編譯器和程序加載器。MCT8000 自帶的編譯器MCTCL31 可以將編制好的C語言的源程序文件轉換成COFF 文件格式,這種格式文件一般是以. out 為后綴結尾的;利用程序加載器PCL31 將與下位機DSP 內存進行連接,使上位機程序順利的加載到DSP 的對應端口中去。這些內容可以以MS - DOS 命令形式執(zhí)行,也可以編輯成. bat 為后綴的批處理文件,本次設計中采用了后一種方法進行實現(xiàn)。

　　這樣,在C ++ Builder 的上位機程序中,調用mcthost. h 函數(shù)庫中的host execute cmd( const char 3 command) 函數(shù)(command是一個字符串指針,對應所要指定的文件) ,就可以完成對下位機已經(jīng)編譯好的. bat 文件的調用。