微型切割机中数控系统的开发

! 系统概述 $-$ 系统设计目标
根据微型切割机对数控系统的要求，提出本系统的各项技 术指标。这些指标主要分成以下几类： 数控系统的硬件设计和选型， 要求其稳定性好且不易受 $） 工业现场干扰源干扰； 运算能力强、 处理速度快； 具有丰富的接 口并能通过串口或 ./0 口与其它外部设备进行通讯。 合理的数控软件保证切割机床的实时控制和可靠运行， 其 !） 次应当根据实际的操作环境及流程为操作人员作详尽的考虑， 要求其功能丰富、 操作简便。 采用交流伺服系统， 结构简单， 控制精度高， 易于实现。 +） 系统要能方便地与外设相连， 具有较强的通讯能力， 如键 &） 盘、 、 等。 123 ./0 合理分配输入输出口， 便于系统维修和升级换代。 4） $-! 系统总体结构 本系统以 5/6 微处理器为硬件核心， 与下述三大模块相连 接： 一 是 5/6 与 交 流 伺 服 电 机 构 成 半 闭 环 伺 服 系 统 ， 担负着命 令伺服电机按指定运动轨迹切割运行的任务， 同时也起着调速、 中断信号处理等作用； 二是 5/6 与 7689 配合， 对燃气点火、 预 热处理、钢板穿孔、工作台极限位置等一系列开关量的逻辑控 制， 以及对键盘、 三 是 5/6 通 过 串 口 与 ./0 :;5 显 示 的 操 作 ； 模块相连， 读写加工文件代码。系统总体结构如图 $ 所示。 上面三部分组成了数控系统，其中， 5/6 是 数 控 系 统 的 核 心，它担负着切割机运动轨迹的计算以及对整个系统管理的任 务。 最后， 在 52/ 环境下采用 <1==+-" 平台开发的计算机编程
图>
-$.% 1$:8>) 外围功能图
速度能力， 适合切割运动中加减速的快速响应； 最快转速可以达 到 >)))& + QR<， 完全能够满足切割运行的速度要求。对应驱动 器 的 型 号 是 三 洋 $O’%)>)%’， 输 出 为 > 相 ) P>’72 ， $34 通过单向连接线将 ’)?ITJK 调制信号。电机内装有光电编码器， 信号反馈给驱动器。 图 H 中， 这是 在 程 序 中 指 定 - 是控制系统发出的脉冲指令， 的。 与$U 是光电编码器输出位置信号经过处理后的反馈脉冲， 进行比较决定位置偏差。 位置指令与位置反馈均为数字脉冲， 由
微型切割机中数控系统的开发 用于显示当前坐标和速度。 经过 $34 脉冲指令同时输入 -$.%，
-$.% 编程计算得到当前位置和速度值。 1$:8>) 和 ;1A 通 过 共用数据线、 片选导通的方式相连， ;1A 片选速度设定为 ’8JK。 采用 %BCDEF 公司 ’) 脚的 1$"’ 作为配置芯片。1$"’ 具 >） 有 -BF=L 配置存储器， 与 -$.% 之间的接口线较简单， 且直接连 接不需要外加智能控制器。 系统编程后， 调入 M@%. 配置指令初 始化 %"15 :8 器件。 ! "#$ 文件读写模块 这里所说的 /!0 文件读写， 主要是完成 /!0 主机功能， 就 是 通 过 单 片 机 和 /!0 主 控 芯 片 来 实 现 在 $" 中 由 A,! + 3#&N 配置功能。这些功能的 A,3! 操作系统完成的对 / 盘的识别、 实现是在 /!0 协议的基础上实现的。 本 模 块 由 4"/ 、 /!0 主 控 芯 片 、 /!0 接 口 、 扩 展 6%4、 ",4 组 成 ， 核 心 是 4"/ 和 /!0 主 控 芯 片 。 前 者 选 用 它 是 一 块 I 位 的 H: 兼 容 的 单 片 机 ， 具有很 3*I1H(0 单 片 机 ， 强 的 灵 活 性 且 价 格 不 高 。 后 者 采 用 "O$61!! 公 司 生 产 的 !;I::J! 型 /!0 主控芯 片 ， 是 一 块 集 成 了 /!0 主 + 从 控 制 器 和 /!0 协议的微处理器，可以用 :’40 + ! 全速或者 (I)40 + ! 低速的传输速率和 /!0 设备通讯，自动对各种 /!0 事件做出 响应。 !;I::J! 的功能结构如图 ( 所示。
’?’ -$.% 逻辑控制 选用 %BCDEF 公司的 1$:8>)@":((G> 芯片， 协助 A!$ 完成 基于查找表结构， 共有 :*’I 运动控制任务， 其工作电压为 ’?H2 ， 个逻辑单元 （;1 ） ， 最 大 用 户 # + , 引 脚 达 :*: 个 。 ’(H*7 6%4， 1$:8>) 外围功能如图 > 所示。
图’
A!$ ’()* 外围功能图
@4!>’);-’()* 最重要的任务就是完成复杂的运动控制算
法，即插补运算，包括对机床位置、速度和加速度的控制。在 采用数据采样插补， 其特点是适用于闭环、 半 ’()* 软件设计中， 闭环以直流或交流伺服电机为驱动装置的位置控制系统。插补 效率高、 计算误差小， 确保系统控制精度高、 运行平稳、 响应速度 快。根据切割工艺的要求， 采用连续轨迹速度控制策略， 即连续 切割线段拐角处速度可自适应到最佳值，达到最理想的加工效 果。同时系统采用梯形曲线加速度模式， 编程方便、 易于实现。
#$%&’()& ?C XFEY HI PSE MSNLNMPELFDPFMD NCZ LE[KFLE,ECPD HI PSE ,FCFPQRE MKPPFCG ,NMSFCE\PSFD RNREL FCPLHZKMED PSE ZEDFGC HI CK] ,ELFMNO MHCPLHO DQDPE, ^NDEZ HC 5/6-;DREMFNOOQ\YE FCPLHZKME SHY PH KDE <3/+!":7!&"A NCZ ;6$T+" PH LENOF_E ,HPFHC MHC] PLHO NCZ /:V$$W/ FD ZEDFGCEZ IHL PSE MH,,KCFMNPFHC->E NODH ZFDMKDD PSE ZEDFGC IHL RHDFPFHC MHCPLHO ,HZE HI SNOI MOHDEZ OHHR DQDPE, FC 91 DELXH-9CZ N RLNMPFMNO DMSE,E FD RLHXFZEZ IHL MKPPFCG ,NMSFCE ,NCKINMPHLFED PH KDE PSE SH,E,NZE CK] ,ELFMNO MHCPLHO DQDPE,*+,-.’/%‘3FCFPQRE MKPPFCG ,NMSFCE\JK,ELFMNO MHCPLHO DQDPE,\3HPFHC MHCPLHO
" 运动控制模块 !-$ 5/6 微处理器
从设计目标分析， <? 公 司 <3/+!":7!&"A 5/6 是 针 对 电 机控制领域开发的，所以更适合作为数控系统运动控制单元的 硬件核心。!&"A 采用高性能静态 132/ 技术， 使得供电电压降 为 +-+B ， +"3?6/ 的 执 行 速 度 使 得 指 令 周 期 缩 短 到 ++CD ， 从 而 提高了控制器的实时控制能力。 !&"A 包含 ;B9 、 ;B0 两个事件
《工业控制计算机》 !""# 年 $% 卷第 & 期
#$
微型切割机中数控系统的开发!
5EDFGC HI JK,ELFMNO 1HCPLHO /QDPE, FC 3FCFPQRE 1KPPFCG 3NMSFCE
陈 迪 佘 焱 唐厚君 姜建国 方
摘
上海 !""!&"） 万 （上海交通大学电气工程系，
要
针对微型切割机的工作特点和技术指标，介绍了一种以 5/6 为核心的专用数控系统的设计与开发。着重介绍了由 <? 公司 <3/+!":7!&"A 芯片和 9OPELN 公司 ;6$T+" 芯片组成的运动控制模块，以及由 1)6U;// 公司 /:V$$W/ 型 ./0 主 控芯片构成的人机通讯设备的软、 硬件实现， 讨论了位置半闭环交流伺服系统的设计， 为切割机生产商实现数控系统的国产 化供了一个经济实用的解决方案。 关键词： 微型切割机， 数控系统， 运动控制
图(
!;I::J! 功能结构图!;I::J! 通过 /!0 标准接口读写 / 盘，通过处理器接口 和 3*I1H(0 微处理器相连。对 !;I::J! 的操作是通过 :7 个 内部寄存器进行的。 !;I::J! 共有 :H 个配置寄存器， 其 中 )P (、 IP" 分别为 /!0G% 和 /!0G0 的工作配置寄存器， H、 - 是控 制寄存器， 7 是中断使能寄存器， A 是状态寄存器， 1、 - 为 !,计数寄存器。 在 3*I1H(0 上 开 发 底 层 驱 动 函 数 和 磁 盘 操 作 程 序 。 通过串口与 A!$ 相连。当 / 盘插 3*I1H(0 作为模块的 4"/， 入后， 3*I1H(0 和 !;I::J! 配合读取 / 盘上指定文件的切割 代码，并将代码保存到外部 6%4 中。当 3*I1H(0 接受到 A!$ 发出的信号时， 通过 ",4 口将扩展 6%4 中的数据发送给 A!$。 % 交流伺服系统 系统采用位置半闭环交流伺服系统， 如图 H 所示。 伺服电机 型号是三洋 $H)0)I)*HA5!))， 在 )?:E + *H)3。其转矩波动小， 具有 H)))EFS + =’ 的角加 QR< 时仍有平稳的速度而无爬行现象；
（4"&&A""V ） ! 国家自然科学基金资助 图$ 系统总体结构图
软件， 便于操作人员在 61 机上编写切割代码。 从整个系统的数据信息传送方向来分析，一是数据信息的 正 向 传 送 过 程 ， 由 . 盘 输 入 加 工 信 息 并 传 给 5/6 ， 5/6 发 送 实现运动控制。同时， 6>3 脉冲到伺服驱动器， 7689 通过外围 驱动电路实现 ? @ 2 一系列开关量的控制。二是数据信息的反向 传送过程， 内部带有光电编码器的交流伺服电机， 将位置信号实 时地反馈给驱动器， 驱动器再反馈给数控系统。 系统接收到这些 信息后， 由 5/6 继续完成插补运算， 并由 7689 在 :;5 上 显 示 当前位置和速度。