三轴数控铣床开放式控制系统的开发研究
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摘要
开放式数控系统是上世纪九十年代出现的一种先进的计算机数控体系结构，具有扩展性好、开发和维护方便、运行稳定性高、能灵活适应不同需要等特点，是未来数控技术的主要发展趋势。随着现代计算机技术、微电子技术和现代控制技术的不断发展，开放式数控系统如何有效地利用这些先进的技术，多快好省地进行控制系统的开发就显得十分的必要。
本论文利用计算机软、硬件技术、数字信号处理器技术，实现了用于开放式三自由度数控铣床的计算机控制系统。该系统采用深圳摩信科技有限公司的MCT8000F4多轴运动控制卡，组成了以通用PC机为上位机、板载DSP的运动控制卡为下位机的主从式开放数控系统。被控对象是一个三轴数控铣床模拟工作平台，由三套伺服电机及其驱动器构成半闭环伺服系统。
本次设计的上位PC机软件模块利用Windows环境下的C++ Builder编程开发工具制作模块化的人机交互控制界面，并采用Lex&Yacc编译技术完成原始NC数控代码编译模块的开发，以实现上位机的数控代码编译、刀具半径补偿、系统参数设置、手动自动操作等功能；通过制定上下位机的通讯协议，将上位机的工作指令传入下位机DSP控制器中，并充分发挥DSP处理器浮点运算的高速度、高精度等特点，完成运动控制中的实时直线和圆弧数值插补、运动加减速控制等内容。
在整个设计过程中，采用了Lex&Yacc编译技术、C++ Builder编程技术、DSP技术等多种当前科技应用研究领域的热点技术，使本系统顺应了数控系统开放性的趋势，具有较好的实用价值，并为其的进一步开发打下了良好的基础。
The open numerical control system appeared in 1990s is a kind of advanced structure with excellent extension, convenient maintenance, good stability in operating and flexibly adaptability to different requirement. It is the future trends of the numerical control technology. With the rapid development of the technologies of the computer, the electronics and the modern control, it becomes more and more necessary to develop the modern CNC system cheaply and quickly with these advanced technology.
This dissertation realizes one open computer system for three axis numerical control milling machine using computer software, hardware and DSP technologies. This system is one PC-DSP principal and subordinate frame. PC means one general personal computer. DSP implies on MCT8000F4 multi-axis motion controller made by Shenzhen Motion Technology Co. Ltd. The plant controlled is one simulation for milling machine consisted of three sets of servo motor and driver driving one worktable.
The principal software utilizes C++ Builder for Windows and Lex&Yacc to accomplish the human-computer interaction interface and the original NC mode compilation module; through the upper and lower communication agreement, the principal machine commands are transmitted to the subordinate DSP motion controller. Parameter setting, milling cutter radius compensation, mode compilation, manual and automation operation, etc. are the tasks of principal PC, while line and arc interpolation, motion segment acceleration and deceleration control at a high precision rate and so on are the duty of DSP motion controller.
The Lex&Yacc, C++ Builder, DSP used by this dissertation are all very popular in the application study field. This adapt to the trend of the open numerical control system and it
makes this design more practicability, lays a good foundation for the further development of this system.
本论文利用计算机软、硬件技术、数字信号处理器技术，实现了用于开放式三自由度数控铣床的计算机控制系统。该系统采用深圳摩信科技有限公司的MCT8000F4多轴运动控制卡，组成了以通用PC机为上位机、板载DSP的运动控制卡为下位机的主从式开放数控系统。被控对象是一个三轴数控铣床模拟工作平台，由三套伺服电机及其驱动器构成半闭环伺服系统。
本次设计的上位PC机软件模块利用Windows环境下的C++ Builder编程开发工具制作模块化的人机交互控制界面，并采用Lex&Yacc编译技术完成原始NC数控代码编译模块的开发，以实现上位机的数控代码编译、刀具半径补偿、系统参数设置、手动自动操作等功能；通过制定上下位机的通讯协议，将上位机的工作指令传入下位机DSP控制器中，并充分发挥DSP处理器浮点运算的高速度、高精度等特点，完成运动控制中的实时直线和圆弧数值插补、运动加减速控制等内容。
在整个设计过程中，采用了Lex&Yacc编译技术、C++ Builder编程技术、DSP技术等多种当前科技应用研究领域的热点技术，使本系统顺应了数控系统开放性的趋势，具有较好的实用价值，并为其的进一步开发打下了良好的基础。
The open numerical control system appeared in 1990s is a kind of advanced structure with excellent extension, convenient maintenance, good stability in operating and flexibly adaptability to different requirement. It is the future trends of the numerical control technology. With the rapid development of the technologies of the computer, the electronics and the modern control, it becomes more and more necessary to develop the modern CNC system cheaply and quickly with these advanced technology.
This dissertation realizes one open computer system for three axis numerical control milling machine using computer software, hardware and DSP technologies. This system is one PC-DSP principal and subordinate frame. PC means one general personal computer. DSP implies on MCT8000F4 multi-axis motion controller made by Shenzhen Motion Technology Co. Ltd. The plant controlled is one simulation for milling machine consisted of three sets of servo motor and driver driving one worktable.
The principal software utilizes C++ Builder for Windows and Lex&Yacc to accomplish the human-computer interaction interface and the original NC mode compilation module; through the upper and lower communication agreement, the principal machine commands are transmitted to the subordinate DSP motion controller. Parameter setting, milling cutter radius compensation, mode compilation, manual and automation operation, etc. are the tasks of principal PC, while line and arc interpolation, motion segment acceleration and deceleration control at a high precision rate and so on are the duty of DSP motion controller.
The Lex&Yacc, C++ Builder, DSP used by this dissertation are all very popular in the application study field. This adapt to the trend of the open numerical control system and it
makes this design more practicability, lays a good foundation for the further development of this system.
引文
[1] 洪钟洲．开放式数控系统——新一代NC的主流．机电一体化，1997(4)：67～68．
[2] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用(第2版)．北京：电子工业出版社，2000．
[3] 张伯鹏．数字化制造是先进制造技术的核心技术．制造业自动化，2000，22(2)：1～4．
[4] 刘利．当前NC的热点——开放化与PC化．机电一体化，1998(1)：18～20．
[5] Matsui, N.D SP-based intelligent motor/motion control. IEE Proceedings of the 1995 American Control Conference-ACC'95, 1995: 490～494.
[6] Kolek, K. etc, Real time simulation environment for control of high-speed unstable mechanical systems, lEE Proceeding of the Second International Symposium on Methods and Models in Automation and Robotics, 1995, 1(1): 413～418.
[7] Hager, G. J. Integrated motion and programmable logic control cuts system cost. IEE Power Conversion&Intelligent Motion, 1996, 22 (4): 42～46.
[8] Larsen, G/Cetinkunt, S. Low speed motion control experiments on a single point diamond turning machine using CMAC learning control algorithm, IEE Transactions of the ASME. Journal of Dynamic System, Measurement and control, 1997, 31(5): 775～781.
[9] Han, S. H. etc. Implementation of a real-time adaptive controller for robotic manipulator using DSP's. IEE Proceedings of IFAC Workshor on Manufacturing Systems: Modeling, Management and Control (MIM'97), 1997: 303～308.
[10] Stylo, A. W./Diana, G. A low cost, high performance PC based integrated real-time motion control development system. IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Proceedings. ISIE'98, 1998, 1(1): 127～130.
[11] Brandstatter, W. A new approach for a DSP-based stepping motor control which eliminates vibrations and allows a common hardware platform for stepping motors and PM brushless motors. IEE Proceeding of 41s International Conference for Power Conversion and Intelligent Motion -PCIM'99, 1999: 125～128.
[12] Moynihan,J.F. High accuracy speed and position calculation for industrial drives using the integrated ADMC401 DSP controller, IEE Proceedings of 41 International Conference for
Power Conversion and Intelligent Motion-PCIM'99, 1999: 279～284.
[13] Guk-Chan Han. etc. A high speed machining algorithm for CNC machine tools. IEEE IECON'99. Conference Proceedings. 25" Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1999, 1(3): 1493～1497.
[14] 章富元，方江龙，汤即安．对我国数控技术发展的思考．中国机械工程， 1999，10(10)：1100～1104．
[15] 周祖德，魏仁选，陈幼平．开放式控制系统的现状、趋势及对策．中国机械工程，1999，1(10)：1090～1093．
[16] 杨建东，潘文法，祝文浪．一种高速PC-DSP控制系统．小型微型计算机系统，1997，18(4)：51～55．
[17] 王振华，朱国力，郭长旺．基于DSP和CAN总线的CNC多轴运动控制器．制造业自动化，2000，22(3)：10～13．
[18] 田文超，朱继红，周济．数控系统高性能DSP插补通讯模块的设计实现．制造业自动化，2000，22(6)：36～38．
[19] 张剑，殷苏民．基于运动控制卡的开放式数控系统．机床与液压， 2003(3)：170～174
[20] TMS320C3X Users Guide. http://www.acm.uiuc.edu/sigarch/resources/docs/-trns320c3x_spru163a.pdf. Association Computing Machinery, 2003.
[21] 金钰，胡佑德，李向春．伺服系统设计指导．北京：北京理工大学出版社， 2000．
[22] 陈维山，赵杰．机电系统计算机控制．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1999．
[23] 胡俊，吴祖育，蔡建国．主从式数控系统中的数据通讯．机床与液压， 2000(1)： 32～34．
[24] 叶伯生．计算机数控系统原理编程与操作．武汉：华中理工大学出版社， 1999．
[25] 杨亮，刘龚，阮晓星．WINDOWS任务调制的优先级问题．中国计算机用户， 1997(8)：86～88．
[26] 陈增强，刘刚．WINDOWS NT系统内部进行通讯机制的研究．微机算机应用，1998(18)：42～43．
[27] 武小鹏，张玮，卢继平．虚拟数控机床模型与实现．机械工程师，2003(6)：16～18．
[28] 吴祖育．数控机床．上海：上海交通大学出版，1993．
[29] 毕承恩，丁乃建．现代数控机床(上下册)．上海：上海交通大学，1993．
[30] 王永章．机床的数字控制技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000．
[31] 倪其民，王水才，李从心等．数控加工中的曲面插补技术，机电一体化，2000(6)：34～36．
[32] 程金林，周学才．国产MCT8000运动控制器的轨迹规划系统．机器人技术与应用，2001，23(5)：55～58．
[33] 彭韬，周学才．基于国产MCT8000运动控制卡的开放式结构机器人控制系统．制造业自动化，2001，23(2)：65～66．
[34] 赵信革．数控加工中的补偿．现代制造，2000(4)：70～72．
[35] 李玮，沈勇，董军．数控机床刀具补偿的应用研究．云南民族大学学报(自然科学版)，2003，12(3)：164～166．
[36] 冯永，倪二男，冉树成．CNC系统刀具补偿研究．制造技术与机床，1995(1)：12～14．
[37] 高军礼，陈玮，邓则名等．基于DSP技术的多轴运动控制器的应用研究．组合机床与自动化加工技术，2002(3)：3～4．
[38] 高荣．刀具补偿及编程在数控机床中的应用．淮阴工学院学报，2000，9(3)：8～9．
[39] 谢明红．开放式模块化通用数控系统软件设计．华侨大学学报(自然科学版)， 1998，19(2)：180～182．
[40] 廖效果，刘又午．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社，2000．
[41] 从Lex&Yacc到编译器．http://www.clinux.org/forum/showthread/.phpthreadid=4200． 武汉自由软件协会论坛，2003．
[42] Lesk M E, Schmidt E.Lex-a Lexical Analyzer Genera-for. http://www.cs.ucsb.e du/cs160/machines/lex-does.txt.2003.
[43] Johnson S C. YACC: Yet Another Compiler-Compiler. AT&T Bell Laboratories, Munay Hill, New Jersey. http://www.csc.calpoly.edu/-gfisher/450/doe/yaee/paper.txt.2003,.
[44] 沙智华，张生芳，葛研军等．通用数控代码编译系统研究与实现．中国机械工程，2003，14(9)：763～765．
[45] 李赣生，王华民．编译程序原理与技术．北京：清华大学出版社，1997．
[46] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造工程，1999，28(3)：24～26．
[47] 韩世强，阳道善．数控程序解释软件芯片的研制与开发．小型微型计算机系统，1996．(12)：26～28．
[48] Nell Dale，Chip Weems．C++程序设计(第二版)．北京：高等教育出版社，2001．
[49] 刘海涛．Borland C++Builder入门与提高．北京：清华大学出版社，1999．
[50] 杨胜洁，黄业清．C++Builder高级界面特效制作．北京：中国电力出版社，2000．
[51] MCT8000F4运动控制卡技术资料．http://www.motionct.com/tech/techl_center.htm．深圳摩信科技有限公司网络，2003．
[2] 张雄伟，曹铁勇．DSP芯片的原理与开发应用(第2版)．北京：电子工业出版社，2000．
[3] 张伯鹏．数字化制造是先进制造技术的核心技术．制造业自动化，2000，22(2)：1～4．
[4] 刘利．当前NC的热点——开放化与PC化．机电一体化，1998(1)：18～20．
[5] Matsui, N.D SP-based intelligent motor/motion control. IEE Proceedings of the 1995 American Control Conference-ACC'95, 1995: 490～494.
[6] Kolek, K. etc, Real time simulation environment for control of high-speed unstable mechanical systems, lEE Proceeding of the Second International Symposium on Methods and Models in Automation and Robotics, 1995, 1(1): 413～418.
[7] Hager, G. J. Integrated motion and programmable logic control cuts system cost. IEE Power Conversion&Intelligent Motion, 1996, 22 (4): 42～46.
[8] Larsen, G/Cetinkunt, S. Low speed motion control experiments on a single point diamond turning machine using CMAC learning control algorithm, IEE Transactions of the ASME. Journal of Dynamic System, Measurement and control, 1997, 31(5): 775～781.
[9] Han, S. H. etc. Implementation of a real-time adaptive controller for robotic manipulator using DSP's. IEE Proceedings of IFAC Workshor on Manufacturing Systems: Modeling, Management and Control (MIM'97), 1997: 303～308.
[10] Stylo, A. W./Diana, G. A low cost, high performance PC based integrated real-time motion control development system. IEEE International Symposium on Industrial Electronics. Proceedings. ISIE'98, 1998, 1(1): 127～130.
[11] Brandstatter, W. A new approach for a DSP-based stepping motor control which eliminates vibrations and allows a common hardware platform for stepping motors and PM brushless motors. IEE Proceeding of 41s International Conference for Power Conversion and Intelligent Motion -PCIM'99, 1999: 125～128.
[12] Moynihan,J.F. High accuracy speed and position calculation for industrial drives using the integrated ADMC401 DSP controller, IEE Proceedings of 41 International Conference for
Power Conversion and Intelligent Motion-PCIM'99, 1999: 279～284.
[13] Guk-Chan Han. etc. A high speed machining algorithm for CNC machine tools. IEEE IECON'99. Conference Proceedings. 25" Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, 1999, 1(3): 1493～1497.
[14] 章富元，方江龙，汤即安．对我国数控技术发展的思考．中国机械工程， 1999，10(10)：1100～1104．
[15] 周祖德，魏仁选，陈幼平．开放式控制系统的现状、趋势及对策．中国机械工程，1999，1(10)：1090～1093．
[16] 杨建东，潘文法，祝文浪．一种高速PC-DSP控制系统．小型微型计算机系统，1997，18(4)：51～55．
[17] 王振华，朱国力，郭长旺．基于DSP和CAN总线的CNC多轴运动控制器．制造业自动化，2000，22(3)：10～13．
[18] 田文超，朱继红，周济．数控系统高性能DSP插补通讯模块的设计实现．制造业自动化，2000，22(6)：36～38．
[19] 张剑，殷苏民．基于运动控制卡的开放式数控系统．机床与液压， 2003(3)：170～174
[20] TMS320C3X Users Guide. http://www.acm.uiuc.edu/sigarch/resources/docs/-trns320c3x_spru163a.pdf. Association Computing Machinery, 2003.
[21] 金钰，胡佑德，李向春．伺服系统设计指导．北京：北京理工大学出版社， 2000．
[22] 陈维山，赵杰．机电系统计算机控制．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 1999．
[23] 胡俊，吴祖育，蔡建国．主从式数控系统中的数据通讯．机床与液压， 2000(1)： 32～34．
[24] 叶伯生．计算机数控系统原理编程与操作．武汉：华中理工大学出版社， 1999．
[25] 杨亮，刘龚，阮晓星．WINDOWS任务调制的优先级问题．中国计算机用户， 1997(8)：86～88．
[26] 陈增强，刘刚．WINDOWS NT系统内部进行通讯机制的研究．微机算机应用，1998(18)：42～43．
[27] 武小鹏，张玮，卢继平．虚拟数控机床模型与实现．机械工程师，2003(6)：16～18．
[28] 吴祖育．数控机床．上海：上海交通大学出版，1993．
[29] 毕承恩，丁乃建．现代数控机床(上下册)．上海：上海交通大学，1993．
[30] 王永章．机床的数字控制技术．哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000．
[31] 倪其民，王水才，李从心等．数控加工中的曲面插补技术，机电一体化，2000(6)：34～36．
[32] 程金林，周学才．国产MCT8000运动控制器的轨迹规划系统．机器人技术与应用，2001，23(5)：55～58．
[33] 彭韬，周学才．基于国产MCT8000运动控制卡的开放式结构机器人控制系统．制造业自动化，2001，23(2)：65～66．
[34] 赵信革．数控加工中的补偿．现代制造，2000(4)：70～72．
[35] 李玮，沈勇，董军．数控机床刀具补偿的应用研究．云南民族大学学报(自然科学版)，2003，12(3)：164～166．
[36] 冯永，倪二男，冉树成．CNC系统刀具补偿研究．制造技术与机床，1995(1)：12～14．
[37] 高军礼，陈玮，邓则名等．基于DSP技术的多轴运动控制器的应用研究．组合机床与自动化加工技术，2002(3)：3～4．
[38] 高荣．刀具补偿及编程在数控机床中的应用．淮阴工学院学报，2000，9(3)：8～9．
[39] 谢明红．开放式模块化通用数控系统软件设计．华侨大学学报(自然科学版)， 1998，19(2)：180～182．
[40] 廖效果，刘又午．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社，2000．
[41] 从Lex&Yacc到编译器．http://www.clinux.org/forum/showthread/.phpthreadid=4200． 武汉自由软件协会论坛，2003．
[42] Lesk M E, Schmidt E.Lex-a Lexical Analyzer Genera-for. http://www.cs.ucsb.e du/cs160/machines/lex-does.txt.2003.
[43] Johnson S C. YACC: Yet Another Compiler-Compiler. AT&T Bell Laboratories, Munay Hill, New Jersey. http://www.csc.calpoly.edu/-gfisher/450/doe/yaee/paper.txt.2003,.
[44] 沙智华，张生芳，葛研军等．通用数控代码编译系统研究与实现．中国机械工程，2003，14(9)：763～765．
[45] 李赣生，王华民．编译程序原理与技术．北京：清华大学出版社，1997．
[46] 姚习武，朱志红，田文超．Windows平台下数控代码解释系统的研究与实践．机械设计与制造工程，1999，28(3)：24～26．
[47] 韩世强，阳道善．数控程序解释软件芯片的研制与开发．小型微型计算机系统，1996．(12)：26～28．
[48] Nell Dale，Chip Weems．C++程序设计(第二版)．北京：高等教育出版社，2001．
[49] 刘海涛．Borland C++Builder入门与提高．北京：清华大学出版社，1999．
[50] 杨胜洁，黄业清．C++Builder高级界面特效制作．北京：中国电力出版社，2000．
[51] MCT8000F4运动控制卡技术资料．http://www.motionct.com/tech/techl_center.htm．深圳摩信科技有限公司网络，2003．