MX-3開放式數控系統實驗平臺開發與應用

李　晶, 徐學武, 李　浩, 梅雪松

(西安交通大學 機械工程學院, 陜西 西安　710049)

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MX-3開放式數控系統實驗平臺開發與應用

李晶, 徐學武, 李浩, 梅雪松

(西安交通大學 機械工程學院, 陜西 西安710049)

MX-3是西安交通大學開發的基于GUC運動控制器的開放式機床數控系統,具有三軸聯動銑削功能,是能夠實現由交流伺服電機驅動的半閉環控制系統。該系統硬件由數控裝置和伺服系統組成,GUC-400-ESV運動控制器為數控裝置的核心部件,以Visual C++為工具進行控制軟件開發,操作系統采用Windows XP系統。在該數控系統基礎上搭建了MX-3開放式數控系統實驗平臺,并應用于數控技術實踐教學中,既豐富了實驗教學內容,又提高了實驗教學質量。

開放式數控系統； 運動控制器； 數控技術； 實驗教學

傳統數控系統以其成熟的技術、完善的功能、較高的可靠性而廣泛應用于工業生產的很多領域[1-3]。然而,傳統數控系統專用性強、通用性差,設備制造商采用的數控系統沒有共同性和標準化的接口,無法形成持久、高可靠性的軟件擴展能力和滿足用戶進行二次開發的需求,也限制了數控技術的進一步發展和應用。在這樣的環境與背景下,開放式數控系統(open numerical control system)應運而生。

開放式數控系統就是指所開發的數控系統可以運行于各種通用硬件和操作系統,能夠提供面向功能的動態重構與二次開發方案,并且能夠提供統一標準的應用程序用戶界面(API)[4-5]。開放式數控系統的成功開發使得企業生產面向任務和訂單的生產組織模式成為可能,使底層生產控制系統的集成更為簡便和有效[6]。

西安交通大學數控技術課程在國家精品課程建設的大力支持下,憑借在數控系統開發、伺服優化、系統性能測試等方面的技術優勢,由智能診斷及控制裝備研究所和機械基礎實驗教學國家級示范中心聯合開發了基于運動控制器的開放式數控系統,并搭建了4臺MX-3開放式數控系統實驗平臺。MX-3開放式數控系統是一款基于GUC運動控制器開發的機床數控系統,具有三軸聯動銑削功能,能夠實現由交流伺服電機驅動的半閉環控制系統。

1　開放式數控系統硬件系統設計

MX-3開放式數控系統由數控裝置和伺服系統兩部分組成。

數控裝置是控制機床運動的中樞系統,它的基本功能是接收來自程序介質的信息,按照規定的控制算法進行插補運算,把控制信息轉換為伺服系統能夠接收的指令信號,并將結果由輸出裝置送到各坐標控制的伺服系統。

伺服系統由伺服驅動器和伺服電機組成,其基本功能是接收數控裝置發出的指令信號,控制機床執行部件的進給速度、方向和進給位移量等,以完成零件的自動加工[7-8]。圖1為MX-3開放式數控系統硬件總體結構圖。

圖1　MX-3開放式數控系統硬件平臺總體結構

MX-3開放式數控系統數控裝置以GUC-400-ESV運動控制器為核心部件進行構建,還包括顯示器(觸摸屏)、鍵盤、鼠標、控制面板、手脈等外設。GUC運動控制器是將PC技術與運動控制技術相結合的一體化運動控制器,它以Intel標準X86架構的CPU和芯片組作為系統處理器,采用DSP和FPGA作為運動控制協處理器。

GUC運動控制器在硬件上提供兩種接口:一種是PC機常見接口,如USB、PS2、VGA、LAN等；另一種為運動控制器專用接口。在軟件方面,GUC運動控制器提供由高級語言編寫的函數庫,并以動態鏈接庫的形式提供給用戶使用。用戶可以使用支持動態鏈接庫的軟件開發工具來開發應用程序,以實現復雜的控制功能。用戶可以將這些特定功能的控制函數與開發控制系統所需要的界面顯示、數據處理、用戶接口等程序模塊集成在一起,構建符合特定應用要求的控制系統。

MX-3開放式數控系統的伺服系統由主軸系統和直線進給軸系統組成,其中主軸系統采用變頻器帶三相異步電機的控制方案,連接到GUC運動控制器的第4軸,直線進給軸系統采用交流伺服電機的半閉環控制,連接到GUC運動控制器的1軸—3軸。

根據西安交通大學機械基礎實驗教學示范中心現有的4臺ZJK7532數控鉆銑床的機械特性參數和硬件平臺總體方案,對數控裝置與伺服系統的相關硬件設備進行選型與設計,其結果如表1所示。

表1　MX-3開放式數控系統硬件設備表

2　軟件系統開發

MX-3開放式數控系統以Visual C++6.0為工具進行控制軟件開發,用Windows XP來構建操作系統。MX-3開放式數控系統的基本功能主要分為系統管理功能和系統控制功能,設計的NC功能模塊也相應地分為系統管理類功能模塊和系統控制類功能模塊,如圖2所示。系統控制功能模塊是軟件的核心,它負責控制機床的自動加工過程,包括NC程序預處理、插補運算、伺服控制、開關量I/O控制等；系統管理功能模塊是基礎,它負責協調整個系統的工作,包括NC程序管理、參數輸入、系統顯示、故障診斷等。

MX-3開放式數控系統人機控制軟件的工作流程如圖3所示。系統啟動后,首先進行系統參數設置及系統初始化過程。當系統正常運行后,系統控制軟件的工作內容主要有兩方面,即功能循環(見圖3左側)和I/O循環(見圖3右側)?！肮δ苎h”由操作者的指令觸發,并根據所執行控制功能的具體條件而停止,主要完成開放式數控系統的各項控制功能,直接實現數控機床的加工任務?！癐/O循環”實現對運動控制器數字量輸入/輸出端口的定時查詢,該部分包含了傳統數控系統PMC的功能,實現系統與外部設備的交互以及通過I/O實現的開放式數控系統的操作功能。

3　MX-3開放式數控系統操作界面

MX-3開放式數控系統啟動之后將進入系統初始化界面。用戶可以根據界面上的提示進行5類操作:參數管理、程序運行、仿真與顯示、系統診斷、擴展功能。系統功能的操作主要通過選單命令區的功能切換來完成。由于每個功能包括不同的操作,故選單采用層次化結構,即在主選單下選擇一個選單項后,軟件會顯示該功能下的全部子選單項,用戶可以根據該子選單的內容選擇所需要的操作。圖4、圖5分別為程序仿真界面和參數管理界面。

圖2　NC功能平臺功能模塊庫的組織結構

圖3　控制軟件的工作流程

圖4　系統程序仿真界面

圖5　系統參數管理界面

4　實驗臺應用

近年來,西安交通大學在數控技術課程的實踐教學中,不斷融合教學團隊在高速、高精度數控技術領域的最新研究成果,竭力改善實驗條件和實驗手段,特別是通過改造、自制設備改善了實驗環境。MX-3開放式數控系統實驗平臺是自制實驗設備的典型代表。

目前,在MX-3開放式數控系統實驗臺基礎上,成功開發出了數控技術課內實驗、CDIO項目實踐等實驗項目,既豐富了數控技術課程的實驗教學內容,又有利于構建合理的實驗教學體系。

(1) 本科教學課內實驗包括基于運動控制器的開放式數控系統構建及分析、主軸變頻調速及伺服電機參數優化[9],每年面向機械工程及自動化專業、車輛工程專業的學生開設1 200人時數的課內實驗。

(2) 開展CDIO項目實踐。CDIO教育模式秉承以產品、過程和系統的構思(conceive)、設計(design)、實施(implement)、運行(operate)全生命周期為背景的教育理念,讓學生以主動的、實踐的、課程之間具有有機聯系的方式學習和獲得工程能力[10]。在該實驗臺基礎上開發出了多項CDIO實踐項目。利用開放式數控系統硬件系統的開放性,開展數控系統硬件平臺搭建實驗；利用開放式數控系統軟件系統的開放性,使學生利用VC++程序開發數控系統控制功能模塊實驗。目前開出的CDIO項目實踐包括數控機床操作面板的設計與制作、開放式數控系統研究與開發等項目。

在該實驗臺基礎上,還開展了數控機床動態特性測試與研究、數控機床誤差補償研究、伺服參數優化研究等科研工作。同時,該實驗臺也為本科生畢業設計、本科生科研訓練和實踐創新基金項目的開展提供了便利條件。通過對MX-3開放式數控系統實驗臺的系統功能和性能的測試,證明該實驗臺可滿足經濟型數控銑床的控制精度要求。

5　結語

MX-3開放式數控系統人機界面豐富且操作方便,系統硬件工作安全穩定,系統軟件功能豐富,軟硬件系統具有很好的開放性。該系統的開發與應用是將科研成果成功轉化到實踐教學中的成功范例,為學生提供了寬松、有利于創新的良好實踐環境,切實提高了學生的專業知識綜合運用能力和科研創新能力[11-12]。 MX-3開放式數控系統的研究與開發順應了數控技術的發展潮流,同時能滿足當今市場對產品制造靈活性、多樣性的要求,具有創新應用和技術推廣的意義。

References)

[1] 杜少華.開放式數控系統可重構技術研究[D].沈陽:中國科學研究院沈陽計算技術研究所,2015.

[2] 程國標.開放式數控系統研究[D].上海:復旦大學,2008.

[3] 趙春紅,秦現生,唐虹.基于PC的開放式數控系統研究[J].機械科學與技術,2005,24(9):1108-1113.

[4] 周祖德,魏仁選,陳幼平.開放式控制系統的現狀、趨勢及對策[J].小微型計算機系統,1999,20(2):81-87.

[5] 董正凱.基于運動控制器的開放式數控平臺的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業大學,2010.

[6] 張航偉.基于PC的開放式數控系統研究開發[D].西安:陜西科技大學,2006.

[7] 梅雪松,許睦旬,徐學武,等.機床數控技術[M].北京:高等教育出版社,2013.

[8] 任玉田,包杰,喻逸君,等.新編機床數控技術[M].北京:北京理工大學出版社,2009.

[9] 徐學武,姜歌東,孫挪剛.數控技術實驗原理及實踐指南[M].北京:機械工業出版社,2013.

[10] Crawley E F, Malmqvist J, ?stlund S,等.重新認識工程教育:國際CDIO培養模式與方法[M].故佩華,沈民奮,陸小華,譯.北京:高等教育出版社,2009.

[11] 扶慧娟,辛勇.推行“卓越工程師計劃”培養實踐型工程人才[J].實驗技術與管理,2011,28(11):155-158.

[12] 劉方,刁虎欣,張金紅,等.開設研究創新型實驗的探索和實踐[J].中國大學教學,2007(5):82-83.

Development and application of experimental platform for MX-3 open numerical control system

Li Jing, Xu Xuewu, Li Hao, Mei Xuesong

(School of Mechanical Engineering, Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049,China)

The MX-3 open numerical control system is based on the motion controller named GUC produced by Googol technology Ltd. Co. This system is a semi closed loop control system which is driven by AC servo motor and is designed for milling and owns three feed shafts. The hardware system consists of the servo system and the numerical control device whose core component is the GUC-400-ESV motion controller. The software system is developed with Visual C++ as the tool. The operating system uses the XP Windows system. The experimental platform for MX-3 open numerical control system based on open numerical control system is applied to the practical teaching of numerical control technology and not only enriches the experimental content, but also improves the quality of experimental teaching.

open numerical control system; motion controller; numerical control technology; experimental teaching

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.036

2015- 06- 09

陜西省數控一代機械產品創新應用示范工程項目(2013KTZB01-01-01)

李晶(1975—),女,遼寧營口,碩士,助理研究員,研究方向為高精密數控加工技術.

E-mail：jingli927@xjtu.edu.cn

TG659；TP273

A

1002-4956(2016)1- 0143- 04