基于PC的数控系统动态特性研究

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基于PC的开放式数控系统研究的开题报告

基于PC的开放式数控系统研究的开题报告一、选题背景数控系统作为高端制造业中不可缺少的一环，随着工业4.0和智能制造的发展，其重要性越来越凸显。

而数控系统的开放性则是实现个性化、定制化生产的必要条件。

传统数控系统在软硬件技术上的限制使得其无法满足日益增长的生产需求。

因此，基于PC的开放式数控系统应运而生，该系统可以便捷地实现数控编程、控制和监视，同时可以与外部设备、软件、云端等进行连接，实现各种类型的数字化生产。

二、研究目的与意义本课题旨在研究基于PC的开放式数控系统的构建与应用，以满足个性化、定制化生产的要求。

具体目标包括：1.研究开放式数控系统的设计原理、功能结构和软、硬件实现技术，构建可复用的系统架构；2.探索数控编程的模型和规范，实现编程语言的标准化和自动化，提高编程效率；3.设计数控监视系统，实现对机床、工件等制造过程的实时监控，提高生产质量和效率；4.研究开放式数控系统与其他数字化制造系统的连接技术，实现数字化生产流程的无缝连接；5.应用开放式数控系统于零件的生产加工中，提高生产效率、降低生产成本。

本研究的意义在于：1. 推进数控系统的开放化，使其能够更好地适应日益多样化和个性化的生产需求；2. 促进数控编程和监视技术的发展，提高数字化生产的自动化和智能化水平；3. 推动数字化制造技术的进步，提高制造业的竞争力和产业价值。

三、研究内容和方法1. 系统架构设计。

通过研究现有的数控系统架构方案，结合实际需求，设计可复用、开放式的数控系统架构。

2. 数控编程模型与规范研究。

研究数控编程模型的描述方法，并设计数控编程规范，实现编程语言的标准化和自动化。

3. 数控监视系统设计。

研究机床监控和工件状态监测技术，设计可靠、实时的数控监视系统，实现对制造过程的全面监测。

4. 连接技术研究。

研究数字化制造系统间的连接技术，包括底层接口、通用协议和数据交换方式等，实现数字化生产流程的无缝连接。

5. 生产加工应用。

基于PC+NC结构的数控系统的研究与开发

维普资讯
・
控制与检测・
组合机床与自动化加工技术
文章编号：０１２６（０７００５０１０ — ２５２０）４— ０６— ６
基于ＰＣ＋ＮＣ结构的数控系统的研究与开发
陈志，秦现生，任松涛
ｓｆｒｓｒｇｍｍｅｙｖｓａＣ＋ａｄＭＦ（ｃｏｏｕｄｏａＣａｓｉｒｙ．ｄｔｅｎｍｅｉｏｗａＷａｐｏａｔｅｒｄｂｉｌ＋ｎＣＭｉｓｆＦｎ￣ｉｌｌｂａ）ＡｎｕｒｕｒｌｎｓＬｒｈｃ
ｃｎｒｌｒｗｅｄｔｅＩＳｍａａｅｎａｂｌｙＷａｕｌｅｐｌｒｄ．ｉｔｏｓｕｃｅｓｌ－ｏｔｏｌ ’ ｐｏｒａｈＰＣ’ ｎｇｍｅｔｃｐａｉｉｓｆｌｘｅＴｈｓｍｅｈｄＷａｓｃｓｆｌｉｅＳｎｔｙｏｕｙｎｔｏｕｅｔｕｍｅｃｌｃｎｒｌｄｄｌｇ＆ｍｉｌｇｍａｈｅｔ１ｒｄｃｄｉｏａｎｎｉｒａｏｔｏｌｒｌｅｉｉｎｌｃｉｏｏ．ｎｉｎＫｅｙｗｏｒｓ：ｏｎＣＮＣｙｓｅｄｐｅｓｔｍ；ＰＭＡＣ；ＣＮＣｐｅａｉｇｓｆｗａｅｏｒｔｏｎｔｒ；Ｖｉｕａ＋＋ｓｌＣ
文献标识码：Ａ
ＲｅｅｒｈａｄＤｅｅｏｍｅｔｏｓａｃｎｖｌｐｎｆａＣＮＣｙｔｍｓｄｏＳｓｅＢａｅｎＮＣ＋ＰＡｒｈｔｃｕｅＣｃｉｅｔｒ
ＣＥｈ—ｕＱＮＸｉ —ｈｎ，ＥｏｇｔＨＮＺｉ，ＩａｓｅｇＲＮＳｎ — ｏｙｎａ（ｅａｔｎｆｃａｉｌｎｉｅｒｇＮｒｗｓｒｏｙｃｎｃｌｎｖｒｔ，ｉａ，ｈｎｉ０２ＣｉＤｐｒｔｈｎｃｇｎｅｉ，ｏｈｅｔｎＰｌｅｈｉｉｓｙＸ ’ｎＳａｘ７０７，ｈ— ｍｅｏＭｅａＥｎｔｅｔａＵｅｉ１ｎ）ａ

基于PC_运动控制卡的开放式数控系统的研究

＊来稿日期：２００７－１０－２２"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""#"""""""""""""""""$%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%$"""""""""""""""""$【摘要】通过对开放式数控系统的发展及定义的分析，提出了一种基于ＰＣ机和运动控制卡的开放式数控系统的设计方案，并分析了以ＰＣ机和运动控制卡为基础搭建开放式数控系统硬件平台和软件平台的理论依据及实现方法。

关键词：开放式数控系统；运动控制卡；实现【Ａｂｓｔｒａｃｔ】ＡｄｅｓｉｇｎｏｆＯｐｅｎ－ＣＮＣｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＰＣａｎｄｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆＯｐｅｎ－ＣＮＣａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｍｅｔｈｏｄｔｏｓｅｔｕｐｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓａｌｓｏｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｏｐｅｎ－ＣＮＣ；Ｍｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄ；Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｏｄｉｏｎ中图分类号：ＴＨ１６，ＴＰ２７文献标识码：Ａ基于ＰＣ＋运动控制卡的开放式数控系统的研究张宏李富平（北京工业大学，北京１０００２１）ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＯｐｅｎ－ＣＮＣＢａｓｅｄｏｎＰＣａｎｄｍｏｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｃａｒｄＺＨＡＮＧＨｏｎｇ，ＬＩＦｕ－ｐｉｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２１，Ｃｈｉｎａ）１引言数控机床的拥有量及其年产量是衡量一个国家制造能力的重要指标，数控系统的发展是促进数控机床不断发展的技术因素。

一种基于PC的开放式数控系统的研究

１１系统的硬件结构．
ＮＣ之间通过ＰＩＣ总线连接通信。该系统将仿真模块、文件管理、参数设置等非实时任务以及译码程序、刀补程序、粗插补程序等弱实时任务置于Ｐｃ中，充分利用Ｐｃ的文件管理和数据处理能力；强实时任务由ＮＣ部分实现，且数字控制部分和设备控制部分由不同的ＣＵ承担，能够很好地解决数控系统的实时性。Ｐ
ｎｅｔｎｍｏｇＣｙｔｍｕｃｉｎｌｎｄｓｉａｉｓａｎＮＣｓｓｏｅｆｎｔａｏｅ．Ｃｏｏｍｍｕｉａｉｎａｄｔｙｃｒｎｚｔｎｂｔｅｓｅｔｔｎｎｌｖｔｔｎｅｅｎｃｔｎｉｓｎｈｏｉａｉｅｗｅｎｍａｔｒｓａｉｓａｄｓａｅｓａｉｓｗｒｏｍｅｏｏｏｅｅｕｅｙｔｃｎｌｇｆｓｎｈｏｏｓｍｅｓｇ．Ｉｓｇｏｅｆｒｎｃｓｏｐｎｎ．ｒａ－ｍｅａｄｒｅｎｇｒｂｅａｅｃｎｕｅｙｔｅｘｃｔｄｂｅｈｏｏｙｏｙｃｒｎｕｓａｅｔｏｄｐｒｍａｅｆｏｅｉｇｅｔｎｅｏｆｕａｌｒｏｄｃｄｂｈｏｌｉｉｍｏｕａｅｉｎｎｄｔｏｌｖｌｓｈｄｌｎｔａｅｐｌｄｏＮＣｓｓｍ．ｄｌｒｄｓｉｇａｗ —ｅｅｃｅｕｉｇｓｒｔｇａｐｉｎＣｙｔｇｎｙｅｅＫｅｗｏｄ：Ｄｉｒｕｅｒｈｔｃｕｅｙｒｓｓｉｔｄａｃｉｔｒ；Ｔｏｌｖｌｓｈｄｌｇｓａｅ；ＣＮＣｓｓｅ；Ｒｅ－ｉｔｂｅｗ－ｅｅｃｅｕｉｔｔｇｎｒｙｙｔｍｌｍｅ；Ｒｅｏｆｕａｉｎａｔｅｎｉｒｔｇｏ

PC-based开放式数控系统体系结构的研究

PC-based 开放式数控系统体系结构的研究*黄河1王甫茂2赵秀粉3王信1朱彦红4（1四川宜宾职业技术学院现代制造工程系，宜宾644003）（2四川宜宾职业技术学院教务处，宜宾644003）（3四川大学制造科学与工程学院，成都610065）（4四川省长江造林局，宜宾644002）Research on PC-based open architecture CNCHUANG He 1，WANG Fu-mao 2，ZHAO Xiu-fen 3，WANG Xin 1，ZHU Yan-hong 4（1Department of Modern Manufacture Engineering ，Yibin Vocational ＆Technical College ，Yibin 644003，China ）（2School administration office ，Yibin Vocational ＆Technical College ，Yibin 644003，China ）（3College of Manufacturing Science and Engineering ，Sichuan University ，Chengdu 610065，China ）（4Forestation Department of Sichuan Province ，Yibin 644002，China ）文章编号：1001-3997（2009）06-0191-03【摘要】开放式数控系统的硬件系统应该建立在一种通用的、标准的硬件基础之上，而软件系统则应建立在分层次、模块化的软件基础之上。

主要论述了一种基于Windows 操作系统的“PC+运动控制卡”开放式数控系统的体系结构，包括开放式数控系统的多任务划分与并行处理机制，以及该系统的硬件组成和软件设计思想等。

关键词：PC-based ；体系结构；开放式数控【Abstract 】Hardware system of Open Architecture CNC should be built on the basis of universal and standard hardware ，while its software system should be built on the basis of delaminated and modularized software.An open architecture CNC based on Windows OS ，general PC and motion control card ，is pro －posed ，in which tasks division of CNC ，multi-task process model ，hardware composing and design idea of software are also analyzed.Key words ：PC-based ；Architecture ；Open architecture CNC中图分类号：TH16，TG659文献标识码：A＊来稿日期：2008-08-11＊基金项目：四川省教育厅自然科学基金项目（2005B053）1前言数控系统按照控制装置来划分，主要有硬件数控系统和软件数控系统。

基于PC的开放式数控系统网络功能的研究与实现

Ａｂｔａｔｉｈａｉｅｅｏｍｅｔｆｃｍｐｔｒｔｃｎｌｇ，ｔｃｎｌｇｆｐｎｃｍｐｔｒｎｍｂｒｃｎｒｌＣＮＣ）ｂｓｄｏＣｓｒｃ：Ｗｔｔｅｒｐｄｄｖｌｐｎｏｕｅｈｏｏｙｅｈｏｏｙｏｅｏｕｅｕｅｏｔｏ（ｈｏｅｏａｅｎＰ
ＣＨＥＮＧｅ —ｅｇ一。ＧＥＹｏｇｍｉｇＷｎｆｎｎ — ｎ，ＺＡＮＧｉｇＨＭｎ
（．ｃｏｌｆＢｏｙｔｎｉｅｒｇａｄＦｏｃｎｅＺｅａｇＵｉｒｔ，Ｈｎｚｏ１０９ｈｎ；１ＳｈｏｏｉｓｍｓｇｎｅｉｎｏｄＳｉｃ，ｈｉｎｎｅｉｓｅＥｎｅｊｖｓｙａｇｈｕ３２，Ｃｉａ０２ＤｐｒｅｔＥｅｔｃｌｎｉｅｉ，ｈａｇＩｓｔｔｏＭｅｈｎｃｌＥｅｔｃｌｎｉｅｒｇａｇｈｕ３０５，Ｃｉａ．ｅａｔｎｌｒａＥｇｎｅｎＺｅｎｔｕｍｏｆｃｉｒｇｉｆｎｉｅｆｃａｉ＆ｌｒａＥ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ ｎｅｉ，Ｈｎｚｏ１０３ｈｎ）ａｃｉｎ
数控机床联网，提高数控机床利用率和生产率的有效途径。以一个数控系统网络监控软件为例，是
具体阐述了一些具体网络功能的实现方法，并且在此基础上，以开放式的数控系统构筑了一个网络制造系统模型。实践证明，将数控机床联网是提高数控机床利用率和单件小批量生产劳动生产率的有效

基于PC的开放式数控系统关键技术研究

文章编号:1007-757X(2020)04-0057-03基于PC的开放式数控系统关键技术研究张莉彬(西安航空职业技术学院计算机工程学院，陕西西安710023)摘要：主要研究了基于PC的开放式数控系统功能实现的方案与关键技术。

在分析了开放式数控系统应用现状并阐述了PC数控系统结构及开放式数控系统构成的基础上，完成了低成本、可重构的开放式数控系统的设计及系统开放式软硬件体系的建殳，系统控制器通过编程完成对输入、输出量的规划过程.通过PID控制伺服电机的输出，从而实现对伺服电机轨迹输出的优化控制目标，实现交互控制机制的开发，该模块化可重构系统在降低系统成本的同时显著提高了使用性能，具备较高的实际应用价值。

关键词：计算机数控系统；开放式数控系统；运动控制；实现路径中图分类号：TP273文:献标志码：AResearch on Key Technologies of Open CNC System Based on PCZHANG Libin(School of Computer Engineering,Xi'an Aeronautical Polytechnic Institute,Xi'an,Shanxi710023,China) Abstract:This paper mainly studies the scheme and key technologies of PC-based open CNC system function.It analyzes the application status of open CNC system and expounds the structure of PC numerical control system and the structure of open CNC system.The paper designs low-cost,reconfigurable open CNC system and establishes open software and hardware components of the system.The system controller completes the planning process of input and output by programming,and controls the output of servo motor through PID.The optimized control target of the servo motor trajectory output realizes the development of the interactive control mechanism.The modular reconfigurable system significantly improves the performance of the system and reduces the system cost.It has high practical application value.Key words:computer numerical control system；open numerical control system；motion control；implementation path0引言制造系统面临着瞬息万变的市场需求及生产要素配置的快速更替，对批量定制个性化、多样化产品的需求不断提高，数控系统随着国内工业化进程的加快正发生快速的变革，需变革数控系统结构和设计理念以满足这些需求，由传统单一独立向开放共享方向发展，具体需进一步提高数控系统的开放性、灵活重构及高效集成能力。

基于PC的开放式数控制码系统的研究与设计

了软件技术、息处理肋口－输技术、信ｑ／传自动控制技术、服驱动由美国三大汽车公司联合发起伺技术、感器技术等。自上世纪五十年代问世以来．着上述技的．且得到Ｆ传随ＡＮＵＣ、ＩＭＥＮＳＥＳ术的不断发展．数控系统也不断的更新换代，逐步形成了基于及Ａｌ — ｒｄｅ著名数控系ｌｎＢａｌｅｙ等Ｐ机的开放式智能化数控系统。与以前的数控系统相比．的统生产厂商的支持。因此．Ｃ它无功能更强大、率更高．真正使数控技术获得了广泛的应用论从技术还是从市场的角度效它
【要】摘：本文通过研究当前的技术发展和制码系统的实际需求，在基于ＰＣ的开放式数控技术的基础上。设计了一种
以Ｐ、动控制卡、动嚣和制码机为硬件组成，ＯＣ模型为基础的模块化软件结构的开放式数控制码系统。实现了一Ｃ运驱以ＭＡ
因此．于Ｐ基Ｃ机的开放式智能化数控技术＿各个方面的研究与看．ＯＡ结构模型都是比较庄ＭＣ应用也越来越受到重视好的选择１开放式数控制码系统、开放式数控制码系统以开放式制码控制系统主要由ＰＣ机、电脑全自动数字制码０Ｃ结构模型为基础．采用ＭＡ
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基于PC的开放式数控系统的开发与研究

Keywords:
CNC
Interprotation
Subdivision
VX着封闭式结构向前发展，整个数控系统可以看作是一个黑匣子，用户不可能进行功能扩充。而当今加工及检测的产品样式越来越多，越来越复杂，这就要求数控系统具有高效、准确、开放式的特点，要求数控系统具有软硬件重构的能力，而且这种重构能力要求所需周期及成本大大下降，改变现在数控系统的封闭模式，使得底层的控制更简单有效，从而出现了开放式的数控系统。近年来 ,由于 PC 机的迅速发展，因此将其集成到 CNC 系统中，发展基于 PC 的 CNC 系统已成为世界各国研究的重点。这主要是因为 PC 机总线结构本身就是开放的，所以这种硬件系统结构就具有了开放性、易于模块化、可嵌入的特点。开放式数控系统允许集成者及生产者自己选择数控装置、驱动装置、伺服电机、应用软件。而研究和开发高性能的开放式运动控制器是开放式数控系统的核心及未来发展的趋势。长期以来，我国在开放式数控系统方面的研究与开发远落后于发达国家，因此在我国开放式运动控制系统的研究具有很重要的实际意义。我们可以把控制系统分成以下几层：人机交换层；控制内核层；硬件层。开放式控制系统又可根据其开放层次的不同分为以下三种，它们的开放层次不同，当然实现的效果也不同。 a. 开放人机接口这种方法是提供给用户控制函数库，以供用户使用，编写出自己喜欢的人机界面。 b. 开放系统核心接口这种方法是把硬件驱动函数库提供给用户，用户可以根据这些函数库编写出不同功能的函数，以满足自己的特殊功能。 c.开放体系结构这种方法是开放式结构中开放的最彻底的，它要求系统从软件到硬件都开放给用户，用户可以按照开放体系结构的标准以及制定的规范，无论
II
device driver on the flat of Win95/98/2000. By this way, some probrem ,such as time interpretation and data sampling,can be settled in the CNC sytem of Win32. Then function library based above ways is presented to provide to third party use. The thesis also discuss the communication method on the host and slave machine. Finally, some probrem ,which should be payed attention to when hardware designing are already analysed in view of hardware anti-disturbance. Accordingly, the whole motion control system is completed. Meanwhile, using Protel ,VC++ and DriverStudio developing envirement, the developed motion control card has been debugged.

基于PC的开放式数控系统

基于PC的开放式数控系统随着市场全球化的发展，市场对于适合中小批量加工、具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已超过对大型单一功能的制造系统的需求，从而要求制造具有较强的市场应变能力。

这种趋势促成了一个新概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的软件与硬件系统，也就是开放式数控系统。

该系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求，而且为制造商提供了将其技术或产品第三方的技术或产品进行集成的可能性。

目前，世界各国都致力于研究开放式CNC系统。

如欧洲的OSACA、美国的OMAC和日本的OSEC。

数控系统的开放性概念出现在20 世纪80 年代末90 年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出的。

在关于开放式体系结构的定义，按IEEE 的定义，一个开放式控制系统应提供这样的能力：对于不同的卖主的各种平台上运行的应用都能在系统上完全实现，并且能和其他系统应用进行交互操作，同时具有一致性的用户界面。

因此，开放式系统是指能够在多种不同的平台上运行，可以和其他系统的应用相互操作，并能给用户提供一种一致风格的交互方式的数控系统，也就是在加工机械专用的CNC中引入PC所具有的开放化。

根据这个定义，开放式数控系统是一个模块化的体系结构，既有接口的开放性，又有自身功能的开放性，其应具有以下特征开放性提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软件硬件模块介入。

可互操作性通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块与标准应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。

可移植性系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各个功能模块可来源于不同的开发商提供的硬件平台之上。

可扩展性系统的功能、模块可以灵活设置，方便修改，既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。

可互换性不同功能、不同可靠性的功能模块可以相互替代，而不影响系统的协调运行。

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L I Chunlin
Abstract : In t his paper ,modeling of computer cont roll system of numerical cot rolled machine tool is set up and using carry on simulating. A group system t hat parameter match and dynamic response are best is choiced as main basis of CNC machine tool’ s imp roving and design. The different co nt roller and t he difft rent time respo nse of inp ut are got . Key words :PC ;CNC system ;dynamic characteristic
1
ω 式中 K0 = π n = 2 对于上述整个计算机控制系统 ,我们先从由伺服电机与机械装置构成的机电系统入手 ,利用机械及电系统的定律 ,建立其数学模型。机电系统如图 2 所示。
Ln
ξ= KS / J e
Be
1
J e KS
2
电系统有直流伺服电机、测速反馈电机及放大器 , 把放大电压 V a 作为该系统的输入 , 电机的转速 θ m 作为输出 , 则电系统方程为 :
式中 Te = L a / R a

3 数控机床闭环控制系统的建模与仿真
由于数控机床闭环控制系统除了执行部分的机电控制系统外 , 还有完成数字信号处理的数字计算机 D ( z ) 、完成模数信号转换 ( A/ D) 的采样器 T , 以及完成数模信号转换 ( D/ A ) 的零阶保持器 Gh 。所以整个系统的方框图如图 3 所示。将图 3 进行简化 , 为了分析方便 , 令 H ( s) = 1 , 则得图 4 。
K T I M E( k) U ( k) C( k)
利用 SIMU 软件对计算机控制系统的两种结构形式进行仿真计算。其中 D ( z) 为数字控制器 , G( s) 为连续被控对象 , G( z ) 为包括零阶保持器在内的离散对象 , R 为输入 , L 为扰动信号。在菜单引导下 , 多次运行 , 可观察不同的 D ( z) 、不同输入 R ( s) 下的时间响应。由于被控对象的传递函数 G ( s) 为高阶系统 , 将有关机械、电气元件的参数代入 G ( s) 的计算公式中 , 运用 s 域内的偶极子点相互抵消 , 并只考虑主导极点的影响 , 则将高阶系统简化为二阶系统进行计算机仿真运行。其中 : G( s) = ( s 0 . 5 s + 1)
式中 uki 是 k 个回路中的第 i 个电压。基尔霍夫电流定律 :某一节点的电流之和为零 , 即 :
r j =1
i ∑
kj
=0
式中 i kj 是 k 个节点的第 j 个电流。 1 . 2 机系统的基本定律空间连续定律 :任何一个机械回路的位移或速度的和为零 , 即 :
S S j =1
∑x
2 机电系统的建模
数控机床的元器件的配置及性能参数的选用 , 会直接影响系统的动态特性 , 一般数控机床的配置如下 : 数控系统配置 CPU 主机板、 9 英寸显示器 ( CR T) 、扩展存储器、输入/ 输出 ( I/ O ) 板、键盘 , 或者配置高性能、通用性好的工业 PC 机 ; 伺服驱动接受 CNC 指令 , 经功率放大 ,驱动脉冲步进电机或交、直流伺服电机产生驱动力 , 带动滚珠丝杆螺母传动副 ,实现数控机床各坐标的运动。本文以某数控机床为例 , 进行动态性能分析 , 数控机床闭环控制系统如图 1 所示。

自动控制
・81 ・
则 J e
( t) d C′ d C ( t) L θ + Be + KS C ( t) = n π m KS dt dt 2 C ( s) L
显然传递函数为 :
G1 ( s) =
= n Ks 2 θ π 2 J es + B es + Ks m ( s) 2 K0ω n = 2 2 2 ξ ω s +2 n +ω n
Be = BL +
式中 ,V a : 电枢电压 ; I a : 电枢电流 ; L a : 电枢电感 ; Ke : 电动势系数 ; KI :电磁力矩系数。对上两方程进行拉氏变换 , 并消除中间变量 , 则得传递函数 : θ m ( s)
G2 ( s) = V a ( s)
=
KI / R a ( T es + 1) [ ( J 1 + J m ) s2 + B m s + Km ( 1 - n) ] + Ke K I s/ R a
0 引言
随着加工系统对自动化、信息化和智能化要求的提高 ,现代数控机床的动态特性要求也相应的提高 ,研究、设计、制造既具有优良的静态特性 , 又具有优良的动态特性的现代数控机床 ,是提高加工装备水平的关键。系统的建模和仿真是分析设计系统的重要手段 ,它能方便地提出改进现有系统的措施 ,也能在系统建立之前对其动态性能进行预测 ,修改参数 ,以达到最优化设计效果 , 并且可以降低产品的研发成本 ,缩短制造周期。对于一个计算机控制系统进行建模与仿真 ,一般的方法是根据系统中各个物理量之间的动力学关系 ,先建立描述该系统运动的数学模型 ,然后将数学模型进行二次模型化 ,变成一个仿真模型 , 最后将仿真模型送入计算机进行求解。本文采用 SIMU 软件直接对数学模型进行仿真 ,方法更为简便有效。数控机床是一个复杂的机电一体化系统 ,既有连续信号的处理 ,又有离散信号的处理 , 它是计算机控制系统的典型形式 , 把它简称为 CNC 系统。CNC 系统由程序、输入输出设备、计算机数字控制装置、可编程控制器 ( PL C) 、主轴控制单元、进给速度控制单元 ,位置检测器 ,机床等组成。
V a = Ra I a + L a
d Ia + Kθ e ′ m dt
M m = KI I a = ( J 1 + J m )
θ d ′ m θ θ θ + Bm ′ m + Km ( m - n m) dt
机械系统有一个减速器、滚珠丝杆螺母传动副及工作台 , 把输入力矩 M m 作为该系统的输入 , 工作台的位移 C ( s) 作为输出 , 将其余的转动元件、移动元件的等效惯量换算到丝杆上 , 得机械系统的机械力矩为 : θ d ′ 1 L 2 L Mm = [ J 2 + J L + 2 ( J m + J 1 ) + ( ) m ] × → π 2 dt n 2 θ d L 1 L ) Be ] ←+ [ B L + 2 B m + ( π 2 dt n 式中 , M m : 输入变速器的机械力矩 ;θ L : 丝杆的角位移 ; J 1 : 主动轮转动惯量 ; J 2 :从动轮转动惯量 ; J m : 电机轴转动惯量 ; J L :丝杆转动惯量 ; m : 工作台质量 ; B m : 电机轴阻尼系数 ; B L :丝杆阻尼系数 ; B C :工作台阻尼系数 ; L :丝杆导程。令J e = J2 + J L +
D ( z) =
0 1 2 3
0 . 025 . 05 . 075
8 8 1. 25 1. 25
0 . 050 . 192 . 380
4 结论
由于计算机在工业控制中的应用越来越广 ,与传统的模拟控制器实现的连续控制系统有更多的优点 ,仅仅对连续控制系统或者计算机控制系统的连续控制部分 ( 伺服控制) 进行动态特性研究就不够完整。本文对数控机床计算机控制系统进行建模 ,并利用 SIMU 语言进行仿真 , 得到不同的控制器 D ( z) 、不同输入 R ( s) 下的时间响应。从仿真的结果中选择参数匹配最佳、动态特性最好的一组系统作为数控机床改进、设计的主要依据。
L
其中 : G( s) =
Kv G1 ( s) G2 ( s)
1 + Kv K t s G2 ( s)
G( s) 为被控对象的传递函数。忽略干扰信号 n ( t) 的
且 C ( t) =
1 θ πL 2
作用 , 即 N ( s) = 0 , 可得系统对输入 R ( z ) 的输出响应
CR ( z) :
1
n
2
( J m + J1 ) + (
π 2
L
)2m
1
n
2
Bm + (
π 2
L
) 2 BC
则基本动力学方程简化为 : θ θ d ′ d L L
Mm = J e
dt 1
+ Be
dt 1 1
KL
该系统由刚度 KS 产生的反力矩 M L : 由
1
KS
=
Km / n
2
+ 1
( L/ 2 π ) 2 KC
2
・80 ・文章编号 :1002 - 6886 ( 2008) 04 - 0080 - 03
现代机械 2008 年第 4 期
基于 PC 的数控系统动态特性研究
李春林
( 陕西神木北车辆段 ,陕西神木 719316)
摘要 : 本文对数控机床计算机控制系统进行建模 ,并利用 SIMU 语言进行仿真 ,得到不同的控制器、不同输入的时间响应。选择参数匹配最佳、动态特性最好的一组系统作为数控机床改进、设计的主要依据。关键词 : PC 数控系统动态特性中文分类号 : TP273 + . 5 文献标识码 :A Research on the Dynamic Characteristic of CNC System Based on PC