五轴联动的数控系统设计方法

1 概述

　　从MIT开发出第一台三轴铣床数控系统到现在的四十多年中，数控系统的设计方法经历了巨大的变化。特别是近十年来，随着计算机技术的迅猛发展，数控系统从整体结构到详细设计，从软件设计到硬件设计，都与早期的数控系统有了很大不同。早期的数控系统出于效率的考虑，许多功能采用硬件电路实现，专用性很强，可维护性、可扩展性比较差。另一方面，通用计算机的运算速度随时间以指数规律不断提高，现在一台微机的运算能力已经达到或超过了早期的小型机，而且，通用型微机应用广泛，有完善和开放的标准，有众多外围硬件设备和丰富的软件资源的支持。借助微机进行数控系统的开发可以达到事半功倍的效果，因此成为目前数控领域的国际趋势。

　　五轴联动数控系统联动轴数比较多，同时又涉及到两个回转运动，插补算法复杂，而且其各组成部分，如伺服驱动单元、位置反馈单元、误差补偿、电气控制、机床机械结构等在不同的应用场合有不同的特点，在系统整体设计时对此应有充分的考虑。目前，多数数控系统不能满足这种多样性的需要，对不同的应用场合，就得选用不同型号的数控系统，这势必增加开发与维护费用。研究开放式数控系统及其功能部件，就可以根据用户需要，比较容易地对整个数控系统进行重新组合，以提高系统的可移植性、可伸缩性、可维护性和兼容性。

2 数控系统硬件的开放化设计

　　2.1硬件设计的一般原则

　　传统数控系统的硬件设计分为两个流派：采用专用芯片的大板结构与总线式体系结构。大板结构对用户而言是一个封闭的系统，功能的扩展与系统维护都受到限制。总线式结构有一定的灵活性，但由于这种总线由生产厂自己确定，缺乏共同的行业标准，不同厂商的产品之间不具备互换性，所以，这种设计方法已不适应现代制造业的需要。另一方面，随着计算机技术的发展，微机的速度与十几年前相比是天壤之别。在这种形势下的软硬件设计中，人们关注的重点出现了由效率向互换性、可维护性转移。受其影响，在数控系统的设计进程中，由大板结构或专用总线向标准总线、可重组的单元模块发展成为国际趋势。

　　硬件设计的开放化主要体现在总线标准上。开放化的数控系统是由多种模块构成的，模块通过标准的总线连成一个整体。总线的选择应当满足三个要求：①在技术上有一定的先进性，能够满足数控系统各种功能模块对信息交互的需要。②总线标准完全开放，且在国际上得到广泛认可与应用，而不是由某个厂商自己定义使用的某种特殊总线标准。③具有高度的可靠性。

　　选择了合适的总线标准后，才能进行各功能模块的设计。在数控系统中，主要的功能模块有：运动轴位置控制模块、电气控制模块、机床操作面板及数控面板接口模块、通讯模块、显示模块等。功能模块应当能够重新配置，以免不同模块I/O端口地址及中断类型发生冲突。2.2五轴联动数控系统的硬件设计

　　在五轴联动数控系统开发过程中，我们选择工控机作为设计的基础。工控机本身符合多种工业标准，是一种开放化的计算机系统，与常用的微机有良好的兼容性，有大量的软硬件的支持。目前工控机底板插槽总线类型主要有两种：ISA总线(工业标准总线)和PCI总线(外围设备接口)。ISA总线的数据传输速率比较低，但已能满足数控系统的需要。同时，高总线速率会对各功能模块的硬件提出更高的要求。因此，我们选用ISA总线作为所有模块设计的基础。

　　由于五轴联动插补算法复杂，有大量浮点运算，对实时性要求又较高，我们选用Pentium 166 CPU完成插补运算。另外，系统中各个坐标轴还需具备位置控制功能，位置控制实时性很强，且控制轴数比较多，该任务与插补共用一个CPU会导致数控系统主机负担太重，实时性不易保证，而且故障风险过于集中，较好做法是每根轴采用一个独立的CPU进行控制，采用层次式体系结构构成系统。根据位置控制CPU与主机交互信息方法的不同，分为两种结构(见图1)。第一种结构把位置控制板直接插到工控机底板的ISA插槽中，在这种情况下，主机与多个位控板之间直接进行信息传输，由于位控板CPU速度低，数据通讯阶段会浪费主机CPU资源，控制轴数越多，主机CPU的效率就越低。此外，主机还需采取措施来保证多个位控板在时间上的准确同步。因此，我们选择了第二种结构。第二种结构采用单独的通讯机完成主机与位控板之间的信息传递。通讯机一方面通过双口存储器与主机之间进行信息交换，另一方面通过自建的局部总线与位控板进行信息交换。双口存储器容量为2kb，它同时也起数据缓冲器的作用。这种方案大大减少了主机用于信息交换的CPU时间。

图1分布式多CPU数控系统的两种结构

　　通讯机在系统中起着承上启下的作用。它接收Pentium 166插补得出的各坐标轴位置指令，通过并行口把这些指令分发给位控板。另外，通讯机还提供对数控面板按键及指示灯的管理功能。通讯机的设计见图2。图中的仿ISA总线，提供了通讯机与位控板之间传输信息的通道。这时的“仿ISA总线”是根据位控板及常用控制插卡的需要而设计的，它重建了标准ISA总线的部分信号，包括：I/O操作所需的各种信号线、中断信号线、就绪控制、电源线等。按照“仿ISA总线”设计的位控板与标准的ISA总线完全兼容。这样做有两个好处：①在系统开发阶段，通讯机与位控板的设计和调试工作可借助微机各自单独完成，两者之间无先后依赖关系；②在控制轴数较少的系统中，可以采用图1中的第一种结构，把位控板直接插到工控机的底板上，方便地实现对系统的重组。

图2通讯机设计原理

　　在设计过程中，在通讯机与位控板之间，我们曾采用了自定义的专用总线。专用总线效率高，但根据专用总线设计的位控板与工控机不兼容，互换性较差，开发、调试与维护都比较麻烦。为此，我们对这一部分进行重新设计，走开放化道路，采用“仿ISA总线”向标准总线靠近，收到了良好的效果。