1、第 1 页 共 7 页 译文标题 普通铣床开放式数控化改造的设计和开发 原文标题 Design and Development of an Open Architecture CNC Controller for Milling Machine Retrofitting 作 者 Udom Komin 译 名 宇德皇民 国 籍 日本 原文出处 From Michigan State University IEEE Xplore 普通铣床开放式数控化改造的开发设计 1 简介 在泰国工业上所用的大部分数控机床都是进口的。经 过定期的保养，这些数控机床的使用寿命可长达 10 年。在到达使用寿命以后，公
2、司一般会买一台新机器或改造旧的机器，后来这种过程被统称为“改造”。然而，购买一个新的数控机床对于一个小型融资企业是很大的财政负担，由于大多数数控机床开发基于封闭的技术因此改造通常的花费也不少。此外，经过 10 年使用后停产的大多数机床将使改造费用更昂贵或几乎不可能再改造。这样的问题也存在于教育机构，例如泰国职业技术学院，在每个学院通常拥有 5 10 台数控车床和铣床，那就相当于要改造 400 台已用了 10 年的机床。其中大部分的机床需要新的曾长期停用 的工业运动控制卡。因此，基于开放式结构和模块化的工业用数控机床运动控制系统已经被职业技术学院作为一个改造旧铣床的先驱研究项目。 2 系统概述
3、集中在公司产品、经济效益和地区技术水平的设计目标能够支持开放式机构技术的持续发展。该系统由四个主要部分组成： （ 1） 人机交互（ MMI）： 整个系统已经利用了嵌入式 CE 6.0 进行了扩展，用户可以输入 G 代码进行控制，监控机床的状态或者在执行 G 代码之前进行模拟。该系统的硬件由型号为 500MHz 的 CPU 和微型快擦写存储卡组成，提高了耐用性并降低了成本。 （ 2） 运动控制卡： 检查所有的实时任务包括可编程逻辑控制器 (PLC)、数控、 PID 控制器和轨迹规划。现选用 24 位的数字信息处理器（ DSP）为 8 轴运动控制、现场可编程门阵列（ FPGA）与外部控制器接口（
4、PCI）和双埠 RAM 的输入输出通信在将来的发展提供了支持。 （ 3）输入输出 I/O 模块可利用外部设备并通过 64 位输入和输出端口接收和发送信息进行通讯和控制。 （ 4）键盘面板能够通过 I/O 接口模块直接控制机床，诸如在模式、主轴转动或冷却液开关、利用运动控制卡在手轮和紧急开关通讯之间的转换。 第 2 页 共 7 页 以上组成部分通常用于改造旧铣床。该系统包括 一下七种运动方式：回零点模式 初始化系统；快速模式 实现人工连续的速度控制；慢速模式 手动增量速度控制；手动模式 采用手轮进行手动控制；编辑模式 实时编辑 G 代码、参数设定或模拟 G 代码；自动模式 自动执行 G 代码；手
5、动资料输入模式 在线执行 G 代码。 在自动模式下，用户输入的 G 代码程序后由 MMI 自动转换为 NC 指令。所有 NC指令都经由双埠 RAM 被连续传送到运动控制卡。直线或圆形轨迹运动都会由运动控制卡进行计算，产生 10V 的模拟信号并由编码器输送到电机，再由控制卡内部PID 模块的闭环位置 控制反馈控制信号。机床设备如主轴或切削液的开关都由 G 代码指令通过 I/O 模块进行控制。当机床状态如位置和速度改变时首先要存储在双埠 RAM，然后通过 MMI 模块每 100ms 在屏幕上刷新一次。该系统可以转换到人工模式，在该模式下用户可以人工控制机器在慢速还是手动模式下工作。 3 系统组件
6、3.1 人机交互 选用 Visual Studio .NET 作为开发平台并用可编程 C、 C+语言编程的人机交互（ MMI），用于硬件和 G 代码编译器之间的通讯。 MMI 软件的主要功能是显示和建立控制指令。从成本和耐用性考虑，工业用计算机硬件选 用 500MHzCPU 和便携闪存存储器 MMI 软件主菜单的结构是主用户界面屏幕包含了该软件所有的功能。而位置菜单、编辑菜单、模拟菜单、刀具选择菜单、工件坐标菜单都是主菜单的下级菜单。在完成任务之后，自动切换到主菜单。软件之间的数据传送经由共享数据存储器模块被发送出去，共享数据存储器模存储了所有重要的机器信息，例如机床当前状态、当前 G 代码状
7、态和刀具轨迹的图像显示。 G 代码编译模块利用补偿刀具尺寸的刀具补偿模块将 G 代码转换成数控指令。MMI 和运动控制卡之间的通讯由通讯模块管理，它包括三个工作模式：从数据卡接收信 息；发送在线指令；发送数控指令。 3.2 运动控制卡 这个系统的设计使得所有快速的实时任务在运动控制卡中都能被执行。该主功能包括可编程序控制器 (PLC),数控及 PID 操作控制。硬件所用的是 24 位的 DSP处理器，它支持 8 轴运动。 FPGA 是用于外部设备与电机编码器之间的通讯。通过PCI 实现了与计算机的通讯，通过双埠 RAM 实现了数据的转移。 运动控制卡的整个软件结构由主程序组成，它控制这运动控制
8、卡的操作和与用户进行通讯。 NC 模块控制 3 个轴的运动而 PLC 模块控制外部设备。当机床状态改变时机床信息被发送到了数据 1 渠 道内的双埠 RAM 中。运动控制卡通过数据 2第 3 页 共 7 页 渠道接受来自于 MMI 的指令。运动控制卡的所有数据都被存储在共享存储器中。主程序、 NC 及 PLC 控制模块都使用共享内存进行相互之间的通讯。 NC 模块为连续加工提供了连续的直线或曲线轨迹，它相对于点位控制来说具有更高的性能。 4 现场试验 4.1 测试系统的安装 该样机系统适用于 3 轴铣床，它有工业型电机驱动，支持 10V 的模拟控制信号。该改装系统需要限位开关，并和主机转换装置直
9、接连接到运动控制卡。其它设备如键盘、主轴和冷却液都被连接到外部 IO 模块。 4.2 测试结果 在实验室经过 几次成功测试后，这个系统已经被完整的安装在了两个职业技术学准备实地测试。这个系统已经被用区域模型所改装，该模型的机械部分都是用一个完整运动控制系统上的部件制造的。在用于培养学生大约 10 年后，原机械部件和马达驱动系统完好无损，唯一需要更换的运动控制器也已经被停止了。这两台铣床是用 MMI 和运动控制卡系统所改造的。现场试验的初步结果是令人满意的，这两台铣床现又恢复正常运行。然而，经过较长的工作时间后是需要评估产品的全部性能并需提高系统的稳定性。 5 结论 发展运动控制卡改造旧铣床研究项目是种可持续的科技发展。工业型 CNC 运动控制原型系统已经成功开发并有两台 CNC 铣床被安装用于现场试验。这个项目目的是在泰国的职业技术学院那些需要新工业控制卡的地方改造旧 CNC 机床，并最终期望用它来改造当地企业其它旧的机床 。
