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控制系统计算机辅助设计在数控系统中的应用研究

作　者: 张伟
导　师: 于东
学　校: 中国科学院研究生院（沈阳计算技术研究所）
专　业: 计算机软件与理论
关键词: 控制系统计算机辅助设计 开放式数控系统 现场总线 硬件在回路仿真
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


为了提高数控系统的加工精度,不仅要对数控系统中的控制算法进行分析、设计和仿真以改善系统的控制效果,还要设置合适的现场总线、伺服等参数使系统发挥最大效能。对于算法,在数控系统领域通常采用数学仿真的方式,而不是直接连接上硬件进行实时的实物仿真;对于参数的优化,如果有软件支持参数的在线调整将更加方便。因此,本文提出了把控制系统计算机辅助设计CACSD(Computer Aided Control System Design)应用到数控系统领域的方案,实现了面向数控系统的CACSD系统。从而为控制算法研究提供了建模分析、设计、数学仿真以及硬件在回路仿真的平台支持,还为优化数控系统参数提供了测量、监测和在线调整参数的软件工具。首先,本文提出了面向数控系统的CACSD系统的体系结构。在数控系统中应用CACSD即把实时应用、现场总线通信协议软件等软件部分,与现场总线、伺服驱动、伺服电机等硬件部分结合起来,来完成用户期望的控制算法设计仿真、数控系统参数优化等功能。其次,本文论述了通过建立实时应用模型、由模型自动生成实时代码以及实时监测代码的执行来实现用户实时应用的流程。然后,对数控系统CACSD的组成结构进行了设计,论述了主要的功能模块以及模块之间的关系。阐述了系统的实时性实现方案以及各功能模块的实现,并主要阐述了现场总线通信协议软件以及面向数控系统的建模环境的实现过程。最后,本文通过实验验证了系统的实时性,并用测量转动惯量比的实验和加减速控制方式的对比实验演示了设计实现实时应用的方法。本文最终实现了面向数控系统的CACSD系统,该系统能够高效地支持用户实时应用的分析、设计和实现过程,为研究如何提高数控系统加工精度提供了软硬件环境支持。系统大大地减小了用户的编程细节,具有良好的实用性、开放性和可移植性。

全文目录


摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
引言  8-10
第一章 绪论  10-15
  1.1 CACSD 的形成与发展  10-11
  1.2 CACSD 国内外研究现状  11-12
  1.3 课题研究的意义  12-13
  1.4 研究工作的项目背景和目标  13
  1.5 论文组织和结构  13-15
第二章 数控系统CACSD 的体系结构  15-22
  2.1 开放式数控系统体系结构  15-16
  2.2 基于现场总线的数控系统网络结构  16-17
  2.3 基于现场总线的“蓝天”开放式数控系统体系结构  17-18
  2.4 数控系统CACSD 的体系结构  18-21
  2.5 本章小结  21-22
第三章 数控系统CACSD 的总体设计  22-34
  3.1 实时应用构建的流程设计  22-23
  3.2 系统组成与结构  23-24
    3.2.1 CACSD 软件相关的功能模块  23
    3.2.2 实时应用模块  23-24
    3.2.3 现场总线通信协议软件  24
  3.3 实现数控系统CACSD 的原则  24-25
  3.4 软硬件技术方案  25-33
    3.4.1 软件技术方案  25-31
    3.4.2 硬件技术方案  31-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章 数控系统CACSD 的实现  34-54
  4.1 实时性实现方案  34
  4.2 RTAI-LAB 工作原理及软件结构分析  34-37
    4.2.1 自动代码生成过程  35-36
    4.2.2 实时监测软件  36-37
  4.3 实时应用模型与硬件通讯接口  37-38
  4.4 现场总线通信协议软件的设计与实现  38-47
    4.4.1 MECHATROLINK-II 通信协议介绍  38-40
    4.4.2 MECHATROLINK-II 通信协议应用层的设计与实现  40-42
    4.4.3 基于Comedi 规范的通讯接口卡驱动的设计与实现  42-45
    4.4.4 驱动程序的标准化操作接口  45
    4.4.5 使用通信协议软件进行通信  45-47
  4.5 实时应用建模支持模块  47-52
    4.5.1 设计Scicos 功能块  47-49
    4.5.2 面向数控系统的建模环境  49-52
  4.6 系统软件结构  52-53
  4.7 本章小结  53-54
第五章 实验与结果分析  54-63
  5.1 系统实时性验证  54-55
  5.2 测量伺服转动惯量比的实时应用的设计与实现  55-58
    5.2.1 转动惯量比计算方法  55
    5.2.2 实验设计  55-56
    5.2.3 建模框图  56-57
    5.2.4 生成并运行实时应用  57-58
    5.2.5 实验计算结果  58
  5.3 加减速控制类型的对比实验  58-62
    5.3.1 三种加减速控制类型  59-60
    5.3.2 对比实验设计与结果分析  60-62
  5.4 系统性能评价  62-63
第六章 总结与展望  63-65
参考文献  65-67
发表文章  67-68
致谢  68

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属切削加工及机床 > 程序控制机床、数控机床及其加工
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