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嵌入式开放型数控系统研究摘 要 在构建的开放式数控系统中,把μC/OS-Ⅱ实时操作系统移植到MCS-51上,在其内核上创建自己的任务,开发出实时运动控制系统。该数控系统具有通信和网络功能。将该系统用在模拟加工平台上,验证了系统的可行性。关键词 开放式数控 μC/OS-Ⅱ 实时操作系统1 开放式数控开放式数控是数控技术的发展趋势。前几年国内外对于PC-based开放式数控讨论较多,并取得了一定成果。最近一段时间,由于嵌入式技术的发展,采用嵌入式实时操作系统的开放式数控逐渐引起业界的关注。其主要原因是基于PC技术的数控系统在实时性方面有其先天不足之处。而这一方面嵌入式技术刚好发挥了它的优势,逐渐显示出其强大的生命力。目前采用嵌入式技术的开放型数控研究主要是指包含实时操作系统的控制器。本文研究的是关于采用μC/OS-Ⅱ实时内核的数控系统的软、硬件结构以及实验系统开发。和PC技术无关。2 基本体系结构和工作原理硬件结构以Windows 78E58(51系列)为核心,扩展了RAM,显示、键盘接口8279,MAX232串口,8255并口以及RTL 8019 AS网络芯片。去步进电机输出直接由78E58进行。如图1所示。W inbond 78E58内核32kB的FlashROM,包含μC/OS-Ⅱ实时内核在内的系统软件(即实时操作系统)约25kB左右。覆盖了该实验系统的全部数控功能,包括输入、译码、插补、伺服输出、显示、通讯等功能。图1中8279主要用于管理自行设计的小键盘和LED显示器。零件加工程序可以从小键盘输入。也可以从MAX232串行口输入。并口8255主要用于机床I/O信号的输入、输出以及调试时使用。8019AS是网络接口芯片,使得本嵌入式系统能和采用TCP/IP协议的以太网连接,实现上网功能。78E58中包含一个精简的TCP/IP协议栈。实时时钟是嵌入式系统的一个显著特征,μC/OS-Ⅱ要求时钟周期为10~100ms,刚好符合数控系统工作周期的需要。本实验系统采用10ms的工作周期,复杂系统可以适当增大。μC/OS-Ⅱ是一个源代码公开的实时占先式内核,它可以管理64个任务,有8个留给系统,用户可以使用56个任务,每个任务的优先级必须是不同的(对于数控系统而言这56个任务已绰绰有余)。GB/T 18759·1-2002开放式数控系统国家标准中,开放程度分为三个层次。其中第二层次为“控制装置在明确固定的拓扑结构下允许替换、增加NC核心中的特定模块以满足用户的特殊要求”。只要在μC/OS-Ⅱ开放式内核下“挂”上不同功能的任务,比如译码、插补、输出等模块就可以基本达到第二层次的要求,实现开放式数控的目标。3 开放式数控的软件实现3·1 软件接口整个软件系统以μC/OS-Ⅱ作为平台,并在创建的各个任务中调用相应的应用软件模块,结合实时中断服务程序,共同完成系统功能。为了实现开放式数控系统的模块化,提高应用软件模块的互换性和可移植性,给各应用软件模块定义了相应的程序接口。只要软件接口一致的应用软件模块则可以替代和互换。下面是插补程序的部分接口定义(C语言),其中包括插补数据的数据结构和一些相关的函数接口。3·2 任务实现整个软件除了μC/OS-Ⅱ以外,建立了9个任务外加一个系统初始化例程。9个任务分别是。9个任务被分配在一个前后台结构中,前台程序是实时性较强的任务,包括插补任务,监控任务,机床信号输入/输出任务。其余为后台任务,零件加工程序输入任务主要是从键盘输入加工程序,放在存储器中。串行通信是从外部输入零件加工程序。网络任务是和局域网交换信息。显示放在空闲任务之中。系统初始化在启动时只运行一次,以启动多任务OSStart()结束,见图2为实现各个任务之间的通信以及数据共享,μC/OS-Ⅱ提供了三种方法:信号量、邮箱和消息队列。下面以信号量为例说明任务间通信的方法。用户任务形式如下:这样,任务就是一个无限循环的C语言函数。函数中任务通过OSSemPend()函数等待相应信号量的到来,触发任务的执行;并利用系统延时函数OSTimeDly()延时。如图2所示,系统初始化完成的工作为μC/OS-Ⅱ初始化,创建信号量,创建任务,接口初始化等。在启动多任务OSStart();后,就处于μC/OS-Ⅱ的调度下运行。首先,在键盘命令没有下达之前,系统处于等待状态,各用户任务都在等待信号量的到来。在此期间,系统执行的是优先级最低的任务OSTask Idle,进行一些显示等工作。实时中断定时发生,只是没有键盘命令,只进行一些例外监控等,不会出现插补等加工状态。一等加工的键盘命令按下,经过键盘解析任务KeyAnalyse Task对任务的解析,向译码任务Trans-late Task发出信号量,进入译码过程,译码任务从存储器中取出零件加工程序进行编译处理,同时给插补程序发出信号量,等到实时中断发生后,插补任务接收到信号量后,即开始插补加工。本次实验系统采用步进电机伺服系统,一边插补,一边就向外输出。译码任务在没有遇见M02、M30之前,则不断进行编译,一直到零件加工程序结束。零件加工程序输入任务InputTask是在非加工状态下运行的,下达键盘命令后经KeyAnalyse Task任务解析,向输入任务InputTask发出信号量。InputTask在获得信号量后,即开始从键盘输入零件加工程序至存储器。串行通信和网络通信亦设计成非加工状态下执行。在以太网网络通信的硬件设计上,采用了RTL8019AS,它是一款10Mbps的以太网网卡控制芯片,大量应用于PC机的ISA接口以太网网卡中。虽然如今计算机网卡市场中的主流产品已经是PCI接口的10M/100M自适应的以太网网卡了,但是,RTL8019AS的生产线仍然没有停止。因为RTL8019AS支持8位数据总线,在跳线工作方式下可以非常方便地连接单片机,所以在嵌入式系统领域中仍然有很大的应用价值。图3为硬件连接图。除了硬件连接外,在软件上要编写相应的驱动程序。内容有芯片初始化、发送以太帧数据包和接收以太帧数据包三种。4 开放式数控的实现和验证按照前面提出的系统体系结构,我们搭建了一个小型的开放式数控实验台。在图1的基础上,通过P1口接一个X-Y实验工作台。通过键盘输入一段零件加工程序,在按下起按钮后,进行译码、插补、伺服输出。工作台的X、Y轴由二台步进电机驱动,插补算法采用最常用的逐点比较法,演示的结果达到了预期的效果。证明了开放式数控系统控制思想的正确性。5 结束语基于μC/OS-Ⅱ的开放式数控系统工作台稳定可靠,且开放性强,虽然就目前只是初步实现了数控系统的基本功能,但可以随时根据需要,利用嵌入式系统的软硬件资源进行功能扩展,方便二次开发,以满足不同的功能要求。是实现开放式数控和“个性化”CNC的一个有效途径。参 考 文 献[ 1 ]谭峰,等.基于μC/OS-Ⅱ的开放式数控系统研究.机械与电子,2004, 12.[ 2 ]李诚人,等.嵌入式系统及单片机应用.北京:清华大学出版社,2005.[ 3 ]谭峰,等.基于以太网的嵌入式数控系统的研究开发.西北工业大学硕士论文, 2005, 3.[ 4 ]李诚人,等.现代机电控制系统.西安:西北工业大学出版社, 1999.[ 5 ] GB/T 18759. 1-2002,开放式数控系统标准第一部分:总则.

数控加工毕业论文 1 水泵特点及叶片加工要求 太浦河泵站的设计净扬程为，单泵流量50m3/s，装有6台斜150轴伸泵，叶轮直径，是国内最大的斜轴伸式水泵。由于该水泵的扬程特低、流量很大，要求水泵装置具有很高的水力效率和良好的汽蚀性能。叶片是水泵的最重要部件，它直接和决定水泵的能量指标、汽蚀性能、水压脉动和泵组的运行振动。通过国际招标，水泵由无锡水泵厂制造。该厂采用数控机床对叶片进行加工，以保证原型水泵与模型水泵有很好的水力相似，叶片各方面的技术指标可以达到或超过招标文件规定的各项技术要求。 2 水泵叶片技术要求 叶片材料 水泵叶片材料采用ZG0Cr13Ni4Mo。其化学成分见表1，物理指标见表2。 表1 ZG0Cr13Ni4Mo材料化学成分 化学成分 C Si Mn S Cr Ni Mo 含量（%） ≤ ≤ ≤ ≤ 5～ ～ ～ 表2 ZG0Cr13Ni4Mo材料物理指标 物理指标 σb σs δ ψ HB 数值 760Mpa 550MPa 15% 35% ≥240 该材料的特性是抗汽蚀性能好，可焊性好，硬度较高，耐磨损，在水轮机和水泵制造中较常使用。 叶片加工技术要求 太浦河水泵的设备招标文件编制时，兼顾了叶片常规加工和数控机床加工的两种要求。招标文件规定：叶片型线允许偏差不超过±（D为叶轮直径m），叶片厚度的允许偏差为-3%T～+6%T（T为叶片厚度）。叶片正背面的波浪度应低于2/100，在进水口等容易产生汽蚀的部位叶片波浪度应小于1/100。叶轮叶片安放角最大偏差不大于±15/。叶片表面粗糙度不得大于μm。 3 叶片加工方式 轴流式水泵的叶片加工一般采用两种方式：一种是叶片表面手工打磨的常规加工方式，另一种是数控机床加工方式。 常规加工方式 常规加工方式工艺较简单，费用低，轴流式水泵叶片基本采用常规加工。其主要工艺过程如下： a：叶片固溶处理（不锈钢） b：叶片表面随形磨、打磨 c：按叶片坐标，三坐标工具检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线 d：钻两端中心孔 e：粗加工叶片柄部 f：探伤检查 g：精加工叶片柄部 h：钻定位孔或铣键槽 I：叶片称重分组和转子体装配 j：加工叶片外球形 k：校静平衡 常规加工的叶片表面有两种处理方式。对小型水泵，叶片铸造时表面不留加工余量，叶片精度主要由木模和铸造精度来保证，变形量比较大，叶片表面极个别处（约1～2处）最大变形可达到5～6-12mm（根据叶片大小和叶型厚度）。对大型或重要的水泵，叶片铸造时表面留3～4mm加工余量，在探伤检查后，叶片表面多次采用坐标检测和打点，对其用砂轮进行手工表面打磨，重新划叶片零度线，以达到设计要求。叶片表面的精度主要由操作工及测量手段保证，一般能达到，有一定的误差。该采用坐标投影测量（游标精度、实测精度≤）。 数控机床加工 叶片采用数控机床加工是一种最先进的加工方式，虽然它的加工费用较高，但对于大型水泵河特殊要求的水泵，可以保证原型叶片的型线、表面粗糙度和精度、各叶片重量具有很高的一致性。数控机床加工主要工艺过程如下： a：叶片固溶处理（不锈钢） b：叶片表面随形磨、打磨 c：按叶片坐标，坐标投影检测坐标、划中心孔位置线及零度位置线 d：钻两端中心孔 e：粗加工叶片柄部 f：叶片坐标检测、记录、重新划叶片零度线 g：探伤检查 h：精加工叶片柄部 I：钻定位孔或铣键槽 j：叶片坐标检测、记录 k：叶片表面数控加工 l：叶片称重分组和转子体装配 m：加工叶片外球形 n：校静平衡 与常规叶片加工方式相比，数控机床加工方式增加了叶片表面坐标检测和数控加工的工艺流程。 数控机床有三轴、四轴、五轴几种形式。三轴数控机床仅有X、Y、Z三个坐标，铣刀位置不调整，宜加工一般要求的工件。四轴和五轴数控机床除有X、Y、Z三个坐标外，还有刀头旋转的坐标，可以调整加工误差，工件加工精度很高。数控机床在加工上又有轴、三轴联动、四轴联动、五轴联动的不同加工。运转速度上又可分为传统的低速铣床和的高速铣床。数控机床配置有CAD/CAM/CAE软件，可以按设计的曲面型线，仿型加工。数控加工采用不同的加工方式和加工工艺，其达到的精度、效果也不相同。 两种加工方式比较 虽然传统的低速铣床也可加工叶片的曲面，但难以控制叶片的型线，尤其在叶片比较薄的地方，传统的低速铣床在切削力的作用下，产生振动和弹性退让，降低了加工精度。一般传统三轴铣床加工表面粗糙较差和存在着加工死角，通常在工艺上还要进行大量的表面打磨。数控机床将叶片型线输入控制箱内，可以随意控制和调整铣刀的加工，用直线、圆弧命令逼近零件，控制刀位轨迹使叶片表面的实际曲线与设计的曲线完全一致，精加工后的叶片表面不用打磨，便达到设计要求。 数控机床加工的叶片型线和精度，根据编制的设计程序控制加工，可以不再对叶片表面进行检测。数控机床的精度由有关部门按规定期限定期进行检验，所以它的可靠性和精度远高于常规叶片加工后的检测方式。 4 太浦河水泵叶片加工 太浦河泵站斜150轴伸泵叶轮直径米，每个叶轮有三个叶片，每个叶片重～，共18个叶片。为保证水泵叶片的加工质量，无锡水泵厂选择了富春江水工机械厂的五轴联动数控机床，它的加工效果非常好。 数控机床加工的太浦河水泵叶片，叶片加工精度实测数值： 叶片正面波浪度～，集中区域～，并均匀分布。 叶片背面波浪度～，其中≤1/100的区域占总面积的。 叶片表面粗糙度～μm，集中分布区域～μm。 实测2502个点坐标，其坐标误差-3～+4mm，绝对值≤3mm的占。 按要求每个叶片重量误差≤39kg。实测18个叶片，重量误差0～35kg，其中≤25kg的占，≤10kg的占50%。 坐标误差即为叶片允许误差，叶轮直径，允许误差为±。 5 数控机床加工的性 数控机床的价格比较贵，所以加工的费用比常规加工的要高。加工费用由机床折旧费、日常维护费、操作人员和管理人员费、加工中的正常损耗如刀具、电、气、冷却液等费用构成。最简单的方法是单位工时价格×工时数。工时包括软件计算工时和装夹、换刀等工时。确定数控加工的方法非常丰富，从轴至5轴联动，速度从低速至高速、工艺变化很多，刀位轨迹变化多，为有良好的经济性，应根据不同加工件的产品质量要求，选定最优数控加工程序和经济的加工方法。 比如，加工余量的确定是为了保证叶片能加工出来，应根据叶片大小、厚度，选择合适的叶片单面加工余量，太浦河水泵叶片的尺寸可放5～13mm余量；叶片根部、进出口边圆角等处可考虑以磨代铣降低费用。为了经济、高效又高精度的加工叶片，加工精度可通过人机交互设定。粗加工时三轴联动重切削加工去除大量表面余量，精加工时采用五轴联动高速加工，消除加工死角及薄壁处的振动和弹性退让，表面加工后不用打磨。在运行软件上可以首先用CAD三维设计、造型叶片，修改叶片表面缺陷，对表面光滑处理。然后用CAM灵活设计加工方法、确定加工参数、刀具等，进行刀轨的校核、编辑、优化、模拟仿真以获得最佳加工刀位轨迹，通过后处理程序生成加工程序。 太浦河水泵的叶轮直径，每个叶片重，由于委托外厂数控机床加工，每个叶片费用近8万元。0Cr13Ni4Mo的材料比较硬，如叶片铸造余量留得比较大，将增加数控机床的加工量和加工工时数。控制叶片的铸造质量，可以控制加工费用。 6 结束语 太浦河水泵叶片采用数控机床加工，叶片表面取得了很高的加工精度，保证了产品质量。随着我国经济实力的增加和机械加工的进步，水轮机制造厂已普遍使用数控机床，使水轮机叶片的加工水平大大提高，这也是水泵行业方向。 工程建设单位和设计单位，应该根据工程的重要性和特殊性，对水泵叶片的加工提出明确要求。对重点工程和特殊要求的水泵，采用数控机床加工水泵叶片。 对本答案还满意，请采纳！谢谢！！！