毕业设计（论文）-激光喷丸系统运动控制软件编制及喷丸改性实验（含全套图纸） .doc.doc

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1、本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 激光喷丸系统运动控制软件编制及喷丸改性实验激光喷丸系统运动控制软件编制及喷丸改性实验 Establishment of the Motion Control Software of Laser Shot Peening System and Shot Peening Modification Experiments 全套全套 CAD 图纸，三维图纸，程序，联系图纸，三维图纸，程序，联系 153893706 学生学号： 学生姓名： 专业班级： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2012 年 6 月 I 激光喷丸系统运动控制软件编制及喷丸改性实验激光喷丸系统运动控

2、制软件编制及喷丸改性实验 摘要： 本文在分析了国内外多种类型的运动控制平台的基础上，设计并制作了一台适 合激光喷丸系统的四轴运动控制平台。主要设计内容有：对运动控制系统中的上位机 控制和伺服驱动等关键技术进行深入剖析根据激光喷丸系统要求进行机械和电气部分 的设计和制作，搭建激光喷丸运动控制平台，使运动控制系统和激光发射系统集成在同 一个平台中。利用研华 PCI-1240 运动控制卡进行运动控制部分的设计，采用 Visual C+软件调用运动控制卡中的运动函数库进行编程，使平台实现四根轴(X,Y,Z,U)各自的 正反转运动，点动和联动功能，并可以按喷丸要求的轨迹移动。利用 PCI-1761DI/

3、O 卡 的数字量输出功能进行激光控制部分的编程，数字量输出一个字节的数，这个输出信号 输入到单片机中作为单片机的输入信号，控制激光能量和频率。编制一个 RS232 串口 程序，为今后实现工控机与电机的通信做准备。利用设计的软件对 ZCuSn10P1 铜合金 进行喷丸实验，验证此系统的可行性，并对喷丸后的试样进行性能测试，包括残余应力 测试和纳米压痕实验，并对测试结果进行分析，得出结论。 本课题设计的激光喷丸运动控制系统一方面解决了喷丸平台的运动控制，另一方面 可控制激光器的参数，使喷丸系统形成一个整体，而且具有较高的柔性。 关键字： 运动控制；激光喷丸；运动控制卡；喷丸实验 establish

4、ment of the motion control software of Laser shot peening system and shot peening modification experiments II Abstract: Based on the analysis of many types of motion control platform of the domestic and foreign, designed and produced a four axis motion control platform ,its suited for laser shot pee

5、ning system. The main design content are: To analysis control system of PC control and servo drive on the key techniques. According to the laser shot peening systems requirements, design and manufacture the mechanical and electrical parts, building the laser shot peening motion control platform, mak

6、e the motion control system and the laser emission system integrate in the same platform. With advantechs PCI-1240 movement control card, designing motion control part ,with Visual C+ software calls the movement control cards movement function library, make the platform have the four axises (X, Y, Z

7、, U) positive and negative movement, the point move function, and can according to the requirements of the shot peenings track move. With PCI-1761 DI/O cards digital output function for laser control part of the programming, digital output a bytes of data, the output signal is input to the single ch

8、ip microcomputer ,the data as the single chip microcomputer input signal, control the laser energy and frequency.program a serial port software, realizeing serial communication for the industrial PC. Doing the copper alloy shot peening experiments with the software,to prove the feasibility of the sy

9、stem.and do the performance tests for the specimens of shock peening, Residual stress test and nano creasing experment, analyse the result of the test ,and draw the conclusion. This laser shot peening motion control system,on the one hand, solved the shot peening platform movement control, on the ot

10、her hand, it can control the parameters of the laser machine, this make the shot peening system as a whole, and with high flexibility. Key words motion control; laser shot peening; motion control card；peening experiment 目 录 III 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 运动控制概念的提出.1 1.2 运动控制器的现状及发展趋势.1 1.3 本课题研究的意义和主要内容.5 第

11、二章第二章 运动控制平台的结构方案设计运动控制平台的结构方案设计.6 2.1 电气部分的设计6 2.2 四轴运动平台的设计.9 2.2.1 角度调节台的设计9 2.2.2 四轴平台的总体设计11 2.3 本章小结.12 第三章第三章 运动控制平台的软件编制运动控制平台的软件编制13 3.1 RS232 串口通讯程序的编制13 3.1.1 RS232 串口的简介.13 3.1.2 RS232 的程序编制.14 3.2 运动控制软件的编制15 3.2.1 运动控制卡的介绍.15 3.2.2 PC+运动控制卡的控制方案介绍.15 3.2.3 系统中 PCI-1240 运动控制卡和 PCI-1761

12、卡的介绍16 3.2.4 基于 Visual C+的运动控制软件的开发20 3.3 本章小结.24 第四章第四章 激光喷丸改性实验激光喷丸改性实验25 4.1 激光喷丸技术简介25 4.2 铜合金的激光喷丸实验.25 4.2.1 材料选择与试样制备25 4.2.2 实验装置及仪器27 4.2.3 实验参数方案.27 4.2.4 后续性能测试.28 4.2.5 实验结论33 4.3 本章小结.34 结结 论论.35 致致 谢谢.36 参考文献参考文献.37 附录附录 A A.39 IV 附录附录 B B.43 第 1 页共 89 页 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 运动控制概念的提出运动

13、控制概念的提出 随着现代科学技术的进步，电机在实际应用中，过去是以简单的启停控制，提供动 力为主要目的，现在上升到对其速度，位移，转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械 运动符合预想的要求。特别是在工业自动化，办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用 的大量控制电机，几乎都采用电力电子器件进行控制。在这种情况下，原先的“电机控 制” ， “电气传动”已发展到“运动控制”新阶段。 “运动控制” （Motion Control）是近十年来国际上流行的一种新的技术，通常是指 在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。按照国际运动控 制工程师协会的定义：“运动控制是指应用一个可控制的力的

14、作用实现机电系统有效运 动的技术，这个机电系统可以使以电气、液压、气动或其他形式驱动的。 ”运动控制系 1 统对被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩控制或力的控制， 以及这些被控量的综合控制。 运动控制器的主要任务是根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑/数学运 算，为电机驱动装置提供正确的控制信号。典型的运动控制器如图 1.1 所示。 操作界面主机控制器驱动器电机机械装置 反馈 图 1.1 运动控制系统框图 1.21.2 运动控制器的现状及发展趋势运动控制器的现状及发展趋势 运动控制器历经分立电子元件、集成电路(包括小、中、大、超大规模集成电路) ,直 至微控制器

15、的出现,使运动控制器发生了质的飞跃由硬件电路发展到软件控制。运动控 制系统也随之进入了全数字化控制的新阶段。 32 1、基于模拟电路基于模拟电路 第 2 页共 89 页 早期的运动控制器一般采用运算放大器等分立元件，以模拟电路硬接线方式构成。 这种运动控制方式具有以下优点：对输入信号进行实时处理，没有附加延时，响应速 度快；由于采用硬接线方式可实现无限的采样频率，因此控制器的精度较高且具有较 大的带宽。但是,模拟控制系统与数字控制系统相比，也有明显的缺点：老化和环境温 度的变化对构成系统的元器件的参数影响很大：构成模拟系统需要的元器件较多，增 加了系统的复杂性，最终使系统的可靠性降低；由于采用

16、硬接线，系统设计安装完成 后，几乎不可能修改系统的功能；受系统规模的限制，很难实现运算量大、精度高、 性能更先进的复杂控制算法。目前在一些早期的系统和功能简单的系统中仍然采用这种 控制方式。 2、基于微控制单元基于微控制单元 微控制单元(MCU, 即单片计算机) 将CPU、RAM、ROM或EPROM、CTC、I/ O 等 集成在一块芯片上,具有集成度高、速度快、功耗低、抗干扰能力强、重量轻、体积小、 功能强、价格低等诸多优点，并且微控制单元的功能愈来愈强,因而目前使用微控制单元 为核心构成运动控制器非常普遍。这种运动控制方式具有以下优点：模拟电路实现逻 辑控制需要许多分立电子元件，而在微控制单

17、元中绝大多数控制逻辑可采用软件来实现， 使电路更简单；微控制单元具有大容量的存储器和较强的逻辑功能，运算速度快、精 度高，因此可以实现较复杂的控制运算； 由于微控制单元的控制方式主要通过软件来 实现，需要改变控制规律时只需修改相应的软件即可，因而具有较强的灵活性和适应性； 由于数字控制系统中一般不会出现模拟电路中的零点漂移问题，且控制器的字长一般 可保证足够的控制精度，因而具有较高的控制精度；可设计友好的人机界面，实现多 机联网工作。但是，由于般微控制单元集成度较低，片上不具备运动控制系统所需要 的专用外设，使以微控制单元为核心的运动控制器仍然需要较多的周边元器件，如要加 上存储器、编码器信号

18、处理及D/ A 转换电路等,软硬件设计的工作量较大，并增加了系统 硬件的复杂性，降低了系统的可靠性。同时,由于微控制单元一般采用冯- 诺依曼总线结 构，使处理速度和能力有限,难以实现先进控制算法和满足运算量较大的实时信号处理的 需要，不适用于高精度、高速度控制场合，只能应用在低速点位控制和对轨迹要求不高 的轮廓运动控制场合。 3、基于可编程逻辑控制器基于可编程逻辑控制器 可编程逻辑控制器( PLC) 是以微处理器为基础,在硬件接线逻辑控制技术和计算机技 第 3 页共 89 页 术的基础上发展起来的。它是将计算机技术与自动控制技术综合为一体的工业控制产品， 由中央处理单元(CPU) 、存储器、输

19、入/ 输出单元( I/ O) 、电源、编程器等组成，是专 为在工业环境下应用而设计的一种工业控制计算机。可编程逻辑控制器一般都具有脉冲 输出功能，以它作为运动控制器，可以控制接收脉冲和方向信号工作的电机,如步进电机 和数字式交流伺服电机等。这种控制方式具有体积小、可靠性高,通用性强,成本较低,软、 硬件开发周期短，安装维护简便，在工业现场抗干扰能力强等优点。但由于PLC 是以循 环扫描方式工作，即每一次状态变化需要一个扫描周期，其扫描周期一般在几毫秒至几 十毫秒之间(视PLC 工作速度和用户程序大小而定) 。由于受到PLC工作方式的限制以及 扫描周期的影响，被控制电机不能在高频下工作，转速较慢

20、，且不能实现复杂的运动关 系，故一般只应用在点位控制和单轴运动控制等场合。 4、基于通用计算机基于通用计算机 在通用计算机上,利用高级语言编制相关的控制软件,配合与计算机进行信号交换的通 信接口板和驱动电机的电路板，构成一个运动控制系统。这种实现方法利用计算机的高 速度、强大运算能力和方便的编程环境,可以实现高性能、高精度、复杂的控制算法，并 且控制软件的修改也很方便。但是，由于通用计算机本身的限制,难以实现实时性要求高 的信号处理算法；同时，系统体积过大，难以应用于工业现场。因此，这种实现方法一 般用作上位机，与下层的实时系统一起构成两级或多级运动控制系统。 5、基于专用运动控制芯片基于专用

21、运动控制芯片 基于专用运动控制芯片的运动控制系统是将实现电机控制所需的各种逻辑功能做在 一块专用集成电路内，并提供一些专用的控制指令，同时具有一些诸如限位开关、零位 开关处理、电机使能、报警等必须的辅助功能, 使用户的软件设计工作减少到最小程度。 对于伺服电机,用一个芯片即完成速度曲线规划、PID 伺服控制算法、编码器信号的处理 等多种功能。一些需要用户经常更改的参数如电机位置、速度、加速度、PID 参数等均 在芯片内部的RAM区内, 可由计算机用指令很方便地修改。这种方法具有系统使用元件 少、集成度高、可靠性好等优点，同时又保持了模拟控制系统的快速响应能力。专用运 动控制芯片价格便宜，使系统

22、成本较低。但由于受专用运动控制芯片本身的限制，这种 方法也有一些缺点：为了保证较高的系统响应速度而将软件算法固化在芯片内部，降 低了系统的灵活性，不具有扩展能力；受芯片制作工艺的限制，现有的芯片很难实现 复杂的控制算法和功能；用户不能对芯片进行编程，很难实现系统的升级；由于芯 第 4 页共 89 页 片本身算法的限制，系统的控制精度较低，难以实现高性能、高精度的应用场合。 6、基于可编程逻辑器件基于可编程逻辑器件 由于现场可编程门阵列( FPGA) / 复杂可编程逻辑器件(CPLD) 具有用户可编程的特 性，使得用户可以利用系统开发软件或VHDL 等开发语言，通过软件编程实现运动控制 算法,并

23、将这些算法下载到相应的可编程逻辑器件中，从而最终以硬件的方式实现运动控 制。这种方法的优点是: 系统的主要功能都可在单片FPGA/ CPLD 器件中实现，减少 了所需的元器件个数，缩小了系统体积；由于可编程器件具有系统可编程的特性，因 而具有较好的扩展性和可维护性，通过修改软件即可实现系统的升级；系统以硬件实 现，响应速度快，可实现并行处理；容易开发，通用性强。但是由于使用可编程逻辑 器件实现的控制算法越复杂，器件内部需要的晶体管门数就越多，成本就越高，因此一 般使用可编程逻辑器件实现较简单的控制算法，构成较简单的运动控制系统。 7、基于数字信号处理器基于数字信号处理器 数字信号处理器(DSP

24、) 是微处理器的一种，它除具备普通微处理器的高速运算和控 制功能外，针对高数据传输速率、数值运算密集的实时数字信号处理操作，在处理器结 构、指令系统和指令流程设计等方面都做了较大的改进。特别是随着运动控制领域对嵌 入式DSP 控制器的市场需求的不断增大，DSP 厂商为此推出各种运动控制专用DSP， 且成本不断下降，因此数字信号处理器是单片机的理想替代品，采用DSP 芯片为核心来 实现电机的运动控制已经是一个必然趋势。由于DSP的高速运算能力使很多复杂的控制 算法和功能都得以实现，且DSP 将实时处理能力和控制的外设功能集于一身，基于DSP 构成的运动控制器是一个单片系统，大幅度减少了外部元器件

25、的数量，增加了系统的可 靠性；同时， 由于各种性能通过软件编程来实现，系统开放性、扩展性、维护性都很好。 这种方法的优点是：对输入和反馈信号的处理可以消除噪声污染或不精确的数据，从 而可以去掉昂贵或不可靠的传感器；在实现特殊输入轨迹时，应用微处理器的控制经 常是通过查表产生控制输入，DSP 可以用专门的函数和算法代替这些表和插补过程，因 而可以使用更加复杂的多变量函数，减少对存储器的要求，提供最优的函数，且系统运 行更加平稳，能耗更低，并提高驱动装置的可靠性；DSP 能实时实现许多先进的复杂 控制算法，如自适应和最优多变量控制、重复控制、学习算法、神经网络、遗传算法、 模糊逻辑控制和其它控制方

26、法都可以借助DSP 的速度和性能得以实时实现；运动控制 系统通常用PWM技术控制开关功率整流器，而通过DSP 来实现产生PWM和电子换向可 第 5 页共 89 页 以去掉D/ A 转换器，因而与电流驱动的双极功率晶体管相比，减少了元件数目以及功耗 和驱动系统的体积，这种方法提高了供给电压的利用率，同时降低了电动机电流中的谐 波分量；在运动控制系统中系统运行中的故障诊断和处理是处理器的重要任务之一， 而DSP 能够方便地实现实时监控，且DSP 除了作为数字控制器之外，还可以用来处理 非控制问题，包括与上位主机的通信、数字滤波和数据总线控制协议等。 1.31.3 本课题研究的意义和主要内容本课题研

27、究的意义和主要内容 随着社会的不断发展，运动控制技术也由面向传统的数控加工行业专用运动控制技 术而发展为具有开放结构、能结合具体应用要求而快速重组的先进运动控制技术。运动 控制器已经从以单片机或微处理器作为核心的运动控制器和以专用芯片（ASIC）作为核 心处理器的运动控制器，发展到了基于 PC 总线的以 DSP 和 FPGA 作为核心处理器的开 放式运动控制器。 54 本课题主要研究对象是 4 轴运动控制平台的设计与控制软件的编制。设计依据是 Innolas 激光器主要技术参数，上海联谊生产的运动轴及研华 PCI-1240 四轴运动控制卡 和 PCI-1761DI/O 卡，光学精密平台及现有光

28、路系统。系统提出的研华工业控制计算机， PCI-1240 运动控制卡与伺服电机的控制方式实现了功能完善的运动控制功能，并结合 PCI-1761 卡的数字量输出功能将数字信号输入到单片机，由单片机控制激光器激光的能 量和激光的频率，使平台的运动控制和激光器具有一定的同步性和可调性。该系统可应 用于目前材料强化的实验当中。具有非常高的应用价值和市场前景。 本课题完成的主要工作有： 1、对四轴运动控制平台进行机械和电气部分的设计，使之能够满足激光喷丸系统运 动控制方面的要求。 2、完成四轴平台的搭建，并把平台与激光器部分连接起来。 3、完成控制系统软件的编制，其中包括平台的运动控制、激光能量参数和频

29、率参数 的输出功能。 4、对设计平台进行调试，并对 ZCuSn10P1 铜合金进行激光喷丸实验，并对喷丸后的 试样进行性能测试，达到预期的效果。 第 6 页共 89 页 第二章第二章 运动控制平台的结构方案设计运动控制平台的结构方案设计 2.12.1 电气部分的设计电气部分的设计 伺服电机的控制方式伺服电机的控制方式分为位置控制，速度控制，转矩控制，分别介绍如下： 876 1、转矩控制：转矩控制方式是通过外部模拟量的输入或直接的地址的赋值来设定电 机轴对外的输出转矩的大小，具体表现为例如 10V 对应 5Nm 的话，当外部模拟量设定为 5V 时电机轴输出为 2.5Nm:如果电机轴负载低于 2.

30、5Nm 时电机正转，外部负载等于 2.5Nm 时电机不转，大于 2.5Nm 时电机反转（通常在有重力负载情况下产生） 。可以通过即时的 改变模拟量的设定来改变设定的力矩大小，也可通过通讯方式改变对应的地址的数值来 实现。应用主要在对材质的受力有严格要求的缠绕和放卷的装置中，例如饶线装置或拉 光纤设备，转矩的设定要根据缠绕的半径的变化随时更改以确保材质的受力不会随着缠 绕半径的变化而改变。 2、位置控制：位置控制模式一般是通过外部输入的脉冲的频率来确定转动速度的大 小，通过脉冲的个数来确定转动的角度，也有些伺服可以通过通讯方式直接对速度和位 移进行赋值。由于位置模式可以对速度和位置都有很严格的控

31、制，所以一般应用于定位 装置。 3、速度模式：通过模拟量的输入或脉冲的频率都可以进行转动速度的控制，在有上 位控制装置的外环 PID 控制时速度模式也可以进行定位，但必须把电机的位置信号或直 接负载的位置信号给上位反馈以做运算用。位置模式也支持直接负载外环检测位置信号， 此时的电机轴端的编码器只检测电机转速，位置信号就由直接的最终负载端的检测装置 来提供了，这样的优点在于可以减少中间传动过程中的误差，增加整个系统的定位精度。 因为激光喷丸系统在喷丸过程中根据喷丸的需要应进行定位控制，所以本系统采用 位置控制方式控制伺服驱动，通过外部输入脉冲确定速度和位移。此系统要求运动控制 和激光发射的同步性

32、，用位置控制方式可以精确控制轴的转动和速度。 位置控制模式的接线图如图 2.1 所示。脉冲输入方式采用长线驱动器输入，接线端 用 44,45,46,47 接口，脉冲输入也比较稳定。伺服驱动器上连接器 X4 处有五十针的插口， 引出的线通过接线端子板与 PCI-1240 控制卡相连，并接 24V 外接电源，制作此接线头采 第 7 页共 89 页 用 20 芯的屏蔽线，把线用电烙铁焊接在接线头子上，焊接时应严格要求 PCI-1240 与伺 服电机的接线图焊接。接好后应在伺服驱动器上设置好长线驱动的参数值和脉冲输出方 向等参数，再利用研华公司提供的调试软件进行调试，看是否接线正确。 图 2.1 位置

33、控制模式接线图 第 8 页共 89 页 图 2.2 伺服电机与 PCI-1240 控制卡的接线图 伺服驱动器与 PCI-1240 控制卡端子板的接线如图 2.2 所示。电气部分整体布局如图 2.3 所示。 第 9 页共 89 页 人机界面 PCI-1240 运动控制 卡 PCI-1761 脉冲数字 量 I/O 卡 X、Y、Z、U 四轴运动平台 单片机 脉冲输入 激光器 数字量 研华工控机 图 2.3 激光喷丸系统总体原理图 通过设计的人机界面一方面通过 PCI-1240 运动控制卡控制四根轴的移动，另一方面 通过 PCI-1761DI/O 卡输出数字量信号，数字信号通过单片机控制激光器，因此系

34、统同时 控制四轴运动控制平台的运动和设置激光器激光的能量选择，达到运动速度和激光脉冲 相匹配的效果。 第 10 页共 89 页 2.22.2 四轴运动平台的设计四轴运动平台的设计 2.2.12.2.1 角度调节台的设计角度调节台的设计 9 角度调节台原理：通过伺服电机控制轴的旋转，由联轴器带动涡轮蜗杆转动，通过 涡轮蜗杆传动从而使平台转动起来。其结构图如图 2.4 所示，其内部结构如图 2.5 所示。 图 2.4 角度调节台三维示意图 第 11 页共 89 页 图 2.5 角度调节台爆炸图 1，底盘 2，轴承 3，涡轮 4，蜗杆 5，铜套 6，转台座 7，线盒 8，支架 9，电机 10，手拨螺

35、母 11，插座 12，联轴器 13，螺母 14，轴承 涡轮蜗杆主要技术参数： 1110 安装中心距：23amm= 蜗杆轴面模数（涡轮端面模数）：0.35 x m = 蜗杆头数： 1 1z = 涡轮齿数： 2 120z = 蜗杆分度圆直径： 1 4dmm= 涡轮分度圆直径： 2 42dmm= 齿顶圆直径： 1 2 4 24.7 42 242.7 a a dmmm dmmm = += =+= 齿根圆直径： 1 2 4 2*1.23.16 42 2*1.241.16 f f dmmm dmmm = -= =-= 第 12 页共 89 页 蜗杆材料：45#钢 涡轮材料：灰铸铁 轴承的选用： 61807

36、-RS 内径 35mm,外径 47mm，厚度 7mm 618/5 内径 11mm,外径 11mm，厚度 3mm 2.2.22.2.2 四轴平台的总体设计四轴平台的总体设计 三个平动轴的安装如图 2.6 所示。 图 2.6 三轴平移台的装配图 角度平移台安装在 Z 轴的平台上，这样就形成了 4 轴运动平台，三个平动加一个转动。 喷丸试样放在角度调节台上，对试样进行喷丸时可对 X，Y，Z，U 轴进行点动和按轨迹运 动。 2.32.3 本章小结本章小结 本章完成了运动控制系统机械部分和电气部分的设计，对控制平台进行装配，并完 成了工业控制计算机控制卡和伺服驱动的接线工作。总体上实现了运动控制平台硬件

37、的 连接，使整个系统硬件部分形成一个整体，为下面完成软件的编制做好铺垫。 第 13 页共 89 页 第三章第三章运动控制平台的软件编制运动控制平台的软件编制 3.13.1 RS232RS232 串口的编制串口的编制 3.1.13.1.1 RS232RS232 串口的简介串口的简介 RS-232-C 接口（又称 EIA RS-232-C）是目前最常用的一种串行通讯接口。它是在 1970 年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、 调制解调器厂家及计算机终端生产 厂家共同制定的用于串行通讯的标 准。它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设 第 14 页共 89 页 备（DCE）之间串行二进

38、制数据交换接口技术标准”，该标准规定采用一个 25 个脚的 DB25 连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规 定。实际上 RS-232-C 的 25 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般 只使用 3-9 条引线。RS-232-C 最常用的 9 条引线的信号内容 RS-232-C 接口连接器一般 使用型号为 DB-25 的 25 芯插头座,通常插头在 DCE 端,插座在 DTE 端. 一些设备与 PC 机连接的 RS-232-C 接口,因为不使用对方的传送控制信号,只需三条接口线,即“发送数据”、 “接收数据”和“信号地”。所以采用 DB-9 的

39、9 芯插头座，传输线采用屏蔽双绞线。 在工业控制中，工控机（一般都基于Windows 平台）经常需要与智能仪表通 过串口进行通信。串口通信方便易行，应用广泛。 一般情况下，工控机和各智能仪表通过RS232 总线进行通信。 RS232 的通 信方式是半双工的，只能由作为主节点的工控PC 机依次轮询网络上的各智能控 制单元子节点。每次通信都是由PC 机通过串口向智能控制单元发布命令，智能 控制单元在接收到正确的命令后作出应答。 在 Win32 下，可以使用两种编程方式实现串口通信，其一是使用ActiveX 控件，这种方法程序简单，但欠灵活。其二是调用Windows 的 API 函数，这种 方法可以

40、清楚地掌握串口通信的机制，并且自由灵活。本文我们只介绍API 串 口通信部分。 串口的操作可以有两种操作方式：同步操作方式和重叠操作方式（又称为异步 操作方式）。同步操作时，API 函数会阻塞直到操作完成以后才能返回（在多线程 方式中，虽然不会阻塞主线程，但是仍然会阻塞监听线程）；而重叠操作方式， API 函数会立即返回，操作在后台进行，避免线程的阻塞。 12 无论那种操作方式，一般都通过四个步骤来完成： （1） 打开串口 （2） 配置串口 （3） 读写串口 （4） 关闭串口 3.1.23.1.2 RS232RS232 的程序编制的程序编制 图 3.1 是为本系统编制的 RS232 串口通讯部

41、分，经过调试适用于本系统的串口传输。 1712 第 15 页共 89 页 图 3.1 RS232 串口界面 串口号设置为 COM2，波特率选为 9600，数据位为 8，校验位为 None,停止位为 1。程 序如附录 A 所示。此串口部分是用来监控伺服驱动器的一些信息的，数字量输入为 4 个 16 进制数，且最后四位为 FFFF 时输入时转化为十进制输入，否则不输入值。此串口还 未加入到运动控制软件中，在下一阶段的工作中会完成工控机的串口通讯，实现对伺服 电机的实时监控。 3.23.2 运动控制软件的编制运动控制软件的编制 3.2.13.2.1 运动控制卡的介绍运动控制卡的介绍 目前国外己有很多

42、著名的大公司开发出了功能多样的运动控制卡， 其中可编程多轴 运动控制器PMAC(programmable Multi-Axes Controller)是一个很有代表性的产品。国内 针对运动控制器的研究起步较晚，主要是高校或科研院所为自己设计的基于PC的数控系 统的运动控制卡，并没有形成一种通用的、系列化的供应于市场的产品。根据实现控制 方法的不同大致分为以下几种：基于大规模集成电路。利用其内部的计数器功能，通 过编码器改变其脉冲输出频率，实现步进电机的速度和位置控制；基于微处理器。此 方案使用元器件较多，可靠性不高，运行速度慢，控制精度不高，软硬件配置灵活性差； 基于专用集成电路ASIC。该方

43、案采用一块芯片就可以完成PID控制算法、编码器信号 的处理等多种功能，并且其硬件电路的配置具有一定的灵活性，但由于受运算速度的限 第 16 页共 89 页 制，复杂的控制算法和功能在该系统中难以实现；基于DSP型。此方案如果将DSP和 PC机结合起来，可充分利用PC机现有的操作环境和资源，同时利用DSP运算速度快的优 势，使PC机从大量复杂的运算中解脱出来做其它工作。这是未来运动控制卡的发展趋势 。 13 3.2.23.2.2 PC+PC+运动控制卡的控制方案介绍运动控制卡的控制方案介绍 采用PC+运动控制卡作为上位控制，可充分利用计算机资源，用于比较复杂，且柔性 比较强的设备。从用户使用的角

44、度来看，基于PC机的运动控制卡主要是硬件接口(输入/ 输出信号的种类、性能)和软件接口(运动控制函数库的功能函数)的差异。运动控制卡是 基于PC机各种总线的步进电动机或数字式伺服电动机的上位控制单元，总线形式也是多 种多样。由于计算机主板的更新换代，ISA插槽越来越少，PCI总线的运动控制卡应该是 目前的主流。卡上专用CPU与PC机CPU构成主从式双CPU控制模式。PC机CPU可以专 注于人机界面、实时监控和发送指令等系统管理工作；卡上专用CPU用来处理所有运动 控制的细节：升降速计算、行程控制、多轴插补等，无需占用PC机资源。同时随卡还提 供功能强大的运动控制软件库：C语言运动库、Windo

45、ws DLL动态链接库等，让用户更快、 更有效地解决复杂的运动控制问题。运动控制卡采用了开放式结构，使用简便，功能丰 富，可靠性高。若采用PC机的PCI总线方式，卡上无需进行任何跳线设置，所有资源自 动配置，并且所有的输入、输出信号均用光电隔离，提高了控制卡的可靠性和抗干扰能 力；在软件方面提供了丰富的运动控制函数库，以满足不同的应用要求。用户只需根据 控制系统的要求编制人机界面，并调用控制卡运动函数库中的指令函数，就可以开发出 既满足要求又成本低廉的多轴运动控制系统。运动函数库为单轴及多轴的步进或伺服控 制提供了许多运动函数，如单轴运动、多轴独立运动、多轴插补运动等等。另外，为了 配合运动控

46、制系统的开发，还提供了一些辅助函数，如中断处理、编码器反馈、间隙补 偿及运动中变速等。正是由于运动控制卡的开放式结构，强大而丰富的软件功能，对于 使用者来说，进行二次开发的设计周期缩短了，开发手段增多了，针对不同的数控设备， 其柔性化、模块化、高性能的优势被充分利用。 14 3.2.33.2.3 系统中系统中 PCI-1240PCI-1240 运动控制卡和运动控制卡和 PCI-1761PCI-1761 卡的介绍卡的介绍 PCI-1240 4 轴步进轴步进/ /脉冲伺服马达控制卡脉冲伺服马达控制卡的设计，适用于通用型极端动作应用。 15 PCI-1240 为PCI 总线用高速4 轴动作控制卡，可

47、简化步进式及脉冲式伺服马达控制，并 充分发挥马达潜能。本卡使用NOVA MCX314 动作ASIC芯片，内建多种动作控制函数， 第 17 页共 89 页 如2/3 轴线性内插、2 轴圆周内插、T/S 曲线加速率/减速率等等不胜枚举。此外，PCI- 1240 驱动这些动作函数时，不须占用处理器负载。 研华PCI-1240主要有以下功能： 4轴个别控制：每一轴都有同样的功能和能力，接受相同的等速、四边形、或S 曲线 驱动控制。 可程设T/S曲线 加速及减速：4轴中，每一轴可单独预设S曲线或四边形加速/减速的 速率。使用S 曲线加速控制驱动速度时，产生拋物线加速或减速曲线输出脉冲，NOVA MCX3

48、14 动作ASIC 设计观念下不会产生三角形曲线现象。 线性及圆周内插：可选择任意2或3轴执行线性内插驱动，可选择任意2轴执行圆周弧 线内插控制。内插速度范围从1PPS到4MPPS。 功能强大的位置管理：每一轴配备一个32位逻辑位置计数器和一个32位真实位置计 数器。逻辑位置计数器累计各轴的脉冲输出数。而真实位置计数器，则记录来自外部编 码器或线性量尺的回授脉冲。 速度控制：定速、四边形或S曲线加速/减速的脉冲输出速度范围是1PPS到 4MPPS。脉冲的频率精确度小于+/- 0.1%(当 CLK=16 MHz)。驱动时可自由改变脉冲输 出的驱动速度。 位置控制：每一轴配备一个32-位逻辑位置计

49、数器和一个32-位真实位置计数器。逻 辑位置计数器累计输出脉冲数。真实位置计数器则累计来自外部编码器或线性量尺的回 授脉冲数。 开发环境 Windows应用程序设计的最大特点就是消息处理。所有的Windows应用程序都是基 于消息的，每一个Windows程序都要求有一个消息循环，应用程序中的每一个窗口都要 求有一个消息处理器。不论什么时候，只要出现一个事件，Windows系统就会产生一条 消息。因此，Windows应用程序设计的核心就是传递消息，读入消息，处理消息。 Windows系统是多任务系统，如果有消息要处理，它就占用CPU处理消息，如果一个程 序不再有要处理的消息，系统就询问其他正在运行的程序是否有消息要处理，并把控制 权转给有消息要处理的应用程序。Visual C+是一个在Windows环境下的程序开发工具， 它是可视化的，面向对象的，采用事件驱动的。它屏蔽了Windows环境下程序设计的复 杂性，使Windows应用