数控实验(课程设计)指导书

数控实验指导书

天津大学自动化学院

二〇〇四年八月

目录

实验一数控系统的通讯及其初始化 (1)

实验二逐点比较法插补实验 (5)

实验三数字积分（DDA）插补实验 (8)

数控课程设计指导书 (13)

一、设计思想： (13)

二、设计任务： (13)

三、设计步骤： (14)

（一）：系统硬件的熟悉 (14)

（二）：系统硬件的联接与测试 (16)

2.1交流伺服电机驱动器参数初始化 (16)

2.2运动控制卡的初始化及运行测试 (20)

2.3运动控制器的控制模式 (23)

（三）：控制软件的设计 (25)

3.1控制软件的功能要求和技术指标 (25)

3.2 控制软件的模块划分 (27)

3.3 各个模块的接口和调度关系 (27)

（四）：控制软件的编制 (28)

4.1 指令队列模块的实现 (29)

4.2代码管理模块的实现 (30)

4.3 仿真与监视模块功能的实现 (34)

4.4 运行模块功能的实现 (38)

4.5 通用控制工具模块功能的实现 (43)

（五）：整个系统的连调 (43)

（六）：编写加工代码加工一个零件 (45)

6.1 G代码的标准格式 (45)

6.2 一个加工文件示例 (46)

附： (47)

实验一数控系统的通讯及其初始化

实验目的:

1、了解NC嵌入PC式数控系统的硬件组成、连线、驱动器参数初始化。

2、掌握使用PANATEAM软件观察电机的运行状态。

实验设备：

PC机一台

GT-400-SV运动控制卡一块

GXY-1010伺服平台一套

VC软件开发平台

OVW2-06-2MD型光电编码器一个

PANATERM通信控制软件

实验原理：

1、系统基本结构及工作原理

图1 运动控制器半闭环控制示意图

该数控系统的硬件组成如图1，由PC机、运动控制卡（核心是DSP数字信号处理器）、电控箱（内有接口板、伺服驱动器以及一些简单的驱动电路）、X/Y 工作台、交流伺服电机、光电编码器组成。GT-400-SV是高性能的运动控制器，其核心是ADSP2181数字信号处理器，有标准的PCI总线，以及RS232串行通讯，并且提供函数库实现复杂的控制功能。GXY-1010伺服平台采用松下MSMA022A1C型电机，角度传感器为11线2500P/r增量式编码器，直接安装在电机转子上，与配套的伺服驱动器MSDA023A1A构成闭环控制。

PC机主要是完成插补运算并将得到的各轴的理论位置值乘以相应的系数转换为各轴所应转过的角度值传给运动控制卡，PC机通过PCI总线与运动控制卡

进行通讯。运动控制卡完成位置控制并将速度控制指令送给驱动器，驱动器将速度控制指令与速度反馈进行比较得到速度控制信号，进行放大后来驱动伺服电机。光电编码器中的圆盘与工作轴一起旋转并输出脉冲，通过计量脉冲的数目和频率可测出工作轴的转角和速度反馈给驱动器和运动控制卡构成闭环控制。驱动器通过RS232与PC机相连，利用PANATERM通信控制软件可在计算机上设定伺服驱动器的参数并显示电机运行状态波形、采集脉冲编码器的反馈参数等。

实验数控系统采用半闭环控制(如图2)，对于伺服驱动采用速度闭环控制，运动控制器实现位置闭环控制。在这种控制方式下，运动控制器接受位置反馈信号，进行位置闭环控制，向伺服驱动器输出模拟电压控制信号。伺服驱动装置接受速度控制信号，完成速度闭环控制。

实验步骤：

[1]通过预习相关的说明书和部分组成构件的原理及工作特性等感性认识该数控系统的组成。

[2]系统通讯及驱动器进行初始化。

打开PANATERM通信控制软件，首先选择RS-232通讯，点ok按钮后，在Window menu对话框中选择Parameter, 之后就可以在弹出的窗口修改参数了。

常用参数功能及建议设置参数如下：

参数2：选择控制方式，0—位置控制，1—速度控制，2—转矩控制。本系统采用速度控制，即设为1。

参数10：设置第一位置环增益，设置范围为1~2000，单位是1/S，设置为50。

参数11：设置第一速度环增益，设置范围为1~3500，单位为Hz，设置为100。

参数12：设置第一速度环积分常数，设置范围为1~1000，单位为ms，设置为50。

参数13：设置第一速度检出滤波器的时间常数，可设定的第一速度检出滤波器的时间常数为6级（0~5），设置为4。

参数20：设置负载惯量对电机转子惯量的比率，设置范围0~10000，单位为%，

设置为100。

参数45：决定是否对B相脉冲逻辑取反，以改变A相和B相的相位关系。设置为0不取反。

参数51：是否对速度指令输入逻辑取反，设置为0，当控制器的指令信号为

[3]利用驱动器的试运转功能测试电机与驱动器的连接和状态是否正确。

执行试运转的具体步骤是：

1、接通驱动器电源。显示器显示电机速率

2、按MODE按钮，选择辅助模式。

按“上”或下按钮选择JOG模式。

3、按SET按钮。

4、按住“上”按钮（约3秒钟）横杠会增加，直至出现。

见图4：

图4

5、按住“左”按钮，约3秒钟，小数点从右移至左直到出现

如图5所示,

图5

此时可进行试运转，按“上”按钮，电机反时针方向旋转。按“下”按钮，电机顺时针方向旋转。

[4]利用control_tool文件夹中已经可以运行的控制界面控制电机，同时打

开PANATERM软件观察给定指令的图形信息，以及实际电机的动作（转速，转矩和位置偏差）的图形信息。在window menu对话框中选择 wave from graphic,观察波形。

实验二逐点比较法插补实验

实验目的:

1、掌握运动控制卡的编程方法。

2、利用VC++软件和基本控制指令实现逐点比较算法。实验设备：

PC机一台

GT-400-SV运动控制卡一块

GXY-1010伺服平台一套

VC软件开发平台

OVW2-06-2MD型光电编码器一个

PANATERM通信控制软件

数控虚拟试验系统

实验原理：

（1）第一象限直线逐点比较法原理及程序流程图:

图1 逐点比较法原理示意图

当前点K(Xi,Yj) 终点Z(Xe,Ye)

OK与OZ的斜率差△K=Kok-Koz=(XeYj-XiYe)/XiXe

>0 k在OZ上方 +X方向进给F’=XeYj-XiYe=0 k在OZ上 +X方向进给

<0k在OZ下方 +Y方向进给

F’>=0 ， +X方向进给一步，新坐标（Xi+1，Yj）F’=XeYj-(Xi+1)*Ye=XeYj-XiYe-Ye=F’-Ye(递推)

设起始点偏差为零

F>=0 F←F-Ye F<0 F←F+Xe

总步数 J=Xe+Ye, 走一步J-1

插补计算程序流程图见图2。

图2 插补计算程序流程图

（2）预习圆弧插补（含自动过象限）算法的原理，并绘出流程图。

实验步骤：

据插补算法流程，利用C++语言和运动控制器基本控制指令在VC环境下编写直线和圆弧插补程序，并在X/Y平台上进行验证。

编写程序步骤：

a 了解VC编程环境的基本应用方法,熟练C++语言的基本语法知识;

b 了解数控虚拟试验软件系统的基本结构,掌握基本应用方法;

c 了解控制轴的初始化程序、X\Y正负方向的进给程序、抬笔、压笔程序、打开和关闭伺服程序;

d 可以编程实现逐点比较法直线插补程序，并添加到已经设计好的模板中.

实验要求：（1）给程序加上详细的注释并附上程序流程图。

（2）记录在实验中遇到的问题，分析产生问题的原因并写出解决的办法。

附录：(这些命令只可以在有机器端的普通模板上使用)

运动控制器提供Windows下的运动函数动态连接库，用户只要调用运动函数

库中的函数，就可以实现运动控制器的各种功能。下面列出了编写程序所需的函数：

GT_AbptStp(void) 该函数用于立即停止当前轴的运动，将目标速度参数和实际速度设置为零值。

GT_Close(void) 关闭运动控制器设备，用户程序结束时必须调用此函数。

GT_Open(void) 打开运动控制器设备，用户程序开始时必须调用此函数。

GT_LmtSns(unsigned short Sense) 置限位开关的有效电平,0为高电平触发，1为低电平触发，控制器默认限位开关状态为高电平触发。

GT_Axis(unsigned short num) 设置某控制轴为当前轴,此后调用的面向控制轴的命令都针对当前轴，num表示指定的轴号1或2。

GT_SetIntrMsk(unsigned short Mask) 设置当前轴中断屏蔽字,设置为0表示允许中断事件向主机申请中断。

GT_ClrSts(void) 清除当前轴状态。

GT_SetKp(unsigned short Kp) 设置当前轴的伺服滤波比例增益。

GT_SetKd(unsigned short Kd) 设置当前轴的伺服滤波微分增益。

GT_Update(void) 当前轴参数更新,调用该函数后针对当前轴的参数设置函数和命令函数才能生效。

GT_SetAcc(double Acc) 设置当前轴的加速度。

GT_SetVel(double Vel) 设置当前轴的目标速度。

GT_SetPos(long Pos) 设置当前轴的目标位置，pos的取值范围是-1073741824—1073741824，单位为脉冲数。

GT_ZeroPos(void) 当前轴实际位置寄存器和目标位置清零。

GT_AxisOn(void) 打开当前轴伺服。

GT_ExOpt(unsigned short Data) 设置运动控制器通用输出量输出的状态,0x0时为压笔状态，0xff时为抬笔状态。

GT_AxisOff(void) 关闭当前轴伺服。

Sleep() 延时函数，单位是毫秒，可以直接调用。

用户通过在主机编制程序调用相应的库函数，也就是向运动控制器发出运动控制命令，运动控制器在检查、校验后，会给出一个返回值。返回值定义如下： -1：通讯错误， 0：命令执行成功， 1：命令错误。

实验三 数字积分（DDA ）插补实验

实验目的:

在实验一、二的基础上实现DDA 算法，比较MIT 和DDA 算法的效果，也可自行设计新算法并予以比较。 实验设备：

PC 机一台

GT-400-SV 运动控制卡一块 GXY-1010伺服平台一套

VC 软件开发平台

OVW2-06-2MD 型光电编码器一个 PANATERM 通信控制软件 数控虚拟实验室软件 实验原理：

数字积分插补法（DDA ）原理 （1）DDA 直线插补

图1 DDA

直线插补原理示意图

△X=Vx*△t △Y=Vy*△t

设Vx/Xe=Vy/Ye=K Vx=K*Xe Vy=K*Ye

X=∑K*Xe*△t Y=∑K*Ye*△t

图2 插补器

设经过m 次累加，X 、Y 同时或分别到达终点 X=mKXe=Xe (m*K=1) Kxe ≤

－1

Kye ≤－1 (寄存器)

Kxe ≤1 Kye ≤1 (累加器) 取K=1

/

则

m =

终点判别：J=

（2）圆弧插补

图3

圆弧插补原理示意图

图4 插补器

终点判别：Jx=∣Xe-Xo ∣ Jy=∣Ye-Yo ∣

设V/R=K ，有Vx/Y=Vy/X=K Vx=Vcos β=KRcos β

Vx/Y=K Vx=K*Y 同理 Vy=K*X

△X=∑K*Y*△t △Y=∑K*X*△t

选K=1/

算法流程图:

DDA直线插补算法

DDA圆弧插补算法

实验步骤：

据插补算法流程，利用C++语言和运动控制器基本控制指令在VC环境下编写直线和圆弧插补程序，并在X/Y平台上进行验证。

编写程序步骤：

a 了解VC编程环境的基本应用方法,熟练C++语言的基本语法知识;

b 了解数控虚拟试验软件系统的基本结构,掌握基本应用方法;

c 了解控制轴的初始化程序、X\Y正负方向的进给程序、抬笔、压笔程序、打开和关闭伺服程序;

d 可以编程实现DDA直线插补程序和DDA圆弧插补程序，并添加到已经设计好的模板中.

编写程序用到的库函数见实验二附录。

实验要求：（1）给程序加上详细的注释并附上程序流程图。

（2）记录在实验中遇到的问题、产生问题的原因和解决的办法。

数控课程设计指导书

一、设计思想：

专业课程设计为专业必修课，课时为两周，在微机原理、电机与拖动、电力电子与变流技术、数字控制技术及VC等软件的基础上，实现数控系统的设计与集成。

数控课程设计是自动化专业本科生所接触到的第一个完整的自动控制系统的设计与集成，包括了硬件、软件、接口设计、控制软件的设计、整个系统连调。从整体上来说，希望学生通过课程设计能对数字控制系统形成一个整体的概念，了解设计一个数字控制系统设计的一般步骤，初步掌握如何解决在系统集成过程中遇到的问题。掌握NC嵌入PC式数控系统的硬件组成、结构，各组成部分的结构、作用、工作原理及相互间的联接与通讯。初步掌握如何使用编程工具开发控制软件。

二、设计任务：

根据数控课程设计的要求，了解系统硬件和软件及数字控制系统集成的一般步骤。设计的任务分为硬件和软件两部分。

硬件部分：

1、熟悉和掌握各个组成部分的结构、功能及接口特性；

2、根据结构图和信号流向图完成硬件的连接；

3、使用测试软件测试运动控制器和伺服系统的工作状态。

软件部分：

本课程设计使用VC++软件和运动控制卡的库函数编程，利用运动控制卡的轨迹规划实现。

1、控制软件人机交互界面（选做）：可以选择提供的模板或者自己编写界面

2、指令链表模块：指令链表用来编写和存放用户程序。使用链表主要是因

为可以动态分配内存，也可以使用结构数组来实现。

3、代码管理模块：要求可以实现对代码文件的打开、解释、显示、编辑、

更新和保存。（打开、解释和显示必做，编辑、更新和保存功能选做）。

4、仿真和监视模块：仿真功能是根据代码文件将其描绘的工件显示在计算

机上。监视功能要求在机床加工工件时，可以通过采集反馈监视加工过

程。（仿真和监视功能必做，可以选做监视系统的工作状态，如刀具的当

前坐标、当前轴的伺服状态和限位状态）。

5、运行模块：运行模块根据指令队列控制机床运动，学会调用运动控制器

的底层函数（控制机床按指令加工零件必做，可以选做限位控制）。

6、通用控制工具模块：与数控实验模板中要实现的功能基本类似，可以参

考其实现过程（选做）。

7、编写一个用户程序，检验前述工作并在工作台上画图。

可以根据各自的编程能力完成不同完善程度的控制软件。不太熟悉编程的可以参考已经开发完成的例程，包括其软件结构和源程序代码。熟悉编程的可以自己尝试设计一个完整的数控系统控制软件。要求控制软件完成的基本功能(必做部分)必须能够实现，其他一些增强功能可以根据自己的能力和时间选做。

三、设计步骤：

数控系统设计与集成是一个复杂的工程，在两个星期内要面面俱到地完成一个数控系统的设计到集成再到调试，显然是不可能的，因此本次课程设计希望学生在一定基础之上完成其中最核心最重要的一部分，这样做既满足了课程设计的要求，又最大限度的利用了有限的时间。

整个课程设计分为下面六部分实现：

（一）：系统硬件的熟悉

首先对数字控制系统各个硬件有个大致的了解。主要包括阅读各个硬件的使用说明书，记录各个硬件的使用方法和注意事项，掌握各个硬件的接口特性，在整个系统中所起的作用，最后按照系统的信号流向将各个硬件按顺序摆好，为下一步做准备。

伺服驱动器采用松下Panasonic交流伺服驱动器,型号是MSDA023A1A ,与该驱动器配套的伺服电机型号是MSMA022A1C，电机电压为200V，电机额定输出功率为200W，电机额定转速为3000r/min,配套的编码器为11线2500脉冲/转增量式编码器。

运动控制器采用固高公司生产的GT-400-SV运动控制卡，核心是ADSP2181数字信号处理器。

系统各硬件的连接如图1，图中运动控制卡控制四个电机，在该实验系统中采用两轴工作平台，所以运动控制卡只需要控制两个电机。运动控制卡插在PC 机的扩展槽中，连接板、驱动器被封装在电控箱中，电机和光电编码器安装在X/Y工作平台工作轴的非负载端。

系统信号的流向如图1所示，由PC机作为上位机主要完成译码、将插补指

令下发到下位机（运动控制卡）以及控制各种辅助动作及其连锁等，并显示各种控制信号的状态。PC机与运动控制卡通过PCI总线进行通讯。

连接板主要起到保护和转换电压的作用，将运动控制卡侧的12V电压转换为伺服驱动器侧的24V电压。

运动控制卡将理论位置信号与反馈回来的电机实际位置信号进行处理来达到X/Y工作平台的精确定位，同时给伺服驱动器速度指令。

伺服驱动器将运动控制卡给的速度指令与反馈回来的电机实际速度进行比较后给出进给指令，并经过放大后驱动伺服电机。

光电编码器同电机一起旋转，通过输出脉冲的频率来检测电机的角位移和旋转速度，将电机的位置信号和速度信号分别反馈给运动控制卡和伺服驱动器。

该数控系统属于半闭环控制，光电编码器实际检测的是电机的实际位置和速度，而不是X/Y工作平台的实际位置。系统的控制方框图如图2。

图2 系统的控制方框图

（二）：系统硬件的联接与测试

为了节省时间和保护设备安全，各个硬件之间的连线都做成标准的插头。在课程设计时，学生只要按照前一步做好的准备工作，将各个硬件连接在一起，这样系统的硬件的连接工作就完成了。剩下的工作就是使用测试软件测试系统各个硬件是否都连接正确并且工作正常、整个系统的工作也要符合设计要求。

2.1交流伺服电机驱动器参数初始化

数控系统的两个驱动器封装在电控箱中，打开电控箱，可以看到驱动器上有控制前面板以及控制器连接器和编码器连接器的插槽。

驱动器前面板可以用来修改驱动器的参数。发光二极管LED用来显示驱动器的状态，MODE是模式切换按钮，驱动器有五种模式选项：监视器模式

、参数设定模式、EEPROM写入模式、

自动增益调整模式、辅助模式。要设定参数可以选择参数设定模式，如图3：

具体步骤是：

1.接通驱动器电源

2.按SET按钮

3.按MODE按钮，切换驱动器模式，直到出现图中所示PA_00参数设定模式

4.按“上”、“下”按钮选择想要改变的参数的号码

5.按SET按钮

6.用“左”、“上”、“下”按钮改变数值

7.按SET按钮确定

驱动器内共有89个参数，下面介绍几个常用参数的功能与设定：

参数02：用来选择控制方式，设定参数值为1代表选择速度控制方式。 数参10：用来设置第一位置环增益，单位是1/S,该参数可以定义位置控制的响

应曲线，增益设定的越高，定位时间越快。设定参数值为50。

参数11：用来设置第一速度环增益，和位置环增益一起获得伺服系统的总响应

曲线，设定为100，单位是Hz.

参数12：第一速度环积分时间常数，设定越小，驱动器接受停机指令后，速度

误差更快减到0，该参数设置为50。

参数13：第一速度检出滤波器，低通滤波器（LPF ）的时间常数可设置为0~5共

6级，该低通滤波器把编码器信号变成速度信号。此值设定越高，噪声越小，最好设定为4。

参数20：该参数的功能是设定负载惯量对电机惯量的比率，设定为100。 参数40：指令脉冲倍频设定，当指令脉冲输入方式为两相正交脉冲时，可以设

定倍频值，该参数设定为4倍频。

参数41：指令脉冲逻辑取反，该参数设置为0代表PULSE 信号和SIGN 信号都不

取反。

参数42：选择指令脉冲输入方式，设置为1，为CW/CCW 脉冲指令方式，如图

5

图5

根据不同的控制器选择合适的类型。

PLUS

SIGN

8.按MODE 按钮，选择EEPROM 写入模式 9.按SET 按钮

10．按住上按钮（约3秒钟），显示屏上的短横线会增加，如图4所示。开始写入（瞬时信息会显示出来如图4所示）。

参数44：每转输出脉冲数，可以设定要反馈到控制器的编码器每转一圈所输出的脉冲数，即脉冲的分频设定。直接以单位脉冲/转来设定每圈所

需脉冲数，注意大于编码器脉冲数的设定值是无效的。该参数设置为

2500脉冲/转。

参数45：脉冲输出逻辑取反，当电机顺时针运转时，B相脉冲超前A相脉冲,当电机反时针运转时，B相脉冲滞后A相脉冲。该参数设定为0，意义

如图6：

图6

参数51：可以反转速度指令输入（SPR）的极性。当想改变电机旋转方向而不改变从控制器来的指令信号的极性时，可以用此参数。

设置次参数为0，表示加（+）指令时反时针方向（从轴端看）。

由于驱动器选择了速度控制方式，在与外部定位单元组合使用时，特

别要注意这个参数的极性与从定位单元来的速度信号的极性是否匹

配。如不匹配，会导致电机误动作。

参数52：可以调整包括控制器在内的外部模拟速度指令系统的漂移，参数每设定一个单位，漂移约调整0.3mv。

有两种调整零漂的方法：

①手动调整

只调节驱动器时，设定本参数，使速度指令输入（SPR）为0V时，

电机不转动。

②自动调整

此方式把模拟速度指令的电压设定到0，在伺服OFF过程中测量漂

移，纠正漂移，使微小的运动（旋转）被清除。这个自动零漂移调

整方式由下列步骤启动：

接通电源后，按SET按钮，按MODE按钮，直到出现辅助模式

，按SET按钮，显示，按住上按钮（约3秒），短横线的数目会增加。如图7：