计算机在工业控制中应用

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1、第四章 计算机在工业控 制中应用 主要内容：4.1 简易数控基础4.2 嵌入式技术与应用4.3 示教再现技术4.4 机器人技术 4.1 简易数控基础 4.1.1 简易数控原理在工业上，经常使用一种叫步进电机的动力设备来驱动各种装置，步进电机也叫脉冲电机，它可以通过功率转 换设备、即驱动源或驱动芯片接收计算机发来的脉冲信号 ，使电机旋转一定角度。每一个脉冲信号电机旋转一步， 一步旋转3.6或1.8，利用机械结构很容易将转动变成平动，进而达到机械运动的精确定位。步进电机根据其线卷绕组数量，分为二相、三相或四 相。比如三相步进电机，其线卷绕组分为A，B，C三相，它的控制方式有多种，使用最多的是三相六

2、拍控制方式 ，通电顺序：A-AB-B-BC-C-CA-A，电机正转； 通电顺序：A-AC-C-CB-B-BA-A电机反转。由于步进电机定位精确、调速容易、方向控制方便， 在自动控制系统中使用较多。我们知道，计算机只能进行数字运算，那么它是如何通过步进电机控制机床加工出直线、圆弧、和各种 形状的零件呢？我们以两坐标机床为例来做简单介绍，两坐标机床有两个拖板，由两台步进电机驱动，分别带动拖板上 的被加工零件在X轴和Y轴方向正向或反向运动。机床上还有一个主轴电机，它带动刀具只旋转不运动。被加工 零件在X轴和Y轴方向电机的驱动下，走出各种平面曲线，零件和刀具相交的轨迹就是我们的加工曲线。 在加工时我们

3、把零件分成许多段，每段都是由直线或 圆弧组成。 1圆弧段加工，走圆弧段控制也叫圆弧插补。 图4-1，加工圆弧，圆心在坐标原点，起点A（6，0 ）、终点B（0，6），半径为6。图图4-1 加工圆圆弧示意图图加工时，刀具先移到A点，从A点向-X方向走一步，到（5，0 ）点。这一点在圆弧内部，如果第二步继续向-X走，离圆弧距 离会越来越远。为了接近圆弧，第二步应向+Y方向走，到（5 ，1）点，此点还在圆弧内，第三步继续向+Y方向走，如图 所示，第十二步走到B点，结束加工。 综上述，圆弧插补的工作过程分四步 （1） 位置判别，加工开始，通过位置判别决定工作台走向。 位置判别可通过判别函数F=来计算，X

4、和Y是刀具位置坐标，R 是圆半径。F0，刀具位置坐标在圆上或圆外；F0-XF=5-25+1=-4 X=5-1=4,Y=4G=7-1=67F=-40-XF=5-24+1=-2 X=4-1=3,Y=5G=5-1=49F=-2+YF=-2+25+1=9 X=3,Y=5+1=6G=4-1=310F=90-XF=9-23+1=4 X=3-1=2,Y=6G=3-1=211F=40-XF=4-22+1=1 X=2-1=1,Y=6G=2-1=112F=10-XF=1-21+1=0 X=1-1=0,Y=6G=1-1=02逐点比较法直线插补运算： 跟圆弧加工一样，逐点比较法直线插补加工也分4步。（1）偏差计算，以

5、第一象限直线为例，见图4-2。 设设N是直线线上一点，则则有 ：，即=0，如果F=0，点N在直线线上；令判别函数 F=如果F0，点N在直线上方。（2）进给加工，如果点在直线上方，下一步向+X向发脉 冲；如果点N在直线下方，下一步向+Y向发脉冲（3）加工过过程中，每走一步都要进进行偏差计计算。 因为为每一步都要计计算偏差， 新偏差可以利用上一步计计算的结结果推导导。 在此例中，加工是第一象限直线线，当向+X走一步， Y不变变，误误差函数：=当向+Y方向进给进给 一步，X不变变，误误差函数： = （4）终终点判别别，和圆圆弧加工一样样。 在图图4-2中，设设B点坐标为标为 （6，4），直线线段加工

6、步骤骤 如 表4-2所示。表4-2 直线线段加工步骤骤顺顺序位置判别别进给进给误误差计计算终终点判别别 1F=0+xF=0-4=-4 X=0+1=1,Y=0G=10-1=9 2F=-40+xF=2-4=-2 X=1+1=2,Y=1G=8-1=7 4F=-20+xF=4-4=0 X=2+1=3,Y=2G=6-1=5 6F=0+XF=0-4=-4 X=3+1=4,Y=2G=5-1=4 7F=-40+XF=2-4=-2 X=4+1=5,Y=3G=3-1=2 9F=-20+XF=4-4=0 X=5+1=6,Y=4G=1-1=04.2 嵌入式技术与应用 4.2.1 什么是嵌入式技术 除目前使用的个人PC

7、机以外，在计算机技术领域还 有一个重要分支，那就是在工业上使用非常广泛的单 片机。 单片机就是在一片半导体硅片上集成了中央处理单元 (CPU)、存储器（ARM/ROM）和各种I/O接口的微型 计算机。这样一块集成电路芯片具有一台微型计算机 的功能，因此被称为单片微型计算机，简称单片机。 有些单片机功能比较齐全，我们称之为通用单片机； 有些单片机是专门为某一应用领域研制的，突出某一 功能，例如专门的数控芯片、数字信号处理芯片等， 我们称之为专用单片机。有时我们也把这两种单片机 统称为微处理器。 单片机主要应用在测试和控制领域，由于单片机在使 用时，通常处于测试和控制领域的核心地位并嵌入其 中，因

8、此我们也常把单片机称为嵌入式控制器（ Embedded MicroController Unit ），把嵌入某种微处理器或单片机的测试和控制系统称为嵌入式控制 系统（Embedded Control System）。嵌入式控制系统在航空航天、机械电子、家用电器等 各个领域都有广泛应用，特别是家用电器领域是嵌入 式控制系统最大的应用领域，MP3、MP4、MP5、数 码像机、扫描仪、个人PC、车载电视、DVD、PDA，到处都可以看到嵌入式控制系统的应用。随着超大规模集成电路工艺和集成制造技术的不断完 善，单片机的硬件集成度也在不断提高，已经出现了 能满足各种不同需要、具有各种特殊功能的单片机。 在

9、8位单片机得到广泛应用的基础上，16位单片机和32 位单片机也应运而生，特别是以ARM技术为基础的32 位精减指令系统单片机（RISC Microprocessor）的 出现，由于其性能优良、价格低廉，大有取代16位单片机而成为高挡主流机型的趋势。 嵌入式控制系统由于其内核嵌入的微处理器不同，在 应用上大致分为两个层次，在系统简单、要求不高， 成本低的应用领域，大多采用以MCS-51为代表的8位单片机。随着嵌入式控制系统与Internet的逐步结合，PDA、手机、路由器、调制解调器等复杂的高端应用对嵌入 式控制器提出了更高的要求，在少数高端应用领域以 ARM技术为基础的32位精减指令系统单片机

10、得到越来越多的青睐。嵌入式控制系统在高端应用领域还分 为代嵌入式操作系统支持和不代嵌入式操作系统支持 两种情况。 4.2.2 嵌入式控制系统的研究方法 做为嵌入式控制器的单片机，不管是8位单片机还是 16位单片机或32位单片机，由于受其本身资源限制 ，其应用程序都不能在其本身上开发，我们开发其应 用程序，还需要一台通用计算机，如常用的IBM-PC 机或兼容机，Mindows95/98/2000或XP操作系统， 16M以上内存，20M以上硬盘内存空间即可满足要求 。 我们也称这台通用计算机为“宿主机”，称做为嵌入式 控制器的单片机为“目标机”，应用程序在“宿主机”上 开发，在“目标机”上运行。“

11、目标机”和“宿主机”之间 利用计算机串口通过一台叫“仿真器”的设备相连，程 序可以从“宿主机”传到“目标机”，这也叫程序下载， 也可以从“目标机”传到“宿主机”，叫程序上传。应用程序通过“仿真器”的下载和上传，在“宿主机”上反复 修改，这个过程叫“调试”。调试好的应用程序，在“宿主 机”上编译成“目标机”可以直接执行的机器码文件，通过 一台叫“固化器”的设备下载并固化到“目标机”的程序存储 器中，整个下载过程，叫烧片，也叫程序固化。 程序固化是单片机开发的最后一步，以后“宿主机”和“目 标机”就可以分离，“宿主机”任务完成。“目标机”就可以 独立执行嵌入式控制器的任务。 通过以上叙述可知，在“

12、宿主机”上运行的开发工具软件的 功能非常重要，我们也称这套开发工具软件为交叉编译环 境，交叉编译环境首先应具有类似“Word”的功能，对我 们用C语言或汇编语言编写的程序进行编辑，同时它还具 有调试和编译功能，可以把调试好的应用程序编译成“目 标机”可以直接执行的机器码文件。 4.2.3 什么是嵌入式操作系统随着嵌入式控制系统的发展，应用程序变的越来 越复杂，例如应用程序与Internet的结合、多线程、 复杂的数据处理、高分辨率图形图案显示等，如果没 有操作系统支持，应用程序的编写和运行将变得非常 困难。因此人们在“目标机”上和“嵌入式控制器”一同 嵌入某种功能较强且占用内存较少的操作系统，

13、该操 作系统对用户程序提供内存管理、多线程、复杂的数 据处理等技术支持。我们也把这种操作系统叫嵌入式操作系统，嵌入 式操作系统有多种，如比较著名的Windows CE， Linux，C/OS-等等。特别是Linux操作系统，由 于代码简练、功能强大、内核公开等优点，获得广泛 应用。 采用Linux操作系统来开发嵌入式系统，首先在“宿主 机”上建立Linux开发环境，这有二种作法，一是“宿 主机”放弃原来的Windows操作系统，改装Linux操 作系统；二是在原来的Windows操作系统上安装一 个虚拟机，在该虚拟机中安装Linux操作系统，如 Cygwin 1.5.10（可从http:/下载

14、并安装最新版本）。接着我们要根据应用程序的需要编写一个驱动程 序，把该驱动程序和Linux操作系统一起编译，形成 一个包含此驱动程序的Linux内核可执行文件，将此 文件下载到“目标机”。今后，实现应用程序的功能，只须对内核中相应函数进行调用即可。4.3 示教再现技术 4.3.1 什么是示教再现我们在电视上经常看到这样画面：在汽车装配线，焊接机 器人挥动手臂，快速准确的从一个位置移到另一个位置，完成 复杂的焊接任务；在电视机装配线，机器手从元件盒中取出各 种元件，准确无误的插到印刷电路板上，速度之快、准确度之 高令人称奇。这些机器为什么会有如此神奇的功能呢？因为我们利用计算机的运算速度快，数据

15、处理能力强的特 点，采用了示教再现技术。示教再现技术就是在机器正式工作前，先对机器应该完成 哪些动作，例如移动距离、速度、动作顺序等参数进行示教。 控制计算机对这些参数进行了记录并存储，当正式工作时，机 器就会将这些参数取出，再现示教过程。示教再现技术在工业 上应用非常多，如各种焊接设备、柔性制造系统、自动装配线 、手术监控系统、工业机器人、排爆装置、探险设备，家务机 器人等等。示教再现技术是计算机、自动控制和电子技术等现 代各种新技术综合应用的成功范例 。4.3.2 示教再现技术应用实例在无人加工车间，即FMS (Flexible Manufacturing System)，有一个工件流子系

16、统。在工件流子系统中运行一个数控制导小车，在运控软件的调度下，数控小车将加工件从装卸站运到加 工中心加工。加工结束，小车又将加工好的工件运到 清洗站清洗，清洗结束，小车将工件运到三坐标测量 机进行测量，如测量合格，将工件运到装卸站，退出 系统。在整个运行期间，如某工位忙，小车将工件运 到缓冲站排队。整个工作过程在运控系统的调度下有 条不紊进行。FMS系统如图4-3所示。在小车的运行中，最重要的是小车到各站点的准确定 位，定位精度不够，小车就不能完成取送工件的任务 。小车的工作过程是应用示教再现技术实现的。对小车的示教是通过一个示教盒完成的，示教盒 结构如图4-4所示。示教盒上开关功能如下：SA1是示教功能拨码开 关，拨到1，按+键，小车前进100个脉