数控系统论文篇（1）

2数控机床电气控制系统出现的问题

数控机床在电器控制系统方面的故障一般都是强电故障和弱电故障两种，具体如下所述。

2.1弱电故障弱电指的是数控机床电气控制系统中的电子的元器件以及集成电路为主要的控制的部分。弱电故障中又可以分为硬件发生的故障和软件发生的故障。硬件故障主要是指各种集成电路内部的芯片或者是接插件等出现的事故。软件故障指的是在硬件都属于正常的情况下，内部发生的各种动作性的问题或者是数据出现丢失等问题，一般比较常见的例子有加工程序出现错误或者是计算机的运行出现错误以及系统的程序或者是参数出现错误等。

2.2强电故障强电部分指的是控制系统之中出现的主回路或者是大功率的回路中的继电器或者是电源变压器等一系列的电气的元件以及其中组成的控制电路。强电故障虽然在维修或者是诊断问题的部分较为简单，但是因为其处于一种高压以及大电流的工作状态之下，所以一般强电发生故障的次数要多于弱点故障，因此需要相关的维护和维修人员能够予以重视。

3解决方法

3.1调节法在解决数控机床电气控制系统的众多办法中，调节的方法是其中最为简单的一种。调节法主要是通过对于电位计进行调整，以此来达到修复系统出现的故障的目的。最佳的调整办法是对于伺服驱动系统和被拖动的机械系统来进行系统的调整，并实现最佳的匹配的一种较为综合性的调节的办法。这种调节的办法也较为简单，可以使用一台但是多线的记录仪来或者是双踪示波器来对于观察指令和速度反馈的一种相互响应的关系。一般都是通过对于速度调节器的比例系数以及积分的时间进行调整，促使伺服系统能够达到比较高的动态响应的一种特征，但是又不会出现振荡的一种最恰当的状态。另外，在现场如果没有示波器的情况下，相关的工作人员可以根据自己以往的工作经验，调节来使得电机起振并向反方向慢慢进行调节，一直调节到消除振荡状态为止。

3.2复位法如果数控机床的电气控制系统由于突发性故障而引起系统报警的情况，那么可以是他呀复位法患者是开关系统电源来进行依次地操作来消除故障。但是如果系统内部的工作存储的区域掉电并且插拔电路板以及电池欠压，而造成系统出现混乱的现象，那么就需要对于系统进行初始化操作来进行清除，但是在清除之前需要提前做好数据和信息的拷贝，以免丢失数据。但是如果初始化操作之后故障依旧没有排除，那么就需要进行硬件方面的检查和诊断。

3.3更正法所谓的更正法指的是对于系统中的参数进行修改，程序更正的办法。系统的参数主要是用来确定系统的功能的一种依据，如果系统的参数在设定的时候出现错误那么就很可能造成系统出现故障或者是系统中的某一项的功能失去作用。有的时候可能会因为用户的程序出现错误而导致系统出现故障而停止运作。在这种情况下，系统修复可以使他系统的搜索功能进行检查，来对于用户的程序中出现的错误进行搜索，在搜索完成之后依次改正，这样才能在发现错误之后进行改正，系统才能恢复运行。数控机床电气控制系统的发展在未来的发展道路中将不断走向开放式的发展形式，由于其可靠性和低成本等一系列的优点，将会促使更多的数控系统生产的商家逐步走向甲方是的发展形势。其中，数控机床电气控制系统在速度方面也将走向高速化的发展道路，精度方面也会得到一定的发展。另外，数控机床的电气控制系统还会向智能化方面进行转变。人工智能机在我国的研究和发展已经走向了一定的程度，其在计算机领域的发展也在不断深入，数控系统的智能化程度也将赶上时代的潮流，走向智能化的发展道路。

数控系统论文篇（2）

二、数控技术发展趋势

（一）性能发展方向

（1）高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。（2）柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。（3）工艺复合性和多轴化。以减少工序、辅助时间为主要目的的一种复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。（4）实时智能化。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。

（二）功能发展方向

（1）用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。（2）科学计算可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了应用领域，如无图纸设计、虚拟样机技术等，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。（3）多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。

（三）体系结构的发展

（1）集成化。采用高度集成化CPU、RISC芯片和大规模可编程集成电路FPGA、EPLD、CPLD以及专用集成电路ASIC芯片，可提高数控系统的集成度和软硬件运行速度。应用FPD平板显示技术，可提高显示器性能。平板显示器具有科技含量高、重量轻、体积小、功耗低、便于携带等优点，可实现超大尺寸显示，成为和CRT抗衡的新兴显示技术，是21世纪显示技术的主流。应用先进封装和互连技术，将半导体和表面安装技术融为一体。通过提高集成电路密度、减少互连长度和数量来降低产品价格，改进性能，减小组件尺寸，提高系统的可靠性。（2）模块化。硬件模块化易于实现数控系统的集成化和标准化。根据不同的功能需求，将基本模块，如CPU、存储器、位置伺服、PLC、输入输出接口、通讯等模块，作成标准的系列化产品，通过积木方式进行功能裁剪和模块数量的增减，构成不同档次的数控系统。（3）网络化。机床联网可进行远程控制和无人化操作。通过机床联网，可在任何一台机床上对其它机床进行编程、设定、操作、运行，不同机床的画面可同时显示在每一台机床的屏幕上。（4）通用型开放式闭环控制模式。由于制造过程是一个具有多变量控制和加工工艺综合作用的复杂过程，包含诸如加工尺寸、形状、振动、噪声、温度和热变形等各种变化因素，因此，要实现加工过程的多目标优化，必须采用多变量的闭环控制，在实时加工过程中动态调整加工过程变量。加工过程中采用开放式通用型实时动态全闭环控制模式，易于将计算机实时智能技术、网络技术、多媒体技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，构成严密的制造过程闭环控制体系，从而实现集成化、智能化、网络化。

三、智能化新一代PCNC数控系统

当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化新一代PCNC数控系统已成为可能。智能化新一代PCNC数控系统将计算机智能技术、网络技术、CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。

参考文献：

[1]电动机降压起动器的选择与分析，凌浩，2000.12vol.20P66.

[2]交流异步电动机的软起动与保护探讨，何友全矿山机械，2000.5.

数控系统论文篇（3）

2.INC的概念与关键技术

2.1INC的概念集成化数控(IntegratedNumericalControl，INC)将CIMS中的功能实现(如CADPCAMPCAPPPNCP等)抽象为一系列独立的功能模块，再将这些功能模块集成在一起便可组成一个具体的数控系统。

以水射流机床所使用的INC系统的整体工作流程为例(见图1)，其整个系统是建立在工程数据库的基础上，数据库包括花样库、切削用量库、夹具库、喷嘴库、工艺库、NC代码库等，它们通过IntranetPInternet集成在一起，构成了工程数据库。INC系统可分为6个子部件模块:辅助设计(CAD)、辅助工艺(CAPP)、优化决策、数控加工(CNC)、系统监控和总体规划。

2.2INC与ONC、DNC的区别

开放式数控(OpenNumericalControl，ONC)，与传统的CNC系统相比较，ONC的核心在于其开放性，它必须提供不同应用程序运行于系统平台之上的能力;提供面向功能的动态重组工具;提供统一、标准化的应用程序用户界面。世界各国相继启动了有许多关于开放式数控的研究计划，其中影响较大的有美国OMAC(OpenModularArchitectureController)计划，欧共体的OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomation)和日本的OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)计划等[3]。直接数控(DirectNumericalCon-trol，DNC)和分布式数控(DistributedNumericalControl，DNC)系统的主要目标是更加有效地控制一组数控机床或是整个工厂的生产，它实际上是一种分布式制造。

与ONC、DNC不同，INC是以数控为核心，它的各个模块都是面向数控，它的一切工作都是为数控加工服务。例如，一般的CAM系统注重特征识别、零件几何造型的建立以及零件加工轨迹的定义等，而INC的CAM模块中注重的是对零件加工过程的仿真和生成数控加工代码，其目的是便于检验零件的手工编程或自动编程的数控加工程序是否正确。与分布式制造(DistributedManufacturing)相比较，INC更接近于一种协同制造(CollaborativeManufacturing)。

2.3INC的关键技术

INC有三点关键技术:面向数控的CAD技术;面向数控的CAPP技术和基于CADPCAPP信息集成的CNC技术。

面向数控的CAD技术包括图像预处理、智能识别、图像矢量化和CADPCAPP集成技术等。面向数控的CAPP技术则包括路径优化、步骤优化、CAPPPCAM集成、工艺数据库的建立和管理技术等。

基于CADPCAPP信息集成的CNC技术，主要是与CADPCAPP集成系统的接口和交互的技术(基于STEP标准扩展的接口和交互技术)、嵌入式设备研制技术和实时技术等。

本文将对基于CADPCAPP信息集成的接口和交互的技术进行讨论与研究。

C与CADPCAPP的接口和交互技术

目前在工业化应用中的NC所采用的编程方式还是基于ISO6983(GPM代码)标准，随着计算机辅助系统CAX技术、系统集成技术等的飞速发展和广泛应用，该标准已越来越不能满足现代NC系统的要求，成为制约数控技术乃至自动化制造发展过程中的瓶颈问题。

1997年欧共体提出了OPTIMAL计划，将STEP技术延伸到自动化制造的底层设备，开发了一种遵从STEP标准、面向对象的数据模型(称为STEP2NC)，将产品模型数据转换标准扩展到CNC领域，重新制定了CADPCAPP与CNC之间的接口，为实现CADPCAPPPCNC之间的无缝连接，进而实现真正意义上的完全开放式数控系统奠定了基础[4]。

传统数控系统与CADPCAPP之间的数据交换是单向传输，现场对NC程序的任何修改都无法直接反馈到CADPCAPP系统，生成NC程序时记录最初加工需求的信息已经丢失。而使用STEP2NC可减少加工信息容易丢失的问题，实现双向数据流动，能够保存所做的修改，使零件程序和优化的加工描述及时地反馈到设计部门(CAD)，以便设计部门及时进行数据更新，获得完整、连贯的加工过程数据文件。

图2所示是基于STEP2NC标准的数据模型，其中包含了加工工件的所有任务，其基本原理是基于制造特征(如孔、型腔、螺纹、倒角等)进行编程，而不是直接对刀具与工件之间的相对运动进行编程。这样，CNC系统可以直接从CAD系统读取STEP数据文件，消除了由于数据类型转换而可能导致的精度降低问题。

图3所示为一种采用了STEP2NC标准的数控系统结构模型，该结构模型包含了当前STEP2NC与数控系统结合的3种模式，模式1是一种过渡形式，上层符合STEP标准的CADPCAPP系统与STEP2NC接口实现双向数据流动，下层通过增加符合STEP2NC标准代码转换接口，将STEP2NC数据代码转换为GPM等代码，进而实现对现行数控系统的控制。模式2是一种比较简单、初级的模式，与模式1的区别在于下层采用了新型STEP2NC控制器，直接读取STEP数据格式加工文件。模式3是模式2的发展与完善，它使系统的集成度更高、设计层与车间层之间的功能重新划分，实现CAPP系统宏观规划与CAD系统集成、微观功能与车间层集成。鉴于ISO6983标准在数控领域内的广泛应用，在短期内用ISO14649标准将其完全取代不太现实，因此在STEP2NC控制器广泛使用之前，模式1将长期保留在系统之中[5]。

基于STEP2NC标准的CADPCAPPPCNC之间将会实现无缝连接，CADPCAPP与CNC的双向数据流动，使得设计部门能够清楚地了解到加工实况，并且可根据现场编程返回的信息对生产规划进行及时快速的调整，生产效率将得到极大的提高。另外，CAD、CAPP、CNC之间的功能将会重新划分:CAPP系统的宏观规划与CAD系统集成，微观功能与CNC集成。

4.应用实例

AWJ水射流机床(国家专利产品)是通过高压管道形成高压水射流或磨料射流，来实现对工件的切割以及抛光等操作。初始条件为工件的数码图像，经过INC的CADPCAPP集成系统处理后直接将数据传输到CNC子模块，由CNC子模块生成加工仿真。INC系统是基于Windows平台，应用于水射流切割机的集成化数控加工。

数控系统论文篇（4）

摘 要

【摘要】本文介绍了经济型数控铣床的功能特性及技术指标，阐述了经济型数控铣床改造的工艺要点， 并对X62W铣宋改造进行了简要的电气系统设计， 提出了经济型数控系统是目前我国机械工业发展的方向。数控铣床是一种自动化铣床，数控技术是数控铣床研究的核心，是制造业

实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控铣床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使铣床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。

关键词：数控技术；X62W万能铣床；SINUMERIC802D数控系统

目 录

摘 要………………………………………………………….( )

第一章 绪 论

1.1 数控机床的概述………………………………………………………( ) 第二章 铣床情况分析及总体方案的选择 2.2 存在的问题……………………………………………………………( )

2.3 电气控制元件的选用…………………………………………………( )

2.4 铣床的主要改造部位说明……………………………………..( )

第三章 步进电动机及其控制系统

3.1 概述……………………………………………………………………( )

3.2 步进电动机的种类及特性……………………………………………( )

3.3 步进电动机的选用……………………………………………………( )

3.4 步进电动机的控制系统……………………………………….( )

第四章 铣床的电气控制设计

4.1 数控装置的选择……………………………………………( )

4.2 伺服系统的选择……………………………………………( )

4.3电气系统设计……………………………………………….( )

第五章 改进意见及总结

5.1改进意见……………………………………………………( )

5.2本文总结……………………………………………………( )

第六章

第一章 绪 论

1.1 数控机床的概述

数控机床和数控技术是微电子技术同传统机械技术相结合的产物，是一种技术密集型的产品和技术。它是根据机械加工工艺的要求，使电子计算机对整个加工过程进行信息处理与控制，实现生产过程自动化。较好地解决了复杂、精密、多品种、中小批量机械零件加工问题，是一种通用、灵活、高效能的自动化机床。同时，数控技术又是柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统（CIMS）的技术基础之一，是机电一体化高新科技的重要组成部分。

1.1.1数控系统发展简史及趋势

1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。 1．数控（NC）阶段（1952～1970年） 2．计算机数控（CNC）阶段（1970年～现在）

到1970年，通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控（CNC）阶段（把计算机前面应有的"通用"两个字省略了）。到1971年，美国INTEL公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之为微处理器（MICROPROCESSOR），又可称为中央处理单元（简称CPU）。

到1974年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强，控制一台机床能力有富裕（故当时曾用于控制多台机床，称之为群控），不如采用微处理器经济合理。而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，故仍称为计算机数控。

到了1990年，PC机（个人计算机，国内习惯称微机）的性能已发展到很高的阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于PC的阶段。

总之，计算机数控阶段也经历了三代。即1970年的第四代--小型计算机；1974年的第五代--微处理器和1990年的第六代--基于PC（国外称为PC-BASED）。

还要指出的是，虽然国外早已改称为计算机数控（即CNC）了，而我国仍习惯称数控（NC）。所以我们日常讲的"数控"，实质上已是指"计算机数控"了。 1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

2向高速化和高精度化发展

这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。

3向智能化方向发展

随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。

（1）应用自适应控制技术

数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工

将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置

可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。

1.1.3机床数控化改造的必要性

1．微观看改造的必要性

从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出

的优越性，而且这些优越性均来自数控系统所包含的计算机的威力。

1.1可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。

由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动化，故被称为实现了"柔性自动化"。

1.3加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要"修配"。

1.4可实现多工序的集中，减少零件 在机床间的频繁搬运。

1.5拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。

1.6由以上五条派生的好处。：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。

以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。

2．宏观看改造的必要性 1.2 课题的目的、设计要求 1掌握数控机床的电气控制功能

2掌握数控机床电气控制原理。

3掌握机床电气设计方法

毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了很大的作用。 它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，机床电气控制框图设计、电气元件的选择及电气控制原理图设计，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。 一台普通铣床，利用数控装置进行数控化改造。要求机床采用经济型开环数控装置;

1机床电气控制框图设计。

2选择电气控制元器件。

3电气控制原理图设计

4安装调试说明。

第二章 铣床情况分析 X62W万能铣床是一种通用的多用途机床，它可以进行平面、斜面、螺旋面及成型表面的加工，是一种较为精密的加工设备，它采用继电接触器电路实现电气控制。PLC专为工业环境应用而设计，其显著的特点之一就是可靠性高，抗干扰能力强。将X62W万能铣床电气控制线路改造为可编程控制器控制，可以提高整个电气控制系统的工作性能，减少维护、维修的工作量。

一、X62W万能铣床的主要结构及运动形式

X62W型万能铣床的外形结构如图1所示，它主要由床身、主轴、刀杆、悬梁、工作台、回转盘、横溜板、升降台、底座等几部分组成。在床身的前面有垂直导轨，升降台可沿着它上下移动。在升降台上面的水平导轨上，装有可在平行主轴轴线方向移动（前后移动）的溜板。溜板上部有可转动的回转盘，工作台就在溜板上部回转盘上的导轨上作垂直于主轴轴线方向移动（左右移动）。工作台上有T形槽用来固定工件。这样，安装在工作台上的工件就可以在三个坐标上的六个方向调整位置或进给。

铣床主轴带动铣刀的旋转运动是主运动；铣床工作台的前后（横向）、左右（纵向）和上下（垂直）6个方向的运动是进给运动；铣床其他的运动，如工作台的旋转运动则属于辅助运动。 电气控制线路的工作原理如下：

1.工作分析 控制电路的电源由控制变压器TC输出110V电压供电。

⑴主轴电动机M1的控制 1）主轴电动机M1启动前，应首先选择好主轴的转速，然后合上电源开关QS1，再把主轴换向开关SA3扳到所需要的转向。按下启动按钮SB1（或SB2），接触器KM1线圈得电，KM1主触头和自锁触头闭合，主轴电动机M1启动运转，KM1常开辅助触头（9-10）闭合，为工作台进给电路提供了电源。按下停止按钮SB5（或SB6），SB5-1（或SB6-1）常闭触头分断，接触器KM1线圈失电，KM1触头复位，电动机M1断电惯性运转，SB5-2（或SB6-2）常开触头闭合，接通电磁离合器YC1，主轴电动机M1制动停转。 3)主轴变速时，利用变速手柄与冲动位置开关SQ1，通过M1点动，使齿轮系统产生一次抖动，以便于齿轮顺利啮合，且变速前应先停车。

⑵进给电动机M2的控制

工作台的进给运动 在主轴启动后方可进行。工作台的进给可在3个坐标的6个方向运动，进给运动是通过两个操作手柄和机械联动机构控制相应的位置开关使进给电动机M2正转或反转来实现的，并且6个方向的运动是联锁的，不能同时接通。 2）工作台的左右进给运动由左右进给操作手柄控制。操作手柄与位置开关SQ5和SQ6联动，有左、中、右三个位置，其控制关系见表1。当手柄扳向中间位置时，位置开关SQ5和SQ6均未被压合，进给控制电路处于断开状态；当手柄扳向左或右位置时，手柄压下位置开关SQ5或SQ6，使常闭触头SQ5-2或SQ6-2分断，常开触头SQ5-1或SQ6-1闭合，接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2正转或反转。由于在SQ5或SQ6被压合的同时，通过机械机构已将电动机M2的传动链与工作台下面的左右进给丝杠相搭合，所以电动机M2的正转或反转就拖动工作台向左或向右运动。

表1 工作台左右进给手柄位置及其控制关系

手柄位置 位置开关动作 接触器动作 电动机M2转向 传动链搭合丝杠 工作台运动方向

左 SQ5 KM3 正转 左右进给丝杠 向左

中 — — 停止 — 停止

右 SQ6 KM4 反转 左右进给丝杠 向右 当两个操作手柄被置定于某一进给方向后，只能压下四个位置开关SQ3、SQ4、SQ5、SQ6中的一个开关，接通电动机M2正转或反转电路，同时通过机械机构将电动机的传动链与三根丝杠（左右丝杠、上下丝杠、前后丝杠）中的一根（只能是一根）丝杠相搭合，拖动工作台沿选定的进给方向运动，而不会沿其他方向运动。

表2 工作台上、下、中、前、后进给手柄位置及其控制关系

手柄位置 位置开关动作 接触器动作 电动机M2转向 传动链搭合丝杠 工作台运动方向

上

下

中

前

后 SQ4

SQ3

—

SQ3

SQ4 KM4

KM3

—

KM3

KM4 反转

正转

停止

正转

反转 上下进给丝杠

上下进给丝杠

—

前后进给丝杠

前后进给丝杠 向上

向下

停止

向前

向后

左右进给手柄与上下前后手柄实行了联锁控制，如当把左右进给手柄扳向左时，若又将另一个进给手柄扳到向下进给方向，则位置开关SQ5和SQ3均被压下，触头SQ5-2和SQ3-2均分断，断开了接触器KM3和KM4的通路，电动机M2只能停转，保证了操作安全。

3）6个进给方向的快速移动是通过两个进给操作手柄和快速移动按钮配合实现的。安装好工件后，扳动进给操作手柄选定进给方向，按下快速移动按钮SB3或SB4（两地控制），接触器KM2得电，KM2常闭触头分断，电磁离合器YC2失电，将齿轮传动链与进给丝杠分离；KM2两对常开触头闭合，一对使电磁离合器YC3得电，将电动机M2与进给丝杠直接搭合；另一对使接触器KM3或KM4得电动作，电动机M2得电正转或反转，带动工作台沿选定的方向快速移动。由于工作台的快速移动采用的是点动控制，故松开SB3或SB4，快速移动停止。

4）进给变速时与主轴变速时相同，利用变速盘与冲动位置开关SQ2使M1产生瞬时点动，齿轮系统顺利啮合。

2.2．存在的问题

X62W型卧式万能铣床的电气控制系统,存在线路复杂、故障率高、维护工作量大、可靠性差、灵活性差等缺点,

这种老式铣床加工效率低、加工精度差已经快被市面淘汰了现在都已经 是自动化时代了这样的铣床影响切割工件的质量，制约着生产。

2.3电气控制元件的选用

利用微机对X62W型卧式铣床的纵、横向进给进行开环控制，纵向脉冲当量为0.01mm/脉冲，横向脉冲当量为0.005mm/脉冲，驱动元件采步进电动机。改造后的机床能完成一般铣削平面、沟槽、轮齿、螺纹和花键轴等加工工艺，并能控制主轴开停变速、刀架转位及一些辅助功能，使加工实现自动化。在设计的过程中要求掌握数控机床的开环步进系统选用原则，数控改造的方法等。数控系统为经济型数控系统。

图2-1为经济型数控系统的结构

图 2-1 经济型数控系统结构

按数控系统的功能水平,可以把数控系统分为高、中、低三档，低档数控系统即可认为是经济型数控系统。

经济型数控系统一般分辩力和进给速度较低、联动轴数少、人机接口较简单。

一、开环数控系统的总体结构

CNC数控系统由以下几个部分构成：

微机，通常包括中央微处理器、存储器、I/O接口等。

进给伺服系统，在开环数控系统中为步进电机伺服系统。

开关量控制及主轴控制，这部分涉及到M、T、S代码的执行。

人机接口和通信接口。

控制软件。

二、数控系统的功能 三、元件的选用

如果机床使用变频器作为主轴驱动单元，在设计电柜时应考虑采取必要的抗干扰的措施。变频器是很强的干扰源（主要是电源干扰和无线干扰）。如果可能，变频器可安装在独立的电柜内。当变频器和CNC必须安装在同一电柜内时，应按下列要求进行电柜布局：

变频器的电源进线和动力出线在电柜内的长度应尽可能短；

变频器的电源线和动力线应单独布线；

CNC的模拟量控制信号应屏蔽，屏蔽应在变频器端接地；

2.4 铣床的主要改造部位说明 强度计算 又F负=Fs+µ(W+F1)，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L为一个脉冲当量0.001cm，这时电动机转过的角度f=2pqb/360°，代入式(4)得 M=F负L/hf=360°dp[Fs+µ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm式中：µ——机床导轨摩擦系数，取µ=0.18 F1——与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力，F1=F垂=1.165kN 如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系数为0.3，Mq=556N·cm。对于工作方式为四相八拍的步进电动机，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。 步进电动机的最高频率 取横向进给速度最大为Vmax=1m/min，则步进电动机的最高频率为fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根据以上数据和经验，选用110BFG型步进电动机较合适，该电动机步距角为0.75°/1.5°，最大静转距为800N·cm，最高空载启动频率为1800Hz。齿轮设计(横向) 据步距角qb、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量dp，则在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮的传动比为：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，选Z1=48，Z2=60，根据经验，齿轮模数取1.5mm。3 数控系统硬件设计 所用数控系统是SINUMERIC802D数控系统是西门子公司推出的一款经济型数控系，主要由主控制系统和显示系统两部分组成。主控制系统用于控制键盘的输入和输出，工作台在X、Y方向上的超程，侧门关闭，查询，X和Y向步进电动机的相位及主轴正反转等。显示系统用于控制H716501液晶显示器。这两部分都采用了新型的单片机 GMS90C32作中央处理器，它可以与MCS-51系列单片机兼容，具有快速脉冲编程算法，采用了CMOS技术，最高工作频率可达40MHz(本设计采用18MHz)，有良好的性能价格比。

第三章 步进电动机及其控制系统

3.1、概述

开环位置伺服系统亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。 此系统与闭环系统相比，他没位置反馈回路和速度反馈回路，因而不需使用位置、速度测量装置以及复杂的控制调节回路，不仅降低了成本，而且与机床配接容易、控制使用方便。图为采用功率步进电动机的开环系统示意图

& nbsp; 开环步进伺服系统结构示意图

3.2、步进电动机的种类及特性

1 、步进电动机的种类

步进电动机是一种用电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成反比，通过改变脉冲频率就可以调节电动机的转速。如果停机后某些相的饶组仍保持通电状态，则还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上说其步距误差不会积累。

步进电动机的最大缺点在与其容易失步。特别是在大负载和速度叫高的情况下，失步就更容易发生。

但是，最近几年来发展起来的恒流斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动及其它们的综合运用，使得步进见动机的高频出力得到很大的提到，低频震荡得到显著改善，特别是在随着智能微步驱动技术的发展，必将步进电动机的性能提高到一个新的水平。它将以极佳的性能价格比，获得更为广泛的应用，字许多领域将取代直流伺服电动机及相应的伺服系统。

目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱动。一般采用开环的控制结构。也有的采用的是步进电动机驱动的数控机床同时采用了位置检测元件，构成了反馈补偿型的驱动控制结构。

步进电动机按其输出扭距的大小，可分为快速步进电动机和功率步进电动机；按其励磁相数可分为三相、四相、五相、六相；按其工作原理可分为磁电式和反应式两大类。

2、步进电动机的主要特性

1）步距角 a 每输入一电脉冲信号，步进电动机的转子所转过的角度成为步距角。步进电动机步距角可按下式来 计算

a = 360/mkz

式中 m -----步进电动机的相数

z------步进电动机转子的齿数 2)静态步距角误差Δa 空载时，以单脉冲输入，步进电动机实际步距角与理论步距角之差称为静态步距角误差。它随步进电动机的制造精度而变化。

3）最大静转距Tmax 当步进电动机不改变通电状态转子不动时，在轴上加一负载转距，定子与转子就有一个角位移，使转子刚刚离开平衡位置的极限转距称为最大静转距，用T max表示。静转距越大，电动机所能承受的外加转距也越大，一般产品技术规格中给出的最大静转距是指在额定电流及规定的通电方式下的静转距。

设有三相步进电动机，其一转距特性如下图。则A相和B相的矩─-角特性交点的纵坐标Tq称为起动转矩。它表示步进电动机单相励磁时所能带动的极限负载转矩。

当电动机所带负载Tl<Tq时，A相通电，工作点在m点。在次点Ta =Tl, 励磁电流从A相切换到B相，而转子在m点位置时，B相励磁绕组产生的电磁转矩是TB>TA,转子旋转。前进到n 点时，TB =TL，转子到达新的平衡位置。显然，负载转矩TL不可大于A 、B两相交点的转矩Tq,否则转子无法转动，产生“失步”现象。不同相数的步进电动机的起动转矩不同，通过计算可得下表的结果

A B C

步进电动机的最大负载能力

4．3 工作原理

由于步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上，而必须使用专用设备-步进电机控制驱动器，控制器可以发出脉冲频率从几赫兹到几十千赫兹可以连续变化的脉冲信号，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大加到步进电机驱动电源的各项输人端，以驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大.以达到驱动步进电机目的。

3.3 步进电动机的选用

合理的选用步进电动机是相当重要的，通常是希望步进电动机的输出 转距大，起动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距与快速运行存在一定的矛盾，高兴能与低成本存在矛盾，因此在实际 选用时，必须全面考虑。

首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度就越低。故应兼顾精度与速度的要求来选择系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以以次为依据来选择步进电动机的步距和传动机构的传动比。

步进电动机的步距角从理论上讲是固定的，但实际上是有误差的。另外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。我们应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的误差。 3.4步进电动机的控制系统

步进电动机由于采用脉冲方式工作，并且各项需按一定的规律分配脉冲，因此，在步进电动机控制系统中，需要脉冲分配逻辑和脉冲产生逻辑。而脉冲的多少需要根据控制对象的运行轨迹计算得到，因此还需要插补运算器。数控机床所用的功率步进电动机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率，所以还要求有功率驱动部分。为了保证步进电动机不失步地起停，要求控制系统具有升降控制环节。除了上述各环节之外，还有和键盘、纸带阅读机、显示器等输入、输出设备的接口电路及其他附属环节。在闭环控制系统中，还有检测元件的接口电路。在早期的数控系统中，上述各环节都是由硬件系统完成的。但目前的机床数控系统，由于都采用了小型和微型计算机控制，上述很多的控制环节，如升降速控制、脉冲的分配、脉冲的产生、插补运算等都可以有计算机完成，使步进电动机控制系统的硬件电路大为简化。图3-1为计算机控制步进电动机的控制系统框图

系统中的键盘用于向计算机输入和编辑控制代码程序，输入的代码由计算机解释。显示器用于显示控制对象的运动坐标值、故障报警、工作状态及编程代码等各种信息。存储器用来存放监控程序、解释程序、插补运算程序、故障诊断程序，脉冲分配程序、键盘扫描程序、显示驱动程序及用户控制代码程序等。功率放大器用以对计算机送来的脉冲进行功率放大，以驱动步进电动机带动负载运行。

计算机控制系统中，除了上述环节以外，还有各种控制按键及其接口电路（如急停控制、手动输入控制、行程开关接口等）和继电器、电磁阀控制接口等。在复杂的CNC系统中，还可能有纸带阅读机接口、纸带穿孔机接口、位置检测元件输入接口、位置编码器及接口等。 选用高速16位（intei8086/8088z8000及MCS-8098系列单片机）和32位微处理器。

适当配置一些如脉冲分配器和细插补运算器等硬件电路，以减轻MPU的负担。

采用多处理器结构。各种任务可分别由不同的微处理器来完成。

图表3-1步进电动机的CNC系统框图

第四章 铣床的电气控制设计

电气改造设计前，要进行充分的技术准备，因为新系统有许多新功能、新要求、新技术，因此设计前应熟悉技术数据，包括数控系统、伺服系统等操作手册、安装调试手册、编程手册等。要对上述数据进行消化、整理、核对，做到思路清晰，层次分明。选择较为先进的专用火焰切割数控装置，稳定可靠的伺服系统，开发编写PLC软件控制程序等。

4.1数控装置的选择

1 数控系统的选择 其中具有免维护性能的面板控制单元（PCU）是整个系统的核心，具有CNC，PLC，人机界面、通讯等功能。802D最多可控制4个数字进给轴和一个主轴，其中主轴既有数字接口，也可通过模拟接口控制。

控制器： CNC功能： 1.控制车床、钻铣床 2.可控制4个进给轴和一个数字或模拟主轴 3.三轴联动，具有直线插补、平面圆弧插补、螺旋线插补、空间圆弧（CIP）插补等控制方式 4.螺纹加工、变距螺纹加工 5.旋转轴控制 6.端面和柱面坐标转换（C轴功能） 7.前馈控制、加速度突变限制 8.程序预读可达35段 9.刀具寿命监控 10.主轴准停，刚性攻丝、恒线速切削 11.FRAME功能（坐标的平移、旋转、镜象、缩放） 操作与显示： 1.带有8个水平软键和8个垂直软键的直观操作 2.对刀及刀具测量，工件坐标系测量，基本坐标偏移 3.MDA方式端面加工 4.程序段搜索运行 5.坐标轴锁定、快速空运行 6.后台编程 7.加工外部程序（通过串行接口） 8.示波器、袖珍计算器、和工件计数器 9.两种语言在线切换 10.16种语言可选择安装 11.在线公英制切换 12.机床坐标系、工件坐标系、和相对坐标系显示 13.加工轨迹实时显示（可辨认快速和加工轨迹） 14.在线帮助 15.有效G功能和M功能显示 16.坐标位置、余程以及各轴速度显示 PLC： 1.采用标准的S7-200编程语言 Micro/WIN 2.梯图编程 3.梯图在线显示

4.PLC远程诊断 5.完全汉化的PLC编程工具随机提供 6.随机提供PLC子程序和用于车床铣床的PLC应用程序实例 7.PLC的处理速度是6000步/24毫秒 8.40个定时器，32个计数器 9.数字输入输出为144 / 96

4.2伺服系统的选择

伺服驱动系统是西门子802D数控系统和铣床之间的中间环节。如果说CNC装置是数控系统的“大脑”，是“命令”的“指挥所”，那么进给伺服系统则是数控系统的“四肢”，是一种“执行机构”。它忠实地执行由CNC装置发来的运动命令，精确控制执行部件的运动方向，进给速度与位移量。

铣床机通过数控系统发出的控制信息，经过伺服驱动系统的放大，驱动伺服电动机，控制割炬运动并完成切割任务。

1. SIEMENS伺服电动机 4.3．电气系统设计

1. IY0接口电路的设计

IYO口的X2003、>[2004、X2005接口电路 MD1451216]＆[7]=0000。

2.主控电路的设计

主控电路完成主轴电动机正、反转，制动；冷动泵、润滑泵和液压泵的电动机启停控制。润滑的问隔时问可由MD14510 E3]&[4]设定。图3中，

第五章 改进意见及总结

5．1、改进意见

在本次的毕业设计中，通过对普通铣床的数控化改造,我认为普通铣床的数控 化改造应遵循以下步骤：

1．改造方案的确定

改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括：

1.1机械修理与电气改造相结合，

一般来说，需进行电气改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因电气改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定电气改造与机械修理、改造之间的交错时间要求。机械性能的完好是电气改造成功的基础。 确定改造步骤时，应把整个电气部分改造先分成若干个子系统进行，如数控系统、测量系统、主轴、进给系统、面板控制与强电部分等，待各系统基本成型后再互联完成全系统工作。这样可使改造工作减少遗漏 p;最后，我还要深深地感谢默默支持本人完成学业的父母及亲友，感谢他们为我所做出的无私奉献和巨大支持！

谨向所有在本文的完成中给予过我关怀和帮助而在此无法一一提及的老师、同学和朋友致以诚挚的谢意！

第六章 （1）机床数控技术基础 机械工业出版社 主编 王侃夫

（2）数控技术 机械工业出版社 主编 彭晓楠

（3）数控机床及其应用 机械工业出版社 主编 李善术

（4）现代数控机床伺服系统及检测技术 国防工业出版社 主编 白恩远

数控系统论文篇（5）

2阵列双模式喷印平台的控制模块

2.1主要控制单元

作为一种典型的控制不同组合对象的多参数数控喷印平台系统，既有平移、旋转运动控制和图像识别辅助控制，又有喷墨头的温度、流量等过程控制。为保证高速阵列多喷印头的数据协调、时控合理，核心控制模块采用WDM类设备驱动程序架构和MINIPort层间驱动协议，驱动程序用VC编写和调试，使其达到4路USB准同步数据传输，时间关键帧技术保证操作系统达ms级响应。发挥硬件和软件的开放性，实现数控系统和伺服控制系统间的通讯、加工代码的自动生成、最佳模切顺序和最短空程路径。模块化设计后则重点关注控制器、数据处理、I/O系统、驱动接口等子模块，以上位机数控系统来扩展网络控制系统，使用计算机数控系统与FPGA控制器完成接口驱动，控制模块见图2。喷印控制电路系统重点包括基于FPGA的主控部分、基于DSP的定位圆图像采集及参数提取部分。采用现有控制技术的理论方法和技术条件，以FPGA嵌入式为主控制系统，FPGA有丰富的逻辑硬件资源，CycloneIIFPGA芯片有DSP系统、硬件协处理器、接口系统、通信系统、存储电路以及普通逻辑电路等功能子系统，能解决传统宽幅喷印机对大量图像数据在上下位机之间和系统内部传输速度的瓶颈。利用DSP实现复杂的电气控制算法，提高对字车电机和走纸电机运动的精度控制，从而提高宽幅喷印机的喷印精度。系统还开发了FPGA的时钟同步系统，在上位机获取时间戳并通过FPGA硬件电路矫正晶振频率的动态补偿，实现数控系统的精确时钟同步。FPGA主控部分主要包括USB接口模块、喷印数据处理模块、喷头驱动模块、温度控制模块、驱动电压调整模块、喷印图像存储及纠偏模块与DSP接口模块等7部分。

2.2模组控制单元的数据处理

FPGA接收数据并处理数据，发送数据到喷嘴、电机、相机等数字终端，数据缓冲区则使用多片DDR2，以加快数据传输速度。对输入数据进行分组，基于FPGA内核改变时钟域意味着整个喷墨头的处理在1个时钟周期内实现多目标的同步时钟系统。通过使用VHDL编写的时序程序发送控制字到FPGA的UART接收模块，根据控制字的不同，调整相应的数据，电机模块根据控制字产生相应的脉冲和控制信号，控制喷头电机的启停、方向和速度等数值，利用FPGA实现复杂的逻辑时序的控制信号。事件驱动控制的机电驱动系统也在FPGA实现，由有限状态机（FSM）定义所有可能的实现方向数据。其中，USB接口模块在每批次喷印开始前用于接收计算机发送下来的原始喷印图像，并将存储在外部缓存当中的定位原图像上传至计算机，用于在人机界面上检查初始标定参数是否正确。当喷印过程开始后，USB接口模块用于与计算机交互喷印过程中的实时参数，喷印数据处理模块用于将待喷印图像的像素数据进行拆解，并重新封装成适合喷头喷印的数据格式。喷头驱动模块用于计算时设置的有关喷印参数信息转化为适合喷头喷印的时序，以此时序来精确控制喷头的喷印。温度控制模块用于实时调整并显示喷头的温度，驱动电压调整模块用于实时调整喷头驱动电压的幅值及幅宽，存储喷印图像及工艺MARK参数信息处理，可以保证喷印位置的准确性。利用CycloneIIFPGA的并行执行特点，对2—4排喷嘴的数据进行处理及分配，实现实时喷射控制、装置控制逻辑与状态管理。多排喷嘴的数据收发1次，先将此行像素拆分成奇数像素数据和偶数像素数据，再将这2部分像素以相反的顺序发送至喷头，就能喷印1行完整的像素点矩阵。此时，将首先在存储中开辟一个动态的全局缓存，存放所要喷印的一排像素数据，再为若干个喷头分别开辟单独的缓存区和独立的进程，这些独立的进程将通过一定的交换机制，与其他相关进程进行数据交换，所有与喷头相关的进程完全并行，因此整个过程除了USB数据的接收外，其他部分所消耗的时间只相当于处理一个喷头数据所消耗的时间，从而提高数据处理的速度。

数控系统论文篇（6）

问题的提出

在磁共振成像(MRI)系统中，梯度磁场被用来编码空间位置。它是由梯度波形发生器根据成像序列要求输出梯度波形，激励梯度放大器输出梯度电流，驱动梯度线圈形成的。理想的梯度波形发生器输出、梯度放大器输出和梯度磁场波形见图1(a)(b)(c)。但在实际系统中由于铁磁性物质的存在，梯度电流跳变形成的梯度磁场的变化会在其中产生感应电流，即涡流。涡流衍生出的磁场方向总是与梯度磁场建立的方向相反，因此会延缓梯度磁场的建立，见图1(d)。这种延缓会对MRI系统成像的性能产生较大的影响。

克服涡流的影响、改善梯度磁场的建立波形有许多种方法。其中之一是梯度预加重(pre-emphasis)。梯度预加重是在梯度波形发生器的输出波形上(图1(e))或梯度放大器的输出电流上(图1(f))预先加上一个过冲，该过冲抵消涡流场的影响，加速了梯度磁场的建立，见图1(g)。为了适应不同涡流场的情况，该过冲的幅度和时间常数都是可调的。

梯度放大器中X、Y、Z三路梯度一般都加有模拟式梯度预加重(有时称为涡流补偿)电路。这种电路由一个可调增益的运算放大器+可调RC时间常数电路构成，见图2(三路相同，仅画出X路)。为了组合出任意的过冲波形，通常有多级这样的电路并联，每级具有不同的时间常数(图2电路具有4级)。增益和时间常数的调整采用手调多圈电位器。这种电路结构简单、无须做任何计算、成本较低。但它也有固有的缺点。由于全部采用模拟器件，不适合用任何数字器件来控制，多级增益和时间常数需人工用改锥作多维调整，工作量极大而一致性、可重复性很差，也不能由计算机闭环控制实现自动调整。

本文利用数控电位器(DCP)独特的性能，改进了上述模拟式梯度预加重电路，达到了数字控制梯度预加重的目的。

数控电位器

数控电位器是一种数模混合器件，示意图见图3。它内部有一个串联的电阻阵列(电阻的数量决定了DCP的分辨率，通常有32，64，100，256，1024等)。每两个电阻之间的连接点通过一个电子开关连接到中心抽头端。电子开关则由用户通过总线接口控制通断，通断的位置决定了中心抽头端在电阻阵列中的位置，因而可以决定中心抽头端距电阻阵列两端的电阻值。改变通断的位置就可以改变这个电阻值。因此从电阻阵列两端和中心抽头来看，DCP表现得就好象是一个普通的三端可调电位器一样，差别只在于普通的电位器是通过旋纽或工具手动连续可调的，而DCP是通过总线输入指令步进调节的。

DCP有不同的组态和形式。以本文使用的Xicor公司的X9250DCP为例，它在一个器件内封装了4个相同的DCP，每个DCP有256个抽头位置及4个非易失的数据寄存器，可以在DCP掉电后记住4个抽头位置，并在上电时自动将0#数据寄存器记载的抽头位置加载至抽头位置寄存器；它的控制接口为标准的SPI串行接口，控制指令由验证字节、指令字节和数据字节构成，见图4。阻值有100KΩ，50KΩ，数字端电源2.7~5.5V，模拟端电源为±2.7~5.5V。封装形式有SOIC和XBGA两种。

图1(a)理想梯度波形发生器输出(b)理想梯度放大器输出(c)理想梯度磁场波形(d)实际梯度磁场波形(e)有预加重的梯度波形发生器输出(f)有预加重的梯度放大器输出(g)有预加重的梯度磁场波形

数字控制梯度预加重电路设计与实现

DCP的这种工作方式为本文的设计提供了基础。其原理是用DCP来代替模拟式梯度预加重电路中手调电位器，用通用计算机、单片机、DSP等数字控制器通过DCP的总线接口来控制DCP的抽头位置，从而调节梯度预加重电路中过冲波形的幅度和时间常数。具体实现电路见图5。

和图2一样，图5中仅示出X路的电路，其余两路与此相同。在图5中，来自数字控制器件的控制信号XSI和XSCK分别给出SPI串行接口标准的数据位和时钟。数字控制器件根据用户输入的幅度和时间常数值，或根据MRI系统采集到的信号值，自动计算出幅度和时间常数的值，将这些数值转换成DCP的指令格式，送入相应的DCP中。经过幅度和时间常数处理后的梯度波形通过波形迭加电路U5与原梯度波形相加输出至梯度放大器。

一片X9250中包含有4个DCP，通过控制指令中指令字节的P0、P1位选择。它的引脚上还有两位器件选择位A0、A1，通过控制指令中验证字节的A0、A1位识别，因此通过A0、A1、P0、P1的组合，仅用控制指令就可寻址16个DCP中的任何一个。本设计仅用两片X9250，共8个DCP，故用A0选择器件，A1接地，P0、P1选择器件中4个DCP之一。在不超过16个DCP的情况下，不需要外加地址译码电路，CS端可以始终接地。数据字节给出中心抽头端的位置送入DCP中的中心抽头寄存器并写入0#数据寄存器。这样一旦调整好梯度预加重的波形，可以像模拟电位器一样永久保存。

本文的电路在应用时既可以作为一部分融合进入梯度波形发生电路或梯度放大器的涡流补偿电路中，也可以作为一个单独的部件串接在无梯度预加重电路的梯度波形发生器和梯度放大器之间。

结语

本文阐述并实现了一种用DCP实现的数字控制梯度预加重电路，它采用数字控制，模拟调整的方式，使得通过预加重改善MRI系统中梯度磁场建立波形的方法可以借助计算机等数字控制器件来完成。■

数控系统论文篇（7）

2命令／应答式通信协议

2．1协议框架

V8＿Loader（监控主机，PC）与V8＿Agent（目标机）之间采用命令／应答式通信协议进行命令、数据、状态等信息的传送．通信过程总是由监控主机首先向目标机发送一个命令包，目标机在收到命令包后，执行相应读写操作，再根据通信协议向监控主机回送相应的状态应答包．因为远程监控系统对于不同命令的反应实效性是不一样的，为了便于管理，将协议命令分为三种类型，包括立即命令、缓冲命令和数据命令．立即命令信息量短，用于需要马上执行的命令；缓冲命令用于对可延时命令进行延时管理，主要是对数据包进行管理；数据命令主要是用来对大量数据信息进行数据包装．三种命令的具体定义如下：（1）立即命令：目标机接收到立即命令后进行校验，如果正确则立即执行，完成相应控制和状态查询等功能，并回送状态应答包．若校验不正确，则不进行处理和响应．（2）缓冲命令：目标机接收到缓冲命令后，首先存储在缓冲区中，并不立即执行，当监控主机发送执行命令后才执行缓冲区中的命令；执行完成后，也不立即向监控主机回送状态应答包，而是将执行结果存储在缓冲区中，当接收到监控主机发来的查询命令时，才将缓冲区中的状态应答信息作为查询命令的应答包回送给监控主机．（3）数据命令：目标机接收到数据命令后，将数据放在缓冲区中，同时进行校验，根据校验结果设置数据缓冲区的状态，数据包接收后不回送状态应答包给监控主机．

2．2协议包格式

协议包从传输方向上分为两类：上行协议包，由监控主机发送，目标机接收；下行协议包，由目标机发送，监控主机接收．其中上行协议包又包括立即命令包、缓冲命令包和数据命令包三种类型；下行协议包又包括状态应答包和数据应答包两种类型．各种协议包的格式如下：（1）立即命令包：监控主机发送的立即命令，包括前导字符、命令长度、命令内容和校验字节等部分．立即命令的类型包括很多种，具体使用中可以根据需要添加和扩展．（2）缓冲命令包：监控主机发送的缓冲命令，也是实际的功能命令，包括前导字符、命令长度、命令内容和校验字节等部分．缓冲命令包从功能上分为擦除命令、上传命令、下载命令、转移命令等，根据需要可以添加不同的功能命令．（3）数据命令包：监控主机发送的数据命令，用来向目标机的接收数据缓冲区注入一个数据块，包括前导字符、数据块长度、数据块内容和校验字节等部分．（4）状态应答包：目标机发送的状态应答信息，对来自监控主机的立即命令进行响应，包括长度、状态数据和校验字节等部分，长度表示状态数据的字节数，状态数据根据立即命令的不同而不同，从而给宿主机发送不同的状态响应．（5）数据应答包：目标机发送的数据信息，数据应答包是功能命令的数据块，包括长度、数据块和校验字节等部分，长度表示数据块的字节数，数据块是从宿主机接收到的具体数据信息．

3软件实现方法

远程监控系统软件具体实现分为两部分，分别为目标机上运行的V8＿Agent，监控主机上运行的V8＿Loader程序．本文按照图2所示的系统体系结构模型，采用模块化的设计方法进行了实现．软件整体设计框图如图3所示［9］．下面分别从目标机和监控主机两个方面对该系统的软件实现进行说明．

3．1V8＿Agent的实现

V8＿Agent主要完成各种通信协议命令的解析、执行，在V8＿Loader的控制下，将数据传送到目标机的指定区域，或将目标机指定区域的数据传给V8＿Loader．图4给出了目标机解析命令的运行过程，主要分为以下几个步骤执行：（1）初始化所有通信端口和缓冲区，转步骤（2），进入通信端口选择过程；（2）采用自动识别方法对通信端口进行识别，按照预先设定的通道顺序查询各端口，首先查到数据的端口将被选择为临时端口；如果从临时端口接收到一个正确的命令，则认为收到该命令的通信通道就是当前选择的通信通道，将当前通道选择标志送给通信通道选择标志，完成通信通道的选择；（3）识别到可用通信端口后，执行命令解析过程；由所接收信息包的第一个字符确定监控主机送来的包类型；如果是缓冲命令包则执行步骤（4），数据命令包执行步骤（5），立即命令包执行步骤（6），其他转步骤（7）；（4）接收到缓冲命令包后，将接收到的数据暂存到命令接收缓冲区，当监控主机确认目标机正确接收了缓冲命令后，再将其切换到命令执行缓冲区，并设置命令执行缓冲区状态为命令就绪状态后转步骤（7）；（5）接收到数据命令包后，将接收到的数据暂存到数据接收缓冲区，当监控主机确认目标机正确接收了该包数据后，设置数据接收缓冲区状态为数据就绪状态后转步骤（7）；（6）接收到立即命令包后，根据命令包类型执行不同的功能命令，同时给监控主机回送一个应答包，并转步骤（7）；如果接收的是执行缓冲区中命令的命令，则执行命令缓冲区中存储的缓冲命令，执行完毕后转步骤（7）；（7）结束本次通信命令解析过程，转步骤（2）

3．2V8＿Loader的实现

V8＿Loader软件在监控主机上运行，采用Vis－ualC＋＋6．0进行开发．V8＿Loader完成通信接口选择、文件管理、数据打包等功能，并按照通信协议与V8＿Agent进行通信，完成数据上下传．考虑到未来扩展应用功能方面的需求，远程监控系统在实现时不仅需要提供如前面应用说明中的完整功能，还需要为未来的嵌入式应用提供其它方面的支持．因此V8＿Loader在实现时，采用了如图5所示的多层次结构进一步细化了软件的层次结构，增强软件的可扩展性，提高软件的广泛适应性．界面管理层直接向用户提供文件上传、数据下载等用户界面管理，完成对文件的管理操作．文件上传是要将指定数据文件或程序文件的内容上传到目标机指定区域，而数据下载则是从目标机指定区域下载的指定长度二进制数据保存到主机的文件中．此外界面管理层还向用户提供了转移执行、FLASH擦除等功能．线程处理层完成基于文件和控制界面的监控功能处理．它将上传文件、下载数据区分成若干个包，通过调用功能处理层的上、下传支持函数来完成文件数据的上传和数据下载功能．线程处理层同时完成对界面上的进度条的实时处理与更新，完成与用户之间的信息交换，完成文件数据的读取与存储功能．功能处理层是真正的上传、下载、转移等功能的处理模块，按照协议规定通过通信管理层与V8＿A－gent之间进行协议命令及上下传数据的交互，完成规定大小数据的上传与下载．通信管理层提供各种通信功能到不同总线接口的映射．在总线驱动程序的基础上，完成通信字符到协议包的简单转换工作．总线驱动层可以根据实际的通信端口添加相应的驱动程序，可以很方便的扩展其他通信总线，从而完成对通信端口的底层管理．

数控系统论文篇（8）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）21-0042-02

控制理论是自动化及其相关专业的一门重要核心专业基础课程，在武汉理工大学华夏学院（以下简称“我院”）自动化专业，控制理论所授主要内容为以经典控制论为核心的“自动控制原理”和以卡尔曼的状态空间分析法为核心的“现代控制理论”。

其中，“自动控制原理”是研究控制系统的一般规律，并为系统的分析和综合提供基本理论和方法的专业基础核心课程。该课程又是“现代控制理论”“过程控制系统”“运动控制系统”“计算机控制技术”“智能控制”等许多后续课程的基础。而作为其后续课程的“现代控制理论”仍作为硕士研究生“线性系统理论”与“最优控制”等学位课程的基础。这两门课程理论性强，概念多且杂，对学生的数学基础要求较高。而我院作为一个三本院校，自动化专业的学生相比较一本和二本的学生而言，数学基础较为薄弱，故学好这两门课对学生来说至关重要且具有一定的难度。

而教好上述两门课程也是教师必须思考和解决的重要问题。笔者经过几年的教学实践，摸索出一套比较适合三本院校学生的系统化教学方法，致力于培养学生的系统观，进行了一些尝试，且取得了一定的效果。

一、工程背景系统性

任何一种理论的产生都有其历史背景，都是在实践中产生的。自动控制技术萌芽在18世纪，在第一次世界工业革命期间，自动控制技术逐渐应用到现代工业中。其中最卓越的代表是瓦特（J.Watt）发明的蒸汽机离心调速器，一种凭借直觉的实证性发明。飞球调节器有时使蒸汽机速度出现大幅度振荡，其他自动控制系统也有类似现象。

由于当时还没有自控理论，所以不能从理论上解释这一现象。为了解决这个问题，盲目探索了大约一个世纪之久。1868年英国麦克斯韦尔的“论调速器”论文指出：不应单独研究飞球调节器，必须从整个系统分析控制的不稳定。麦克斯韦尔的这篇著名论文被公认为自动控制理论的开端，接着就进入了经典控制理论发展的孕育期。1875年，英国劳斯提出代数稳定判据。1895年，德国赫尔维兹提出代数稳定判据。1892年，俄国李雅普诺夫提出稳定性定义和两个稳定判据。1932年，美国奈奎斯特提出奈氏稳定判据。战中自动火炮、雷达、飞机以及通讯系统的控制研究直接推动了经典控制的发展。1948年，维纳出版《控制论》，形成完整的经典控制理论，标志控制学科的诞生。维纳成为控制论的创始人。

经典控制理论的主要内容包括：系统数学模型的建立、时域分析法、频率特性法、根轨迹法、系统综合与校正、非线性系统和采样控制系统分析法等。

从四十年代到五十年代末，经典控制理论的发展与应用使整个世界的科学水平出现了巨大的飞跃，几乎在工业、农业、交通运输及国防建设的各个领域都广泛采用了自动化控制技术（可以说工业革命和战争促使了经典控制理论的发展）。科学技术的发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的发展准备了两个重要的条件――现代数学和数字计算机。现代数学，例如泛函分析、现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机为现代控制理论发展提供了应用的平台。[1]

在二十世纪五十年代末，计算机技术的飞速发展推动了核能技术、空间技术的发展，并且为多输入多输出系统、非线性系统和时变系统的分析和设计提供了新的手段。

五十年代后期，贝尔曼（Bellman）等人提出了状态分析法，在1957年提出了动态规划。1959年卡尔曼（Kalman）和布西创建了卡尔曼滤波理论；1960年在控制系统的研究中成功地应用了状态空间法，并提出了可控性和可观测性的新概念。

由上面的历史背景介绍可以看出，现代控制理论是在自动控制理论的基础上发展得到的，尽管两种理论在方法和思路上有显著的不同，但是在教授的时候不能将两者视为单独的个体。笔者每次在绪论部分都会系统化地讲解理论的产生，以让学生对两门课程形成一个初步的比较清晰的认识。

二、理论教学的系统性

在这两门课程的理论教学过程中，虽然涉及到的知识点有差异，但是经笔者研究，在具体教学中，两门课程的教学有些许共性，比如说两门课程的教学流程就基本一致。如图1所示：相对于现代控制原理而言，自动控制原理理论推导较少，同时其工科背景较强，实例较多。在学习之初，可先帮助学生搭建起分析问题和解决问题的基本框架，形成一个较为初步的系统观。

自动控制原理分析问题的核心是数学建模，稳定性判断和性能指标的计算，[2]主要分析方法是时域分析法、频域分析法和根轨迹分析法。时域分析法直观易懂，频域分析法是自动控制原理的核心，根轨迹分析法在目前的工程实践中已用的很少，在学时有限的情况下可略讲。在实际讲解的过程中，要合理安排学时，适当加快时域分析法的讲授，略讲根轨迹分析法，重点讲解频域分析法及系统校正。

现代控制理论包含了大量的理论概念机数学公式，在实际讲授中，应弱化理论推导，在教学过程中可结合倒立摆工程实例，从建模、稳定性分析、能控能观性分析、极点配置到状态反馈，形成一个较为完整的分析过程。[3]

总而言之，在讲解的过程中，注重引言，初步建立系统观，结合实例，比较异同，突出重难点，最后再通过总结强化各知识点之间的联系。[4]

三、实践教学的系统性

1.重视实验，理论教学和实验教学的系统化[5]

以往，控制理论的实验课和理论课教学是独立的，理论课教师和实验课教师各行其道，相互交流匮乏。目前，学院已明确提出，理论课教学和实验课教学的一致性，理论课教师必须参与进实验教学，教学手段要丰富、系统。

2.实验箱教学和仿真教学的系统化

首先在实验箱上搭建模拟电路，利用信号发生器、示波器等测量波形和数据。同时引入MATLAB仿真，先引出数学模型，利用MATLAB强大的系统工具箱分析并绘制各种相应曲线，利用Simulink工具箱进行校正和状态反馈设计。[6]最后，对比电路测试波形和仿真结果，可让学生深入了解理论和实际参数之间的差异，进而寻找原因，加深理解。

四、今后教学方向

在今后的教学过程中，可进一步加强比较，加强学生的系统观，并且尝试迁移到其他相关学科，加强学生对整个学科的理解。

参考文献：

[1]万雄波，杨方.基于“自动控制原理”与“现代控制理论”课程异同点分析的教学探索[J].科教文汇，2013，（7）：56-57.

[2]孙韵钰.“相似论”在“自动控制理论”课程教学中的运用[J].消费电子，2013，（7）.

[3]王斌，李斌.“现代控制理论”教学改革与实践[J].中国电力教育，2013，（10）：61-62.

数控系统论文篇（9）

 

工业控制网络因为搭建使用方便，远程管理方便的优势已经广泛地用于各行各业。工业控制以太网比传统的工业控制总线传输数据量大，协议更多样，通用性、扩展性更优越，逐渐成为大型分布式工业控制系统的首选。为适应地铁智能设备分布分散，数量大，协议种类繁多，监控实时性要求高的特点，广州地铁三号线组建了以工业控制以太网为骨干的综合监控系统。

本文以主动探测型蠕虫为讨论对象。蠕虫可能造成网络中断，工作站死机等问题，严重威胁着工控网络的正常稳定工作。免费论文，综合监控系统。。防御蠕虫入侵已经成为摆在工业控制网络维护人员面前的一道难题。

1广州地铁三号线的综合监控系统介绍

广州地铁三号线综合监控系统是一个大型数据采集与监控系统，集中监控三号线全线各站的电力、智能建筑、火灾报警、屏蔽门、防淹门、广播、闭路电视、售检票系统、行车信号、车载信息、乘客信息传递、时钟系统、门禁系统等十三个专业的设备。

系统采用千兆光纤以太网为骨干网，各站通过千兆交换机连接作为网络节点。千兆交换机与前端处理器连接，以前端处理器为与诸系统如火灾报警系统、智能建筑系统等子系统设备的通讯转换接口。

综合监控系统的数据库存放于各站服务器，本站工作站访问本站服务器数据库读取设备状态显示。系统结构呈典型C/S结构。服务器采用UNIX系统而工作站采用windowsXP系统。服务器与工作站通过中间件软件完成数据交换。

综合监控系统管理员可从网管工作站可读取被监控的各种设备的运行数据及系统运行数据。

网络结构如图1所示：

2主动探测型蠕虫的特征

蠕虫是一类具有强传染性，攻击系统漏洞干扰计算机及网络工作的程序的统称。蠕虫和传统的病毒有以下区别：

（1）存在形式不同：传统病毒是可自我复制的一个代码片段，寄生在宿主文件中。蠕虫则是一个独立的程序。

（2）传染机制不同：传统病毒的传播方式是将病毒代码嵌入宿主程序，蠕虫则是通过自身复制感染网络上的其他计算机。

（3）触发方式不同：传统病毒需要使用者操作宿主文件触发，蠕虫则是主动攻击，不需人为干预。

常见的主动探测型蠕虫工作过程可分为网络探测、系统漏洞扫描、实施攻击、自我推进四步。

蠕虫先会进行网络探测，即通过IP探测机制探测网络中其他主机的IP。完成网络节点的探测后，蠕虫对被发现的网络主机进行扫描，探测主机系统是否存在适合攻击的漏洞。确认网络主机为可传播对象后，蠕虫将自身复制到目标主机并在目标主机上进行自我隐藏、信息搜集等工作。同时，蠕虫会将自身在目标主机上复制多个副本，并启动搜索进程，实施网络探测，进行下一轮攻击。

3综合监控系统蠕虫的来源：

综合监控系统是工控系统，并不接入Internet，蠕虫的来源主要是以下两种：

（1）更新软件版本时感染蠕虫

工控软件一般都不是在工厂一次开发完成，直接上线投入运行就能达到终验水平的。工控软件从完成初步开发出厂，到稳定运行，最终达到可接受验收的水平，往往需要经过多次升级修改。

（2）取数据时感染蠕虫

较安全的数据读取方式是采用一次性写入的光盘取出数据。但综合监控系统有其特殊性，首先综合监控系统可监控几乎所有设备，需要读取的数据量巨大；其次因为地铁行业的特殊性，数据分析需要及时，在事件发生后必须马上取得数据，导致取数据的次数较多。这样假如每次取数据都花费一张光盘，成本相当高，不符合企业利益。

另外，在运行过程中，为了分析系统运行状况，保障系统安全运行，管理员每天都需要读取系统运行日志进行分析并保存。管理员的存取介质也有可能带有蠕虫。

4蠕虫的防治

4.1蠕虫的检测

综合监控网络的网络结构简单，数据内容单一，利于用对照表检测法进行感染检测。免费论文，综合监控系统。。凡是不符合对照表特征的数据包均视为有害，进行报警。

（1）检测的基础是建立特征对照表。综合监控系统的监控机制在时间上是循环重复的。免费论文，综合监控系统。。因此可以从骨干网提取一时段单位的数据包，根据设计文本规定的通讯信息种类，遍选让检测软件学习，生成特征对照表。

（2）对照表的特征的选择。根据蠕虫的入侵习惯，可选用协议种类比，源IP，目标IP，数据量作为检测特征量。

综合监控网内数据包较固定，可增加数据包长度作为特征量。免费论文，综合监控系统。。免费论文，综合监控系统。。

（3）进行数据检测。为减少网络负荷，采取定时抽取一时间段骨干网数据进行检测的方式。出现不符合特征表的情况将进行报警。

4.2系统功能的恢复

蠕虫网络感染能力很强，通常单工作站完成蠕虫清楚，网络上有残留的蠕虫，几小时后又会重复感染。所以清除蠕虫是一个系统性的工作，不能单机进行。

服务器采用UNIX系统，前端处理器采用VxWorks系统，均不感染针对windows系统蠕虫，综合监控系统网络的蠕虫宿主是工作站。为减少恢复所用时间，可对工作全盘恢复，彻底清除病毒。

清除蠕虫时必须断开各网络节点，恢复后逐站连接。

4.3蠕虫的预防

从维护者的角度，通过建立完善的管理制度限制蠕虫进入网络是较有效且成本较低的蠕虫防御方法。

针对蠕虫的来源，防御蠕虫应该注意两项制度的落实。

首先是规范软件上线前的病毒检测。软件出厂时必须有开发人员的病毒检测报告，上线前由用户在测试平台验证后才能上线运行。

第二是规范数据读取的权限，仅允许授权人员进行读取数据的操作。所用存储设备必须是专用设备，且连接办公网络时设置为只读。免费论文，综合监控系统。。

在成本允许的情况下，应该考虑增加综合监控系统对外接口的保护，减少蠕虫的影响范围，比如选用有防火墙功能的存储设备取数据，转换协议传输数据防止蠕虫扩散，在读取数据的终端网管工作站设置防火墙。

参考文献

[1]王民孙薇王艳玲《网络蠕虫检测和控制研究》/文章编号1671-7597（2009）1020079-01

[2]魏长宝《入侵、蠕虫对网络安全的危害及防范》/文章编号1672-3791（2007）12（b）-0081-02

数控系统论文篇（10）

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