先進制造技術課程論文.docx

研究生課程論文題 目：基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)綜述姓 名：林祖文學 院：物理與機電工程學院系 別：機電工程系專 業(yè)：機械制造及自動化年 級：2011級學 號：19920111152762課程名稱：先進制造技術任課教師：姚斌 教授 2012年1月 10 日基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)綜述摘 要：介紹開放式數控系統(tǒng)的研究狀況，以及三種基于PC的開放式數控系統(tǒng)結構。介紹了當前主流的基于PMAC運動控制卡開發(fā)數控系統(tǒng)的方法，以及這種開發(fā)方法的優(yōu)勢。關鍵詞：開放式數控系統(tǒng)；PMAC運動控制卡引言制造業(yè)是國民經濟的支柱產業(yè)，制造業(yè)的競爭力依賴于先進制造技術。數控技術作為先進制造技術的基礎和核心，使得開放化智能化數控技術成為先進制造技術的主要研究領域與關鍵技術之一，其研究的核心內容是新一代開放式數控系統(tǒng)。發(fā)展數控機床是振興我國基礎機械的重點，發(fā)展數控系統(tǒng)又是發(fā)展數控機床的關鍵。自1952年美國人帕森斯研制成功了數控系統(tǒng)后，50年來機床數控系統(tǒng)比任何一種用于機床的控制技術發(fā)展都快。特別是過去的10年，為了滿足市場和科學技術發(fā)展的需求，現代制造技術對數控設備提出了更高的要求。從性能上而言，除了高速、高精度、高可靠性和柔性化之外，集成化、智能化與網絡化已成為新一代數控發(fā)展的必然趨勢；從市場適應性而言，加工的多樣化和專業(yè)化對加工“個性化”的要求日益增強。只有開發(fā)研制能較方便地增加專用功能的帶有個性化的數控系統(tǒng)，才能切實地滿足多樣化、專業(yè)化市場的需求。綜上所述，傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)由于其結構體系上的封閉性已面臨極大的挑戰(zhàn)。要實現數控設備進線、聯(lián)網、高柔性化、智能化和個性化，研究數控系統(tǒng)結構體系的開放性、智能化已勢在必行。1數控系統(tǒng)的開放性開放式數控系統(tǒng)的提出是控制系統(tǒng)發(fā)展到一定階段的必然產物。面對市場全球化導致的激烈競爭，制造行業(yè)迫切需要能夠在產品多樣化和產品更新?lián)Q代頻繁的情況下，提高生產效率、提高產品質量、降低產品成本，同時更人性化地符合用戶的需求。對適合中小批量加工、具有良好柔性和多功能型制造系統(tǒng)的需求已逐步超過對大型單元功能的制造系統(tǒng)的需求。正是這一需求導致了對模塊化、可重構、可擴充、可升級的新一代數控系統(tǒng)的研究。然而，各生產廠家和科研單位由于各自采用不同的標準、不同的封閉結構、不同的通信協(xié)議和數據結構，導致了不同廠家的數控設備之間無法實現信息交換，不同軟件之間無法實現信息傳輸，不同的數據庫間無法實現數據共享。在這樣的背景下，各國都在制訂自己的行業(yè)標準。美國、歐共體、日本等都投入大量的人力物力，進行新一代開放式智能數控系統(tǒng)的研究，制定了統(tǒng)一的標準，并對其機構體系進行研究。盡管各國的標準不盡相同，但普遍認為開放式數控系統(tǒng)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，形成系列化，并可將用戶的特殊應用集成到控制系統(tǒng)中，實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統(tǒng)。IEEE關于開放式系統(tǒng)的定義是：開放式系統(tǒng)能有效地運行于不同的平臺之上，可以與其他應用系統(tǒng)相互操作，并提供與用戶交互的統(tǒng)一風格，即所謂互操作性、可移植性、可伸縮性和可互換性。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，目前普遍認為開放式數控系統(tǒng)應具備以下特征： 可互換性 構成系統(tǒng)的各硬件、功能軟件的選用不受單一供應商的控制，可根據功能、可靠性、性能要求相互替換，不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調運行。 可伸縮性 CNC系統(tǒng)的功能、規(guī)模可以靈活設置，方便修改?？刂葡到y(tǒng)的大?。ㄓ布蛙浖K）可根據具體應用增減； 可移植性 系統(tǒng)的功能軟件與設備無關，各種功能模塊運行在不同的控制系統(tǒng)內，即能運行于不同供應商提供的不同硬件平臺上； 可擴展性 CNC用戶或二次開發(fā)者能有效的將自己的軟件集成到NC系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)，功能的增減只需功能模塊的裝卸； 可互換性 通過標準化接口、通信和交互機制，使不同功能模塊能以標準的應用程序借口運行于系統(tǒng)平臺上，并獲得平等的相互操作功能，協(xié)調工作。2開放式數控系統(tǒng)的研究現狀 近些年來，隨著現代電機技術、現代電力電子技術、微電子技術、控制技術、通信技術及計算機技術等支撐技術的快速發(fā)展，交流伺服控制技術的發(fā)展得以極大的邁進，開放式的結構體系也取得了很大的進步。主要表現在以下幾個方面：1) 模塊化集成化 模塊化和集成化是對立統(tǒng)一的，模塊化是對系統(tǒng)進行分塊，塊分得越細，系統(tǒng)的開放性就越好，但塊分得太細就影響了系統(tǒng)集成度，整個系統(tǒng)的性能就會下降.為了兼顧模塊化與集成化的缺點，合理地對系統(tǒng)進行分塊就顯得很關鍵?，F在一般的做法是根據功能進行分塊。 硬件模塊 硬件模塊分為CNC模塊、伺服驅動模塊、驅動模塊、執(zhí)行模塊、反饋模塊。要求每個模塊在功能上相互獨立，都能獨立完成一定的任務，不同廠家或同一廠家的不同產品可以隨意互換，各個模塊高度集成化，只要是實現這一功能的都要集成進去。例如，CNC模塊負責接收用戶的控制命令(如G命令)，并且把這些命令發(fā)給伺服驅動單元，開放式的結構要求CNC可以接收不同格式的用戶命令，也可以和不同廠家的伺服系統(tǒng)進行通信與控制。在運動控制中CNC可以控制多軸的聯(lián)動，也可以通過網絡實現互相聯(lián)結與控制。開放式的CNC以PC機為平臺，使用Windows或RTLinux操作系統(tǒng)；伺服驅動模塊式用來執(zhí)行CNC發(fā)來的指令，一個開放式的伺服單元，要求它可以實現速度、位移、轉矩的控制，也可以實現各種控制策略，包括智能控制。它可以自動識別電機的類型，也可以自動識別反饋量類型，還可以與不同的CNC實現連接，接收各個不同廠家CNC的控制命令，反饋模塊，即傳感器模塊一個開放式的傳感器模塊可以自動接收各種信號，如光電的、磁的、溫度的、壓力的等，并進行信號的調理，然后用標準接口傳到上位機。 軟件模塊 為了做到最大程度的開放，軟件結構也采取模塊化的設計思想，有利于軟件的升級和不同產品間的相互調用。如輸人輸出模塊、顯示模塊、控制模塊、通訊模塊等。開放式的軟件模塊能夠實現不同廠家或同一廠家不同產品之間的相互調用。2) 開放式網絡化 網絡數控就是通過網絡、Internet/Intranet將制造單元和控制部件相連，或將制造過程所需資源(如加工程序、機床、工具、檢測監(jiān)控儀器等)共享。網絡化包括兩個方面:內部網絡(現場總線網絡)和外部網絡。內部網絡 內部網絡是指數控系統(tǒng)內CNC單元與伺服驅動及I/O邏輯控制等單元以現場總線網絡連接。對于數控系統(tǒng)硬件，開放性主要是指計算機、網絡、伺服系統(tǒng)及1/O邏輯控制等單元，應該具有統(tǒng)一的互聯(lián)標準，以實現互換性。為使數控系統(tǒng)硬件具有互換性，目前歐洲CNC制造商在其產品中廣泛應用SERCOS (Serial Real-time Communication System，一種適于高速伺服控制的網絡接口協(xié)議，于1995年成為IEC 1491國際標準)現場總線作為與數字驅動單元的接口，采用Profibus現場總線等作為與I/O邏輯控制單元的接口。 外部網絡 外部網絡指的是數控系統(tǒng)與系統(tǒng)外的其他控制系統(tǒng)或外部上位計算機以網絡連接。通過網絡實現對設備的遠程控制和無人化操作、遠程加工程序傳輸、遠程診斷和遠程維修服務、技術服務，并提高機床生產率。網絡生產管理系統(tǒng)通過企業(yè)內部網(Intranet)隨時監(jiān)視生產現場情況進行最優(yōu)計劃和調度；操作工人技藝數據庫將通過豐富經驗和直覺形成的技藝數字化，不斷積累并與全公司共享，實現高效、高質量加工，并依此創(chuàng)造新工藝、新知識和新訣竅。新的CAD/CAM系統(tǒng)可將CAD數據立即轉變?yōu)榧庸こ绦颉⒐ぞ咔鍐?、工藝卡和加工工藝圖樣，實現并行工程來縮短生產周期。此外通過因特網與外界聯(lián)接，可為每一個客戶設立一個窗口，快速反應客戶的要求。在多品種小批量的條件下，將機床聯(lián)網，能將切削時間由25%提升至65%.遠程診斷產品可以在個人電腦前輕松地操縱遠在車間里的機床設備，諸如編輯修改零件程序和PLC程序、監(jiān)控各軸當前狀態(tài)、進行文件傳輸等.不僅用于故障發(fā)生后對數控系統(tǒng)進行診斷，而且還可用作用戶的定期預防性診斷。3) 智能化 智能化是數控系統(tǒng)發(fā)展的方向之一，包括控制上的智能化、接口上的智能化及自診斷功能，它是實現系統(tǒng)開放的必要手段。隨著人工智能技術的發(fā)展，智能控制已成為現代控制領域中的一個重要分支，電氣傳動控制系統(tǒng)中運用智能控制技術也已成為目前電氣傳動控制的主要發(fā)展方向，并且將帶來電氣傳動技術的新紀元。目前，實現智能控制的有效途徑有三條:基于人工智能的專家系統(tǒng)(Expert System)；基于模糊集合理論(Fuzzy Logic)的模糊控制；基于人工神經網絡(Artificial Neural Network)的神經控制。4) 柔性化軟件化 柔性是指機床適應加工對象變化的能力，是開放式系統(tǒng)的具體體現。傳統(tǒng)的自動化設備和生產線，由于是機械或剛性連接和控制的，當被加工對象變換時，調整很困難，甚至是不可能的，有時只得全部更新或者更換。開放式數控系統(tǒng)對滿足加工對象變換有很強的適應能力，具有下列特性：高度的靈活性和多品種生產的快速適應性。高效的生產能力，包括：高生產率，借助于高速化和提高金屬切除率等途徑；高穩(wěn)定性，對于光機電集成的數控機床，著重要求其降低故障率，提高可靠性，以提高制造裝備及系統(tǒng)的開動率(利用率)。 柔性化的實現是通過硬件的柔性化與軟件的柔性化來完成的。硬件方面采用可編程器件，只要改變程序就可以改變硬件的功能，如DSP, FPGA等，從而使得硬件不硬；軟件是控制系統(tǒng)的主要部分，以前用硬件來實現的功能，逐步用軟件來代替，能用軟件實現的就不用硬件來實現，大大地減少了硬件電路，增加了系統(tǒng)的柔性。目前，各個廠家都在向這一方向努力，在設計時都盡量考慮軟硬件的柔性。3基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)3.1 PMAC 概述 美國DeltaTau 公司的可編程多軸運動器（PMAC）是世界上功能強大的運動控制器之一，它借助于Motorola 的DSP56001/56002 數字信號處理器，可以同時操縱18 個軸。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務處理，這使得它在處理時間和任務切換這方面大大減輕主機和編程器的負擔，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMAC 具有開放平臺，不僅可以用G 代碼，而且可以用C 或BASIC 語言編程，它能夠對存儲在它內部的程序進行單獨的運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序，并可進行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。3.2基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)是數控發(fā)展的大方向，是計算機硬件技術、信息技術、控制技術融入數控技術的產物。開放式數控系統(tǒng)具有強大的適應性和靈活配置能力， 能適應各種設備，可靈活配置，隨意集成；所采用的控制軟件具有及時擴展和聯(lián)結功能，可以順應新技術的發(fā)展，加入各種新功能；不僅能適應計算機技術和信息技術的快速和更新?lián)Q代，而且能有效保護用戶原有投資；操作簡單，維護方便；遵循統(tǒng)一的標準體系，結構規(guī)范，模塊之間具有兼容性，部件具有互換性和互操作性。目前市場上的開放式數控系統(tǒng)主要有以下三種結構即：PC嵌入NC型、NC嵌入PC型和純PC型（全軟件型）。 PC嵌入NC型該結構是指PC嵌入NC中，將專用計算機數控系統(tǒng)和PC機結合起來。采用這種模式，即在傳統(tǒng)的非開放式計算機數控系統(tǒng)上插入一塊專門的、開放的個人計算機模板，使傳統(tǒng)計算機數控系統(tǒng)實現個人計算機的特性。在這種模式中，計算機數控部分與原來的計算機數控部分一樣進行實時控制，PC機承擔非實時性控制。這種結構改善了數控系統(tǒng)的圖形顯示、切削仿真、編程和診斷功能，使系統(tǒng)部分具有較好的開放性。這種數控系統(tǒng)是一種這種方案，是在數控技術上取得一定優(yōu)勢的公司出于利益的考慮，不愿意放棄其成熟技術的表現。但隨著計算機技術的發(fā)展，硬件的標準化和成本的降低，這種方式很可能只是一種過渡形式。 NC嵌入PC型該結構是指將NC嵌入PC中，以PC機為基礎。在這種模式中，要將運動控制板或整個計算機數控單元（包括集成的可編程控制器）插入到個人計算機的標準卡槽中。同樣，PC機作為非實時處理，實時控制由計算機數控單元或運動控制板承擔。利用PC機強大的windows圖形用戶界面、多任務處理能力以及良好的軟硬件兼容能力，結合運動控制卡和運動控制軟件形成高性能、高靈活性和開放性好的數控系統(tǒng)，從而使用戶可以開發(fā)自己的應用程序。這種模式正成為以PC機為基礎的CNC系統(tǒng)的主流。采用這種結構的典型產品為美國Delta Tau Data System公司的PMAC-NC，其中PC中插入一塊PMAC運動控制器，由PMAC板執(zhí)行全部實時控制任務，包括輪廓加工、插補運算、伺服控制、刀具半徑補償和螺距補償等。采用這種模式的CNC系統(tǒng)可實現開放式結構，因而能滿足機床制造商和最終用戶的種種需求。這種控制技術的柔性，使得用戶可方便的把CNC應用在幾乎任何場合。 純PC（全軟件）型采用這種體系結構的系統(tǒng)的CNC軟件全部安裝在計算機中，外圍連接主要采用計算機的相關總線標準，這是最新的開放式CNC體系結構。用戶可在windows平臺上，利用開放的CNC內核開發(fā)所需的各種功能，構成各種類型的高性能數控系統(tǒng)。與前兩種系統(tǒng)相比，全軟件型開放式數控系統(tǒng)通過軟件智能替代復雜的硬件，已成為數控系統(tǒng)發(fā)展的重要對象。軟件數控系統(tǒng)更加向計算機技術靠攏，并力圖使數控技術成為先進制造上層應用的標準的設備驅動代理。這種結構形式的數控系統(tǒng)，其主要功能部件均表現為應用軟件的形式，這是實現形式上的一種技術變革，可以預見，隨著計算機技術的發(fā)展，這種形態(tài)的機床控制器將具有不可匹敵的價格優(yōu)勢和可擴展性，具有廣闊的前途。基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)就是采用了第二種結構的新一代數控系統(tǒng)，利用PMAC強大的運算和處理能力，進行數控系統(tǒng)的底層實時控制，用PC機進行數控系統(tǒng)中一些上層的對實時性要求不是很高的任務處理和協(xié)調?；赑MAC的開放式數控系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。圖1 基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)結構基于PMAC的開放式數控系統(tǒng)利用PC機上WINDOWS環(huán)境形成良好的人機界面；利用PC機的資源優(yōu)勢采用軟件來實現現代控制技術；開放結構平臺可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網的需要，且具有硬件無關的特性。基于PMAC的開放結構數控系統(tǒng)，采用了標準的PC硬件和標準的操作系統(tǒng)，使專用控制器數控系統(tǒng)的局限性得到了根本的解決。由于標準的網絡速度一般在幾十Mbps （RS232 ，RS485一般在幾十kbps），使數據傳輸的速度提高了幾千倍，加工前一次傳輸，保證了程序傳輸的可靠性。由于硬盤的容量大，讀取的速度極快，即使上百兆0.01mm長度的空間直線段系統(tǒng)加工速度也可到每分鐘幾十米。這樣即解決了大程序量的高速高精度的加工問題，同時也不需要曲面和樣條插補，和現有的CAD、CAM系統(tǒng)可方便的集成。由于PMAC可通過串口RS232、 RS485或并口計算機進行通信，這便于進行網絡連接，易于實現工廠動化。通過PMAC這樣的開放結構控制平臺，可以任意添加應用模塊；通過P