基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究

1、3344第24卷第9期2002-9制造業(yè)自動化 基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究賴國庭,吳玉厚,富大偉(沈陽建筑工程學院,遼寧 沈陽110015摘 要:闡述了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況,介紹了 P M A C 運動控制器的性能,深入討論了基于 P M A C的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢和性能。關(guān)鍵詞:P M A C ;開放式數(shù)控系統(tǒng) 中圖分類號:TH166 文獻標識碼:B 文章編號:1009-0134(200209-0034-03收稿日期:2002-03-25基金項目:國家自然科學基金資助項目(59775064 作者簡介:賴國庭(1977- ,男,廣東省人,沈陽建筑工程學院碩士研究生,主要從事自動

2、控制原理與應用方面的研究工作。0 概述計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC是 20世紀 70年代發(fā)展起來的機床控制新技術(shù),它是綜合了計算機、 通信、微電子、自動控制、傳感測試、機械制 造等技術(shù)而形成的一門邊緣學科。 數(shù)控技術(shù)是計算 機集成制造系統(tǒng)(C I M S 和工廠自動化(F A 的基礎(chǔ)之一,也是振興國家機床工業(yè)、增強制造業(yè) 國際競爭力的基礎(chǔ)。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過了 5代電子元器 件的更新:電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電 路、小型計算機數(shù)控和微型電子計算機數(shù)控,這 些發(fā)展更新大大豐富了系統(tǒng)的控制功能, 提高了數(shù) 控系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性?，F(xiàn)在,計算機數(shù)控系 統(tǒng)已經(jīng)進入第 6代開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)。在一套計算機數(shù)控

3、系統(tǒng)中, 起著關(guān)鍵作用的組 成部分是其中的計算機數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng), 系統(tǒng)的計算速度、實時性、伺服更新速度、資源 管理能力、數(shù)字通信、精密控制、微量進給等性 能都取決于這兩個部分。尤其是計算機數(shù)控裝置, 也就是運動控制單元, 更是數(shù)控系統(tǒng)的核心單元模 塊,數(shù)控系統(tǒng)的性能、精度一定程度上依賴于運 動控制單元的快速控制能力, 由它可完成數(shù)控系統(tǒng) 中實時性要求比較高的插補、位置控制、開關(guān)量 I/O 控制任務,實現(xiàn) C N C 系統(tǒng)中多軸聯(lián)動的插補 計算、位置控制等功能,使用這樣的運動模塊并 輔助以其他的設(shè)備部件, 可以方便靈活地構(gòu)建應用于不同場合的運動控制系統(tǒng)。1PMAC 運動控制器隨著計算機控

4、制技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸認識到專用 CNC 系統(tǒng)之間的自成一體所 帶來的問題, 迫切要求具有靈活配置、 功能擴展簡 便、 基于統(tǒng)一的規(guī)范和易于實現(xiàn)統(tǒng)一管理的開放式 系統(tǒng)。 這時, 創(chuàng)建一個強有力的開放性體系結(jié)構(gòu)已 是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的最重要趨勢。 90年代開始, 一些 發(fā)達國家針對 C N C 所面臨的問題和開放式數(shù)控發(fā) 展的必然趨勢, 以設(shè)計生產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)作為目 標, 相繼推出了各自的開放式體系結(jié)構(gòu)規(guī)范, 這其 中有美國的 N G C 和 O M A C 計劃,歐盟的 O S A C A 計劃,日本的 OSEC 計劃等。其中,美國提出的下一代控制器計劃 N G C (NextGe

5、nerationMachineController的目的 是指定一套新一代開放式控制系統(tǒng)的規(guī)范, 希望通 過實現(xiàn)基于相互操作和分級式模塊 SOSAS(開放式 體系結(jié)構(gòu)標準規(guī)范對封閉性問題進行解決,在 NGC 計劃中提出了“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”的新一 代數(shù)控概念, 這種體系結(jié)構(gòu)允許不同的設(shè)計人員開 發(fā)可互交換和相互操作的控制器部件, 其最大的特 點就是外部接口的公開性。 與此同時, 美國的汽車 3巨頭 (通用、 福特、 克萊斯勒 為解決自身發(fā)展中 碰到的問題,在 NGC 的指導下,聯(lián)合提出了 OMAC (開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器 的開發(fā)計劃, 其目制造業(yè)自動化的是開發(fā)一種模塊化的可重構(gòu)控制系統(tǒng)

6、, 隨時可納 入或集成模塊化軟件與硬件, 使之重構(gòu)成一個高效 的控制器。PMAC (P r o g r a m m a b l e M u l t i p l e -A x i s Controller 就是在這種大背景下, 由美國的Delta Tau公司遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標準開發(fā)的開放 式可編程多軸運動控制器。 它借助于Motorola的 DSP56001/56002數(shù)字信號處理器,可同時控制 18個軸, 既可單獨執(zhí)行存儲于其內(nèi)部的程序, 也 可執(zhí)行運動程序和 PLC 程序,并進行伺服環(huán)更新及 以串口總線兩種方式與上位機進行通信。PMAC 還 可自動對任務優(yōu)先級進行判別, 從而進行實時多

7、任 務處理。 這一功能使得它在處理時間和任務切換這 兩方面大大減輕了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 運動控 制器將極強的處理能力和高度的通用性結(jié)合起來, 可適應多種總線結(jié)構(gòu), 多種電機類型、 多種反饋元 件、多種命令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。P M A C 可通過 R S -232/ RS-422串行數(shù)據(jù)口同計算機進行串行通信,或通 過 8位寬數(shù)據(jù)的總線同計算機進行通信,它還有著 廣泛的應用范圍,如各種數(shù)控機車、印刷機械、包 裝機械、自動生產(chǎn)線、物料裝卸,自動焊接、硅片 加工、 激光切割等, 還可應用于機器人的控制系統(tǒng) 中,用 PMAC 控制器進行控制可以很好地協(xié)調(diào)其

8、執(zhí) 行工作。2 基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng) 2.1傳統(tǒng)的 CNC 系統(tǒng)20世紀 7080年代,數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進入到 了普及和應用的成熟期, 但各廠家研制和生產(chǎn)的數(shù) 控系統(tǒng)都是一種封閉式系統(tǒng), 沒有一個強有力的體 系結(jié)構(gòu)予以支撐, 在控制軟件開發(fā)上缺乏持久開發(fā) 的能力, 不能進行高可靠性的軟件擴展, 不能滿足 用戶對其二次開發(fā)的需要。 系統(tǒng)專用性強, 通用性 差, 軟件為系統(tǒng)的制造商所有, 不便于功能的擴展 和各種軟件的支撐、更新,軟件的可移植性差,組 網(wǎng)通訊能力差,對機床制造商和用戶的要求較高。 同時, 隨著數(shù)控技術(shù)的不斷往前發(fā)展, 傳統(tǒng)的數(shù)控 系統(tǒng)也變得越來越復雜, 其自身的缺陷又限制

9、了它 的應用, 因為傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是基于缺乏靈活性 的、專有設(shè)計的基礎(chǔ)上完成的,它具有不同的編 程語言,非標準的人機接口,多種實時操作系 統(tǒng),是一種沒有共同性和標準接口的封閉性系統(tǒng), 其封閉性也帶來了一系列的問題,比如軟、硬件 的透明性不夠,先進技術(shù)的難適應性,應用范圍 的固定性,軟件的不可再用性等。因此,為適應 數(shù)控進線和聯(lián)網(wǎng)能力及個性化要求, 創(chuàng)建一個新的 強有力的開放性體系結(jié)構(gòu)已是數(shù)控發(fā)展的最重要趨 勢 。2.2基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控發(fā)展的大方向, 是計算 機硬件技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)融入數(shù)控技術(shù) 的產(chǎn)物。 開放式數(shù)控系統(tǒng)具有強大的適應性和靈活 配置能力

10、,能適應各種設(shè)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(jié)功 能,可以順應新技術(shù)的發(fā)展,加入各種新功能; 不僅能適應計算機技術(shù)和信息技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)控系統(tǒng)主要有以下兩 種結(jié)構(gòu) :(1 專用數(shù)控加PC前端的復合式結(jié)構(gòu)。 (2 通用 PC 加實時控制單元的遞階式結(jié)構(gòu)。利用開放 式數(shù)控系統(tǒng)上 P C 機的 W I N D O W S 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(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù) ; 開放式

11、結(jié)構(gòu)平臺 (運動控制器 可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要, 且具有與硬件無關(guān)的特性, 設(shè)備層高速度、 高可靠 性,標準化的數(shù)字通訊,可滿足用戶私有要求且 保證高性能、低成本。具體來說,開放式數(shù)控系統(tǒng) 有下面幾個方面的優(yōu)勢:(1基于開放結(jié)構(gòu)控制器平臺的開放結(jié)構(gòu) 跨平臺特性 :通過開放結(jié)構(gòu)控制器平臺軟 件,實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的跨平臺運行。可重構(gòu)性:用戶 可根據(jù)自己的設(shè)備特點和需求, 只需改變數(shù)控系統(tǒng) 的軟件拓撲結(jié)構(gòu), 就可建立不同的數(shù)控系統(tǒng)。 廣泛 的兼容性 :基于開放結(jié)構(gòu)控制器平臺的硬件無關(guān)性, 用戶可以選用符合自己需求的控制器, 只要采用控 制器平臺支持的操作系統(tǒng)即可。(2標準化、模塊化的

12、硬件結(jié)構(gòu)基于標準總線的模塊化結(jié)構(gòu):開放體系結(jié)構(gòu)的 CNC 系統(tǒng)硬件,建立在基于標準總線的模塊化設(shè)計3354第24卷第9期2002-9制造業(yè)自動化拓撲結(jié)構(gòu)上, 數(shù)控系統(tǒng)可以運行在多種標準化總線 上。伺服層的數(shù)字通訊:C N C 平臺和機床驅(qū)動部 分之間支持多種國際標準數(shù)字通訊接口和通用協(xié)議 來控制伺服軸、主軸和 P L C -I /O 接口。C N C 與 伺服系統(tǒng)之間通訊具有很高的可靠性, 很大的信息 容量和傳輸速率, 使得同一硬件平臺上可以控制數(shù) 量眾多且不同種類的底層設(shè)備, 進行多軸數(shù)控機床 或數(shù)控生產(chǎn)線的控制。(3先進的人機交互功能友好的、開放的人機界面:基于 W I N D O W S

13、 環(huán)境的統(tǒng)一風格的界面, 具有界面可配置性和多種零 件加工信息輸入功能。動態(tài)圖形仿真功能:可以動 態(tài)模擬某一 NC 程序?qū)募庸み^程,按一定比例 動態(tài)顯示刀具和工件之間的相對運動位置關(guān)系。 (4插補功能提供多軸多通道功能:具有多軸多通道的數(shù) 控系統(tǒng), 可以在不同的通道內(nèi)同時或者不同時的執(zhí) 行 不 同 的 零 件 程 序 , 從 而 提 高 系 統(tǒng) 的 效 率 。 N U R B S 插補功能:具有 N U R B S 插補功能的數(shù)控 系統(tǒng), 可以用數(shù)學方法來精確的描述幾乎所有的曲 線和曲面,從而實現(xiàn)自由曲面的精確加工。高 速、高精度插補:在數(shù)控系統(tǒng)中融入誤差補償技 術(shù),降低各種工件加工誤差,

14、提高工件精度。 (5網(wǎng)絡功能制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡化,實現(xiàn)制造過程的集 成。制造環(huán)境與整個企業(yè)的網(wǎng)絡化,實現(xiàn)制造環(huán) 境與企業(yè)中工程設(shè)計、管理信息系統(tǒng)、設(shè)備維護 等各子系統(tǒng)的集成;機床操作工人通過網(wǎng)絡查詢 技術(shù)資料和尋求幫助的功能。 企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡 化,實現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合和優(yōu)化利用, 實現(xiàn)異地制造,遠程診斷?；?PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)就是采用了第二 種結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng),利用 P M A C 強大的運 算和處理能力,進行數(shù)控系統(tǒng)的底層實時控制, 用 PC 機進行數(shù)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(diào)。基于 P M A C 的開放 式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所

15、示?；?P M A C 的開放式數(shù)控系統(tǒng)利用 P C 機上 W I N D O W S 環(huán)境形成良好的人機界面;利用 P C 機 的資源優(yōu)勢采用軟件來實現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù) ; 開放結(jié) 構(gòu)平臺可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng) 的需要,且具有硬件無關(guān)的特性?；?PMAC 的開 放結(jié)構(gòu)數(shù)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(shù)控系統(tǒng)的局限性得到了 根本的解決。由于標準的網(wǎng)絡速度一般在幾十 Mbps(RS232,RS485一般在幾十 kbps ,使數(shù)據(jù) 傳輸?shù)乃俣忍岣吡藥浊П? 加工前一次傳輸, 保證 了程序傳輸?shù)目煽啃浴?由于硬盤的容量大, 讀取的 速度極快,即使上

16、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(xiàn)有的 C A D 、C A M 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(wǎng)絡連接, 易 于實現(xiàn)工廠自動化。通過 PMAC 這樣的開放結(jié)構(gòu)控 制平臺,可以任意添加應用模塊;通過 PMAC 控制 平臺的配置系統(tǒng), 可根據(jù)用戶的結(jié)構(gòu)要求, 改變各 應用模塊之間的拓撲關(guān)系,實現(xiàn)系統(tǒng)的可重構(gòu)性; PMAC 開放結(jié)構(gòu)控制器平臺的建立,使控制系統(tǒng)具 有硬件無關(guān)性, 用戶根據(jù)需求選用通用計算機控制。3結(jié)束語開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢, 基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在開發(fā)結(jié)構(gòu)控制平 臺上的新一代數(shù)控系統(tǒng),是實現(xiàn)高速、高精度、高 效的現(xiàn)代加工制造系統(tǒng)的重要組成部分, 具有