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(dòng)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(xué)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(yùn)動(dòng)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(xiàn)標(biāo)識碼:B 文章編號:1009-0134(200209-0034-03收稿日期:2002-03-25基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(59775064 作者簡介:賴國庭(1977- ,男,廣東省人,沈陽建筑工程學(xué)院碩士研究生,主要從事自動(dòng)

2、控制原理與應(yīng)用方面的研究工作。0 概述計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC是 20世紀(jì) 70年代發(fā)展起來的機(jī)床控制新技術(shù),它是綜合了計(jì)算機(jī)、 通信、微電子、自動(dòng)控制、傳感測試、機(jī)械制 造等技術(shù)而形成的一門邊緣學(xué)科。 數(shù)控技術(shù)是計(jì)算 機(jī)集成制造系統(tǒng)(C I M S 和工廠自動(dòng)化(F A 的基礎(chǔ)之一,也是振興國家機(jī)床工業(yè)、增強(qiáng)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(jì)算機(jī)數(shù)控和微型電子計(jì)算機(jī)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(jì)性?，F(xiàn)在,計(jì)算機(jī)數(shù)控系 統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入第 6代開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。在一套計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng), 系統(tǒng)的計(jì)算速度、實(shí)時(shí)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(jìn)給等性 能都取決于這兩個(gè)部分。尤其是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置, 也就是運(yùn)動(dòng)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(yùn) 動(dòng)控制單元的快速控制能力, 由它可完成數(shù)控系統(tǒng) 中實(shí)時(shí)性要求比較高的插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量 I/O 控制任務(wù),實(shí)現(xiàn) C N C 系統(tǒng)中多軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ) 計(jì)算、位置控制等功能,使用這樣的運(yùn)動(dòng)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(yīng)用于不同場合的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。1PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器隨著計(jì)算機(jī)控

4、制技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展,人們逐漸認(rèn)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(kuò)展簡 便、 基于統(tǒng)一的規(guī)范和易于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理的開放式 系統(tǒng)。 這時(shí), 創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)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(dá)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(jì)生產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)作為目 標(biāo), 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(jì)劃,歐盟的 O S A C A 計(jì)劃,日本的 OSEC 計(jì)劃等。其中,美國提出的下一代控制器計(jì)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對封閉性問題進(jìn)行解決,在 NGC 計(jì)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(jì)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(diǎn)就是外部接口的公開性。 與此同時(shí), 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(dǎo)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(jì)劃, 其目制造業(yè)自動(dòng)化的是開發(fā)一種模塊化的可重構(gòu)控制系統(tǒng)

6、, 隨時(shí)可納 入或集成模塊化軟件與硬件, 使之重構(gòu)成一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放 式可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器。 它借助于Motorola的 DSP56001/56002數(shù)字信號處理器,可同時(shí)控制 18個(gè)軸, 既可單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于其內(nèi)部的程序, 也 可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和 PLC 程序,并進(jìn)行伺服環(huán)更新及 以串口總線兩種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信。PMAC 還 可自動(dòng)對任務(wù)優(yōu)先級進(jìn)行判別, 從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多

7、任 務(wù)處理。 這一功能使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這 兩方面大大減輕了主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān), 提高了整 個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。PMAC 運(yùn)動(dòng)控 制器將極強(qiáng)的處理能力和高度的通用性結(jié)合起來, 可適應(yīng)多種總線結(jié)構(gòu), 多種電機(jī)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(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信,或通 過 8位寬數(shù)據(jù)的總線同計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信,它還有著 廣泛的應(yīng)用范圍,如各種數(shù)控機(jī)車、印刷機(jī)械、包 裝機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線、物料裝卸,自動(dòng)焊接、硅片 加工、 激光切割等, 還可應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng) 中,用 PMAC 控制器進(jìn)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(jì) 7080年代,數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入到 了普及和應(yīng)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(gè)強(qiáng)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(jìn)行高可靠性的軟件擴(kuò)展, 不能滿足 用戶對其二次開發(fā)的需要。 系統(tǒng)專用性強(qiáng), 通用性 差, 軟件為系統(tǒng)的制造商所有, 不便于功能的擴(kuò)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(jī)床制造商和用戶的要求較高。 同時(shí), 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(fù)雜, 其自身的缺陷又限制

9、了它 的應(yīng)用, 因?yàn)閭鹘y(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是基于缺乏靈活性 的、專有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的,它具有不同的編 程語言,非標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口,多種實(shí)時(shí)操作系 統(tǒng),是一種沒有共同性和標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)技術(shù)的難適應(yīng)性,應(yīng)用范圍 的固定性,軟件的不可再用性等。因此,為適應(yīng) 數(shù)控進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)能力及個(gè)性化要求, 創(chuàng)建一個(gè)新的 強(qiáng)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(jì)算 機(jī)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(qiáng)大的適應(yīng)性和靈活 配置能力

10、,能適應(yīng)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(shí)擴(kuò)展和聯(lián)結(jié)功 能,可以順應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展,加入各種新功能; 不僅能適應(yīng)計(jì)算機(jī)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(hù)用戶原有投資;操作簡單, 維護(hù)方便;遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)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(fù)合式結(jié)構(gòu)。 (2 通用 PC 加實(shí)時(shí)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(jī)的 W I N D O W S 環(huán)境形成良好 的人機(jī)界面;利用 PC 機(jī)的資源優(yōu)勢,采用軟件來 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù) ; 開放式

11、結(jié)構(gòu)平臺(tái) (運(yùn)動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)方面的優(yōu)勢:(1基于開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)的開放結(jié)構(gòu) 跨平臺(tái)特性 :通過開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)軟 件,實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的跨平臺(tái)運(yùn)行?？芍貥?gòu)性:用戶 可根據(jù)自己的設(shè)備特點(diǎn)和需求, 只需改變數(shù)控系統(tǒng) 的軟件拓?fù)浣Y(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(tái)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(tái)支持的操作系統(tǒng)即可。(2標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的

12、硬件結(jié)構(gòu)基于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)總線的模塊化設(shè)計(jì)3354第24卷第9期2002-9制造業(yè)自動(dòng)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上, 數(shù)控系統(tǒng)可以運(yùn)行在多種標(biāo)準(zhǔn)化總線 上。伺服層的數(shù)字通訊:C N C 平臺(tái)和機(jī)床驅(qū)動(dòng)部 分之間支持多種國際標(biāo)準(zhǔn)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(tái)上可以控制數(shù) 量眾多且不同種類的底層設(shè)備, 進(jìn)行多軸數(shù)控機(jī)床 或數(shù)控生產(chǎn)線的控制。(3先進(jìn)的人機(jī)交互功能友好的、開放的人機(jī)界面:基于 W I N D O W S

13、 環(huán)境的統(tǒng)一風(fēng)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(dòng)態(tài)圖形仿真功能:可以動(dòng) 態(tài)模擬某一 NC 程序?qū)?yīng)的加工過程,按一定比例 動(dòng)態(tài)顯示刀具和工件之間的相對運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系。 (4插補(bǔ)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(shí)或者不同時(shí)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(bǔ)功能:具有 N U R B S 插補(bǔ)功能的數(shù)控 系統(tǒng), 可以用數(shù)學(xué)方法來精確的描述幾乎所有的曲 線和曲面,從而實(shí)現(xiàn)自由曲面的精確加工。高 速、高精度插補(bǔ):在數(shù)控系統(tǒng)中融入誤差補(bǔ)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(luò)功能制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)制造過程的集 成。制造環(huán)境與整個(gè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化,實(shí)現(xiàn)制造環(huán) 境與企業(yè)中工程設(shè)計(jì)、管理信息系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù) 等各子系統(tǒng)的集成;機(jī)床操作工人通過網(wǎng)絡(luò)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(luò) 化,實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合和優(yōu)化利用, 實(shí)現(xiàn)異地制造,遠(yuǎn)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(qiáng)大的運(yùn) 算和處理能力,進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的底層實(shí)時(shí)控制, 用 PC 機(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)中一些上層的對實(shí)時(shí)性要求 不是很高的任務(wù)處理和協(xié)調(diào)?；?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(jī)上 W I N D O W S 環(huán)境形成良好的人機(jī)界面;利用 P C 機(jī) 的資源優(yōu)勢采用軟件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù) ; 開放結(jié) 構(gòu)平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)的 PC 硬件和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)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(shí)也不需要 曲面和樣條插補(bǔ),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(jì)算機(jī)進(jìn)行通信, 這便于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接, 易 于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。通過 PMAC 這樣的開放結(jié)構(gòu)控 制平臺(tái),可以任意添加應(yīng)用模塊;通過 PMAC 控制 平臺(tái)的配置系統(tǒng), 可根據(jù)用戶的結(jié)構(gòu)要求, 改變各 應(yīng)用模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重構(gòu)性; PMAC 開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)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(jì)算機(jī)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(tái)上的新一代數(shù)控系統(tǒng),是實(shí)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