開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究

1、開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 隨著計算機控制技術和先進制造技術的發(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互不兼容的弊病，迫切需求具有配置靈活、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)。開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 1987年，美國提出了下一代控制器計劃NGG(Next Generation Workstation/Machine Controller)和開放式系統(tǒng)體系結構標準SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Systems)，首次提出

2、了開放式體系結構的概念。開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 1992年，歐共體開始實施自動化系統(tǒng)控制裝置的開放系統(tǒng)體系結構計劃OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation System)。經過十多年的發(fā)展，開放性一詞已經深入人心，并且體現(xiàn)在相關產品中。開放式數(shù)控系統(tǒng)成為CNC發(fā)展的潮流。開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念及特點 從目前研究來看，開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構還沒有統(tǒng)一、明確的概念，實現(xiàn)技術還處于百家爭鳴的階段IEEE定義開放式系統(tǒng)為“一個開放式系統(tǒng)應能使得各種應用系統(tǒng)可以有效地運行于不同

3、供應商提供的不同平臺之上；可以與其它應用系統(tǒng)相互操作，并具有風格一致的用戶交互界面.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 一般來說，對于開放式數(shù)控系統(tǒng)都強調五個方面的性能特征： 即插即用(plug&play):數(shù)控功能采用模塊化的結構且各模塊具有即插即用的能力，以滿足具體控制功能要求. 可移植性(portability):功能模塊可運行于不同的控制系統(tǒng)內.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 可擴展性(expandability):功能相似、接口相同的模塊之間可相互替換，有隨技術進步而更新硬軟件的可能. 可縮放性(scalability):控制系統(tǒng)的大?。K的數(shù)量與實現(xiàn)）可根據(jù)具體的應用

4、增減，成為規(guī)?；盗挟a品.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 互操作性(interoperability):模塊之間能相互協(xié)作(交換數(shù)據(jù))，容易實現(xiàn)和其他自動化設備互連. 因此，一個完全開放的數(shù)控系統(tǒng)應該是：以分布式控制原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級式的控制結構，其構造應該是可移植的和透明的；開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 系統(tǒng)的拓補結構和性能應是可縮放的， 以便根據(jù)需要可方便實現(xiàn)重構、編輯，實現(xiàn)一個系統(tǒng)多種用途.即可實現(xiàn)CNC,PLC,RC(Robot Control)和CC(Cell Control)等控制功能；系統(tǒng)中各模塊相互獨立，在此平臺上，系統(tǒng)廠、機床廠及最終用戶都可很容易地把

5、一些專用功能和其它有個性的模塊加入其中，進行開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 系統(tǒng)開發(fā)設計時，允許各模塊進行獨立開發(fā)，為此要有方便的支撐工具，各模塊接口協(xié)議應明確，具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便各相對獨立的功能模塊通過通信實現(xiàn)信息交換，通過信息交換滿足實時控制要求；同時使來自不同供應商的模塊之間具有相互操作性.只有這樣才能保證機床廠、用戶對系統(tǒng)作補充、擴展或者修改.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點 正是開放式數(shù)控系統(tǒng)的特性，使其具有傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)無法比擬的優(yōu)點，成為數(shù)控技術發(fā)展的方向。開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點主要有： (1)向未來技術開放. 由于軟、硬件接口都遵循公

6、認的標準協(xié)議，只需少量的重新設計和調整，新一代的通用軟硬件資源就可能被現(xiàn)有系統(tǒng)所采納、吸收和兼容. 這將使系統(tǒng)的開發(fā)費用大大降低而系統(tǒng)性能與可靠性將不斷改善，并處于長生命周期.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 (2)標準化的人機界面，標準化的編程語言，方便用戶使用. (3)向用戶開放! 通過更新產品、擴充功能、提供可供選擇的硬軟件產品的各種組合以滿足用戶特殊應用要求，給用戶提供一個方法，從低級控制器開始，逐步提高，直到達到所要求的性能為止.另外，用戶自身的技術能方便地融入，創(chuàng)造出自己的產品. (4)可減少產品品種，便于批量生產、提高可靠性和降低成本，增強了市場響應能力和競爭能力.開放式微機數(shù)

7、控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 現(xiàn)階段，真正實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的完全開放還難以做到，一些數(shù)控系統(tǒng)只是具備了開放式系統(tǒng)特點或者開放程度相對大一些而已.目前，利用現(xiàn)有PC機的軟硬件規(guī)范設計開放式數(shù)控系統(tǒng)，從研究進展及實現(xiàn)技術上看，主要有以下三種：開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究1 數(shù)控專用模板嵌入通用PC機構成的數(shù)控系統(tǒng) 以國內具有開放式系統(tǒng)特點的華中以國內具有開放式系統(tǒng)特點的華中I型數(shù)控系統(tǒng)為型數(shù)控系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用了以例，該系統(tǒng)采用了以PC機為硬件平臺機為硬件平臺,DOS,Windows操作操作系統(tǒng)及其豐富支持軟件為軟件平臺的開放式體系結構系統(tǒng)及其豐富支持軟件為軟件平臺的開放式體系結構,如如圖圖1所示所

8、示.與傳統(tǒng)與傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)具有軟硬件資系統(tǒng)相比，這種系統(tǒng)具有軟硬件資源的通用性源的通用性,豐富性豐富性,透明性透明性,軟件的可再生性軟件的可再生性;便于引入便于引入新技術進行升級、換代的優(yōu)點新技術進行升級、換代的優(yōu)點.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 串口并口鍵盤軟驅硬盤顯卡網卡顯示器主CPU及主板NC模板主軸主軸編碼器 開關量輸入（操作按鈕機床檢測輸入）開關量輸出（按鈕顯示燈，機床繼電器控制）伺服電機多功能板輸入板輸出板位置控制圖1 數(shù)控專用模板嵌入PC機結構ISA總線開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 這種數(shù)控系統(tǒng)在PC機上嵌入的數(shù)控專用模板有:內裝式PLC單元，由光電隔離

9、開關量輸入板,光電隔離開關量輸出板及多功能板.系統(tǒng)的位置單元接口可根據(jù)使用伺服單元的不同而有不同的具體實現(xiàn)方法:當伺服單元為數(shù)字式交流伺服時,位置單元接口采用串口通訊板;當伺服 單元為模擬式交流伺服時,位置單元接口采用位置環(huán)板.系統(tǒng)帶RS232C接口,可直接CAD/CAM連接,帶網絡卡可連入工廠網絡.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 這種數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構如圖2所示.圖中的底層軟件為軟件平臺,其中的RTM為實時多任務管理模塊,負責CNC系統(tǒng)的任務調度,NCBIOS為基本輸入/輸出系統(tǒng),管理CNC系統(tǒng)所有的外部控制對象,包括設備驅動程序的管理(對應不同的硬件模塊,應用不同的驅動程序,故更換模塊

10、只需更換驅動程序,配置很靈活),位置的控制,PLC的調度,插補計算和內部監(jiān)控等.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究MS-DOS位置控制I/O控制PLC過程控制軟件程序編輯參數(shù)設置解釋程序PLC管理MDI故障診斷RAMNCBIOS底層軟件過程軟件圖2 軟件結構開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 上層軟件(過程層軟件)相當于前后臺型軟件結構中的背景程序,負責零件程序的編輯,解釋,參數(shù)的設置，PLC的狀態(tài)顯示,MDI及故障顯示等任務的完成.通過NCBIOS把它與底層軟件隔開,使得過程層軟件不依賴于硬件. 這種數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件,以DOS操作系統(tǒng)為軟件支持環(huán)境,構造了一個具有實時多任務控制的數(shù)控軟件平

11、臺,支持用戶定制,用戶可以在此平臺上進行修改,增刪,靈活配置派生出不同CNC控制裝置,并提供了一種標準風格的軟件界面.是一個初步開放的軟件系統(tǒng).開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究2 通用PC機與開放式可編程運動控制器構成的數(shù)控系統(tǒng) 機床運動控制,邏輯控制功能由獨立的運動控制器完成,運動控制器通常由以PC硬件插件的形式構成系統(tǒng).數(shù)控上層軟件(數(shù)控程序編輯,人機界面等)以PC為平臺,是Windows等主流操作系統(tǒng)上的標準應用,并支持用戶定制.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 以美國DELTA TAU公司九十年代推出的PMAC(programmable multi-axes controller)

12、開放式多軸運動控制器為代表,DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議,用PC機加PMAC控制卡構成的PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng),獲得了良好的應用效果. PMAC運動控制器提供了運動控制,離散控制,內務處理,同主機的交互等數(shù)控的基本功能.它借助于Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號處理芯片,可同時控制18個軸,它的速度,分辨率,帶寬等指標遠優(yōu)于一般的控制器.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 伺服控制包括PID加Norch和速度,加速度前饋控制.它甚至可連接MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網,直接進行生產線的聯(lián)動控制. PAMC具有開放性的特點,給系統(tǒng)集成者和用戶提供了更大的柔性

13、,它允許同一控制軟件在三種不同總線(PC-TX和AT,VME,STD)上運行,由此提供了多平臺的支持特性.并且每軸可以分別配置成不同的伺服類型和多種反饋類型.其具體體現(xiàn)為:開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究(1)可以與不同伺服系統(tǒng)的連接:伺服接口有模擬式和數(shù)字式兩種,能連接模擬,數(shù)字伺服驅動器,交,直流,直流無刷伺服電機伺服驅動器及步進電機驅動器.(2)可以與不同檢測元件的連接:測速發(fā)電 機,光電編碼器,光柵,旋轉變壓器等.(3)功能的實現(xiàn):內裝式軟件化的PLC.(4)界面功能的實現(xiàn)：按用戶的需求定制.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 (5)與PC機的通訊:PMAC提供了三種通訊手段串行方式

14、,并行方式和雙口RAM方式.采用雙口RAM方式可使PMAC與PC機進行高速通信. (6)CNC系統(tǒng)的配置:PMAC以計算機標準插卡的形式與計算機系統(tǒng)共同構成CNC系統(tǒng),它可以用PC-XT&AT,VME,STD32 或者PCI總線形式與計算機相連.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 圖3為采用PMAC為運動控制卡,構成的開放式微機數(shù)控系統(tǒng).該數(shù)控系統(tǒng)在通用PC機基礎上,采用PMAC運動控制器和雙端口RAM.通用PC機主要實現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能,PMAC主要控制軸的運動及面板開關量. 這種數(shù)控系統(tǒng)在軟件構成上可分為PMAC實時控制軟件和數(shù)控上層軟件兩部分.實時控制軟件的設計充分考慮了軟件的開放

15、性,用戶可以根據(jù)某些具體要求增加軟件的功能模塊.PMAC實時控制軟件模塊圖如圖4所示.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究主CPU及主板并口軟驅鍵盤顯示器硬盤串口顯卡PMAC雙端口RAM操作面板控制按扭限位，報警行程開關等。指示燈控制繼電器電磁閥等伺服單元及電機ISA總線圖3 PMAC加PC數(shù)控系統(tǒng)結構開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究PMAC實時控制軟件加工程序解釋模塊插補模塊伺服驅動模塊PLC監(jiān)控模塊數(shù)據(jù)采集模塊圖4 PMAC實時控制軟件模塊開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 上層軟件主要實現(xiàn)系統(tǒng)配置,數(shù)控程序編輯,系統(tǒng)診斷和通信功能,可VC,VB語言編制,利用WINDOWS豐富的功能來實現(xiàn)

16、友好的人機界面. PMAC的軟件通訊功能由PtalkDT的通訊函數(shù)庫完成.PtalkDT則以ActiveX控件形式提供一套類庫,它包含一系列通訊函數(shù),提供上層與PMAC之間快速有效的通訊.利用PtalkDT開發(fā)應用程序,實現(xiàn)了加工程序,PLC程序及運動程序的下傳,上層對PMAC的指令傳輸及PMAC 對上層的反饋等通訊功能.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究3 全軟件式數(shù)控系統(tǒng) 全軟件式數(shù)控系統(tǒng)雖然還沒有形成產品,還在理論研究中,但它代表了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向,將對數(shù)控系統(tǒng)產生革命性的影響. 由于處理機性能的日新月異和操作系統(tǒng)技術的不斷進步,使得以硬件方式出現(xiàn)的運動控制器部件,在可預見的時間內,完

17、全可以用應用軟件的方式來實現(xiàn).這種“硬件功能軟件化”不僅不會導致任何系統(tǒng)性能損失,而且軟件實現(xiàn)的靈活性和硬件平臺無關性將有利于系統(tǒng)實現(xiàn)更深入的開放性和系統(tǒng)性能的快速增長,這正是“全軟件式數(shù)控”的基本思想.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 全軟件式數(shù)控把運動控制(包括軸控制和機床邏輯控制)器通常以應用軟件的形式實現(xiàn).除了支持數(shù)控上層軟件(數(shù)控程序編輯、人機界面等)的用戶定制外,其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運動控制策略(算法)的用戶定制.外圍連接主要采用計算機的相關總線標準,這類系統(tǒng)已完全是通用計算機主流操作系統(tǒng)(實時擴展)上的標準應用.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究全軟件式數(shù)控的主要特征是

18、:(1) 系統(tǒng)的表現(xiàn)形式和目前常見的CAD/CAM等系統(tǒng)一用軟件(設備驅動軟件).(2)完整的機床控制器功能(MMC,PC,MC,AC,PLC).(3)外圍連接采用標準規(guī)范.伺服和離散I/O信號通過一種信號轉接器連接到運行軟件數(shù)控的計算機,伺服,離散I/O和信號轉接器的連接可以是光纖,屏蔽雙絞線等,信號轉接器和計算機的連接可以是網絡,IEEE1394,USB,RS485,SCSI等.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究(4)核心開放體系結構,持人機界面和運動控制算法的用戶定制,對采用智能控制策略有充分的考慮.(5)支持COM或COBRA等軟件技術規(guī)范,可與CAD/CAM軟件無縫集成.(6)加工單

19、元代理(Agent)功能,支持FMS,CIMS,虛擬制造等先進制造的上層應用.全軟件式數(shù)控系統(tǒng)的一種結構模式示意圖如圖5所示.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究機床及伺服信號轉接器CAD/CAMFMS，CIMS等數(shù)控上層應用網絡軟件數(shù)控高性能PC機圖5 全軟件式數(shù)控系統(tǒng)模式示意圖開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 數(shù)控專用模板嵌入通用PC機構成的數(shù)控系統(tǒng)只是實現(xiàn)了有限的“開放”,而且保留有不少專用系統(tǒng)的痕跡,開放性還不夠,開發(fā)環(huán)境和支持手段也不足,要作為用戶方便地進行二次開發(fā)的開放程度還遠未達到.但這種利用PC機設計數(shù)控系統(tǒng)的技術,使得數(shù)控系統(tǒng)的重點由硬件轉向軟件,消除了硬件生產上的“瓶頸”制

20、約,從而可能加快生產出實用產品.而且這種PC-NC畢竟使數(shù)控系統(tǒng)向開放性體系結構邁出了一大步.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究 PC機與開放式可編程運動控制器構成的數(shù)控系統(tǒng),這種基于開放式可編程運動控制器的結構是比較先進的技術,這種系統(tǒng)以通用微機為計算平臺,以PC機上的標準插件形式的開放式運動控制器為控制核心. 伺服控制和機床邏輯控制均由運動控制器完成,運動控制器可編程,以運動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序(G代碼等，支持用戶擴展),以PLC子程序的方式實現(xiàn)機床邏輯控制，運動控制器的開放性還體現(xiàn)在其層次分明的體系結構.實現(xiàn)了兩個級別的開放:人機界面和非實時控制部件的定制和參數(shù)化,實時控制部件的參數(shù)化.開放式微機數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)技術應用研究