开放式数控技术

1、现代数控系统原理、构成与实例第5章 基于PC的开放式数控系统5.1 开放式数控系统概述5.1.1 5.1.1 开放式数控系统开放式数控系统5.1.2 5.1.2 基于基于PCPC的开放式数控系统的开放式数控系统5.2 基于Pc的开放式数控系统体系结构 5.2.1 5.2.1 基于基于PCPC的数控系统类型的数控系统类型 5.2.2 NC 5.2.2 NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统5.1 开放式数控系统概述1.开放式数控系统的提出 数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。传统数控系统采用封闭式的体系结构。即便是计算机数控（CNC）系统,其CNC装置也以专用计算机

2、系统为基础。 虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构,可以获得高性能（如多轴联动的高速高精度控制）、强大的补偿功能、图形功能、故障诊断功能及通信功能等。但出于技术保密和降低成本等原但出于技术保密和降低成本等原因,各数控系统生产厂商通常自行设计数控系统的硬件和软件体系结构,不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软/硬件模块、编程语言、人-机界面都不相同,世界各大数控制造厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通信协议等各方面实施技术垄断、市场垄断,甚至维修服务的垄断,数控系统用户自身无法对购买的数控系统进行功能扩展、系统维护和升级换代,数控系统的维护、维修以及人员培训等全部依赖于世界各

3、大制造厂商。5.1.1 5.1.1 开放式数控系统开放式数控系统 计算机网络技术的发展,使计算机集成制造（CIM）的实现形式从以大型主计算机和大规模数据库为中心的集中型,向以个人计算机为主的小型计算机互相连接、配置成网络的分散型发展。 这一变化不仅拥有技术上的优势,而且更符合实际生产方式的需要。此外,生产系统的开放也对CNC系统提出了“开放”的要求。在“分散网络化制造系统模型”下,以数控机床为代表的底层制造设备将成为网络中的一个节点,要求数控系统能方便地接入网络,并且能够独立、自主地完成一定的任务（包括筒易的CAD/CAM陋集成,局部的调度和工艺规划,局部的故障监控以及向上一级控制器汇报工作情

4、况等）。具有这些特性的制造设备将作为分散网络化制造系统中的节点或模块。实现上述现代生产系统的目标,要求数控系统能够与PC兼容或至少能方便地联入网络,还要求数控系统能充分利用第三方软件实现CAD/CAM集成或其他功能。因此,现代生产系统的进步和发展也提出了制造设备开放性的要求。 为了解决封闭性数控系统日益明显的弊端,以适应生产系统进步和发展的要求,近年来,西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，采用开放式体系结构数控系统的问题。著名的有美国l994年提出的下一代控制器（Next Generation controller NGC）计划,欧洲和日本在20世纪90年代初提出自动控制系

5、统的开放系统结构（open System Architecture for control Within Automation Systems.OSACA）计划和控制器开放系统环境（open System Environment for control1er,OSEC）计划等。2.开放式数控系统的主要优点 开放体系结构数控系统的本质特征是开放性。 其含义：是数控系统的开发可以在统一的平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或裁减功能模块,形成系列化,并可将用户的特殊应用集成到控制系统中,实现不同品种、不同挡次的开放式数控系统。 开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性、可扩展及可互换性

6、、可伸缩性、互操作性等一系列特点。 与传统封闭式数控系统相比,主要具有以下优点。 （1）面向未来开放 由于软、硬件接口遵循公认标准,扩展或升级软、硬件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容。这意味着系统的开发费用将大大降低,系统性能可以持续改善,可靠性可不断提高,产品生命周期可大大延长。 （2）应用软件移植性好 开放式数控系统的应用软件与底层软、硬件支撑无关,便于多位软件设计人员针对相同被控对象,在不同的运行环境下并行开发应用软件。可采用软件工程方法,实现软件的模块化和复用,从而有效地解决数控系统应用软件的产业化,以加快应用软件开发。 （3）网络集成便捷 开放式数控系统采用标准总线和通信网络协

7、议,可接入计算机网络,作为网络加工中的加工设备和通信站点,便于制造网络集成。 （4）人-机界面友好 开放式数控系统采用通用型人-机界面,符合人-机工程学要求,操作方便、易于观察,交互性好。 （5）编程语言标准化 开放式数控系统采用统一性、标准化数控加工编程语言，可以从很本上解决封闭性数控系统编程指令不统一的问题,可大大减少编程劳动。 （6）系统灵活性强 开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展和裁减系统,用户可从低级控制器开始,逐步扩充系统的功能,提高系统的性能。用户也可在系统中融入自己的技术诀窍,创造出具有自己特色的产品。 （7）可减少产品品种 开放式数控系统通用性强,便于批量生产,可有效地保

8、证系统的可靠性井降低制造成本,增强市场竞争力1.基于PC的开放式数控系统产生背景 数控系统的设计可采用全新设计和扩展设计两种途径。 全新设计指：从系统体系结构设计着手,独立提出系统设计的技术规范,并依据独立技术规范进行硬件系统和软件系统的设计。（美国的NCC、OMAC计划及欧共体的OSACA计划,都采用了全新设计的方案。) 总之,开放式数控系统是对封闭式数控系统的巨大挑战,但从它提出后十多年里,虽然西方各工业发达国家投入了大量的人力和物力,但由于研究开发计划庞大、所涉及的关系复杂、技术难度大等原因,至今仍没有在市场上占据重要份额。5.1.2 5.1.2 基于基于PCPC的开放式数控系统的开放式

9、数控系统 在全新设计开放式控制系统进展缓慢时,通用PC的技术性能却在迅速提升,硬件、软件资源日益丰富.工业PC的可靠性也在不断增强,而价格则持续下降。PC体系结构已成为事实上的微型计算机标准,应用面越来越广。 由于PC为插卡式结构,为构造开放式体系结构数控系统搭建了理想的平台,因此,人们很快就将开放式数控系统的着眼点转移到PC扩展设计方面,即以工业PC硬件体系结构和通用实时操作系统为基础,扩展相应的板卡和数控应用软件构成基于PC的开放式数控系统。 20世纪90年代初,Ampro computer公司策略发展部行政副总裁Piek Lehrbaum首先提出“利用PC体系结构,设计新一代的嵌入式应用

10、”。不久,Software Development System的James S Challenger又提出“W1ndows和喧入式计算机技术的融合”,主张利用现有PC的软硬件规范设计新一代数控系统。德国IBH、美国AI、日本朋立公司等也都相继开发了基于PC的数控系统。基于PC扩展设计开放式数控系统思路的提出,极大地推动了开放式数控系统的进步和发展。基于PC体系结构和软、硬件规范设计新一代开放式数控系统成为数控系统开放的重要途径,也是迄今为止的最佳选择。2.基于PC构建开放式数控系统的方法 通用PC标准化程度高,软、硬件资源丰富,信息吞吐量大,适用性强,是构建开放式数控系统的理想平台。 基于P

11、C平台构建开放式数控系统,需要根据开放式数控系统的特殊要求,从硬件和软件两方面对PC进行相应的改造,扩充数控系统专用的板卡和应用软件等。主要包括如下内容: （1）实时处理能力扩充 开放式数控系统属于实时多任务计算机控制系统,其中的计算系统必须具有实时控制和多任务处理能力,即硬件中断能力强,操作系统任务切换时间短，具有支持实时响应的特性。而普通PC的硬件系统配置和DOS或Windows操作系统都不能满足数控系统实时性的要求,在基于DOS或Windows操作系统的数控系统中,必须扩充操作系统的实时处理能力,如增加线程或实时多任务调度,还须对硬件进行相应改造。 （2）适应工业运行环境 数控系统的运行

12、环境属于工业环境,计算机系统的可靠性、电磁兼容性、抗震性和耐高温性等性能指标应能够适应工业运行环境要求。因此,基于PC的开放式数控系统一般采用工业PC（IPC）或各种与PC兼容的嵌入式工业控制计算机,并采用箱式结构,增强散热和防尘等性能,还须对工业PC的通用模板进行力学特性改造和加固。 （3）延长生命周期 普通PC和工业PC更新换代很快,加上不同厂家、不同型号的CPE主板的性能有一定差异,会给数控系统集成带来一定困难。延长数控系统生命周期的最好办法就是加大向用户开放的程度,使数控系统集成商和用户自己能够对数控系统的硬件和软件进行升级。5.2 基于Pc的开放式数控系统体系结构 5.2.1 5.2

13、.1 基于基于PCPC的数控系统类型的数控系统类型 基于PC的开放式数控系统目前大致可分为专用数控加PC前端的复合型、CN嵌入PC型和全软件型3种典型结构。1.1.专用数控加专用数控加PCPC前端的复合型结构前端的复合型结构 这种结构的数控系统将PC作为NC的部件嵌入在数控系统中,用内部总线相连接,PC和NC连接在一起构成前、后台结构,可形成多微处理器数控系统。它的NC部分仍然是传统的数控系统,用户无法介入数控系统的核心,但可利用PC丰富的软件资源,满足开放性要求。 优点：是原来的CNC不必改动,既保持了原来CNC系统强大的功能,又具有数据传送速度快、系统响应时间短的特点。 缺点：是不能充分发

14、挥PC的潜力,开放性受到一定限制,系统造价无法降低。2.NC2.NC嵌入嵌入PCPC型结构（型结构（基于基于运动控制器的开放式数控运动控制器的开放式数控系统）系统） 这种结构的数控系统是在通用PC的扩展槽中插入运动控制板或整个CNC单元（包括内嵌式PLC）。PC将实现用户接口、文件管理以及通信等非实时部分的功能,实时控制（机床的运动控制和开关量控制等）由插入PC扩展槽中的CNC单元或运动控制板来承担。 这种开放式数控系统目前是较为先进的。但是该系统的CNC核心部分_运动控制和伺服控制仍要依赖于专用运动控制卡,还未达到整个产品的硬件通用化。3.3.全全软件型结构软件型结构 全软件型结构CNC（S

15、oftCNC）又称为纯PC型开放式数控系统。这种结构的开放性数控系统的特点是CNC的全部或大部分功能均由PC承担,并通过装在PC扩展槽中的驱动接口卡对伺服驱动进行控制。在PC中采用实时操作系统或对操作系统进行实时功能扩展,由PC完成数控所有的实时任务和非实时任务,如编译、解释、插补和PLC等。 比较上述的3种类型的开放式数控系统,可以发现： 第一种开放式数控系统主要从硬件的模块化和接口的标准化上满足数控系统的开放性,对硬件制造水平要求较高； 第二种数控系统充分挖掘计算机软件的潜力,通过软件模块化和计算机通信标准化构建开放式数控系统,但需要实时操作系统强有力的支持, 第三种数控系统将PC的灵活性

16、和硬件的实时性结合起来,从而降低了对硬件的要求和对操作系统实时性的要求,实践证明是目前实现开放式数控系统最经济、最现实的途径。 由于第一种类型的开放式数控系统还具有很强的封闭性,属于过渡阶段的产品。 以下将着重介绍NC喧入PC结构与纯PC型结构的开故式数控系统。5.2.2 NC5.2.2 NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统 “NC嵌入PC结构”的开放式数控系统也可称为“基于运动控制器”的开放式数控系统。下面将以PMAC运动控制器为代表，阐述“NC嵌入PC结构”的开放式数控系统的硬件和软件体系结构。1 1、PMACPMAC多轴运动控制器多轴运动控制器 可编程序多轴控制器

17、（Programmable Multi-Axis Controller,PMAC）是美国Delta Tau公司1990年推出的基于工业PC和Windows操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器,也是目前世界上功能最强的运动控制器之一。 己在机器人、数控机床、造纸和木材加工机械、各种装配线、食品加工机械、印刷包装等机电一体化设备上得到广泛应用。 PMAC的硬件结构如图5-l所示,图5-l PMAC硬件结构框图 PMAC以Motorola 56001（20/30MHZ）24bit定点数字信号处理器（Digita1 Signal Poreessor,DSP）为核心,并全面拓展DSP的强大功能。PMA

18、C运动控制器作为嵌入在数控系统中的一个高性能伺服运动控制器,可通过灵活的高级语言,实现对1-8个轴的实时伺服控制。通过多卡连接方式还可控制多达128个轴的运动。（1 1）PMACPMAC主要特点及功能介绍主要特点及功能介绍如下：如下： 1）PMAC运动控制器特点： 1、运算速度快，每个坐标轴的伺服更新速度可达2kHz； 2、数据精度高，位置坐标数据可达32位精度、输出数据精度为16/18位； 3、内置丰富优秀的插补算法，包括直线、圆弧、PVT（位置-速度-时间）、 三次样条插补算法用于产生各种类型的运动轨迹； 4、具有良好的通用性，支持标准的机床加工代码（G）代码编程； 5、具有灵活、简练的运

19、动控制程序语言; 6、优良的伺服控制算法：PID+NOTCH滤波+速度/加速度前馈，还支持用户设计的伺服控制算法。 2）PMAC伺服环和计算功能：标准PMAC运动控制器提供PID参数调整、速度和加速度前馈控制功能，阶式滤波器（5-500Hz）功能具备24位增益分辨度，PMAC还具有很强的运算功能，能够进行数学、逻辑和超越函数运算。 3）PMAC输入/输出功能：PMAC中DSP通过DSP GATE（特殊门阵列）与受控轴建立连接关系，每个DSP GATE控制四路编码器和4个模拟输出通道，PMAC可直接接受0-5v的正交编码器信号，PMAC控制器的I/O接口可通过相关附件进行拓展。 4）变量与内存管

20、理功能：PMAC控制器采用I/O与内存统一编址方式，双16位地址空间。当指定地址时，必须指出使用哪一半的内存，或作为一个48位字来使用。如果使用DPRAM，则DPRAM被映射到PMAC内存空间的固定位置（$D000-$DFFF）。PMAC不允许用户自定义变量名，只能使用PMAC本身定义的4种变量（1、P、Q和M），一个变量由字母后跟随0-1023位的数字组成，每个变量都有其特定含义。 5）PLC功能：PMAC除了执行运动控制程序之外，还可执行PLC程序功能。其工作原理与工业控制领域广泛应用的PLC相同，都是以循环扫描逻辑顺序控制程序来执行命令的。其特殊之处在于，他不采用梯形图编程，而是采用类似

21、BASIC等高级语言的编程方式，变成更加灵活方便，易于存储、编辑及调试，而且PLC执行速度也超过普通的PLC。PLC控制程序存储在控制程序缓冲区中，在实际运行过程中，PMAC将PLC控制任务和通信、伺服环更新、运动程序执行等任务分时运行，从而实现多任务实时控制。（2）PMAC常用接口及其功能 PMAC的I/O接口如图5-2所示图5-2 PMAC的I/O接口PMAC共有J1-J11个接口，具体功能如下： 1）、J1（JDISP）显示口。JDISP接口用来驱动（2线*24字符（Acc-12）、）（2*40（Acc-12A）的 LCD显示器，或者2*40的真空荧光（Acc-12c）显示单元。用DIS

22、PLAY命令可以发送要显示的信息。此接口地址空间为Y：$0780-$07D1。 2）、J2（JPAN）控制面板接口。JPAN接口连接附件16（控制面板）或者用户自定义的I/O，通过简单的开关实现PMAC手动控制。此接口包括专用控制输入、专用控制输出、一个正交编码器输入、和一个模拟输入。此功能受参数12控制，若参数12=1，此功能被禁止。 3）、J3（JTHM）多路输入输出接口。JTHM提供8输入8输出TTL电平的多路I/O口，采用非多路复用模式时，16个I/O点课独立使用；在多路复用模式时，SELn可用来确定是哪一路I/O被选择，这种方式可使此接口成倍地增加I/O点数。I/O地址空间为Y：$

23、FFCI。 4）、J4（JRS232）RS232串行口。常用于与PC通信。 5）、J4A（JOPT）RS422串行口。 6）、J5（JOPT）通用I/O口。JOPT提供提供8输入8输出I/O口，I/O口能接受或提供5-24v电压，输出通道最大电流100mA。使用跳线E7可控制输入源，输出口的电压源来自于内部集成电路，用跳线E1-E2改变。这些输入和输出通常通过定义M变量用软件进行读取，变量M1-M8通常用于读取1-8，M11-M18分别用于读取1-8，该接口内存地址为Y：$ FFC2 7）、J6与J7分别为辅助A/D转换接口和A/D转换接口。 8）、J8（JEQU）位置比较及驱动器事能输出口。

24、JEQU提供伺服接口通道的位置比较输出和驱动器使能及方向信号输出，为了确保必要时驱动器完全切断，驱动器使能控制功能非常重要。位置比较输出在编码器位置达到给定值时将提供一个信号沿，对微小距离测量非常有用。 9）、扩展口。利用此接口可以串级连接多块PMAC卡，组成更多轴联动系统。 10）、J11（JMACH1）机器连接口。此接口可接入4通道伺服信号、数字标志信号和编码器。PMAC可在此接口上提供高精度的模拟输出，一般作为速度命令或扭矩命令控制伺服驱动器。每个通道提供互补的由16位数/模转换器得到的DAC输出，范围为-10到+10v。模拟命令输出电路与PMAC的数字逻辑电路是光电隔离的，模拟电路通常

25、从外部放大器获得+15或-15v电源。此接口上每个通道还有4个专用数字输入：+LIMn、-LIMn（行程限制）、HMFLn（回零标志）和FAULTn（放大器出错）。其他一些非专用的标志通过定义M变量可作为普通用途输入端口。2 2、基于运动控制器的开放式数控系统硬件结构及工作原理、基于运动控制器的开放式数控系统硬件结构及工作原理 数控系统采用“NC嵌人PC”结构的开放式结构,在工业控制机（IPC）平台基础上,以PMAC运动控制器作为系统的核心处理器,工控机上的CPU与PMAC的CPU（DSP560001/D5P560002）构成主、从式双微处理器结构。 为了实现PMAC多轴运动控制的功能,还需在

26、PMAC板上扩展相应的I/O板、伺服驱动单元、伺服电动机、编码器等,最终形成一个完整的数控系统。数控系统除PMAC运动控制器外,大部分硬件都采用通用计算机硬件板卡,系统硬件结构框图如图5-3所示。图5-3 系统硬件结构图5-4 系统软件结构 （l）PMAC运动控制器的控制功能 在图5-4所示系统中,PMAC主要完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理和PLC等实控制任务；工控机则主要实现系统的管理功能,同时具再具有充足的支持来改善CNC系统的用户界面、图像显示、动早仿真、数控编程、故障诊断、网络通信等非实时控制功能。 （2）PMAC运动控制器与主机之间的通信 PMAC运动控制器与主机之间通过IS

27、A总线通信。当主机与PMAC运动控制器进行通信时,主机就到预先指定的地址去寻找PMAC运动控制器,该地址由PMAC板上的E跳线决定,用户可以根据需要重新设置E跳线,从而改变PMAC在主机中所占用的地址,控制器与伺服电动机的运行状态、电动机的位置、速度、跟随误差等数据则直接通过ISA总线实现信息交换。 （3）PMAC内置PLC功能 PLC信号的输入/输出由I/O接口板来实现。在整个数控系统中,送入PLC的信号主要有,控制面板和机床上的按钮开关、选择开关等信号；各运动轴的行程开关、机械零点开关等信号；机床电器动作、限位、报警等信号；强电控制柜中接触器、气动开关接触等信号以及各伺服模块工作状态信号等

28、,这些信号通过光电隔离后经I/O接口送入PMAC进行处理。光电隔离能有效地将计算机数字量通道与外部模拟量通道隔离开来,大大地减轻了外部因素的干扰。3 3、基于运动控制器的开放式数控基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构系统的软件结构 基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构主要是由实时控制软件和系统管理软件来构成。实时控制软件的设计充分考虑了软件的开放性，用户可以在PMAC已经集成的基本模块的基础上根据自己的需要增加软件的功能模块。系统管理软件主要由用户自己开发，来实现所有的非实时控制部分的功能。系统管理最基本的应该是实现系统初始化，故障诊断、参数输入及加工程序编辑、系统进程管理和双CPU通

29、信等功能，在这些基本功能的基础上可以再增加网络控制、动态仿真等高级功能。系统乱件结构如图5-4所示 （1）PMAC实时控制软件 PMAC时控制软件包括插补模块、伺服驱动模块、PLC监视模块、加工程序解释模块、数据采集及输出模块等,其功能模块如图5-5所示。图 5-5 PMAC实时控制软件功能模块 1）插补算法模块包括直线插补、圆弧插补及样条插补等。PVT（位置一速度-时间）运动模式；该模式可以对轨迹图形进行直接而紧凑的控制。用户可以对以上儿种模式加以选择和组合。 2）伺服驱动模块用于选择PID位置环伺服滤波器、陷波滤波器（NOTCH FIL）、速度前馈、加速度前馈等,并设置其控制参数,并且这几

30、种伺服算法可以任意组合,用户也可采用极点配置方法,甚至可以直接加人自己的底层位置伺服方法,以适应不同需要,实现个性化伺服控制。 3）PLC监控运行模块里要包括看门狗PLC、上电PLC、主PLC、指示灯管理PLC及下电PLC。主PLC用来完成对控制面板及机床输入、输出的监控，主要包括对机床进行手动、自动调整功能的实现、主轴运动的控制、机床3个坐标轴运动的控制等操作。看门狗PLC对PMAC运动控制器本身及数控系统状态位进行故障险测,在系统上电和加工过程中分别进行如下处理。 1、看门狗PLC在PMAC上电后立即被启动,它通过不断读取DPRAM（双端口RAM）中某地址单元的计数值来判断主机是否进入CN

31、C系统。当相邻两次读得的差值大于某个数时,它便启动上电PLC，对整个数控系统上电；当相邻两次读得的差值小于某个数时,它便启动下电PLC,关闭整个数控系统。 2、看门狗PLC在加工过程中主要对各轴超行程限位开关、跟踪误差极限、伺股输出极限、异常终止等信号进行检测，以确保数控系统安全、可靠地运行。 4）加工程序解释模块由G代码解释程序、M代码解释程序、T代码解释程序组成。这些解释程序在PEWIN32Pro（PMAC的开发工具,是Delta Tau PMAC卡Windows可执行程序）环境下编辑和调试,并下载到PMAC的固定存储器中,在实际加工时被PMAC自动调用。 5）PMAC在使用数据采集及输出模块时,所采集的数据直接送到DPRAM中,而不是按常规送到RAM中。主机与PMAC运动控制器主要通过PC总线通信,至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM交换。 （2）系统管理软件系统管理软件的所有功能都要由用户自己来设计与实现。由于数控系统中的实时控制模块都是由PMAC来实现的,且