開放式數(shù)控系統(tǒng)

1、開放式數(shù)控系統(tǒng)及PMAC簡介開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念I(lǐng)EEE(美國電氣電子工程師協(xié)會)關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義是:能夠在多種平臺上運行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式。通俗地說，開放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容。開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特點：（1）模塊化包括數(shù)控功能模塊

2、化和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模塊化。前者是指用戶可以根據(jù)自己的要求選裝所需的數(shù)控功能；后者是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)各個功能的算法是可分離的、可替換的。模塊化是數(shù)控系統(tǒng)開放的基礎(chǔ)開放式數(shù)控系統(tǒng)（2）標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)控裝置的開放是在一定的標(biāo)準(zhǔn)約束下進(jìn)行的，各個公司開發(fā)的各種部件和功能模塊必須符合這個標(biāo)準(zhǔn)。按這個標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不同公司的產(chǎn)品可以拼裝成一臺集多家公司智慧的、功能完整的控制器。標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)是模塊化，因為標(biāo)準(zhǔn)的制定要建立在模塊合理劃分的基礎(chǔ)上。開放式數(shù)控系統(tǒng)（3

3、）可移植性不同應(yīng)用程序模塊可運行于不同生產(chǎn)商提供的系統(tǒng)平臺，同時系統(tǒng)軟件也可運行于不同特性的硬件平臺之上。因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、控制機制，并且通過一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運行于不同的硬件平臺上。開放式數(shù)控系統(tǒng)（4）二次開發(fā)性開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)允許用戶根據(jù)自身的需要進(jìn)行二次開發(fā)。比較簡單的二次開發(fā)包括用戶界面的重新設(shè)計、參數(shù)設(shè)置等。深層的二次開發(fā)允許用戶將自己設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊集成到開放式數(shù)控系統(tǒng)中。

4、所以系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供接口標(biāo)準(zhǔn)，包括訪問和修改系統(tǒng)參數(shù)的方法以及開放式系統(tǒng)提供的API(應(yīng)用程序接口)和其他工具。開放式數(shù)控系統(tǒng)（5）網(wǎng)絡(luò)化現(xiàn)代意義上的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)以通訊和資源共享為手段以車間乃至企業(yè)內(nèi)的制造設(shè)備的有機集成為目標(biāo)支持ISOOSI網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)規(guī)范能支持InterIntra標(biāo)準(zhǔn)，具有很強的開放性，它的聯(lián)網(wǎng)功能通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實現(xiàn)而不需要其他的接口部件或者上位機。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)比較圖：開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系

5、結(jié)構(gòu)開放體系結(jié)構(gòu)是從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放。基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計算機的軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編制程序，用戶可將標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活地組合和使用。使用計算機同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下三種類型：開放式數(shù)控系統(tǒng)（1）PC嵌入NC型該類型系統(tǒng)是將PC裝入到NC內(nèi)部，PC與NC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時，原型NC系

6、統(tǒng)也可不加修改就得以利用。這種數(shù)控系統(tǒng)盡管具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)還是不開放的。開放式數(shù)控系統(tǒng)此類系統(tǒng)如日本的FANUC160180210是典型的PC嵌入NC模式的CNC系統(tǒng)。在FANUCCNC專用32位總線插槽中插入一塊名為MMCIV的PC模塊，通過專用接口使CNC與MMCIV緊密結(jié)合。德國的SIEMENS840D系統(tǒng)包括集成有PLC的MMC模塊，通過多點接口(MPI)與NCU(含CNC和P

7、LC部分)模塊相連。開放式數(shù)控系統(tǒng)（2）NC嵌入PC型該類型系統(tǒng)就是將運動控制板或整個CNC單元(包括集成的PLC)插入到個人計算機的擴展槽中。PC機作非實時處理，實時控制由CNC單元或運動控制板來承擔(dān)，這種方法能夠方便地實現(xiàn)人機界面的開放化和個性化。開放式數(shù)控系統(tǒng)美國的DELTA公司的PMACNC開放式數(shù)控系統(tǒng)將PMAC卡(可編程多軸運動控制器)插入PC機擴展槽中，總線接口為CANBUS。德國INDRAMAT公司的MTC200系列開放

8、式數(shù)控系統(tǒng)將MTCPCNC和MTCPPLC卡插入PC機擴展槽中，總線接口為SERCOS。POWERAUTOMATION公司的PA8000系列數(shù)控系統(tǒng)同樣將PACNCENGINE運動控制卡插入PC機擴展槽中，構(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)。開放式數(shù)控系統(tǒng)（3）全軟件型NC該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC實現(xiàn)，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。這種CNC裝置的主體是PC機，充分利用PC機不斷

9、提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題（1）制定一個開放式數(shù)控系統(tǒng)的制造協(xié)議在系統(tǒng)的應(yīng)用軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)功能方面形成一整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范系統(tǒng)的軟硬件界面和通訊協(xié)議，使得控制器制造商和機床生產(chǎn)廠能在制造協(xié)議的導(dǎo)航下進(jìn)行有序的開發(fā)和生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)廣泛的合作。開放式數(shù)控系統(tǒng)（2）實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并提高其可

10、靠性和實時性通過對系統(tǒng)CPU結(jié)構(gòu)模式、通訊方式、運動控制和輔助控制等方面進(jìn)行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行通訊。開放式數(shù)控系統(tǒng)（3）構(gòu)造一種獨立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺針對數(shù)控系統(tǒng)的實時性和多任務(wù)性特點，應(yīng)構(gòu)筑一種實時多任務(wù)軟件平臺，并使其基本功能模塊化、典型化，使各個功能模塊實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和相互獨立，這樣在為不同硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)提供軟件時，只需按其功能配置相應(yīng)的軟件模塊，

11、即可實現(xiàn)軟件的獨立性和開放性。由于每個功能模塊不會對其他功能模塊產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)生影響，因此，用戶可按需要編制新的功能模塊，添加到系統(tǒng)中，亦可取代系統(tǒng)中現(xiàn)有的功能模塊，使得系統(tǒng)具有良好的功能擴展性。（4）開發(fā)出一個優(yōu)化系統(tǒng)軟件，把各種優(yōu)化技術(shù)集成在軟件包中利用該軟件來優(yōu)化配置系統(tǒng)加工參數(shù)，使加工過程最優(yōu)化。通過分析比較多種智能模塊技術(shù)，選擇出一種重構(gòu)產(chǎn)品最優(yōu)控制模塊，完成系統(tǒng)的第二次開發(fā)。開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究狀況1.國外的

12、研究情況（1）美國的NGC計劃美國是開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)起人，于1987年提出了NGC（NextGenerationWkstationMachineController）計劃。開放式數(shù)控系統(tǒng)NGC計劃的目的是為基于開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的下一代機械制造控制器提供一個標(biāo)準(zhǔn)，這種體系結(jié)構(gòu)允許不同的設(shè)計人員開發(fā)可相互交換和相互操作的控制器部件。一個完全合格的67包括開發(fā)的可能性，例如多個裝置間的協(xié)調(diào)，裝置的全獨立編程，基于模型的處理，自適應(yīng)路徑策略

13、和大范圍的工作站及實時特性等。NGC的體系結(jié)構(gòu)是在虛擬機械的基礎(chǔ)上建立起來的，通過虛擬機械把系統(tǒng)和模塊鏈接到計算機平臺上，如圖所示：開放式數(shù)控系統(tǒng)（2）歐洲的OSACA計劃OSACA計劃是1990年有歐共體國家的22家控制器開發(fā)商、機床生產(chǎn)商、控制系統(tǒng)集成商和科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的。OSACA計劃提出的“分層的系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)化的功能單元”的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)保證了各種應(yīng)用系統(tǒng)與操作平臺的無關(guān)性及相互間的互操作業(yè)，保證了開放性。開放式數(shù)控系統(tǒng)

14、（3）日本的OSEC計劃日本的OSEC計劃，由東芝機器公司、豐田機器廠和Mazak公司三家機床制造商和日本IBM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建。其目的是建立一個國際性的工廠自動化控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。在硬件方面，OSEC計劃采用PC控制卡的結(jié)構(gòu)，有利于層次化、模塊化、靈活配置的實現(xiàn)。OSEC將功能單元分組并結(jié)構(gòu)化在一些功能層中，其開放體系結(jié)構(gòu)包括了3個功能層共5個處理階層如圖所示：開放式數(shù)控系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究狀況2.我國的研究情況

15、與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級階段。目前，在國內(nèi)市場中，中、高檔產(chǎn)品主要被進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)，而在較抵擋的經(jīng)濟型數(shù)控機床市場我國的產(chǎn)品占據(jù)主要地位。我國主要的產(chǎn)品有北京的中華系列，沈陽的藍(lán)天系列和武漢的華中系列，其中華中世紀(jì)之星可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，是國內(nèi)比較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)。PMAC運動控制卡簡介簡介PMAC(ProgrammableMultiAxisController)可編程多軸運動控制器，是美國DeltaTauDat

16、aSystem公司于推出的PC機平臺上的運動控制器是一個完全開放的系統(tǒng)。它采用了Motola公司的高性能信號數(shù)字處理器DSP560012作為CPU是世界上功能最強大的運動控制器之一。從硅谷計算機硬盤的超高精度的伺服磁道寫入，到高級CNC機械控制，以及機器人、硅晶片處理、激光切割等廣大領(lǐng)域，最著名的例子是PMAC被用來控制哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡面的修磨。PMAC可以控制步進(jìn)、交直流伺服、直線電機、液壓伺服等各類電機，可以接受諸如增量絕對碼盤、光柵尺

17、、激光干涉儀、電位計、旋轉(zhuǎn)變壓器等檢測元件的反饋功能。另外，由于作為CNC最深層次的NC內(nèi)核的開放，PMAC允許用戶使用諸如VC、C、C、VB、Delphi等多種語言開發(fā)程序極大地方便了用戶。PMAC的硬件原理圖和結(jié)構(gòu)框圖：J1:模擬量輸入口此接口可接受16路05V的12位的模擬信號J2:多端口IO擴展口可提供8進(jìn)8出點供用戶使用J3:通用IO接口此接口可提供16進(jìn)16出輸入輸出點J4:光纜接口用于與具有光纜接口驅(qū)動器和IO板使用J5:

18、串行數(shù)據(jù)接口可與上位機進(jìn)行串口通訊J6:顯示器接口J7:手輪編碼器接口可接收手輪脈沖或編碼器信號J8:位置比較量等輸出信號接口J9～J12:1～8號電機的輸入輸出接口PMAC運動控制器提供了運動控制、過程控制、離散控制、內(nèi)部處理、同主機的交互等基本功能伺服控制包括PID和速度、加速度前饋控制。它的速度、分辨率、帶寬、伺服控制精度等指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。它能夠?qū)Υ鎯υ趦?nèi)部的程序進(jìn)行單獨運算，執(zhí)行運動程序、PLC程序進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以

19、串口、總線兩種方式與主計算機進(jìn)行通訊。PMAC本身就是一臺完整的計算機能夠完全獨立于操作系統(tǒng)之外處理存儲的程序，進(jìn)行加工。而且它還可以自動對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級判別，從而進(jìn)行實時的多任務(wù)處理，這使得它在處理時間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負(fù)擔(dān)。即使在主機控制之下兩者之間的通訊也是一臺計算機和另一臺計算機之間的通訊，而不是計算機和外部設(shè)備的通訊。通過特定設(shè)計的門陣列ICS(作為DSPGATE)，PMAC實現(xiàn)CPU與軸的通信。PMA

20、C所控制的8根軸既可聯(lián)動，亦可在各自的坐標(biāo)系中完成各自獨立的完全運動。PMAC卡的使用調(diào)試用戶使用PMAC的時候，首先需要正確的連線，然后設(shè)置滿足具體要求的功能I變量值，包括電機、編碼器、輸入輸出以及伺服環(huán)所對應(yīng)的I變量，在組織用戶程序的時候，主要任務(wù)就是調(diào)用PMAC的特有函數(shù)以及編寫要求的運動程序下載執(zhí)行。PMAC卡使用前的調(diào)試準(zhǔn)備工作重要有以下四個步驟：(1)根據(jù)控制的需要設(shè)置好PMAC卡上的E跳線在PMAC卡上，可以看到很多E跳線

21、（金屬插腳對），有些已被短接，有些是斷開的。這些跳線對某一給定功能定制了硬件特性，PMAC卡出廠前的跳線已被設(shè)置為滿足一般用戶的需求，所以開始不必改變?nèi)魏翁€，但在開始前要對跳線進(jìn)行檢查以確保他們是正確的。(2)關(guān)掉計算機電源，把PMAC卡插入電腦主板上的一個ISA插槽中PMACLite需要總線上的一個插槽；PMACPC需要總線上的112個插槽，在另一個插槽上允許一個半尺寸的主板；PMACVWE需要兩個插槽（一個雙插槽）；PMACSTD

22、的四個通道版本需要兩個插槽，八個通道版本需要三個插槽。本設(shè)計采用的是PMACPC型，因此只需要一個插槽。(3)安裝PMAC可執(zhí)行程序建立主機通信系統(tǒng)主要利用PMAC執(zhí)行程序及與之配套的安裝程序來完成PC機與PMAC的通訊以及隨后的調(diào)試、配置、優(yōu)化PMAC卡上有關(guān)電機的軟件參數(shù).(4)設(shè)置坐標(biāo)系為了保證在PMAC上能運行程序，必須首先設(shè)立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，與程序中的坐標(biāo)系對應(yīng)，保證程序的正確執(zhí)行。在完成調(diào)試準(zhǔn)備工作以后就要設(shè)定滿足具體要求的I變

23、量值，下面將介紹PMAC卡的幾種重要變量：PMAC變量和功能1.I變量(1024)初始化和變量設(shè)置提前定義其含義有的影響卡的全局有的是電機的定義有的是坐標(biāo)系的定義有的是編碼器的定義2.P變量(1024)用戶定義的變量48bit浮點格式全局存取(與坐標(biāo)系無關(guān))3.Q變量(1024)用戶定義的變量48bit浮點格式與坐標(biāo)系的定義有關(guān)4.M變量(1024)提供用戶有權(quán)使用卡的內(nèi)存和IO寄存用戶定義地址偏置值和位寬度無方向可雙向BCD碼可用的浮

24、點格式PMACI變量概述I0I99卡全局設(shè)定I100I186電機1設(shè)定I187I199坐標(biāo)系1設(shè)定I200I286電機2設(shè)定I287I299坐標(biāo)系2設(shè)定…..I800I886電機8設(shè)定I887I899坐標(biāo)系8設(shè)定I900I989硬件設(shè)定基本電機定義I變量Ix00電機x有效(x=電機序號)（1）Ix00=0電機x無效不執(zhí)行伺服計算沒有位置報告（2）Ix00=1電機x有效伺服計算速度為30mseccycleIx01電機x換相(x=電機序號)

25、（1）Ix01=0不需PMAC執(zhí)行換相不執(zhí)行換相計算一路模擬量輸出（2）Ix01=1由PMAC執(zhí)行換相相計算速度為3mseccycle一個電機需要2路模擬量Ix70Ix83必須使用Ix15在終止和遇到限位時的減速速率(單位:ctsmsec2浮點形式)一定不要設(shè)為“0”!!!(電機將沒有減速)Ix16準(zhǔn)許的最大編程速度(單位:ctsmsec浮點)只對直線速度混合方式(I13=0)速度修調(diào)可使此速度比例變化(%值)也適用于RAPID快速方式

26、，如果I50=1Ix17允許的編程最大加速度(單位:ctsmsec2浮點)只對直線混合運動(I13=0)速度修調(diào)可使此速度比例變化(%值)也適用于RAPID快速方式，如果I50=1Ix19允許的JOG最大加速度(單位:ctsmsec2浮點)可以用TA(Ix20)TS(Ix21)修調(diào)如果Ix20=0Ix21=0，總用此加速度設(shè)置完I變量值后就可以應(yīng)用PMAC卡自帶的編程指令進(jìn)行基本的運動控制。這些指令是能夠?qū)崿F(xiàn)對PMAC控制的基礎(chǔ)，要實現(xiàn)

27、對PMAC卡的控制，必須對這些指令有細(xì)致的了解：1.在線指令被PMAC卡接受后可以立即執(zhí)行的指令地址模式指令#n讓電機n為當(dāng)前編址的電機#報告當(dāng)前編址的電機號&n定義坐標(biāo)系n為當(dāng)前編址的坐標(biāo)系&報告當(dāng)前編址的坐標(biāo)系一般全程指令UNDEFINEALL取消所有坐標(biāo)系的定義緩沖區(qū)控制指令OPENPROG常量為進(jìn)入編輯打開指定運動程序緩沖區(qū)OPENROT打開所有定義好的循環(huán)程序緩沖區(qū)OPENPLC常量打開指定的PLC程序緩沖區(qū)CLOSE關(guān)閉當(dāng)前

28、打開的緩沖區(qū)CLEAR刪除打開的緩沖區(qū)的內(nèi)容2.在線坐標(biāo)指令在指定的坐標(biāo)系下可以立即執(zhí)行的指令軸定義指令#n[常量]軸[常量]按電機號，軸比例系數(shù)，偏移量來定義軸例：#1X#42000A500#n[常量]軸[[常量軸[常量]軸]][常量]按電機號，軸比例，系數(shù)偏移設(shè)置定義2或3軸。只在XYZ或UVW組中才有效例：#18000X5000Y軸特征指令I(lǐng)NC[（軸[，軸…]）]所有軸（或指定的軸）以增量方式運動ABS[（軸[，軸…]）]所有軸

29、（或指定的軸）以絕對值方式運動一般電機指令HM執(zhí)行電機的回零程序HMZ執(zhí)行電機的回零程序不產(chǎn)生運動電機微動指令J電機按正向無限微動J電機按反向無限微動J電機微動停止，并恢復(fù)到位置控制J=電機微動到前一次微動或前一次手動的位置J=常量電機微動到指定位置3.運動程序指令控制運動狀態(tài)和參數(shù)的指令軸運動指令軸數(shù)據(jù)[軸數(shù)據(jù)…]簡單的運動語句例：X100Y100軸數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)[軸數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)…]給定位置和速度的移動例：X5000：750Y3500（P3

30、）DWELL數(shù)據(jù)保持位置不變；基于定時的基礎(chǔ)上DELAY數(shù)據(jù)保持位置不變；基于可變時間的基礎(chǔ)上HOME常量[，常量…]讓指定的電機返回零點HOMEZ常量[，常量…]讓指定的電機做回零運動運動模式指令LINEAR直線插補運動模式RAPID快速定位模式CIRCLE1順時針圓弧插補運動模式CIRCLE2逆時針圓弧插補運動模式運動特征指令F數(shù)據(jù)指定運動速度（模態(tài)的）TA數(shù)據(jù)指定運動加速時間（模態(tài)的）TS數(shù)據(jù)指定S曲線加速度時間（模態(tài)的）圓弧插補