开放式数控系统应用举例

第 6 章 开放式数控系统1开放式数控系统应用举例本章将通过对 NC 嵌入 PC 的典型范例PMAC 运动控制卡及其应用的介绍，使读者对开放式数控系统有一个初步的了解。开 放 式 数 控 系 统 的 应 用6.1.1 PMAC 开放式运动控制卡PMAC 全称可编程多轴控制器（Programmable Multi-Axis Controller） ，是美国 Delta Tau Data Systems 公司于 1990 年推出的基于 PC 机平台的开放式运动控制器。它集运动控制和 PLC 控制于一体，具有优秀的插补计算、伺服和 I/O 接口等实时控制能力，最多可控制 32 轴（Turbo PMAC） 。板上的 MACRO 接口允许将诸多的 PMAC 卡联成环形网进行控制。它支持多种总线规范（ISA、PCI、VME 和 STD） ，同一控制软件可以不同的总线上运行，从而提供了多平台支持特性。PMAC 还支持多种电机（如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机，直线电机等）和检测反馈元件（增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等） 。PMAC 以 Motorola 56000 系列 DSP 为 CPU，板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O 接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个 240 的字符液晶显示器。此卡本身就是一个 NC 系统可以单独使用，也可以插入 PC 机中，构成开放式控制系统，其硬件结构如图 6-1-1 所示，表 6-1-1 为 PMAC 开放式运动控制器的主要技术性能指标。图 6-1-1 PMAC 开放式运动控制卡表 6-1-1 PMAC 开放式运动控制器的主要技术性能指标Comment JZF1: 系统结构第 6章 开放式数控系统2表 6-1-1 开放式运动控制器的主要技术性能指标主要技术性能指标 TURBO-PMAC控制轴数 32通道结构（坐标系） 16联动轴数 32插补（直线、圆弧、螺旋线） 有非均匀有理样条插补(NURBS) 有三阶多项式插补 有CPU DSP56300CPU频率(MHz) 80,100程序段处理能力 1000段/分预测（Look Ahead）功能 有速度和加速度前馈控制 有S曲线加减速控制 有同步控制功能 有刀具半径和长度补偿 有丝杠螺距误差补偿 有高速位置采集 有电子齿轮和电子凸轮 有编程语言 RS274和类 Basic语言网络接口 Macro Ring直接数字驱动能力PWM直接连接放大器，可驱动各种交流、直流、步进、直线电机PLC 能力内装 64个 PLC（实时 PLC,编译好再执行的 PLC, 解释执行的PLC）6.1.2 KT560-T开放式车床数控系统T560_T开放式车床数控系统由 PMAC-LITE四轴运动控制卡和工业控制计算机组成，它的软件分为上位机（PC）和下位机（PMAC）两部分。上位机主要完成系统的管理功能，如人机界面的实现，加工状态显示，仿真的实现，参数编辑，参数配置，程序文件编辑，端口状态监测和故障的诊断等工作。下位机的软件主要是实现机床的运动控制与信号的逻辑控制。PTALK 部分为上位机与下位机的通信模块。其结构如图 6-1-2所示。第 6 章 开放式数控系统3图 6-1-2 KT560_T 软件结构图KT560_T 数控系统是在上海开通数控有限公司的 FONCS 通用数控系统开发平台的基础上的构建的。FONCS 充分的应用了 OOP 的设计思想并结合了工业控制领域的组态软件的特点。用户可以通过 FONCS 的开发工具，对软件功能模块进行可视化的配置，从模块库中调出需要的功能组件或者删除不必要的组件。FONCS 的开发工具对系统配置的结果保存在一个数据库文件中，当 FONCS 在运行环境中启动时，会根据这个数据库中的信息，动态生成用户界面(图 6-1-3 与图 6-1-4)。用户借助于这样一个机制，可以在短时间内为自己的机床定制专用的控制系统。图 6-1-3 KT560_T 的界面结构Comment JZF2: 三维动态仿真技术第 6章 开放式数控系统4图 6-1-4 系统界面（主界面、手动界面、自动界面和诊断界面）系统的各个界面都是通过系统菜单来进行切换的，KT560_T 中提供了一个菜单编辑器(图 6-1-5)，用户可以通过这个工具自定义菜单的结构和菜单按钮的外观，充分体现了系统的开放性。图 6-1-5 菜单编辑器在使用数控机床的过程中，数控程序的检查方法是影响生产率的重要因素之一，数控程序校验常用的有三种方法，一是由编辑人员检查 NC代码、数据；二是在机床上“以笔代刀” ，模拟加工画出刀具轨迹；三是采用计算机来模拟刀具和工件的相对运动来进行检查。显然前两种方法费时、费力，增加了机床的占用时间；而第三种方法直观、快速，可减轻编程人员的工作量，提高数控机床使用率。KT560_T中的动态三维仿真功能，可仿真车床的车削过程，具有真实感。三维数控仿真是数控机床在虚拟环境中的映射，集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计（CAD） 、计算机辅助制造（CAM） 、建模和仿真技术于一体。在此虚拟环境中刀具对工件进行虚拟切Comment JZF3: 参数管理、口令保护第 6章 开放式数控系统5削，能检查数控程序的正确性、合理性、对加工方案的优劣做出评估和优化；达到缩短产品加工周期，降低成本、提高质量的目的。KT560_T的仿真采用实时动画方式，首先生成一个毛坯，然后根据机械加工时的材料去除规律生成动画的每一帧。三维仿真通过三维演示窗口显示在屏幕上。在自动模块和编辑模块中，都可在文件的打开和保存时进行快速的仿真演示。图 6-1-6为加工一个保龄球瓶时的动态三维效果演示。图 6-1-6 三维演示KT560-T数控系统的系统参数管理功能,能够同时满足开放性与灵活性、安全性与可靠性的要求。由于数控机床涉及的参数很多，不同类型的数控机床甚至同一类型不同的数控机床都有各自不同的参数，这给参数管理带来了不便，要求参数管理模块具有很大的灵活性与开放性，当被管理的参数发生变化时，参数管理模块能自动适应产生的变化，即能对参数的增加、减少、类型的变化等进行动态的管理。KT560_T 提供了一个参数设计软件工具（软件参数界面见图 6-1-7） ，允许系统制造厂商自行定义和编辑系统参数。图 6-1-7参数界面第 6 章 开放式数控系统66.2 开 放 式 运 动 控 制 器 实 验 装 置开放式运动控制器实验装置的主要功能有：执行运动程序和 PLC 程序、控制和调整伺服电机运行特性、系统的故障监控和与计算机通讯。它能帮助我们学习数控机床运动与插补原理，进而根据实际的控制要求开发数控机床需要的各种功能。6.2.1 实验装置的基本组成开放式运动控制实验装置的基本组成： 一台 IBM-PC 或兼容计算机； 一块四轴运动控制卡 PMAC-LITE；一个带数控操作面板的装有四路直流伺服驱动器与四个带编码器的直流伺服电机的机箱。 ，如 图 6-2-1 所示， 机箱内部有一开关电源，输入为 AC220V，输出的 DC+/-12V 供 PMAC内部数摸转换电路用，输出 DC24V 作为电机驱动卡的驱动电源。机箱操作面板上的 ON/OFF开关控制电机驱动卡的电源，ACC8D OPT 4A 卡是四轴电机驱动卡，负责将 PMAC 送出的模拟量信号转换成电机的速度和转矩，控制电机运行。另外，机箱内部还有二块信号转接板，一块与 PMAC 卡的 J2、J3、J5、J11 输入/输出端口相连，转接信号；另一块连接机箱操作面板上的控制按钮、开关及指示灯，分别表示 PMAC 的输入和输出。图 6-2-1 PMAC-LITE 控制系统的结构6.2.2 PMAC 的命令和变量集用 PMAC 的命令和变量编写运动程序和 PLC 程序，控制伺服系统工作，进而可开发各种应用软件，实现需要达到的功能。1. 在 线 命 令 （ 立 即 执 行 ， 不 存 储 ）1）全局命令&1 指定坐标系 1 为当前寻址的系统#1 指定电机 1 为当前寻址的电机$ 全局复位，包括所有的电机和坐标系第 6 章 开放式数控系统7SAVE 保存 I 变量到 EEROM 中OPEN PROG 1 打开运动程序 1 的缓冲器CLEAR 清除打开缓冲器的内容2) 坐标系定义命令#1x 定义电机 1 为 x 轴，比例系数为 1。R 运行当前寻址的运动程序 当前坐标系中进给保持，并允许手动控制轴向运动。A 立即终止当前的程序和轴运动% 报告当前进给倍率值%100 指定进给倍率值为 100%3）电机命令HM 电机执行返回参考点运动#1J+ 手动电机 1 向正方向运动J/ 停止手动运动的电机，变开环控制为闭环。P 报告指定电机的位置V 报告指定电机的速度2. 运 动 程 序 命 令这是一组缓冲命令，存放在缓冲器中，用 R 命令执行，其作用是指定运动位置，运动方式和属性，程序逻辑控制，变量赋值。例如：X100Y（P1）Z（P2*P3） 指定 X、Y、Z 的运动位置LINEAR 直线插补方式CIRCLE0 顺时针园弧插补方式ABS 所有的轴以绝对值方式运动INC（X） X 轴以增量值方式运动TM100 指定运动时间为 100msGOTO（标号） 跳转到指定标号的程序段I130=3000 I 变量赋值SENDP“abcd” 通过总线传送”abcd” 给计算机TA 指定运动加速时间3. PLC 程 序 指 令这也是一组缓冲命令，重复执行，其中包括运算、逻辑控制、信息传送等命令。例如：IF ELSEENDIFWHILEENDWHILECOMMAND“#4HM” 指定“电机 4 返回参考点”命令4. I， P， Q 和 M 变 量I 变量用于设定 PMAC 卡的性能，伺服电机控制和编码器参数；P、Q 变量作为通用变量，在运算中赋值和传送信息，Q 变量还可以在坐标系中作其它特殊用途；M 变量可以直接定义存储器和 I/O 接口，通过 M 变量的读写，对 I/O 接口和各轴的实际位置、理论位置进行操第 6 章 开放式数控系统8作。6.2.3 运动程序组成和作用运动程序由一些例命令语句组成，用于轴向定位和轮廓轨迹运动。1. 运 动 命 令X1000 Y2000 Z3000U(P1*3.14159) V(20*SIN(Q6)DWELL, DELAY2. 模 式 命 令ABS，INC，FRAX，NORMAL ，LINEAR，CIRCLEn ,RAPID, SPLINEn, PVTTA, TM, TS, F3. 变 量 赋 值变量=表达式4. 逻 辑 控 制 语 句N，O，GOTO，GOSUB，CALL，RETURNG，M，T，D（特殊的 CALL 语句）IF，WHILE，ELSE，ENDIF，ENDWHILE5. 辅 助 语 句COMMAND，SEND，DISPLAY，ENABLE PLC，DISABLE PLC6. PMAC 的 运 算 符 （ 在 运 动 程 序 和 PLC 程 序 中 使 用 ）& 位“与”位 SIN 正弦| 位“或”位 COS 余弦 位“异或”位 TAN 正切= 等于 ASIN 反正弦!= 不等于 ACOS 反余弦 大于 ATAN 反正切! 小于等于 ATAN2 扩展的反正切1000X 定义 5 号电机移动单位 1mm=1000 计数单位运动程序：OPEN PROG 2 打开程序 2 缓冲器CLEAR 清除缓冲器中的内容LINEAR 直线插补INC 增量方式TA500 加速度时间为 500msTS250 S 曲线加速度时间两边为 250msTM2000 从起点到终点运动时间为 2 秒P1=0 计数器设置初值WHILE (P10) DWELL(Q166*1000) 停顿时间以毫秒为单位ENDIFRETURNN17000 NORMAL K-1 RET G17 指定 XY 平面N18000 NORMAL J-1 RET G18 指定 ZX