[理学]开放式数控系统.ppt

作者：聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院 Numerical Control TechnologyNumerical Control Technology E_MAIL: 第八章 开放式数控系统及其设计 一 概 述 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展 ，人们逐渐认识到专用CNC系统之间的自成一体所 带来的互不兼容的弊病，迫切需求具有配置灵活 、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统 一管理的开放式系统。 各国纷纷开展新一代开放式体系结构数控系统的情况： 美国：“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC 欧共体：“自动化系统中开放式体系结构”OSACA 日本：OSEC计 划等 1987年，美国提出了下一代控制器计划NGC(Next Generation Workstation/Machine Controller)和开放式系统 体系结构标准SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Systems)首次提出了开放式体系 结构的概念。 1992 年，OSACA-Open System Architecture for Controls within Automation Systems Open System Environment for Controllers 二 开放式数控系统的定义及优点 1 开放式数控系统的概念及特点 IEEE定义开放式系统为：一个开放式系统应能使得 各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平 台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致 的用户交互界面。 从目前研究来看，开放式数控系统体系结构还没有统 一、明确的概念，实现技术还处于百家争鸣的阶段。 一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征 ： 即插即用(plug 缺点是不能直接利用通用 的PC，开放性受到限制，NC部 分仍然是传统的数控系统，其体 系结构还是不开放的。这类系统 主要为一些CNC控制器制造商 所采用，其结构复杂、功能强大 ，价格昂贵。 将运动控制卡插到PC的扩展槽 中，运动控制卡利用了以DSP为核 心的多轴运动控制技术，其主要特 点在于它的集成化、兼容性和高速 性。 这类系统中，PC机一般处理各 种非实时性的任务,比如人机交互界 面、加工图形显示等；而插补、位 置控制、速度控制等实时性要求很 高的任务则由运动控制卡来完成。 运动控制卡配有开放的函数库以供 其用户自行开发、构造自己的控制 系统。这种类型的开放式数控系统, 可以充分利用PC的丰富的软硬件资 源,并且软件开发周期短,通用性好。 其CNC软件全部装在PC机中,硬件 部分插在PC机扩展槽中的I/O板,为 用户提供最大的灵活性。 此类系统运行在通用的非实时 windows操作系统平台上,系统的实 时性处理便成为一难点。针对其弱 实时的特性,通常对其内核进行实时 扩展,引入强实时扩展软件,以处理强 实时任务。尽管全软件数控系统提 供了高度开放的体系结构,但由于操 作系统的实时性、标准的统一性以 及系统的稳定性等一系列问题,此类 系统还处于研究和实验阶段,尚未成 熟。 采用NC嵌入PC的模 式来构建开放式数控系 统是当前一种可行的有 效的方法。 四、基于PMAC(PC+NC型)的开放式数控系统设计 PC-NC模式开放式数控系统的结构 扩展接口卡1 扩展接口卡2运动控制卡 控制软件AB C PC操作系统 控制卡设备驱动 控制软件扩展 控制结口扩展 PC硬件接口规范 PC软件接口规范 数控机 床 1、 PC + NC模式数控系统构成 PMAC(programmable multi-axes controller)是美国 DELTA TAU公司九十年代推出的多轴运动控制器。是开放式多 轴运动控制器的代表。采用板卡结构，支持多种总线通讯型 式（包括PC/104 、ISA、PCI、VME和STD等），产品主要有： PMAC2A-PC/104、Turbo PMAC Clipper、Turbo PMAC2 PCI、PMAC2 PCI、Turbo PMAC PCI、UMAC、QMAC。它 们既可联机也可脱机独立工作。应用PC+PMAC控制卡构成的 PMAC开放式数控系统,获得了良好的应用效果。 2、PMAC控制卡 PMAC运动控制器集运动控制和PLC控制于一体， PMAC以 Motorola 56000系列 DSP为CPU，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 ）。 PMAC PC104 PMAC PC104 扩展卡 PMAC PC104 扩展卡 2.1、PMAC控制卡的特点 (1)可与不同伺服系统的连接：伺服接口有模拟式和数字式两 种，能连接模拟、数字伺服驱动器，交、直流伺服电机伺 服驱动器及步进电机驱动器。 (2)可与不同检测元件的连接：测速发电机、光电编码器、光 栅、旋转变压器等。 (3)功能的实现：内装式软件化的PLC。 (4)界面功能的实现：按用户的需求定制。 (5)与PC机的通讯:PMAC提供了三种通讯手段串行方式 、并行方式和双口RAM方式。采用双口RAM方式可使PMAC与 PC机进行高速通信。 (6) CNC系统的配置：PMAC以计算机标准插卡的形式与计算机系 统共同构成CNC系统，它可以用PC-XT&AT,VME,STD32 或者 PCI总线形式与计算机相连。由此提供了多平台的支持特性 。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型 。体现了开放性的特点。 主CPU及主板 并口软驱键盘显示器硬盘串口 显卡 PMAC双端口RAM 开关量输入： 操作面板、 控制按扭、 限位、报警 行程开关等。 开关量输出： 指示灯 控制继电器 电磁阀等 伺服控制： 伺服单元 及电机 ISA总线 2.2、PC+ PMAC数控系统结构 网卡 主轴 主轴编码 器 图为采用PMAC为运动控制卡构成的开放式微机数控系 统。该数控系统在通用PC机基础上，采用PMAC运动控制器 和双端口RAM，通用PC机主要实现系统的管理功能，PMAC 主要控制轴的运动及面板开关量。 MS-DOS 位置控制 I/O控制 PLC 过程控制软件 程序 编辑 参数 设置 解释 程序 PLC 管理 MDI 故障 诊断 RAM NCBIOS 实时控制（底层）软件 上层过程软件 软件构成 可分为PMAC 实时控制软件和 数控上层软件两 部分。 底层软件为实时多任务管理模块（RTM），负责CNC系 统的任务调度，NCBIOS为基本输入/输出系统，管理CNC系 统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理，位置的 控制，PLC的调度，插补计算和内部监控等。 上层软件主要实现控制界面、系统配置、数控程序编辑 、参数的设置、PLC的状态显示、MDI及故障显示、系统诊断 和通信功能。可通过VC+、VB语言编制，利用WINDOWS丰富 的功能来实现友好的人机界面。 通过NCBIOS把它与底层软件隔开,使得过程层软件不依 赖于硬件。 PMAC的软件通讯功能由 PtalkDT通讯函数库完成。 PtalkDT则以ActiveX控件 形式提供一套类库,它包含 一系列通讯函数,提供上层 与PMAC之间快速有效的通 讯。利用PtalkDT开发应用 程序,实现了加工程序,PLC 程序及运动程序的下传,上 层对PMAC的指令传输及 PMAC 对上层的反馈等通讯 功能。 PMAC实时控制软件 加工程序 解释模块 插补 模块 伺服驱 动模块 PLC监 控模块 数据采 集模块 PMAC实时控制软件模块 2.2、PMAC PC-104控制卡的应用 PMAC PC-104控制卡的特点 每一个轴具有如下特点： 一个单独的差别滤波器PWM10V DAC输出或者脉冲加方向阶越 输出； 放大器使能输出； 一个正交增量式编码器输入； 五个专门的标志输入：两个行程限为位，用户标志位，回零和放 大器错误标志位。 PC-104是PMAC家族中的一员，拥有4轴可编程控制，可以 由三块板卡叠插构成，基板提供四个DAC10V和脉冲加方向通道 输出。可选项扩充板提供额外的I/O点和USB或以太网通讯方式 ，但是任何时候只有一种通讯方式可以被使用。 PMAC