（农业电气化与自动化专业论文）基于pmac的开放式数控系统的研究.pdf

基于p m a c 的开放式数控系统的研究 摘要：随着计算机技术和机电行业的快速发展，数控机床的功能变得越来越强 大，但是不同公司产品的封闭格局阻碍了其进一步发展，朝着开放式数控系统发展是 大势所趋。目前各国都致力于这方面的研发，并制定了相应的标准，我国也有相关的 产品问世。本论文在分析了各种开放式数控系统特点后，提出了一种基于p c + n c 控 制器的开放式数控系统。该系统在设计时考虑当前运动控制应用技术发展的实际，选 择铣床作为改造和控制对象，以美国d e l a u 公司生产的p m a c l i t e 为硬件控制器( 下 位机) ，x - 控微机i p c 为上位机，构建完成了高效开放式( c n c ) 数控系统。具体在以 下几个方面作了工作： 1 构建集成开放式数控系统硬件结构：以数控铣床的功能要求配置运动控制器、 主机、驱动器、电机及传感器等功能单元，构建完成开放式的数控系统硬件结构。 2 深入研究数控伺服控制系统及算法，提出模糊自适应整定p i d 控制创新算法， 并进行了仿真：本文对常规p i d 调节器进行了理论分析，研究了数控机床伺服系统伺 服三环控制。针对位置调节器通常要求具有快速、无超调的响应特性，而位置环内存 在某些不确定性，如模型参数的时变和对象特性的非线性等复杂因素影响系统控制性 能，提出了一种模糊自适应整定p i d 创新算法，并进行了仿真。 3 以d p r a m 的方式实现i p c 与p m a c 的通信：以双端r a m ( d p r a m ) 作为 实现p c 与p m a c 的主要通信方式。对两者之间的数据类型、格式作了分类，并定义 相应的d p r a m 地址及换算公式，编程实现了p c 与p m a c 的数据通信。 4 编写完成系统p l c 程序：不同于现行_ y - 业界流行的c n c 系统，p m a c 内嵌 p l c 功能。根据数控机床所需的逻辑控制要求，采用p m a c 提供的类高级语言，编 写完成了p l c 程序。 5 ，开发p c 端的用户界面：利用微软的v b 及p m a c 提供的a c t i v e x 控件p t a l k d t ， 开发完成了p c 端的友好的用户功能界面。实现诸如运动程序编写、参数设置、程序 上下载、系统运行参数显示等功能。 关键词：开放式数控p m a c伺服系统m a t l a b 双端r a mp l c 2 t h er e s e a r c ho fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a s e do np m a c a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p i n go ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g ya n de l e c t r o m e c h a n i c a lf a c i l i t i e s ，t h ef u n c t i o no ft h ec n cm a c h i n eb e c o m em o r ea n dm o r e s t r o n g a tt h es a m et i m e ，t h ec 1 0 s es t r u c t u r eo fd i f f e r e n tc o m p a n yh o l d b a c k i t ss t e po fd e v e l o p m e n t o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi st h em a i nt r e n do f n ct e c h n i q u e c u r r e n t l yt h ec o u n t r i e sc o n c e n t r a t eo nt h er e s e a r c ho ft h i s a s p e c t ，a n dd r e wu pt h ec o r r e s p o n d i n gs t a n d a r d ，o u rc o u n t r ya l s oh a st h er e l a t e d p r o d u c tt op u b l i s h a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fv a r i o u so p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，t h i sp a p e rp u tf o r w a r dak i n do fo p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e mb a s e do np c + n cs y s t e m c o n s i d e rt h ea c t u a la p p l i c a t i o ni nt h e l a b o r a t o r y，w ec h o o s et h ec o m m o nx k 5 0 3 2m i l l i n gm a c h i n ea st h eo bj e c to f r e f o r m a t i o na n dc o n t r o l ，t a k et h ep b i a c 一1 i t ep r o d u c e db yt h ea m e r i c a nc o m p a n y o fd e l t at a ua st h eh a r d w a r ec o n t r o l l e r t h ei n d u s t y c o n t r o l p ca st h eh o s t c o m p u t e r ，c o n s t r u s tau l t r a p r e c i s i o no p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m m a k i n g t h er e s e a r c ho nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 c o n s t r u c tah a r d w a r es y s t e m ：t od e s i g nc n cm a c h i n e c o n f i g u r ec o n t r o l l e r ，h o s tc o m p u t e r ，d r i v e r ，m o t o ra n ds e n s o r t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fo p e n s y s t e m w i t ht h ef u n c t i o no fm i l l e rb ec o n s t r u c t e d 2 g o i n gd e e pi n t ot h ec o n t r o la l g o r i t h mf o rs e r v os y s t e m ：t h i sp a p e r a n a l y s e sp i dc o n t r o l l e r r e s e a r c h e st h r e ef e e d b a c k s e r v o c o n t r o lo fc n c m a c h i n e o r d i n a r i l y ，t h ep o s i t i o na d j u s t o rm u s th a v er a p i dr e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i ca n dc a n to v e ra d j u s t i n g b u ti np o s i t i o nl o o p ，t h em o d e l p a r a m e t e rc a nb en o n l i n e a r i t ya n du s u a l l yc h a n g e d a u t h o rb r i n gf o r w a r da n e wf u z z yc o n t r o l l e rt h a tc o n t r o lp a r a m e t e rc a na u t o m a t i c a l l yr e g u l a t ew i t h t h ea d j u s tp r o c e s s s y s t e ms i m u l a t e sw i t hm a t l a b 3 s e t t i n gu pc o m m u n i c a t i o nb e t w e e np ca n dp m a cb a s e do nd p r a m ：c o n s t r u c t c o m m u b i c a t i o nb e t w e e np ca n dp 姒cw i t hd u a lp o r tr a m ( d p r a m ) ，c l a s s i f yt h e d a t at y p ea n df o r m a t a n dd e f i n et h eh o m o l o g o u sa d d r e s so fd p r a ia n dc o n v e r t f o r m u l a 4 p r o g r a m m i n gp l cl o g i cp r o g r a m ：a c c o r d i n gt ol o g i cc o n t r o lo fc n cm a c h i n e ， w r i t et h ep r o g r a mo fp l cb a s e do nh a r d w a r eo fp l ci n s i d ep m a c 5 e x p l o i t t i n g c u s t o m e ri n t e r f a c eo fp c ：m a k i n gu s eo ft h es t r o n g f u n c t i o no ft h ev ba n dp t a l k d to fa c t i v e xc o n t r o l 。d e s i g nt h ef r i e n d l yo p e r a t i o ni n t e r f a c e o nt h ep cp o r t ，o p r a t o rc a n p r o g r a m m ea n du p l o a dp r o g r a m ，c o n f i g u r ep a r a m e t e r ，d i s p l a yp o s i t i o np a r a m e t e re t c k e y w o r d s ：o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ，p m a c ，s e r v os y s t e m ，m a t l a b ，d u a l p o r tr a m ，p l c 一3 一 第一章绪论 1 1数控技术发展的历史及趋势 数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量 技术、机械制造等多项技术，成为二十一世纪以来逐步发展起来的机床控制的新技术， 是一门交叉学科。 在现代制造系统中，数控技术一直是先进制造技术的核心，是各种柔性化制造系 统的核心控制单元。它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技 术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集 成化、智能化起着举足轻重的作用，其发展水平的高低直接影响制约制造业工程未来 数字化，信息化、智能化和网络化的发展趋势和应用i j i f 景”1 。 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是相对模拟控制而言。数字控制系统中的信息量 是数字量，而模拟控制系统中信息量是模拟量，最初的数字控制系统是由数字逻辑电 路构成的，因而称之为硬件数控系统。随着计算机技术的发展，硬件数控系统被逐渐 淘汰，取而代之的是计算机数控系统( c n c c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。数控技术 在制造业，特别是航空航天工业中得到了广泛的应用，无论在硬件方面还是在软件方 面，发展都很快。 1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出世界第一台数控机床试验样机。它是一台采用 脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制数控铣床。随着计算机技术，特别是微电 子技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面都趋于成熟，数控系统的发展经历了 下列几个阶段“。 1 硬件数控阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) 1 9 5 2 世界上第一台数控铣床的数控装置是采用电子管、继电器和模拟电路构成 的实验样机，通常称为第一代数控。1 9 5 9 年晶体管取代了笨重的电子管，缩小了体 积，使得工业应用成为可能，诞生了第二代数控系统。1 9 6 5 年出现了小规模集成电 路构成的n c ，体积更小，功耗更低，提高了可靠性，n c 发展到了第三代。 这三代数控系统都是利用逻辑电路来实现控制功能，因此被称为“硬件”数控。 其功能简单，灵活性差，设计周期长，因而限制着其进一步的发展与应用。 2 计算机数控系统的发展和完善阶段( 1 9 7 0 1 9 8 5 ) 7 0 年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算机 出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。1 9 7 0 年第一台采用内装小型计 算机数控( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，c n c ) 系统问世，标志着数控系统进入了以 计算机为主体的第四代。原来由硬件实现的功能逐渐改由软件完成，“软连接”系统 由此而诞生。由于软件的灵活性，大大的推进了c n c 系统的发展。 1 9 7 4 年，微处理器的出现又给数控系统的发展带来了机遇，出现了采用内藏式微 处理器芯片的第五代联结c n c 系统，真f 地实现了机电一体化，进一步缩小了体积， 降低了成本，且出于c r t 的应用，简化了编程和操作，使数控系统达到了一般企业 所能接受和普及的程度。 1 9 7 9 年，c n c 进入了第六代，其特征仍以微处理器为基础，另外采用超大规模 的集成电路、大容量磁泡存储器、可编程接口和遥控接口等，功能更加完备，基本上 完成了标准型单机系统的丌发。1 9 8 1 年，c n c 的发展进入了第七代，达到了全功能 的技术特征。辅助软件发展很快，具有交互式对话编程、三维图形校验、实时多任务 操作等，并向机床制造厂提供了开发手段，以a i 方式纳入机床制造厂的丰富工艺经 验，在产品上实现标准化、系列化、可按用户需求来扩充、裁减、以满足不同用户层 次的需求。在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理机结构，数控系 统产品也逐步实现了标准化，系列化。 3 高速高精度c n c 的开发与应用阶段( 1 9 8 6 至今) 为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微微轮廓线的解释执行能力和 伺服驱动特性，为了保证零件程序的传递、插补、加减速控制等的连续处理，c n c 应具备足够高的数据处理速度和能力。3 2 位c p u 以其很强的数据处理能力在c n c 中得到了广泛的应用，使c n c 系统进入面向高速、高精度的第八代。三菱电器公司 1 9 8 6 年推出的c p u 为6 8 0 2 0 的3 2 位c n c ，掀起了3 2 位c n c 的热潮。g e - - f a n u c 和山崎随后推出了g e 1 5 和m a z a t r o lm 3 2 c n c ，许多计算机和电子信息厂也加入了 角逐。3 2 位c n c 已成为国外数控装置的主流。同时通过软件补偿等方法，c n c 系统 的加工精度不断提高。这些措施使c n c 系统的高速、高精度处理能力达到了一个很 高的水平”。 4 开放式c n c 的开发与应用阶段( 1 9 9 4 至今) 进入9 0 年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新 换代。世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系结 构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、 扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。1 9 9 4 年，这种基于p c 的c n c 控制器 在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。p c 的引入，不仅为c n c 提供十分 坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为c n c 的开放化提供了坚实基础嗍。 1 2国内外开放式数控系统的研究现状 现今生产中使用的绝大多数c n c 系统( 以f a n u c ，s i e m e n s 等为代表) ，5 采 用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件结构由各数控系统 厂家自行设计，是专用的，互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通讯机制也互不 相同。这种专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构简单、技术成熟，产品批量大、 生产成本低，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷，集 中表现在以下几个方面： 1 各控制系统日j 互连能力差，影响了系统的相互集成；风格不一的操作方式， 使用户培训和维修费用增加；专用件的大量使用，给数控设备的使用与维护带来很多 不便。 2 系统的封闭性使得对其扩充和修改极为有限，造成数控设备制造商( 数控系统 中间用户) 对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成到控制系统 并形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力。 3 专用的硬、软件结构也限制了系统本身的持续开发，使系统的开发投资大、 周期比、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。 总之，数控系统的这一现状已难以适应当今制造业的市场变化与竞争，也不能满 足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。为解决封闭式体系结构数控存在 的问题，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，设 计开放式体系结构数控系统的问题，如美国的n g c 计划，日本和欧洲提出的o s e c 及o s a c a 计划等嗍嗍。 我国在丌发式数控系统的构建方面也进行了积极的探索和研发。国内已有开放式 控制系统四种：华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型0 】。国内的开放式数控系 统各有特点，但从数控系统的发展趋势来看，它们还不具备开放式控制系统的本质特 性，仍有许多改进之处。 我国的数控技术领域较世界水平有较大差距，必须在原有研究的基础上，瞄准世 界上最新的发展趋势，借鉴国外成熟经验，广泛地联合国内乃至国外的数控系统和数 控机床企业，充分发挥我国的软件技术优势，集中多学科群体，从较高的起点上对数 控技术开展深入的研究，为我国的数控技术水平发展的必然趋势，它的根本出发点是 适应市场和提高我国数控机床和数控系统在世界市场的竞争能力。 随着丌放式数控系统特别是基于p c 机的丌放式控制系统的发展，系统硬件将逐 渐标准化，主要硬件设备采用市场流行的p c 机，c n c 系统的高技术附加值将主要体 现在软件上，为我国发展民族数控产业创造了一个良好的契机，只要我们合理把握这 次机会，就可以扬长避短，迎头赶上，研制出适合我国国情的新一代国产高性能开放 式c n c 控制器”。 1 3 课题的来源及意义 由于传统思想的影响，数控机床的研究方向一直局限于提高加工精度和自动化水 平上，机床的数控系统只作为机床运动的控制器，一直以封闭的结构形式发展。以此 使操作者的地位降低为机床的附属物，致使人们长期以来积累的劳动经验和决策创造 能力得不到充分发挥。经过几个五年计划的建设，我国数控系统的生产已经有了一定 的规模，一些企业的产量已经达到了具有一定的经济规模的批量，但是总体上国产数 控装置的生产研发还处于起步阶段，数控系统的国产化率不高，企业大量使用的数控 系统( c n c ) 主要采用如同本的三菱、发那科，德国的西门子等外国品牌的产品。这 些大公司生产的产品部分技术顺应国际上开放式的潮流，但为了保持其市场份额和既 得利益，又纷纷采用相对封闭的方式，从而不利于技术的进步和后起的发展。 随着我国进入w t o ，国外数控系统的竞争优势进一步得到加强，如何开发具有 自主知识产权，具备国际先进技术水平的数控系统就成为当务之急。而及早进入大家 都在致力于开发、推广的开放式数控系统，无疑是赶超世界先进水平，实现数控系统 国产化的良好契机。因此探索、研制更新先进的数控系统( 如开放式数控系统) 成为 必然的方向和需求。通过自主丌发，研制丌放式数控机床是一种既节约资金，又锻炼 提高我国数控机床研发能力的良策。 随着市场对产品的需求越来越趋向个性化，当代制造业必然要面向多品种、小批 量生产。通用c n c 系统往往不具备的某些专用设备功能，或应用通用c n c 系统代价太 高。为适应这种生产模式及应用要求，开放构建开放式的数控系统也是一种良好的方 式，在现今及将柬工业应用都具有广泛的应用前景。 1 4 本文的工作 本文以x k 5 0 3 2 三座标铣床为控制对象，遵循开放式数控系统的特点及发展趋 势，选择d e l t at a u 公司的p m a c - - l i t e 控制器为n c 硬件控制器，构建了开放式数 控系统的软硬件结构，具体主要做了以下几个方面工作： 1 对可编程多轴控制器( p m a c ) 的特性作深入的分析。作为目前较为流行的 硬件控制器，p m a c 在机器人、机床控制、伺服控制等场合得到广泛的应用。它的系 统程序高度集成性及控制的开放性，为建立开放式数控系统创造了良好的基础。 2 以x k 5 0 3 2 铣床为控制对象，工业微处理机i p c 为上位机，p m a c 为下位机 建立丌放式数控机床的总体硬件结构。具体包括：工控机主机的配置，运动控制器的 选择，三个进给轴和主轴控制的驱动器、伺服电动机、反馈元件选择，逻辑控制的i o 接口输入、输出点的开关配置连接等。 3 伺服系统的控制精度是影响机床加工精度的主要因素，本文研究了数控机床 伺服系统伺服三环控制。位置调节器通常要求具有快速、无超调的响应特性，而位置 环内存在某些不确定性，如模型参数的时变和对象特性的非线性等复杂因素，这些因 素常影响系统控制性能。为提高位置调节器的调节性能，本文提出了一种模糊自适应 整定p i d 创新算法，并进行了仿真。 4 p c 与p m a c 的通信采用双端口r a m ，通过双端口r a m ，p c 可以快速地获 取系统的状态、电机的位置、速度、跟随误差等各种数据。能在实时状态下快速地将 位置指令数据或程序信息等传递到p m a c ，应而大大提高了数控系统的响应能力和加 工精度。为了各种数据信息能顺利地通信，本文对双端口r a m 的内存地址作了较详 细地分配，并对双端r a m 的数据格式、控制面板功能、a s c i i 码通信等自动功能作 了论述。 5 编写数控系统的p l c 程序。针对三座标铣床，设计合适的逻辑控制功能，如 回参操作、限位保护、超程报警、冷却、润滑、进给倍率选择等，利用内装p l c 模 块及相应的p l c 编程语言，设计各个p l c 程序。 6 良好的用户操作界面能极大地方便用户管理、操作整个数控系统。作者利用 微软的强大编程软件v b 及p m a c 提供的a c t i v e x 控件p t m k d t ，开发完成了p c 端的 友好的用户功能界面，实现诸如运动程序编写、参数设置、程序上下载、系统运行参 数显示等功能。 第二章开放式数控系统的体系结构 2 1 开放式数控系统的基本概念 目前，对丌放式数控系统的定义尚未有一个统一的定义。i e e e ( 国际电气和电 子工程师协会) 的定义是：“开放式系统具有这样的功能，它们完全能使应用程序在 不同厂商的各种平台上运行，能支持与其它应用程序的交互操作。”“”参照i e e e 对 开放式数控的定义，这罩我们给出其的描述性定义：一个开放式数控系统必须提供不 同应用程序在其系统平台上协调运行的能力；提供面向功能的动态重构工具和二次开 发工具；同时提供统一标准的应用程序用户界面( a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m i n t e r f a c e ) 。根据此定义，开放式数控系统应具有以下的特点： 1 开放性：提供标准化的基础平台和接口，允许集成不同功能和不同开发商的 软硬件模块。 2 可移植性：不同应用程序模块可在不同供应商提供的系统平台上运行；系统 平台也可在不同类型、不同性能的硬件平台上运行。 3 扩展性：系统功能的扩充仅仅表现为特定功能模块的装载与卸载。 4 相互操作性：提供标准化的接口、通讯和交互模型。不同应用程序模块通过 标准化的应用程序接口进行交互，保持平等的相互操作能力，能协调地工作。埘。 控制系统采用丌放式体系结构将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的 一大支柱。因此，欧美及r 本等发达国家都相继进行了大量的投入和研究。 2 2 几种典型的开放式控制器规范 2 2 1 美国的n g c 计划 在国外，美国是较早开展开放式数控系统研究的国家。为了使美国工业界形成一 个广泛的合作伙伴以利于在r 益激烈的国际竞争中占得先机，早在1 9 8 7 年，美国就提 出了下一代控制器计划n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k - s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l a r c h i t e c t u r ep r o g r a m ) 和丌放式系统体系结构标准范s o s a s fs t a n d a r d so fo p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r ef o r a u t o m a t i cs y s t e m s ) ，首次提出了开放式体系结构的概念嘲。 n g c 计划为基于开放式系统体系结构的数字控制系统提供了一个标准，这种体系 结构允许不同的设计人员开发可相互交换和相互操作的控制器部件，n g c 的体系结构 是在虚拟机械的基础上建立起来的，通过虚拟机械把系统和模块链接到计算机平台 上。提出了系统的基本框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器 接口等，构成了完整的体系结构。同时，还将控制器分成为控制核心和应用编程接口 两大模块，控制核心包括实时控制、数据库管理、图形支持软件等，而应用编程接口 部分则由各种a p i 接口构成。本着系统应具有丌放型，经济性，配置的灵活性和可维 护性的特点，计划的实施将使数控系统制造厂，机床厂和最终用户分别从缩短开发周 期，降低成本，便于系统集成的二次丌发，操作简单、使用方便和便于维修等方面受 益。 2 2 2 欧共体的o s a c a 计划 在美国n g c 计划的影响下，1 9 9 0 年欧共体由系统制造厂( 如德国s i e m e n s 和b o s c h ， 法国的n u m ，西班牙的f a g e o r ) 、机床生产厂( 如意大利的、法国的h u r o n ，德国的i n d e x ) 和科研单位( 如德 s t u t t g a r t 大学的机床控制研究所，德国a a c h e n 大学的机床试验室 和瑞的c i m c b t 等) 联合发起o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o n i a t i o ns y s t e m ) 自动化系统中开放式体系结构的研究和开发的倡仪。 o s a c a 参照丌放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的功 能单位”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性， 开放性是十分明确的，并明确规定了不同的开放层次：即应用层开放、核心层开放( 与 o s a c a 部分兼容) 和全部丌放( 与o s a c a 全部兼容) ”1 。 系统平台由硬件和系统软件组成。系统软件包括操作系统、通信系统、配置系统、 图形服务器和可选用的数据库。系统平台通过a p i 对外提供服务，系统软件上边运行 的功能结构单元a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) , l 通过唯一的途径a p i 访问系统平台。各种 不同的应用系统，由不同结构式的功能结构单元a o 组成，并给出了五个典型的a o 结构单元，它们是人机介面( m m c ) 、逻辑控制( p l c ) 、运动控制( m c ) 、轴控制 ( a c ) 和过程控制( p c ) 。o s a c a 系统的结构如图2 1 所示“”“： 麻h j 程序 图2 1o s a c a 系统平台结构 该计划与o m a c 计划的做法很相似，都是通过公布一系列标准来实现开放式控制 器的目标。该计划在技术上的显著特点是注重实用，在实现系统的柔性、生产线管理 和与车间、工厂管理网络对接方面有较好的性能价格比。对我国的数控机床技术如何 发展，很有参考价值“”。 2 2 3 日本的o s e c 计划 在信息技术，特别是在网络技术高速发展的推动下，日本于1 9 9 4 年1 2 月成立 了研究开放式系统的委员会，专门讨论开放式体系结构的发展方向和相关信息的交换 协议，支持建立相应的开放式c n c 体系结构，并报导相关的发展动态。在美国n g c o m a c 计划和欧共体o s a c a 计划相继公布之后，在研究开放式系统委员会的推动 下，由三个机床厂( t o s h i b a ，t o y o d a ，m a z a k ) 和三个电气公司( 同本i b m ，三菱和s m l ) 发起了o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划的研究，其目的是开发 基于p c 机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统，以适应 迅速变化的市场需求。 o s e c 采用了3 层功能结构，即应用层、控制层和驱动层，这种结构实现了零件 造型、工艺规划( 加工顺序、刀具轨迹、切削条件) 、机床控制原理( 程序解释、操作 模块控制、智能处理等) 、刀具轨迹控制、顺序控制轴控制等”m 儿。 2 3 开放式数控系统开发策略的选择 综上所述，随着计算机技术的飞速发展，采用p c 微机开发开放式数控系统已成 为数控系统技术发展的潮流，也是国内外丌放式数控系统研究的一个热点，p c 微机 化的开放式数控系统有3 种实现途径“4 “”“”1 ： 1 p c 机+ 数控专用模板。即在p c 机上嵌入数控专用模板，该模板具有位置控 制功能、实时信息采集功能、输入输出接口功能和内装式p l c 单元等。这种结构形式 使整个系统可以共享p c 机的硬件资源，利用其丰富的支撑软件直接与网络c a d c a m 系统连接，与传统的c n c 系统相比，具有软硬件资源的丰富性、透明性和通享性，便 于新技术升级换代。但这种数控系统的开放性只限于p c 微机部分，只能说是有限的 开放，其专业的数控部分仍处于封闭状态。 2 p c 机+ 可编程运动控制器。这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构 以通用微机为平台，以p c 机标准插件形式的开放式可编程运动控制器为控制核心。 通用p c 机负责如数控程序编辑、人机界面管理等功能，运动控制器负责机床的运动 控制和逻辑控制。这种运动控制器以运动子程序的方式解释执行数控程序，以p l c 子 程序方式实现机床逻辑控制，支持用户的开发和扩展，具有上、下两级的开放性。美 m d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t ia x e sc o n t r o l l e r ) 是这种运动控制器的 典型代表。其拥有自身的c p u ，同时开放包括通信端口、存储结构在内的大部分地址 空间，具有灵活性好、功能稳定、可共享计算机所有资源等特点。 3 纯p c 型即完全采用p c 的全软件形式的数控系统，但由于存在着操作系统的实 时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规 模投入到实际的应用中。 总体而苦，基于p c 和多轴运动控制器的开放式数控系统，是当前最为理想的开放 式数控系统。p c 机处理非实时部分，实时控制由插 k p c 的多轴运动控制器来承担。本 课题采用p c 机+ 可编程运动控制器方式束设计开发，采用d e l t a t a u 公司生产的多轴运动 控制器p m a c 为核心丌发丌放式数控铣床，构造系统的硬件结构及软件体系。 第三章基于可编程多轴控制器( p m a c ) 的开放式数控系统的 硬件构建集成 3 1数控系统的总体硬件构架 课题中控制对象为普通x k 5 0 3 2 铣床，采用p m a c 所开发的开放式数控系统的硬 件结构如图3 1 所示。数控系统的主机为研华6 1 0 t 控机， 采用微软的w i n d o w s 操作 系统平台。运动控制器采用的是p m a c 四轴运动控制卡p m a c - l i t e ，在板配置有双端 i r a m ，以a c c 3 4 a 作为i o 扩展接口板，共有6 2 个带光隔的i o 结点；a c c s p 为伺服 信号接线器，用于p m a c 与各个伺服驱动器的连接。x k 5 0 3 2 铣床横向、纵向、垂直 方向三个进给轴选用交流伺服系统和交流伺服电动机，主轴电机采用变频器实现主轴 的无级调速，用p m a c 运动控制卡上j m a c h 接口中i 拘d a c l d a c 4 的4 个模拟量输出 端口，以速度控制模式分别与3 个伺服驱动器和1 个主轴变频器连接，实现对4 个驱动 轴的控制。 i s a 总线 工控机( i p c ) p e n t u m 5 0 0 烈端口r a mi i p m a c l i t e 盼= 爿 a c c - 3 4 a a c c 8 p 变频器 二 土轴电机 图3 1基于p m a c 的数控系统硬件结构 控制面板 机床电器 i 0 信号 p m a c 内冒的p l c 是经智能i o 扩展接口板a c c 3 4 a 实现系统输入输出逻辑控制， 其输入信号包括控制面板、机床按钮、行程开关、零点开关以及各伺服模块的工作状 态信号等，输出信号有工作指示灯、继电器、接触器、电磁阀等动作信号，以及伺服 模块的驱动使能信号等。 以下是整个系统的外形图片，如图3 2 所示： 图3 - 2 数控系统外形图 3 2 工业控制计算机选型及通信连接 控制系统上位机采用研华6 1 0 工控机，与普通的p c 相比，工控机具有独特的优 势： 1 工业p c 上的芯片筛选要比一般计算机要严格； 2 配备1 4 槽总线插座的加固防震全钢机箱，可以实现较好的工业现场防干扰保 护，可靠性高，防尘，抗震，耐高温，工作温度0 。c 一5 0 0 c ，湿度1 0 一9 5 ，适合 各类较恶劣的工业环境： 3 拥有丰富的各类模拟量和数字量i o 插卡和模块，便于各类输入输出的电路连 接； 4 拥有各种工业通信卡和相应的通信接口，方便用户组成计算机控制系统。 基于以上优点，所以系统采用台湾研华( a d v a n t e c h ) 生产的i p c - - 6 1 0 作为上位 机，应用其i s a 总线插槽与p m a c 进行连接，实现上下位机的通信。图3 3 及图3 - 4 为p m a c 卡的外形及其与工控机的连接图： 图3 - 3p m a c 卡的外形图图3 4p m a c 卡与工控机的连接图 3 3p m c 卡的结构、功能及开放性应用 3 3 1p m c 卡简介 美国d e l t at a u 公司的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l ea x i sc o n t r o l l e r ) 多轴运动 控制器是当今世界上功能最强，可靠性最高的轴控制器。控制器的功能包括：多轴插 补计算、用户辅助p l c 编程以及模拟量数据采集处理。控制卡的硬件核心为m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 。d s p 的时钟频率为2 0 4 0 6 0 8 0 1 2 0 m h z 可选，伺服周期为5 5 i t8 每 轴。功能强大的数字信号处理器，p m a c 给多轴控制器提供了一个前所末有的价格性 能比，通过灵活的高级语言可最多控制八轴同时运动。 作为一种具有广泛用途的控制器，p m a c 能应用于各种各样的设备，它的多种用 途包括机器人、机床、纸和木材的加工作业、装配线、食品加工、印刷、包装、物料 装卸、摄像机控制、自动焊接、硅片加工、激光切割和许多方面。这些应用都源于 p m a c 提供给用户的优越、特殊的开放性能”。 3 3 2 配置的开放性 1 硬件结构的开放性 本系统选用p m a c 作为核心运动控制器，为数控系统提供了极大的开放性，表 现在： ( 1 ) 与各种伺服系统的匹配 通过适当的参数设置和使用不同的接口卡，便可以与各种模拟或数字的交、直流 有刷、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动相连，构成数控系统的驱动部分。 ( 2 ) 与各种检测元件的匹配 p m a c 可以和各种市面上流行的机床检测元件进行匹配，包括测速发电机、光电 编码器、光栅、旋转变压器等。 ( 3 ) 与p c 机的通讯方式 p m a c 有三种可选的与上位p c 机的通讯应用手段，包括总线( b u s ) 和串( r s 2 3 2 或 r s 4 2 2 ) ，以及新推出的u s b 接口和m a c r o 光缆接口通讯形式，总线形式包括：i s a 总 线p c i 总线v m e 总线和p c 1 0 4 嵌入式微机。 ( 4 ) 与众不同的硬件平台的匹配 p m a c 有三种类型，分别在三种不同总线( p c x t 和a t ，v m e ，s 1 1 ) ) 上运行，由 此提供了多平台的支持特性，同时也使同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行 1 9 】 2 软件结构的开放性 ( 1 ) 人机界面的开放性 p m a c 提供了极其有效的开放软件包p c o m m 3 2 和a c t i v e x 通信控件p t a l k d t ， 与p m a c 通信交换信息只需在w i n d o w s 平台下，利用高级编程语言如v c + + ，v b ， d e l p h i 等编程环境，编程调用p c o m m 3 2 提供的函数库里的相应功能函数或使用 p t a l k d t 提供的各种事件和方法，实现p c 机与p m a c 的数据通信。编程实现w i n d o w s 环境下的人机界面具有极大的灵活丌放性。 ( 2 ) 数控功能的对外开放性 p m a c 提供了一套基本功能指令集合，如直线插补、圆弧插补、样条曲线插补、 增量或绝对方式运行等，可在这些基本指令基础上定制用户自己的g 代码、m 代码 数控功能。 ( 3 ) 控制系统定制的对外开放性 p m a c 可以通过各种方式如i 变量和e n c o d e rc o n v e r s i o nt a b l e 等来实现对整个控 制系统定制，使其方便的与实际机床进行匹配。“纠”。 3 3 3p m a c 卡的结构 p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l ea x e sc o n t r o l l e r ) 是d e l t at a u 数字系统公司生产 的功能强大、使用灵活的运动控制器。p m a c 由一块主机板及3 0 余种功能扩展模块 组成。主板可插入p c 总线、s t d 2 3 2 总线或v b m ：总线以便开发，各扩展模块可方 便地与主板相连。用户如需要扩展轴，扩展i o 、增加a d 、d a ，或进行输出电压 频率转换( 驱动步进电机) 等等，均可选用相应的扩展模块。其构成如图3 5 所示。 图3 - 5p m a c 卡结构图 在p m a c 中，核心部件是d s p 5 6 0 0 1 c p u 芯片和两块“用户门阵列”芯片 ( d s p g a t e ) 。d s p 5 6 0 0 1 运行速度是1 0 m i p s ，数据线宽度为2 4 位，累加器为5 6 位， 因此指令预取、2 4 位乘法、5 6 位加法、两个数据移动及地址指针修改，可在一个指令 循环中完成。片内存放一个四象限正弦值表，可用于系统的极性转换。d s p 的c p u 与 外部编码器及放大器接口都集成在两d s p g a t e 上，每一个d s p g a t e 包括：4 路相 同编码输入通道；4 个1 6 位串并行转换器，用来接收a d 数据；4 个1 6 位并串转换器， 用来送出数据到d a ，2 0 个数据量输入；8 数字量输出。 编码通道可处理最高速度编码信号，功能有：1 0 0 m h za b 相位差编码信号；2 4 位计数器和寄存器；异常编码检测与报告；高速数字噪声滤波；i t 法测速；一个2 4 位外触发位置寄存，用束当外部事件发生时获取机器的确切位置寄存。 p m a c 的两块d s p g a t e ，可提供8 个输出通道和8 个反馈通道，可同时控$ 1 8