（机械制造及其自动化专业论文）基于pmac的开放式数控教学平台的研究.pdf

摘要基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 摘要 数控技术是支持现代装备制造业的关键技术群，直接决定制造装备的功能和性 能，是信息化带动工业化进程中装备层的关键技术，属于支持先进制造技术的重要 基础技术群，其技术范围覆盖很多领域，如机械制造技术、信息处理技术、自动控 制技术、伺服驱动技术、传感器技术、软件技术等。目前大部分职业院校缺少一个 贯穿于整个数控技术领域中的开发应用环境，从系统规划的高度和应用开发的层面 来实施数控技术能力素质培养的目标。为完善职业院校数控技术专业领域学生的知 识结构，本文建立了一个针对于数控技术应用开发领域一体化数控实验平台，采用 模块设计的思想，构建了一个运动控制器嵌入i p c 机的开放式数控系统，运用数控 技术新的教学模式，培养社会需要的数控高级人才。 本课题控制系统采取运动控制器嵌入p c 型开放式数控系统，即p m a c 2 a - p c i 0 4 卡通过p c i0 4 一i s a 转接卡插入工控机i s a 总线上构建开放式数控系统，交流伺服 驱动器、伺服电机及编码器、主轴交流变频控制器等构成开放式数控系统的硬件， 进一步研究开放式数控系统的体系结构和构建方法，详细论述了控制系统硬件结 构，硬件各组成部分选型、性能特点及控制系统硬件的连接。软件方面完成了上位 机( 工业控制计算机p c ) 和下位机( p m a c ) 之间的通讯功能。在w i n d o w s 操作系统下， 利用v i s u a lb a s i c 作为开发工具。完成了由系统初始化、手动编辑模块、系统状态 实时显示、数控加工程序管理、g 代码解释功能模块，整个系统软件都采用了模块 化的思想来构建的，便于功能上的二次扩展。 研究了开放式数控教学实验平台的教学功能及应用情况。阐述了该数控系统能完 成的实训项目，以及在数控实训教学中如何应用。以一实训课题基于p m a c 的开放式 数控教学系统基本操作为例，介绍了该数控系统在教学中的应用情况及该系统的基本 操作的方法过程。为该系统应用于教学提供了具有指导性意义的方法。 关键词：p m a c ，开放式，数控系统，实验平台 基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i q u ei so n eo ft h ek e yt e c h n i c a lg r o u p sw h i c hs u p p o r tt h e m o d e mm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , d i r e c t l yd e c i d et h ef u n c t i o na n dq u a l i t y i ti st h ek e y t e c h n i q u ei nt h ep r o c e s so fi n f o r m a t i o n - b a s e dt oi n d u s t r i a l i z a t i o n , a n di tb e l o n g st ot h e i m p o r t a n tb a s i ct e c h n i c a lg r o u p sw h i c hs u p p o r ta d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e i t s t e c h n i c a ls c o p eo v e r l a y sal o to fr e a l m s ，s u c ha sm a c h i n em a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u e ， i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，a u t oc o n t r o lt e c h n i q u e ，s e r v od r i v et e c h n i q u ea n d s e n s o rt r a n s d u c e rt e c h n i q u e ，s o f t w a r et e c h n i q u e ，e t c a tp r e s e n tal o to fs c h o o l sa r ei n n e e do fd e v e l o p m e n t a la n da p p l i e de n v i r o n m e n tt op i e r c et h r o u g ht h ew h o l en u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n i q u ef i e l da n dt h et a r g e tc a r r i e do u tb yn u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n i c a la b i l i t y f r o mt h eh e i g h to fs y s t e md e s i g na n dt h ea s p e c to fa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t a sf o r t h e l i m i t a t i o no ft h en u m e r i c a lt e c h n i c a lm o d e ，i nt h i sd i s s e r t a t i o na ni n t e g r a t e dp l a t f o r mf o r t h ew h o l ea p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n tf i e l dw a sb u i l tu p a no p e nn u m e r i c a lc o n t r o l l e d s y s t e mw a sb u i l tu pw i t ham o v i n gc o n t r o l l e ri m b e du n d e rt h ei d e ao fan e wt e a c h i n g m o d e ，w h i c hc a nc u l t i v a t et a l e n t e dp e o p l ei nn u m e r i c a lc o n t r o l l e dn e e d e db yt h es o c i e t y t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t sm o v i n gc o n t r o l l e rt oi m b e da no p e nt y p en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，n a m e l yt h ep m a c - p c i0 4t r a n s f e rc a r dt oi n s e r ti s ai ni n d u s t r i a l c o n t r o lm a c h i n et h r o u g hap c10 4 - i s at os e tu pa no p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ， m a k i n gu s eo fad o u b l er a ma n dc o m m u n i c a t es e r v oa c t u a t o r , s e r v oe l e c t r i c a l e n g i n e e r i n ga n dc o d e r , p r i n c i p a la x i se x c h a n g e sc h a n g ep i nc o n t r o l l e re t c , a n dt h e s e c o m p o s et h eh a r d w a r eo fo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m f u r t h e rr e s e a r c hw i l lb eg i v e n t ot h es t r u c t u r ea n db u i l d i n gm e t h o do fo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m i td i s c u s s e dt h e f u n c t i o n s ，c h a r a c t e r i s t i c sa n dc o n j u n c t i o nb e t w e e ns y s t e mh a r d w a r eo fe a c hc o n s t i t u t e p a r t s i nt h ea s p e c to fs o f t w a r ei tc o m p l e t e dt h ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o nb e t w e e n p o s i t i o nm a c h i n e ( i n d u s t r yc o n t r o lp c ) a n dl o w e rm a c h i n e ( p m a c ) u s ev i s u a lb a s i ca s t od e v e l o pt o o lu n d e rt h ew i n d o w so p e r a t es y s t e mt oc o m p l e t es y s t e m a t i ci n i t i a l i z a t i o n , m a n u a le d i t i n gm o l dp i e c ea n dr e a l - t i m ec o o r d i n a t i o ns h o w , t h ee d i t o ro fgc o d e , d o w n l o a d 、析me d i ta n dt r a n s l a t eaf u n c t i o nm o l dp i e c e , t h ew h o l es y s t e ms o f t w a r ea l l a d o p t e dt h et h o u g h to f m o l dp i e c e ，i no r d e rt of u r t h e re x p a n s i o ni nf u n c t i o n i ts t u d i e dt h et e a c h i n gf u n c t i o na n da p p l i c a t i o nc i r c u m s t a n c eo f t h ep l a t f o r mo f o p e n n u m e r i c a lc o n t r o l ，a n da l s oe l a b o r a t e dt h et r a i n i n gp r o g r a mt h a tt h es y s t e mc a nc o m p l e t e ， a n dh o wt oa p p l yi n t ot h en u m e r i c a lt r a i n i n gt e a c h i n g a sat r a i n i n gt o p i cb a s e do nb a s i c m a n u f a c t u r i n go ft e a c h i n gs y s t e mo fp m a co p e nn u m e r i c a lc o n t r o lf o re x a m p l e , i t 基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 i n t r o d u c e dt h ea p p l i c a t i o na n dt h eb a s i co p e r a t i o np r o c e s so ft h i ss y s t e m , w h i c hp r o v i d e d s i g n i f i c a n tm e t h o d si nt h ea p p l i c a t i o no f t h i ss y s t e mi n t ot e a c h i n g k e yw o r d s ：p m a c ，o p e ns t y l e ，t h en u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ，e x p e r i m e n t p l a t f o r m i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：疆丝 川年气月习日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生簦名：互阻力中? 月一z 日 硕士学位论文基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 l 绪论 1 1 选题的科学意义和应用前景 数控技术也叫计算机数控技术( c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，目前它是采用 计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对 设备的控制功能 1 1 。 在现代制造业，数控系统是装备制造业的核心技术，是各种柔性化制造系统的核 心控制单元，对制造业提高加工质量和效率有着重要的意义，以它为基础的相关产业 是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础产业，其技术水平已成为 衡量一个国家工业现代化水平的重要标志【2 】。其技术范围覆盖很多领域【3 1 ：( 1 ) 机械 制造技术；( 2 ) 信息处理、加工、传输技术；( 3 ) 自动控制技术；( 4 ) 伺服驱动技术； ( 5 ) 传感器技术；( 6 ) 软件技术等。其特点是高精度、高效率、高柔性和高超的信息处 理和传输能力。对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化和网络化的发展起着至关 重要作用。 目前数控技术正在发生重大变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式 实时动态全闭环控制模式发展。机床制造厂家希望数控系统具有一定的智能，能把典 型的加工工艺、操作方法集成到数控系统中，并能自适应加工即能实现各项误差补偿、 机床状态偏差补偿，并希望系统具有图形交互、自诊断功能等。首先就要求数控系统 具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己 的思路【4 】。这就产生了开放结构的数控系统。 目前由于生产型数控设备价格比较昂贵使得部分职业院校考虑办学成本，导致购 置数控设备数量少，难于满足职业学校数控技术专业的培养目标。成本低廉的数控设 备成为许多开设数控专业学校的选购方向。降低成本如果考虑在机床本体上，几乎是 不可能的，只有降低数控系统的成本【5 1 。基于p m a c 的开放式数控系统，开发周期短， 成本较低，能满足职业院校的数控教学应用要求。 数控技术是一个综合性很强的技术学科，所涉及技术原理在工科学校的机电一体 化教学基本都包含，但在应用实践上相对分散，目前部分职业院校重点培养学生数控 编程、数控设备操作基本技能，缺少一个贯穿于整个数控技术领域中的开发应用平台， 来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标【6 】。基于 p m a c 的开放式数控系统，其开放的特性留给设计者二次开发的空间，有利于学生进行 创新，深层次掌握数控的开发和底层的设计原理。所以开发适合国内数控人才培养的 开放式数控教学设备是十分必要，将大有市场和推广价值。 本文正是顺应数控技术的重大变革，及职业学校数控技术教学实际需要出发，建 1 绪论硕士学位论文 立了一个基于p m a c 的开放式数控教学平台，采用模块化的设计思想开发了一个集成的 应用设计数控教学平台，从数控设备、控制原理、基本操作、系统调试、等各方面来 实现不同阶段培养模式的实践教学，运用开放式数控系统功能可重构、可二次扩展的 特点，针对应用中发现的问题和产生的创意，对数控系统体系的某些组成环节进行旨 在提高其性能和丰富其功能的二次设计开发。实现新的教学模式，培养符合社会需求 的高技能型数控人才。 1 2 开放式数控系统 当今制造商追求产品较高的性价比，对产品复杂程度和精度要求也在提高，这样 对数控机床加工范围、加工精度、效率提出了更高的要求，而机床机械系统的改善对 这种高的要求实现不是主要方面，而是对数控机床的数控系统提出较高的要求。针对 这种逐步提高的要求，迫切需要一种新的体系结构的数控系统来满足制造商逐步增长 的需求，以克服传统数控系统的弊端。虽然传统的数控系统控制精度已相当高、功能 已较复杂和完善，但传统的数控系统采用专用计算机系统，是封闭式的体系结构，其 控制系统的各个模块功能相互偶合性较强，可重构性及功能二次扩展性较差，各厂商 的软硬件互不兼容，并且缺乏有效的通信功能【7 】。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 ) 各控制系统间互连能力差，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、 周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步【3 】。 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。迫切需要开发一种功能可二次扩展，系 统结构体系标准化对用户开放的数控系统，近年来，西方各工业发达国家相继提出了 向规范化、标准化的方向发展的问题，设计开放式体系结构数控系统，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，开放式数控系统便应运而生。 开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，是二十一世纪数控技术的发 展方向。主要研究目的例是：解决变化频繁的需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾， 使系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选 配和集成，更改或扩展系统的功能迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功 2 硕士学位论文基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容。 国际电气和电子工程师协会i e e e 对开放式系统的定义【m l 为：具有下列特性的系 统可称为开放系统：符合系统规范的应用可运行在多个销售商的不同平台上，可与其 它系统的应用互操作，并且具有风格统一的用户交互界面。开放式数控系统特征【l l 】 为： ( 1 ) 相互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 相互操作性指不同应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统平台上， 相互之间保持平等的相互操作能力，协调工作。 ( 2 ) 可移植性( p o r t a b i li t y ) 可移植性指不同的系统平台可以运行于不同的应用程序模块，即通过统一的应用 程序接口能集成应用程序模块，要求各模块具有统一的数据格式、通讯方式和交互机 制，即要有标准化的体系结构。 ( 3 ) 可重构性( s c a l a b i l i t y ) 可重构性指增加或裁减系统的功能只表现为某些模块单元的装载与卸载。可以增 加配件或软件实现功能的扩展，也可以裁减其功能只需卸载某些模块单元以适应简单 加工要求，以减少系统成本。 ( 4 ) 相互替代性( i n t e r c h a n g ea b i l i t y ) 相互替代性指各功能模块可以相互替代或小幅度修改即可实现特定功能。而不影 响系统的协调运行。 就系统结构形式而言，当今世界上的开放式数控系统大致可分为三种类型： ( 1 ) “p c 嵌入n c 结构的开放式数控系统：把一块p c 主板插入传统的c n c 机器 中，这种数控系统的开放性只限于p c 微机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态。 ( 2 ) p c 机+ 运动控制器结构的开放式数控系统：把运动控制器插入p c 机的标准插槽 中，以通用微机为平台，以p c 机标准插件形式的运动控制器为控制核心【t 2 l ，双c p u 并 行通信，是一种便于开发的开放式数控系统体系结构。 ( 3 ) 纯p c 型开放式数控系统：其开放式功能完全由软件实现，这种模式的c n c 部分全部装在p c 机中，硬件部分为插在p c 机扩展槽中的i o 板，提供给用户最大的 灵活性【1 3 l 。完全采用p c 的全软件形式的数控系统，目前正处于研究阶段还未形成产 品。全软件数控以应用软件的形式实现运动控制。纯p c 型开放式数控系统可以运行 在多家制造商不同的平台；并可以与其它系统的应用具有互操作性，且呈现与用户交 互协同。 “p c 机+ 运动控制器 结构的开放式数控系统，是当前最为理想的开放式数控系 统。本教学平台是基于第2 种结构设计。民p l p c 十p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x e sc o n t r o l l e r ) 的开放式结构体系，系统功能可二次扩展、控制精度高、开发周期短。数 3 l 绪论硕士学位论文 控系统软件采用v b 6 o 和p m a c 的开发软件开发。 1 3 开放式数控技术的现状和发展趋势 开放式体系结构c n c 的研究始于1 9 8 7 年美国政府资助下的n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 项目。其目的是实现基于互操作和分级式软件模块的“开放体系结构的 标准规范s o s a s ( s p e c i f i c a t i o nf o ra no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) 。 1 9 9 4 年由美国c h r y s l e rc o r p 、f o r dm o t o r 和g e n e r a lm o t o r sp o w e r t r a i ng r o u p 三大汽车公司提出了o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划，其目标 是降低控制器的投资成本和维护费用，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即 用 和高效的控制器重构机制，缩短产品开发周期，从而使系统易于更新换代，尽快 跟上新技术的发展，并适应需求的变化。 欧盟在1 9 9 2 年组织了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 m a t i o ns y s t e m s ) 项目，其研究目标是自动化系统中的开放式控制系统体系结构。 该项目由德国斯图加特大学的i s w 研究所主持，联合德、意、法、瑞士、英、西班牙 等1 1 个国家的有关研究机构、大学和制造商，投资1 1 4 0 万欧元，历时4 年，于1 9 9 6 年结束。o s a c a 模型的理想是在标准平台上建立由可自由组合的模块组成的系统，它 是诸多开放式控制器研究计划中最为理想的模型。现在，欧洲主要的数控制造商如： s i e m e n s 、b o s c h 、n u m 、f a g o r 等都在开发符合o s a c a 标准规范的开放式数控系统。 日本在1 9 9 5 年由机床制造商和信息、电子产品企业组建了o s e 协会，开展名为 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 ra r c h i t e c t u r e ) 的研究。项目分 两步进行，第一步是“o s e c - i 设计 的研究，议论的中心问题是开放式控制器的意 义和方向，提出了f a d l 语言，其实质是建立一种有多家公司支持的中性语言，以这 种中性语言作为用户与控制器的交互界面。第二步是“o s e c - i i 设计 的研究，目标 是达到能实际安装的完成度高的体系结构。在o s e c - i i 中，f a d l 语言进一步发展为 o s e l 语言，它将终端用户和机械厂家积累的生产技术做成软件包的形式，是一种具 有可重复利用特性的新的n c 语言。 这些研究项目的主要任务( 1 4 】是：制定开放式数控系统的体系结构标准规范，以便 在这种标准的支持下，各个开发商能开发出具有互换性和互操作性的构成要素模块， 通过标准化接口，可将不同制造商提供的要素模块组合成所需要的数控系统。 我国在9 0 年代中期已经开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的 研究，代表产品有华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。4 种基于p c 的开放 式数控系统。，均采用开放性、总线式、模块化、嵌入式、多通道的软硬件结构。即 可上升为高级型，又可向下裁减为普及型，直到经济型，这些基本系统的升档型，最 多控制轴数可达2 4 轴，联动轴数可达2 9 轴；具有多种形式的插补功能，最小分辨 4 硕士学位论文基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 率可达0 1i im ，快速性可达2 4 m m i n ；具有不同类型的加速减速功能；可进行多过程 控制；具有联网、高速远程通讯功能，可进入f m s 和c i m s ：具有图形、人机会话等 高级编程功能，是一个重大突破，我国数控系统的可靠性已有很大提高，m p b f 值可 在1 5 0 0 h 以上大部分数控机床配套产品已能国内生产，自我配套率超过6 0 ，为我国 数控系统自行开发和生产奠定了基础。 2 0 0 1 年6 月完成了在o s a c a 的基础上编制“开放式数控系统技术规范”和建立 了开放式数控系统软、硬件平台，并通过了国家级验收【l3 1 。2 0 0 3 年，开始制定开 放式数控系统( o n c ) 体系结构，即我国的开放式数控体系结构标准o n c 。 1 4 课题研究的主要内容 本研究课题主要是设计和开发“基于p m a c 的开放式数控教学平台”，针对职业院 校采取新的数控技术教学模式，构建实训教学平台展开设计和开发工作。采用模块化 的设计思想，构建开放式的数控系统，使用户既能在现有系统上开展数控教学应用， 又能根据不同的教学培养模式的要求，进行功能二次开发，体现了新技术对教学的适 应。 本课题研究的主要内容： 第一章：说明了本课题的研究意义和应用前景。介绍了开放式数控系统的内涵， 国内外研究现状和发展趋势。说明本教学平台研究的意义和教学中应用价值。 第二章：介绍p m a c 的基本功能和性能，研究了控制系统的硬件结构，控制系统 采取p m a c 运动控制器嵌入p c 型开放式数控系统；研究了硬件的选型；所选控制系统 硬件的性能特点，以及硬件之间如何连接。 第三章：研究了基于p m a c 的开放式数控教学平台的软件设计，以w i n d o w s 操作系 统作为数控系统软件的运行平台，采用v b 6 0 作为开发工具，利用v b 语言与p m a c 动 态链接库开发数控软件。研究了软件的总体结构、系统初始化、通讯程序、手动控制 模块、系统状态实时显示、数控加工程序编辑等模块，文中分别阐述了这些功能的实 现方法。 第四章：介绍了基于p m a c 的开放式数控教学平台教学功能，以实例展示其在教 学过程中的应用情况，充分利用平台模块化结构，开放的特点，实现新的教学模式， 满足职业院校数控技术一体化教学需要。 5 2 基于p m a c 的开放式数控教学平台的控制系统硬件设计 硕士学位论文 2 基于p m a c 的开放式数控教学平台的控制系统硬件设计 开放式数控系统是以运动控制器为控制核心，以工控机为平台，双c p u 并行通信的 开放式数控系统。p m a c 运动控制器是较为理想的运动控制产品，可在w i n d o w s 平台上 开发软件，可实现模块化的软硬件体系结构，实现软硬件的开放性。本章针对基于p m a c 的开放式数控教学平台，从硬件方面研究了开放式数控系统的构建。 2 1p m a c 运动控制器介绍 本平台运动控制器采用功能强大的p m a c 运动控制器。p m a c 称为可编程多轴控制 器( p r o g r a m m b a l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) ，是由美国d e l t at a ud a t as y s e t m 公 司于1 9 9 0 年推出的p c 平台上的运动控制器f 1 5 l ，是多轴、多通道开放式运动控制器。 它采用了摩托罗拉公司的高性能数字信号处理d s p 5 6 0 0 0 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 作为c p u 它的快速和精确计算能力被转化成为高精度和快速运动轨迹计算和控制，另 外，使用一种类似与b a s i c 的语言来执行在开放式伺服结构下的实时伺服循环工作。 满足用户在运动控制各个领域中的各种高科技应用。它能同时控制1 8 个轴，既可 单独执行存储于控制器内部的程序，也可执行运动程序和p l c 程序，还可进行伺服环 更新以及以串口、总线两种方法与上位机进行通信。它可以自动对任务优先级进行判 别，从而进行实时多任务处理。并且具有旋转运动缓冲区，可用于大量程序的边下载 边执行【1 6 】。用户无须编写轴的插补程序，只需直接调用相关插补指令即可。p m a c 最 大的特点是它提供给用户的优越、特殊的开放性能。 2 1 1p m a c 运动控制器全面开放性 1 、硬件结构的开放性 ( 1 ) 与各种伺服系统的匹配 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 可以和主流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。 2 、软件结构的开放性 ( 1 ) 人机界面的对外开放 p m a c 提供了w i n d o w s 平台下的驱动程序，可以在高级编程语言如v c + + ，v b ，d e l p h i 等编程环境下调用这些动态链接库，实现w i n d o w s 环境下的人机界面。设计模块化及 模块间的接口标准化，模块之间能兼容性，部件具有互换性。 6 硕士学位论文基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 ( 2 ) 开发的应用软件结构的开放性 开发的应用软件软件基于w i n d o w s 操作系统，利用v c + + ，v b ，d e l p h i 等语言 与p m a c 的开发软件开发系统控制软件，p m a c 为用户提供了编程接口，方便实现模块 化的软件结构，各模块之间耦合度低，使得软件具有较强开放性。 ( 3 ) 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 代码指 令功能【1 7 】。 2 1 2p m a c 应用范围 p m a c 作为一种广泛用途的控制器，能应用于各种各样的设备，能应用于电子半 导体制造业、机械制造工业、航空工业、机器人工业、装配工业、精确定位、医疗设 备制造业。 2 2 控制系统硬件结构 图2 1 数控系统的硬件结构图 7 2 基于p m a c 的开放式数控教学平台的控制系统硬件设计硕士学位论文 本研究课题控制系统采取p c 机+ 运动控制器 结构的开放式数控系统。工控机主 板上配有i s a 总线插槽。采用美国d e l t at a u 公司的p m a c 2 a p c i 0 4 运动控制卡，通 过p c i 0 4 一i s a 转接卡插入工控机i s a 总线连接。i s a 总线方式与上位机进行通信。 p m a c 卡快速和精确计算能力转化成为高精度和快速运动轨迹计算和控制实现轴运动 控制、p l c 程序运行等实时任务，i p c ( 工业控制机) 机完成诸如系统的初始化、参 数的输入、加工程序的编辑、系统管理等非实时性任务，实现双c p u 并行处理的开放 式数控系统。i o 端口完成诸如电源开关、行程开关、回零开关等各种开关量信号的 输入输出等实时任务。d t c - 8 b 转接板，主要将p m a c 卡上j m a c h 口与伺服驱动器相 连接，传送p m a c 卡上j m a c h 口的连接信号，主要起接线扩展的作用。软件基于w i n d o w s 系统，利用v b 语言与p m a c 的开发软件开发系统控制软件，实现模块化的软件结构， 使得软、硬件具有较强开放性。本系统硬件结构如图2 1 所示。 本系统硬件结构的特点：软、硬件具有较强开放性，能方便实现数控系统二次开 发、功能扩展，能灵活配置，以适应各种设备，满足机械制造设备的多样性，体现开 放式数控的优势。所开发的控制软件采用模块化思想，具有可扩展和重组功能，可以 根据不同的教学阶段和教学要求，加入各种新功能，实现新的教学模式。 2 3 基于p m a c 的开放式数控教学平台系统的构成 基于p m a c 开放式数控系统主要有以下几部分构成： ( 1 ) 一块p m a c 2 a - p c i 0 4 运动控制卡 ( 2 ) 一台工业控制机( i p c ) 机将p c i 0 4 - 1 s a 转接卡插入i p c 的i s a 总线插槽上， p m a c 2 a - p c i0 4 运动控制卡再接入p c i0 4 - i s a 转接卡。i p c 与p m a c 运动控制卡通过i s a 总线实现通讯。p m a c 与电气柜中各部分的连接则是通过d t c - - 8 b 附件( 转接板) 来 完成。 ( 3 ) 伺服驱动装置采用日本松下公司的伺服电机型号：m s m d 0 4 2 p i u 驱动，配套 的伺服驱动器型号：m b d d t 2 2 1 0 。检测装置：伺服电机内置5 线制增量式编码器， 2 5 0 0 p r ( 分辨率：1 0 0 0 0 ) ( 4 ) 主轴驱动装置通用交流电动机，变频器采用松下型号：b f v o 0 0 7 2 g k 。 2 4 开放式数控教学平台控制系统硬件选型 2 4 1 蹦a c 2 ap c - 1 0 4 运动控制器 p m a c 2 ap c - 1 0 4 ( 如图2 2 所示) 是p m a c 板卡级系列产品，是为嵌入式控制系 统而开发使用的结构紧凑、经济实惠的运动控制器，有较全面的功能和更方便的扩展 性。 8 硕i 学位论文基于p m a c 的开放式数控教学f 台的研究 图22p m a c 2 ap c1 0 4 运动控制卡 p i a c 2 ap c 一1 0 4 运动控制卡性能参数如表2 1 。 表21 p m a c 2 ap c 一1 0 4 运动控制卡性能参数 尺寸 主频4 0 m i zd s p 5 6 3 x x c 刚 接口 通道 最大轴数 算法 p i d 陷波前馈 通道功能1 2 为士i o v 模拟量输入，脉冲方向组台输出 ( a b c ( z ) 增量编码器输入 4 个标示信号输入( 回零、限位、报警、硬什处理) 2 个标示信号输出( 使能、比较、硬件处理) 2 4 2p m a c 2 a p c 1 0 4 控制器硬件结构 p m a c 2 a p c 1 0 4 运动控制器硬件结构i t s i 如图23 所示。 j 1 ( j a n a ) ：模拟量输入口，此接口可接受1 6 路o 5 v 的模拟量信号。 j 2 ( j t h w ) ：多端口i o 扩展口，可连接a c c 3 4 a 等附件，另外此接口可提供 8 i n 8 0 u t 点供用户使用。 j 3 ( j i o ) ：通用i 0 接口，此接口可提供1 6 i n 1 6 0 u t 输入及输出点，这3 2 点 i 0 可由用户自行定义是输入还是输出，以及他们的极性。 5 4 ( 3 1 a c r o ) ：m a c r o 光缆接口，用于与具有光缆接口的驱动器和i o 扳使用。 j 5 ( j r s 2 3 2j r s 4 2 2 ) ：串行数据接口。 j 6 ( j d i s p ) ：显示器连接口，可与a c c l 2 系列的附件相连。 9 2 基于p m a c 的开放式数控教学平台的控制系统硬件设计硕士学位论文 图2 3p m a c 2 a p c 1 0 4 控制器的结构 j 7 ( j h w ) ：手轮编码器接口，可接收两路手轮或编码器信号，并且不占用电机 的编码器通道。 j 8 ( j e q u ) ：位置比较相等的输出信号接口。 j 9 - - j 1 2 ( j m a c h l - - - 4 ) ：1 8 电机的输入输出接口。 2 4 3p m a c 2 ap c - 1 0 4 运动控制卡的变量 p m a c 2 ap c - 1 0 4 运动控制卡的变量是用户丰富的资源，用户可以根据自己配制的 系统进行设置。p m a c 卡有四种变量，即i 变量、p 变量、q 变量和m 变量。 p m a c 卡的i 变量为p m a c 卡，电机和编码器等的参数变量，用于设置电机的速度、 精度、回零等数值，以及坐标系的状态，还包括编码器的反馈形式【1 9 l 。 p m a c 2 a p c 1 0 4 运动控制卡i 变量参数设置 ( a ) 脉冲控制 ( 1 ) i * 0 0 = 1 ( 2 ) 1 1 0 2 = $ c 0 0 41 2 0 2 = $ c 0 0 c 1 3 0 2 = $ c 0 1 41 4 0 2 = $ c 0 1 c ( 3 )1 1 2 5 = $ 5 2 c 0 0 01 2 2 5 = $ 5 2 c 0 0 8 1 3 2 5 = $ 5 2 c 0 1 01 4 2 5 = $ 5 2 c 0 1 8 ( 4 ) 1 9 n 0 = 7o r3 ( 对第一个电机) ：反馈连接回来 ( 5 ) 1 3 0 * 3 5 ：p i d 参数 其中木代表1 - 8 电机 ( b ) 模拟量控制 ( 1 ) i * 0 0 = l 1 0 硕士学位论文基于p m a c 的开放式数控教学平台的研究 ( 2 ) 110 2 = $ c 0 0 21 2 0 2 = $ c 0 0 a 1 3 0 2 = $ c 0 1 2 1 4 0 2 = $ c 0 1 a ( 3 ) i1 2 5 = $ 5 2 c 0 0 01 2 2 5 = $ 5 2 c 0 0 8 1 3 2 5 = $ 5 2 c 0 1 01 4 2 5 = $ 5 2 c 0 1 8 ( 4 ) 1 9 n 0 = 7o r3 ( 对第一个电机) ：反馈连接回来 ( 5 ) 1 9 0 0 = 1 0 0 1 ：p w m 频率2 9 4 k h z 1 9 0 1 = 2 ：相位时钟1 9 6 k h z 1 9 0 2 = 3 ；伺服频率4 9 k h z 1 9 0 3 = 1 7 4 6 ：a d c 频率 ( 6 ) i x 6 9 = 1 0 0 1 ：d a c 限制l o v d c ( 7 ) 1 1 0 = 1 7 1 0 9 3 3 ：伺服中断时间 ( 8 ) 1 3 0 * 3 5 ：p i d 参数 其中参数中枣代表1 8 电机 p i v i a cp 变量 p i v i a c 卡的p 变量为卡的全局变量，个数为1 0 2 4 ，从p o - p 1 0 2 3 ，为4 8 位浮点 变量，p 变量在程序中作用，一个是计算，另一个是软件触发。 p m a cq 变量 q 变量同p 变量，为4 8 位浮点变量，共有1 0 2 4 个，从q o , - - - q 1 0 2 3 ，每个q 变量与 使用它的坐标系有关，同一个q 变量在不同的坐标系中占用不同的地址，而在p m a c 的同一个地址，在不同的坐标系对应不同的q 变量。 p m a cm 变量 m 变量称为p m a c 卡的地址指针变量，变量范围：m o - - 一m 1 0 2 3 。 m 变量定义格式为：m 木水地址，偏置地址，宽度，方向。 m 变量的功能为存取p m a c 的内存和i o 点，m 变量一旦定义，通过卡的后备电池 或闪烁存储器可以被保存下来。m 变量可以是1 位的，也可以是一个字节的( 8 位) 或者是一个2 4 位的字，4 8 位的浮点双字。 2 4 4 工控机( i p c ) 本控制系统采用联想工控机，型号：i p c 6 1 0 h ，c p u 奔腾4 主频2 o g h