（电工理论与新技术专业论文）基于pmac的开放式数控系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t o p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e mi st h em a i nd i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n to fn ct e c h n i q u ef o r i t s a d v a n t a g e so fp o w e r f u la b i l i t y , f r i e n d l yi n t e r f a c ea n dc o n v e n i e n c eo fc o m m u n i c a t i o n p a r a l l e l e d d u a lc p uc o m m u n i c a t i o nm o d eb a s e do ni p ca n dw m d o w so p e r a t i o ns y s t e mi sa s i m p l ea n df a s to p e na r c h i t e c t u r es y s t e m i tc o n s i s t so fs u p e r - c o m p u t e ra n ds u b - c o m p u t e r t h e s u p e r - c o m p u t e ri si nc h a r g eo fc o m m u n i c a t i o n 诵mm e n ，a n dt h es u b - c o m p u t e ri si nc h a r g eo f r e a l t i m ec o n t r o l l i n g t h i sp a p e rd e v e l o p sam i l l e rn cs y s t e mc o n t r o ls y s t e mb a s e do np m a c ， f i r s t ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h e n ， a n a l y s e st h ef u n c t i o nn e e d so fh o s tc o m p u t e ra p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，a n dp r o v i d e st h ed e s i g nd e t a i l s o fe v e r ym o d u l e s a tt h ee n d , d e b u g sa n dr u n st h en cs y s t e m t h ed e v e l o p m e n to ft h eh o s tc o m p u t e ra p p l i c a t i o ns o r w a r ei st h em a i np a r to ft h i sp a p e r t h i ss o f t w a r e ，w h i c hi sd “e l o p e di nv i s u a lc - 卜+ 6 0b a s e do nw i n d o w s2 0 0 0o p e r a t i n gs y s t e m ，i s m o d u l a r l yp r o g r a m m e dw i t hs t r u c t u r e dd e s i g n i ti n c l u d e sp a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l e ，i n i t i a l i z a t i o n m o d u l e ，w a t c h i n gm o d u l e ，m a n u a lc o n t r o l l i n gm o d u l e ，c o m p e n s a t i o nm o d u l e ，d o w n l o a da n d e x e c u t i n gm o d u l e , n cc o d ec r e a t i o nm o d u l e p a r a m e t e rs e t t i n gm o d u l es e t ss y s t e mm e c h a n i c a l p a r a m e t e ra n da p p l i c a t i o nm e c h a n i c a lp a r a m e t e r i n i t i a l i z a t i o nm o d u l ee s t a b l i s h e st h ec h a n n e lf o r t h es u p e r - c o m p u t e ra n dt h es u b - c o m p u t e ra n ds e t sr e l e v a n tv a r i a b l ea n di n i t i a l st h ed y n a m i c l i n k l i b r a r y w a t c h i n gm o d u l er e f r e s h e st h ei n t e r f a c ei n f o r m a t i o na n dw a t c h i n gt h es a f ei n f o r m a t i o n m a n u a lc o n t r o l l i n gm o d u l ee x e c u t e su s e r s c o m m a n di m m e d i a t e l y c o m p e n s a t i o nm o d u l ec a n i m p r o v et h ep r e c i s i o no fn cs y s t e m d o w n l o a da n de x e c u t i n gm o d u l ed o w n l o a d sa n de x e c u t e s m o t i o np r o g r a m sa n dp l cp r o g r a m s i na d d i t i o n ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e saw a yo fa u t o m a t i c a l l yc r e a t i n gn cc o d ei nd e t a i l ， a c c o r d i n gt ot h ed x ff o r m a t t e dg r a p h i c so ft h eo b j e c t a n di ta l s og i v e st h em e a n so fc r e a t i n gn c c o d ec o n s i d e r i n gt h ec u t t e rr a d i u s p r a c t i c eh a sp r o v e dt h a t t h i sn cs y s t e mc a nw o r ks t e a d i l yf o ral o n gt i m ea n dm e e tt h e c o m m a n do ft h ei n d u s t r y k e y w o r d s ：n cs y s t e m ；p m a c ；d u a lc p u ；d p r a m ；d x f ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：鳇i 塾遂日期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：埕近塾盈导师签名绯日 期： 第一章绪论 第一章绪论 1 1 数控技术的产生和发展l 数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制 的技术。它是工厂自动化( f a ) 的实用化基础技术，对国民经济主导工业的发展具有举足 轻重的推动作用。 1 9 4 6 年世界上第一台屯子计算机问世，揭开了人类进入信息时代的序幕。1 9 4 8 年美国 帕森斯公司提出了采用电子计算机控制机床，加工飞机螺旋桨叶片轮廓样板曲线的设想，得 到了美国空军和麻省理工学院伺服机构研究室的支持，终于在1 9 5 4 年成功研制出世界上第 一台三坐标数控铣床，这标志着数字化信息控制机床运动及复杂零件加工的数控技术的开 始。这种电子计算机以数字方式控制机床工作的技术称为数字控制技术。简称数控( 缩写为 n c ) 随着计算机技术，特别石微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或软件方面都趋于 成熟，数控大致经历下列几个阶段。 i 硬件数控阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) 早期计算机的运算速度低，远不能适应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑 电路搭构成一台专用计算机作为数控装置，称为硬件连接数控，简称为数控( n c ) ，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试验样机，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。 这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，称为“硬件”数控，其功能简 单。灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的发展和应用。 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，通用小型计算杌出现 并逐渐普及，首次展出了以小型计算机为核心的计算机数控系统( c n c ) ，标志着数控系统 进入了计算机为主的第四代。至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成，从此系统进 入了“软联接”数控时代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软联接c n c 系统。象征着数控系统进入了以 微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本， 简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 8 0 年代初，随着大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普及应用，c n c 系统进入了 第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备，具体了多功能的技术特征，尤 其在软件技术方面，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形动态 东南大学硕：0 学位论文 显示和校验，实时软件精度补偿等功能。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和系统化。 3 高速高精度c h i 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，必须提高微轮廓线的解释处理能力和伺服驱动 特性。为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，c n c 系统应具有足够 高的数据处理速度和能力。3 2 位和6 4 位c p u 以其很强的数据处理能力在c n c 中得到了应 用，使c h i c 系统进入了面向高速、高精度的第七代。1 9 8 5 年，三菱电机公司率先推出了 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，并逐渐成为当今数控系统的主流。 4 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用( 1 9 9 4 至今) 进入了九十年代，个人计算机( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的性能提高很快。从8 位、1 6 位、发展到3 2 位和6 4 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机的c n c 系 统阶段。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 的开放化提供了基础。 1 2 开放式数控系统的简介 传统的数控系统一直沿着闭式结构向前发展。对用户来说，这种闭式数控系统只是一个 被定义了输入和输出的黑匣子，其内部细节是不可知的。它的最大缺点就是在原来基础上很 难或几乎不可能再加入新的控制策略方案和扩展新功能。随着计算机再制造过程中的广泛应 用，改善制造过程性能的需求越来越强烈，这种封闭式结构的局限性也越来越明显。为适应 不断发展的现代技术需求，未来的c n c 控制器必须能够被用户重新配置、修改、扩充和改 装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与第三方软件等，而不必重新设计硬件和 软件。要达到这一目的，最有效的途径就是实现开放性。近年来，由于p c 机发展迅速，技 术成熟，软件资源丰富，因此充分利用p c 机资源。并将其功能集成到c n c 中去，发展基 于p c 的数控系统( p c - n c ) ，已成为世界各国发展研究的重点。具体地说，p c - n c 就是在p c 机硬件平台和操作系统的基础上方便地使用市售的软件和硬件板卡，构造数控系统。由于 p c 总线是一种开放性的总线，w i n d o w s 或者l i n u x 等是开放的面向对象的操作系统，所以 这种系统结构具有了开放式、模块化，可嵌入的特点，为机床厂和用户通过软件开发给数控 系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证。 1 e e e 标准定义开放式数控系统：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并 能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式数控系统具有以下基本特征： 1 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根 据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行； 2 可伸缩性，c h i c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小( 硬 件或软件模块) ，可根据具体应瑚增减； 3 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制系统内， 即能运行于不同供应商提供的硬件平台上： 4 可扩展性，c h i c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统中，形成 2 第一章绪论 自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸； 5 可互换性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程 序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。 当前，由于大量在p c 机上运行的制造软件的出现和对机床控制功能的特殊要求，机床 用户和制造商迫切要求控制器开放，具有更多的柔性。按控制器开放程度的不同，可归纳为 三个层次的开放： ( 1 ) c n c 可以直接地或通过网络运行各种应用软件。强有力的软件包( 例如数字化) 能作为许可证软件来执行。各种车间编程软件、刀具轨迹检验软件、工程管理软件、通信软 件、多媒体软件都可以在控制器上运行。这大大改善了c n c 图形显示、动态仿真、编程和 诊断功能。 ( 2 ) 用户操作界面的开放。使c n c 用户接口有其自己的特点，更加友好，并具备特 殊的诊断功能( 如远距离诊断) 等。 ( 3 ) n c 内核开放。这是最深层次的c n c 开放。通过执行用户自己的用v c 、c 、c + + 、 v b 或d e l p h i 语言开发的程序，就可以把应用软件加到标准c n c 的n c 内核中，这称为编 译循环。n c 内核系统提供己定义的出口点，o e m ( 原始设备知道厂家) 用户可以把他们自 己的软件连接到这些出口点。这种n c 内核的开放，不会使系统收到干扰。这样，机床制造 商或用户，通过编译循环就把属于他们自己的知识、经验、专用工艺集成到c n c 控制器中， 形成他们定制的c h i c ，使c n c 完全适合特定的应用场合。更重要的是，编译循环使机床制 造完全独立于控制器制造商，使带有专门知识技能的应用软件永远属于机床制造商自己。德 国西门子公司的s i n u m e r i k 8 4 0 、美国的d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的p m a c n c 、德国 p a 公司的p a 8 0 0 0 、美国c i n c i n n a t i 公司的a c r a m a t i c 2 1 0 0 等c n c 系统都属于这一范畴，他 们具有真正开放式的系统结构。 开放体系结构数控系统的发展对我国数控技术发展提出了严峻的挑战，同时也带来千载 难逢的机遇。研究开发开放式数控平台及产品还可以解决长期困扰我国的数控系统硬件可靠 性较差以及专用控制系统开发水平低、周期长的问题。开放体系结构使数控系统的开发制造 变成了以软件技术的研究和开发为主体，主要硬件设备采用市场流行的工业控制计算机。 1 3 开放式数控的发展和研究现状。描l 1 3 1 国外开放式数控系统的产生和发展 在8 0 年代初，便开始了推广基于p c 的开放式数控系统，但是直到9 0 年代初才得以实 现。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，目前正朝标准化开放体系结构的方向前进。 开放式数控系统的研究始于1 9 8 7 年，美国空军提出了著名的“n g c ( n e x tg e n e r a t i o n w o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 下一代控制器”研究计划和“开放式体系结构标准s o s a s ( s t a n d a r d s o f o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r a u t o m a t i cs y s t e m s ) ”，首先提出了开放体系结构 控制器的概念。1 9 9 2 年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构计划 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 na u t o m a t i cs y s t e m s ) ，该系统是以p c 为 标准平台，加上能自由组合的软件模块，构筑成。不依赖于特定卖主的开放型控制器”的结 构。由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及 3 东南大学硕f ：学位论文 s m l 信息系统公司共同组建了“控制器开放系统环境o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) ”，其目的是建立一个国际性的工厂自动化f a ( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 控制设备标 准。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n g c 计划分别发表了相应的研究内容。如 在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出了“e m c ( 增强型机床控制器) ”：由美国通 用、福特和克莱斯勒三大汽车公司提出和研制了“o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u m c o n t r o l l e r ) 开放模式体系结构控制器”。现今，国外c n c 开发商都在积极研制上述的开放 式机床数控系统，被称为第六代数控系统。 目前，国际上与开放性数控相关的项目比较多，但是最具影响力的仍是欧洲的o s a c a 、 美国的o m a c 、日本的o s e 。 1 3 2 国内开放式数控系统的发展及现状 我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”到“九五”的二十年的发展，基本上掌 握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。我国的数控技术，再“八五 攻关中，不失时 机地提出了以自主版权为目标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调整 到以p c 机为基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华 中i 型和中华i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航天i 型和蓝天i 型是将p c 机嵌入到 数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型结构。其中，华中数控系统有限公 司的华中_ 2 0 0 0 型高性能数控系统是面向2 l 世纪的新一代数控系统。华中- - 2 0 0 0 型数控系 统( h n c 2 0 0 0 ) 是在华中i 型( h n c 1 ) 高性能数控系统的基础上开发的开放式数控系统。 该系统采用通用工业p c 机、t f t 真彩色液晶显示器，具有多轴通道控制能力和内装式p l c ， 可与多种伺服驱动单元配套使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性高、性能价 格比高、操作维护方便的优点。 然而就总体而论，虽然各个系统都向p c 平台方向发展，但在具体的实施开发中仍然存 在一些问题。最大的问题即为开放性不够、开发环境和支持手段不足，要作为用户方便地进 行二次开发的开放程度还远未达到，只有具有相当技术力量的开发单位才能使用，而作为能 够普及到一般用户的程度还远远不够。 开放性数控是数控技术发展的必然趋势，开放性的体系结构给c n c 生产厂家、机床制 造厂和用户都带来了许多益处。我国在2 0 0 0 年也开始进行中国的“o n c ( o p e nc o n t r o l s y s t e m ) 开放式数控系统”的规范框架的研究和制定。 1 4 开放式数控所面临的课题 开放式数控系统发展面临以下几个课题： 1 一致性的人机界面( m m i ) 对用户友好，具有一致性的数控系统的操作界面，对于降低人员培训费用，降低系统维 护费用都具有比较重要的意义。 2 以软件为基础的控制器 在开放性数控的研究过程中，软件越来越受到重视。o s a c a 认为当今数控技术的发展， 已经由面向硬件( h a r d w a r eo r i e n t e d ) 转向面向软件( s o f t w a r eo r i e n t e d ) 。o s a c a 虽然对于硬 件提出了一些中性的规范，但是它对硬件的规范并不苛求。o m a c 的最早倡议者g m 公司 4 第一章绪论 认为，机床的控制器可以实现各种程度的开放，最高程度的开放的是以软件技术为基础的控 制器。o s a c a 、o m a c 、o s e 都提供了a p i 作为研究的重要成果。 3 重视r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的开发与应用 开放性数控要求不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作系统都能满足数控 系统的需要。数控加工要求r t o s ，现在流行多种操作系统，用户和c n c 开发厂商都面临 着许多选择。一些测试表明，流行的操作系统大多无法满足实时性的要求。目前，微软正着 手将w m d o w sc e 操作系统转变为实时操作系统。美国能源部的i c o n 制造操作系统项目正 在研制m o s ( m a n u f a c t u r i n go p e r a t i n gs y s t e m ) 4 数控系统开放程度 o s a c a 规定了三个层次的开放程度：人机界面开放、内核有限开放、全开放。人机界 面开放的开放度只限于非实时控制部分( 面向用户应用) ；内核有限开放的内核结构固定， 但留有插入用户专用软件的接口，这两种程度的开放，在目前实现是完全可能的。而最高程 度的开放内核的完全开放，它的系统结构是由过程可互换性i 可升级性、可移植性、互 操作性等决定的，最终要求实现在标准平台中能够任意组合所有模块的功能，目前还较为困 难。 5 具体网络通信功能 当今的c n c 出于c i m s 和d n c 的环境中，c n c 系统不仅能够控制独立运转的机械， 同时还要在综合化的生产环境中，用做生产的终端设备，网络通讯功能已经成为c n c 系统 的必备功能。i s d n 和a t m 技术的发展已经使得通过i n t e r n e t 的数控系统具有实现的可能性。 由此会产生一系列的如何防止外部非法入侵等有关安全性的一系列问题。另外，在网络化的 环境下如何实现数控程序在不同数控机床上的可移植性是一个值得研究的重要问题。 1 5 本文的主要工作 本文详细阐述了基于p m a c 卡的开放式数控平台的软硬件设计过程，主要内容有以下几 个方面： 1 第一章? ? 绪论。首先简单介绍了数控技术的产生和发展，然后详细说明了开放式 数控系统的特点、国内外的研究现状和所面临的课题： 2 第二章一一数控系统硬件平台设计。首先详细介绍了数控系统硬件平台中主要模块 p m a c 卡，包括p m a c 卡的基本功能、p m a c 卡的硬件、p m a c 卡的软件、p m a c 的重要附 件d p r a m 等，其次给出数控系统硬件结构图，并且介绍了上、下位机通讯方法； 3 第三章开放式数控系统上位机软件的开发。本章首先分析了上位机软件平台的 功能需求，继而详细说明了p m a c 各功能模块具体实现。包括：参数设定模块、初始化模 块、手动控制模块、实时监测模块、补偿模块、程序下载执行模块等： 4 第四章数控代码的生成。本章首先详细介绍了从工件的原始的d x f 图自动生成 最终加工代码的方法，并以椭圆弧为例介绍了具体生成过程其次介绍了当考虑刀具半径时， 相应加工g 代码的处理方法； 5 第五章一一数控系统调试。本章首先说明了p m a c 卡相关变量的如何设定，然后给 出了数控铣床调试过程中机械参数的设置，经调试，结果符合要求。 5 东南大学硕j ：学位论文 6 第六章总结与展望。简要地总结本文工作并提出了系统改进和扩展的一些方案。 6 第二章开放式数控系统硬件平台设计 第二章开放式数控系统硬件平台设计 2 1p m a c 的介绍i u - 1 3 l 2 1 1p m a c 卡简介 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 ) 是美国d e l t at a u 公司九十年代推 出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控 的基本功能。p m a c 内部使用了一片m o t o r o l ad s p ( d s p d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 5 6 0 0 1 数字信号处理芯片，形成支持多种总线( i s a 、p c i 、v m e 、p c l 0 4 ) 插槽的卡式产品或独立的 控制器模块。它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。在伺服数据的处理能力、 轴特性及输入信号带宽方面，p m a c 控制器由于采用专门的模块化结构，编码输入的串行处 理速度是大多数控制器的1 0 到1 5 倍。伺服控制包括p i d 加n o t c h 和速度、加速度前馈控制， 其伺服周期单轴可达6 0i is ，二轴联动为1 1 0l ls 。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。 甚至连接m a c r o 现场总线的高速环网，直接进行生产线的联动控制。与同类产品相比，p m a c 的特性给系统集成者和最终用户提供了更大的柔性。它允许同一控制软件在三种不同总线 ( p c x t 和a t 。v m e ，s t d ) 上运行，由此提供了多平台的支持特性。一块控制器可以同时 操纵8 3 2 个轴，并且可以并联运行。每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。 p m a c 运动控制器所控制的每一个轴完全独立，即块插卡可以操纵8 台不同机器的8 个 单轴，或者同一台机器中的8 个轴，或者两者之间的任意组合。在对伺服数据的处理能力、 轴特性及输入信号带宽方面，p m a c 控制器由于采用专门的模块化结构，编码器输入的串行 处理速度是大多数控制器的1 0 到1 5 倍。而且可从高分辨率编码器件接收低插补位的5 位并 行数据，可得到3 2 0 m h z 的有效输入带宽。 p m a c 运动控制器具有极强的灵活性，可适配于当前普遍应用的多种不同总线结构、不 同类型的电机、反馈元件以及指令数据结构，可随时对p m a c 硬件进行升级。p m a c 控制器允 许同一控制程序在所有总线上运行，同时允许每一轴上电机和反馈元件的不同组合。 p m a c 运动控制器在硬件结构上采用了先进的模块化设计，结构是开放性，可根据不同 的应用系统选取相应的选项及附件。当系统需要对多轴进行联动和插补控制时，就可以以一 块p m a c 板用于机器人、数控机床、坐标测量机、激光加工、雕刻机、印刷、包装等各类自 动化设备。 7 东南大学硕士学位论文 2 1 2p m a c 的基本功能 1 执行运动程序 p m a c 的最明显任务是按运动程序中的顺序执行一个运动程序。当被告知执行一个运动 程序时，p m a c 一次执行程序的一个指令，进行该移动命令( 包括非移动的任务) 的所有计算， 从而为该运动的实际执行做好准备。p i d a c 总是工作在实际移动之前，如果需要，它总能正 确地与即将执行的动作相调和。 2 执行p l c 程序 运动程序的顺序特性使得它能很好适应一系列的运动并相互协调其它坐标系的动作，然 而，当在执行那些不是用运动的顺序来直接协调的动作时，这些程序就不适于坐标系的运动。 对于这些类型的任务，p m a c 提供给用户编写“p l c 程序”的能力。这些程序对于在运动顺序 上不同步的任务是非常有用的。当运动程序在前台有序的同步运行时，p m a c 运动控制器可 以在后台运行多达3 2 个异步p l c 程序。p l c 程序与运动程序共享同一种逻辑结构，但不能 控制运动轴。p l c 程序可以极高采样速率监视模拟输入和数字输入，设定输出值，发送信息， 监视运动参数，改变增益值，以及命令停止启动序列。p l c 程序还可以对p m a c 运动控制器 发送命令。这些高速的异步程序附加于运动程序，功能非常强大。 3 伺服环更新 对于每一个电机，p m a c 都以一个固定频率( 通常为2 k h z 左右) 对其进行伺服更新。伺服 更新工作进程是：先根据运动程序或别的运动命令得到的等式求得要求的位置增量，然后将 此与由反馈传感器读回的实际位置相比较，最后在两者之差的基础上，发出一个输出命令使 此差值变小，如此反复，直到此差值令人满意为止。 4 换相更新 对于一台多相电机，p m a c 自动地以一个固定的频率( 通常9 k i t z 左右) 进行换相更新。换 相更新，就是测量并估算转子磁场方向。然后再分配通过分布在电机的不同相位的伺服更新 算出的命令。 5 资源管理 p m a c 会定期自动地执行资源管理的功能，以确定整个系统是否处于正常工作状况。这 些功能包括安全检查，也还包括看门狗记时器的更新。如果任何的硬件或软件的问题使这些 功能不能得到执行，则看门狗记时器将会触发，从而使卡关闭。p m a c 可以在任何时间与主 机通信。甚至在一个运动序列中问。l 确t a c 接受一个命令。然后采取相应的动作一将命令放 入一个程序缓冲区以便以后执行，提供数据以响应主机，开始电机的移动等。如果命令是非 法的，它将会向主机报错。 6 任务优先级 任务是按照优先级电路组织起来的。这可以使它们得以最优化，从而让程序能有效、安 全的运行。当优先级确定以后，不同任务的执行频率可由程序员自己控制。 8 第= 章开放式教控系缱硬件平台设计 2 1 3p m a c 的硬件 数控系统使用的陇 c 型号是p l i a c 2 a - p c 1 0 4 。如图2 - 1 所示。它主要包括4 0 蛐z k p 5 6 3 x x c p u ，1 2 8 k 2 4 位内部s r 枷5 1 2 kf l a s h - r o m ，r s 一2 3 2 串行接口，5 0 针放大器编码 接口连接器，“针标志接e l 连接器等。具体元件分布如图2 - 2 及表2l 所示。 图2 - 1p m a c 2 a 一1 0 4 主扳 - l - l c i 。i 。i ， 图2 - 2p 眦c 2 a - p c 1 0 4 元件分布图 表21p 姒c 2 a p c 1 0 4 元件分布表 f e a t u r ef e a t ：c u ef e a t u r e b 3e 1 3 晓 b 3r p 3 l e 1 5 e 4 r p 3 6 e 3 r p 3 7 东南大学硕上学位论文 e 4 c 4e 1 5 ce 4n la 2 e 8b 1e 1 6 d 1 0 2a 3 e 9 b 5e 1 8d 4t b lb 6 e i oe 5e 1 9d 4 j r s 2 3 2 a 2 e 1 1e 5 w 1e 6 j m a c h i f 3 e 1 2e 5 j m a c h 2 a 4 1 放大器编码接口连接器 它是5 0 针扁平电缆连接器，由4 组i o 信号组成，主要包含模拟输出，增量型编码输 入，放大器出错和使能信号。电源接口。各个管脚功能含义如表2 2 所示。 表2 2 放大器编码接口连接器各管脚功能 p i n #s y m b o lf u n c ti o n d e s c r i p t i o n n o t e s l+ 5 v o u t p u t + 5 vp o w e rf o re n c o d e r s1 2+ 5 v o u t p u t + 5 vp o w e rf o re n c o d e r s1 3g n d c o m m o n d i g it a lc o m m o n 4g n dc o m m o n d i g it a lc o m m o n 5c h a i i n p u t e n c o d e rac h p o s2 6c h a 2 i n p u t e n e o d e rac hp o s 2 7c h a l i n p u t e n c o d e rac hn e g2 3 8c h a 2 i n p u t e n c o d e rac hn e g2 3 9c h b l i n p u t e n c o d e rbc h p o s2 1 0c h b 2 i n p u t e n c o d e rbc hp o s2 1 1c h b l i n p u t e n c o d e rbc hn e g 2 3 1 2 c h b 2 i n p u t e n c o d e rbc hn e g2 3 1 3c h c l i n p u t e n c o d e rcc hp o s 2 1 4c h c 2 i n p u t e n c o d e rcc hp o s2 1 5c h c l i n p u t e n c o d e rcc hn e g 2 3 1 6 c h c 2 i n p u t e n c o d e rcc hn e g2 3 1 7c h a 3 i n p u t e n c o d e rac hp o s2 1 8c h a 4 i n p u t e n c o d e rac hp o s2 1 9c h a 3 i n p u t e n c o d e rac hn e g 2 3 2 0 c h a 4 i n p u t e n c o d e rac hn e g2 3 2 1c h b 3 i n p u t e n c o d e rbc hp o s2 2 2c h b 4 i n p u t e n c o d e rbc h p o s 2 1 0 第二章开放式数控系统硬件平台设计 2 3c h b 3 i n p u t e n c o d e rbc hn e g 2 3 2 4c h b 4 i n p u t e n c o d e rb c hn e g 2 3 2 5c h c 3 i n p u t e n c o d e rc c hp o s 2 2 6c h c 4 i n p u t e n c o d e rcc h p o s 2 2 7c h c 3 i n p u t e n c o d e rcc hn e g 2 3 2 8 c h c 4 i n p u t e n c o d e rcc hn e g 2 3 2 9 d a c l o u t p u t a n a l o g o u t p u t p o s l 4 3 0d a c 2 o u t p u ta n a l o g o u t p u t p o s 2 4 3 1d a c l o u t p u ta n a l o g o u t p u t n e g l 4 5 3 2 d a c 2 o u t p u ta n a l o g o u t p u t n e 9 2 4 5 3 3 a e n a l o u t p u ta m p e n a b lel 3 4a e n a 2 o u t p u ta m p e n a b l e 2 3 5f a u l t l i n p u ta m p f a u ltl 6 。 3 6f a u l t 2 i n p u ta m p f a u l t l 6 3 7d a c 3 o u t p u ta n a l o g o u t p u t p o s 3 4 3 8d a c 4 o u t p u ta n a l o g o u t p u t p o s 4 4 3 9 d a c 3 o u t p u ta n a l o g o u t p u t n e 9 3 4 5 4 0d a c 4 o u t p u ta n a l o g o u t p u t n e 9 4 4 1 a e n a 3 o u t p u ta m p - e n a b l e 3 4 2 a e n a 4 o u t p u ta m p e n a b l e 4 6 4 3f a u l t 3 i n p u ta m p l 。f a u l t 3 6 4 4p 瞰& ? i n p u ta l p f a u lt 4o p ti o n 。1 2r e q u i r e d 4 5a d c i nl i n p u ta n a l o gi n p u t lo p t i o n - 1 2r e q u i r e d 4 6 i ) c i n2 i n p u ta n a l o gi n p u t 2 4 7 忍咒q ri n p u ta m p f a u l tp u l l u pv 4 8g n d i n p u ta n a l o gc o m m o n 4 9a + 1 5 v i n p u t d a c s + 1 5 vs u p p l y 5 0a 1 5 v i n p u t d a c s 一15 vs u p p l y 2 标志接口连接器 它是3 4 针扁平电缆连接器，由4 组i 0 信号组成，主要包含正反极限标志。回零标志， 脉冲方向输出标志。各个管脚功能含义如表2 3 所示。 东南大学硕士学位论文 表2 3 标志接口连接器各管脚功能 p i n # s y m b o l f u n c t i o n d e s c r i p t i o n n o t e s lf l g12 v i n p u tf l a g1 2p u ll u p 2f l v34v i n p u tf l a g3 - 4p u l l 一u p 3g n dc o m m o n d i g it a lc o m m o n 4g n dc o m m o n d i g i t a lc o m m o n 5 h o m e l i n p u th o m e f l a g l 1 0 6h o m e 2 i n p u th o m e f l a 9 2 1 0 7 p l i m i i n p u tn e g a ti v ee n dl i m it l 8 9 8p l i m 2 i n p u tn e g a ti r ee n d l i m it 28 9 9m l i m i i n p u t p o s i t i v ee n dl i m i t l8 9 1 0 m l i m 2 i n p u t p o s i t i r ee n dl i m i t 28 9