《开放式数控系统》PPT课件.ppt

作者 聂晓根 福州大学机械工程及自动化学院 NumericalControlTechnology E MAIL nxg 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 1987年 美国提出了下一代控制器计划NGC NextGenerationWorkstation MachineController 和开放式系统体系结构标准SOSAS StandardsofOpenSystemArchitectureforAutomaticSystems 首次提出了开放式体系结构的概念 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 play 数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力 以满足具体控制功能要求 可移植性 portability 功能模块可运行于不同的控制系统内 易于实现智能化 网络化的要求 可扩展性 expandability 功能相似 接口相同的模块之间可相互替换 有随技术进步而更新硬软件的可能 可缩放性 scalability 控制系统的大小 模块的数量与实现 可根据具体的应用增减 以便根据需要可方便实现重构 编辑 实现一个系统多种用途 互操作性 interoperability 模块之间能相互协作 交换数据 容易实现和其他自动化设备互连 可相互替代 数控系统呈现出从封闭体系结构向开放体系结构发展 从硬数控向软数控方向发展的趋势 目前数控系统有以下四种 如FANUC SIEMENS等数控系统 这是一种专用的封闭体系结构的数控系统 1 PC嵌入NC 衍生式 专用NC PC 在传统的非开放式的CNC上插入一块专门开发的个人计算机模板 使传统的专用CNC带有个人计算机的特点 该系统传统CNC没有改变 进行实时插补 伺服控制 电源控制以及I O控制等一些实时控制 PC部分执行前端管理等非实时控制 例如人机界面 存储和通讯等 此种模式的控制器主要出自CNC控制器制造商 其原因一方面是许多用户对他们的产品很熟悉 也习惯使用 另一方面是控制器商不可能在短时间内放弃他们传统的专用CNC技术 因此 这是一种折衷方案 在他们专用CNC系统中PC的前端接口 使其具有PC处理的柔性 也就是说 这种模式只具有部分的开放性 它不能实现NC内核的开放 这是数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品 它具有一定的开放性 但由于它的NC部分仍然是传统的数控系统 用户无法介入数控系统的核心 代表产品有SIEMENSSINUMERIK系列 FANUC18i 16i系 Num1060系统 AB9 360等列数控系统 国内的华中I型数控系统 PC NC控制卡 PC机作为系统的核心 将控制卡插入到PC的标准扩展槽中完成各种标准数控功能 一般用PC机处理各种非实时任务 由硬件扩展卡处理实时任务 2 NC嵌入PC 嵌入式 这种模式中 PC部分能提供一定意义上的开放 控制卡能保证实时性 以PC为基础的CNC控制器是目前研究的主流 美国DelaTauDataSystem公司的PMAC NC 德国PA公司的PA8000 美国OrmecSystem公司Orion 德国的Indramat公司的MTC200都是类似这种模式 这种运动控制卡通常选用高速DSP或运动控制芯片作为CPU 具有很强的运动控制和PLC控制能力 它本身就是一个数控系统 可以单独使用 它开放的函数库可以在Windows DOS和Linux平台下自行开发构造所需的控制系统 如美国PMAC卡构造的PMAC NC数控系统 3 软型开放式数控系统 扩展式 这是一种真正意义上开放体系结构的数控系统 只需将CNC接口板插到PC机的标准插槽中 这里的PC是不需要改造的通用PC 整个系统由PC扩展而成 除伺服驱动和外部I O接口外 其余功能均由软件完成 个人计算机既完成前端管理等非实时任务 又完成如实时插补 伺服控制 电源控制以及I O控制等一些实时任务 CNC接口板只担任沟通PC接口和物理驱动器接口的任务 这种模式的数控系统 能实现NC内核的开放 用户操作界面的开放 CNC可以直接地 或通过网络运行各种应用软件 因而能满足机床制造商和用户的最终要求 它能最大限度地利用PC的软硬件资源 适应未来先进制造技术的要求 用户可在Win NT或RT LINUX等操作系统平台上 利用开放的CNC内核软件 开发所需的各种功能 通过智能软件替代复杂的硬件 正在成为当代数控系统发展的重要趋势 其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC 德国PowerAutomation公司的PA8000NT等 开放式体系结构可以大量采用通用微机技术 使编程 操作以及技术升级和更新变得更加简单 快捷 开放 数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的系统集成 同时它也为用户根据实际需要灵活配置数控系统带来极大方便 促进了数控系统多档次 多品种 特别是各种非标准 非传统数控设备 的开发和广泛应用 开发生产周期大大缩短 同时 这种数控系统可随CPU或其它组件升级而升级 而其余结构可以保持不变 开放式数控的出现 对我国的数控装备行业而言 可以说既是一个挑战 也是一个千载难逢的机遇 因为在开放式数控体系中 大部分原来由硬件完成的工作由PC机承当 开发的工作量很大部分在软件部分 使得我们可以绕过专用数控硬件制造的瓶颈 目前我国在PC机硬件方面 已具备相当的制造水平和规模 以中国人特有的聪明才智 完全可以在数控软件开发中大有作为 正是开放式数控系统的特性 使其具有传统数控系统无法比拟的优点 成为数控技术发展的方向 开放式数控系统的优点主要有 2开放式数控系统的优点 1 向未来技术开放 由于软 硬件接口都遵循公认的标准协议 只需少量的重新设计和调整 新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳 吸收和兼容 这将使系统的开发费用大大降低而系统性能与可靠性将不断改善 并处于长生命周期 2 标准化的人机界面 标准化的编程语言 方便用户使用 3 向用户开放 通过更新产品 扩充功能 提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足用户特殊应用要求 给用户提供一个方法 从低级控制器开始 逐步提高 直到达到所要求的性能为止 另外 用户自身的技术能方便地融入 创造出自己的产品 4 可减少产品品种 便于批量生产 提高可靠性和降低成本 增强了市场响应能力和竞争能力 三开放式微机数控系统的实现技术 现阶段 真正实现数控系统的完全开放还难以做到 一些数控系统只是具备了开放式系统特点或者开放程度相对大一些而已 1 PC嵌入NC模式 2 NC嵌入PC模式 3 全软件型开放式数控系统 目前 利用现有PC机的软硬件规范设计开放式数控系统 从研究进展及实现技术上看 主要有以下三种 1 PC嵌入NC模式 2 NC嵌入PC模式 3 全软件型开放式数控系统 PC与CNC之间用专门的总线连接 因而数据传输快 响应迅速 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 1 PC NC模式数控系统构成 PMAC programmablemulti axescontroller 是美国DELTATAU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 TurboPMACClipper TurboPMAC2PCI PMAC2PCI TurboPMACPCI 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Motorola56000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 TurboPMAC PMACPC104 PMACPC104扩展卡 PMACPC104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 PMA