基于PMAC的开放式数控系统研究

1、3344第24卷第9期2002-9制造业自动化 基于 PMAC 的开放式数控系统研究赖国庭,吴玉厚,富大伟(沈阳建筑工程学院,辽宁 沈阳110015摘 要:阐述了数控系统的发展概况,介绍了 P M A C 运动控制器的性能,深入讨论了基于 P M A C的开放式数控系统的结构、优势和性能。关键词:P M A C ;开放式数控系统 中图分类号:TH166 文献标识码:B 文章编号:1009-0134(200209-0034-03收稿日期:2002-03-25基金项目:国家自然科学基金资助项目(59775064 作者简介:赖国庭(1977- ,男,广东省人,沈阳建筑工程学院硕士研究生,主要从事自动

2、控制原理与应用方面的研究工作。0 概述计算机数控系统(CNC是 20世纪 70年代发展起来的机床控制新技术,它是综合了计算机、 通信、微电子、自动控制、传感测试、机械制 造等技术而形成的一门边缘学科。 数控技术是计算 机集成制造系统(C I M S 和工厂自动化(F A 的基础之一,也是振兴国家机床工业、增强制造业 国际竞争力的基础。数控系统经过了 5代电子元器 件的更新:电子管、晶体管、中小规模集成电 路、小型计算机数控和微型电子计算机数控,这 些发展更新大大丰富了系统的控制功能, 提高了数 控系统的可靠性、经济性。现在,计算机数控系 统已经进入第 6代开放式计算机数控系统。在一套计算机数控

3、系统中, 起着关键作用的组 成部分是其中的计算机数字控制装置和伺服系统, 系统的计算速度、实时性、伺服更新速度、资源 管理能力、数字通信、精密控制、微量进给等性 能都取决于这两个部分。尤其是计算机数控装置, 也就是运动控制单元, 更是数控系统的核心单元模 块,数控系统的性能、精度一定程度上依赖于运 动控制单元的快速控制能力, 由它可完成数控系统 中实时性要求比较高的插补、位置控制、开关量 I/O 控制任务,实现 C N C 系统中多轴联动的插补 计算、位置控制等功能,使用这样的运动模块并 辅助以其他的设备部件, 可以方便灵活地构建应用于不同场合的运动控制系统。1PMAC 运动控制器随着计算机控

4、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 带来的问题, 迫切要求具有灵活配置、 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。 这时, 创建一个强有力的开放性体系结构已 是数控系统发展的最重要趋势。 90年代开始, 一些 发达国家针对 C N C 所面临的问题和开放式数控发 展的必然趋势, 以设计生产开放式数控系统作为目 标, 相继推出了各自的开放式体系结构规范, 这其 中有美国的 N G C 和 O M A C 计划,欧盟的 O S A C A 计划,日本的 OSEC 计划等。其中,美国提出的下一代控制器计划 N G C (NextGe

5、nerationMachineController的目的 是指定一套新一代开放式控制系统的规范, 希望通 过实现基于相互操作和分级式模块 SOSAS(开放式 体系结构标准规范对封闭性问题进行解决,在 NGC 计划中提出了“开放式系统体系结构”的新一 代数控概念, 这种体系结构允许不同的设计人员开 发可互交换和相互操作的控制器部件, 其最大的特 点就是外部接口的公开性。 与此同时, 美国的汽车 3巨头 (通用、 福特、 克莱斯勒 为解决自身发展中 碰到的问题,在 NGC 的指导下,联合提出了 OMAC (开放式模块化体系结构控制器 的开发计划, 其目制造业自动化的是开发一种模块化的可重构控制系统

6、, 随时可纳 入或集成模块化软件与硬件, 使之重构成一个高效 的控制器。PMAC (P r o g r a m m a b l e M u l t i p l e -A x i s Controller 就是在这种大背景下, 由美国的Delta Tau公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放 式可编程多轴运动控制器。 它借助于Motorola的 DSP56001/56002数字信号处理器,可同时控制 18个轴, 既可单独执行存储于其内部的程序, 也 可执行运动程序和 PLC 程序,并进行伺服环更新及 以串口总线两种方式与上位机进行通信。PMAC 还 可自动对任务优先级进行判别, 从而进行实时多

7、任 务处理。 这一功能使得它在处理时间和任务切换这 两方面大大减轻了主机和编程器的负担, 提高了整 个控制系统的运行速度和控制精度。PMAC 运动控 制器将极强的处理能力和高度的通用性结合起来, 可适应多种总线结构, 多种电机类型、 多种反馈元 件、多种命令数据结构。P M A C 可通过 R S -232/ RS-422串行数据口同计算机进行串行通信,或通 过 8位宽数据的总线同计算机进行通信,它还有着 广泛的应用范围,如各种数控机车、印刷机械、包 装机械、自动生产线、物料装卸,自动焊接、硅片 加工、 激光切割等, 还可应用于机器人的控制系统 中,用 PMAC 控制器进行控制可以很好地协调其

8、执 行工作。2 基于 PMAC 的开放式数控系统 2.1传统的 CNC 系统20世纪 7080年代,数控系统的发展进入到 了普及和应用的成熟期, 但各厂家研制和生产的数 控系统都是一种封闭式系统, 没有一个强有力的体 系结构予以支撑, 在控制软件开发上缺乏持久开发 的能力, 不能进行高可靠性的软件扩展, 不能满足 用户对其二次开发的需要。 系统专用性强, 通用性 差, 软件为系统的制造商所有, 不便于功能的扩展 和各种软件的支撑、更新,软件的可移植性差,组 网通讯能力差,对机床制造商和用户的要求较高。 同时, 随着数控技术的不断往前发展, 传统的数控 系统也变得越来越复杂, 其自身的缺陷又限制

9、了它 的应用, 因为传统的数控系统都是基于缺乏灵活性 的、专有设计的基础上完成的,它具有不同的编 程语言,非标准的人机接口,多种实时操作系 统,是一种没有共同性和标准接口的封闭性系统, 其封闭性也带来了一系列的问题,比如软、硬件 的透明性不够,先进技术的难适应性,应用范围 的固定性,软件的不可再用性等。因此,为适应 数控进线和联网能力及个性化要求, 创建一个新的 强有力的开放性体系结构已是数控发展的最重要趋 势 。2.2基于 PMAC 的开放式数控系统开放式数控系统是数控发展的大方向, 是计算 机硬件技术、信息技术、控制技术融入数控技术 的产物。 开放式数控系统具有强大的适应性和灵活 配置能力

10、,能适应各种设备,可灵活配置,随意 集成;所采用的控制软件具有及时扩展和联结功 能,可以顺应新技术的发展,加入各种新功能; 不仅能适应计算机技术和信息技术的快速和更新换 代,而且能有效保护用户原有投资;操作简单, 维护方便;遵循统一的标准体系结构规范,模块 之间具有兼容性,部件具有互换性和互操作性。 目前, 市场上的开放式数控系统主要有以下两 种结构 :(1 专用数控加PC前端的复合式结构。 (2 通用 PC 加实时控制单元的递阶式结构。利用开放 式数控系统上 P C 机的 W I N D O W S 环境形成良好 的人机界面;利用 PC 机的资源优势,采用软件来 实现现代控制技术 ; 开放式

11、结构平台 (运动控制器 可以集成不同开发商提供的软件并适合联网需要, 且具有与硬件无关的特性, 设备层高速度、 高可靠 性,标准化的数字通讯,可满足用户私有要求且 保证高性能、低成本。具体来说,开放式数控系统 有下面几个方面的优势:(1基于开放结构控制器平台的开放结构 跨平台特性 :通过开放结构控制器平台软 件,实现数控系统的跨平台运行。可重构性:用户 可根据自己的设备特点和需求, 只需改变数控系统 的软件拓扑结构, 就可建立不同的数控系统。 广泛 的兼容性 :基于开放结构控制器平台的硬件无关性, 用户可以选用符合自己需求的控制器, 只要采用控 制器平台支持的操作系统即可。(2标准化、模块化的

12、硬件结构基于标准总线的模块化结构:开放体系结构的 CNC 系统硬件,建立在基于标准总线的模块化设计3354第24卷第9期2002-9制造业自动化拓扑结构上, 数控系统可以运行在多种标准化总线 上。伺服层的数字通讯:C N C 平台和机床驱动部 分之间支持多种国际标准数字通讯接口和通用协议 来控制伺服轴、主轴和 P L C -I /O 接口。C N C 与 伺服系统之间通讯具有很高的可靠性, 很大的信息 容量和传输速率, 使得同一硬件平台上可以控制数 量众多且不同种类的底层设备, 进行多轴数控机床 或数控生产线的控制。(3先进的人机交互功能友好的、开放的人机界面:基于 W I N D O W S

13、 环境的统一风格的界面, 具有界面可配置性和多种零 件加工信息输入功能。动态图形仿真功能:可以动 态模拟某一 NC 程序对应的加工过程,按一定比例 动态显示刀具和工件之间的相对运动位置关系。 (4插补功能提供多轴多通道功能:具有多轴多通道的数 控系统, 可以在不同的通道内同时或者不同时的执 行 不 同 的 零 件 程 序 , 从 而 提 高 系 统 的 效 率 。 N U R B S 插补功能:具有 N U R B S 插补功能的数控 系统, 可以用数学方法来精确的描述几乎所有的曲 线和曲面,从而实现自由曲面的精确加工。高 速、高精度插补:在数控系统中融入误差补偿技 术,降低各种工件加工误差,

14、提高工件精度。 (5网络功能制造环境内部的网络化,实现制造过程的集 成。制造环境与整个企业的网络化,实现制造环 境与企业中工程设计、管理信息系统、设备维护 等各子系统的集成;机床操作工人通过网络查询 技术资料和寻求帮助的功能。 企业与企业间的网络 化,实现企业间的资源共享、组合和优化利用, 实现异地制造,远程诊断。基于 PMAC 的开放式数控系统就是采用了第二 种结构的新一代数控系统,利用 P M A C 强大的运 算和处理能力,进行数控系统的底层实时控制, 用 PC 机进行数控系统中一些上层的对实时性要求 不是很高的任务处理和协调。基于 P M A C 的开放 式数控系统的结构框图如图 1所

15、示。基于 P M A C 的开放式数控系统利用 P C 机上 W I N D O W S 环境形成良好的人机界面;利用 P C 机 的资源优势采用软件来实现现代控制技术 ; 开放结 构平台可以集成不同开发商提供的软件并适合联网 的需要,且具有硬件无关的特性。基于 PMAC 的开 放结构数控系统,采用了标准的 PC 硬件和标准的 操作系统, 使专用控制器数控系统的局限性得到了 根本的解决。由于标准的网络速度一般在几十 Mbps(RS232,RS485一般在几十 kbps ,使数据 传输的速度提高了几千倍, 加工前一次传输, 保证 了程序传输的可靠性。 由于硬盘的容量大, 读取的 速度极快,即使上

16、百兆 0.01mm 长度的空间直线段 系统加工速度也可到每分钟几十米。 这样即解决了 大程序量的高速高精度的加工问题, 同时也不需要 曲面和样条插补,和现有的 C A D 、C A M 系统可方 便的集成。由于 PMAC 可通过串口 RS232、RS485或并口计算机进行通信, 这便于进行网络连接, 易 于实现工厂自动化。通过 PMAC 这样的开放结构控 制平台,可以任意添加应用模块;通过 PMAC 控制 平台的配置系统, 可根据用户的结构要求, 改变各 应用模块之间的拓扑关系,实现系统的可重构性; PMAC 开放结构控制器平台的建立,使控制系统具 有硬件无关性, 用户根据需求选用通用计算机控制。3结束语开放式数控系统是数控系统的发展趋势, 基于 PMAC 的开放式数控系统是建立在开发结构控制平 台上的新一代数控系统,是实现高速、高精度、高 效的现代加工制造系统的重要组成部分, 具有