數控技術及應用教案及講稿(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 建立了五軸制造系統環境，用以調試、驗證和擴展。OSACA計劃試圖將OSACA規范作為自動化領域的通用國際標準，其研究范圍涵蓋了整個自動化領域，包容性大，適應性強，但研究開發工作量非常大，目前還處于整體構思、分布實施階段，短期內很難實現對大部分操作平臺的支持。總之，開放式數控系統是對封閉式數控系統的巨大挑戰，但從它提出后十年里，雖然西方各工業發達國家投入了大量的人力和物力，但由于研究計劃龐大、所涉及的關系復雜、技術難度大等原因，至今仍沒有在市場上占據重要的份額。 在全新設計開放式數控系統進展緩慢時，通用PC的技術性能則迅速提升，應軟件資源日益豐富，工業PC的可靠性也在不斷增強，而價格在持續下降。PC體系結構已成為事實上的微型計算機標準，應用面越來越廣。由于PC插卡式結構，為構造開放式體系結構數控系統搭建了理想的平臺，因此，人們很快將目光轉向PC擴展設計方面，即以工業PC硬件體系結構和實時操作系統為基礎，擴展相應的板卡和數控應用軟件，構成基于PC的開放式數控系統。20世紀90年代，Ampro Computer 公司策略發展部行政副總裁Pick Lehrbaum首先提出“利用PC體系結構，涉及新一代嵌入式開放式數控系統”。不久，Software Development System的James S. Challenger又提出“Windows和嵌入式計算機技術的融合”，主張利用現有PC的軟硬件規范設計新一代數控系統。德國的IBH、美國的AI、日本朋立公司等相繼開發了基于PC的數控系統。基于PC擴展設計開放式數控系統思路的提出，極大地推動了開放式數控系統的進步與發展。基于PC體系結構和軟硬件規范，設計新一代開放式數控系統成為數控系統開放的重要途徑，也是迄今為止的最佳選擇。基于PC構建開放式數控系統的方法 通用PC的標準化程度高，軟硬件資源豐富，適應性強，是構建開放式數控系統的理想平臺。基于PC平臺構建開放式數控系統，需要根據開放式數控系統的特殊要求，從硬件和軟件兩個方面對PC進行相應的改造，擴充數控系統專用的板卡和應用軟件等。 主要包括如下內容。（1）實時處理能力擴充 開放式數控系統屬于實時多任務計算機控制系統，其中計算機系統必須具備實時控制和多任務處理能力，即硬件中斷能力強，操作系統任務切換時間短，具有支持實時相應的特性。而普通PC的硬件系統配置和DOS或Windows操作系統都不能滿足數控系統實時性的要求，在基于DOS或Windows操作系統的數控系統中，必須擴充操作系統的實時處理能力，如增加線程或實時多任務調度，還需對硬件進行相應的改造。（2）適應工業運行環境 數控系統的運行環境屬于工業運行環境，計算機系統的可靠性、電磁兼容性、抗震性和耐高溫性等性能指標應能夠適應工業運行環境的要求。因此，基于PC的開放式數控系統一般采用工業PC（IPC）或各種與PC兼容的嵌入式工業控制計算機，并采用箱式結構，增強散熱和防塵的性能，還需對工業PC的通用模板進行力學特性改造和加固。（3）延長生命周期 普通PC和工業PC（IPC）更新換代很快，加上不同的廠家、不同型號的CPU主板的性能有一定的差異，會給數控系統的集成帶來一定的困難。延長數控系統生命周期的最好辦法就是加大對用戶的開放程度，使數控系統集成商和用戶自己能夠對數控系統的硬件和軟件進行升級。例如，美國Data Tau公司的PMACNC運動控制板卡向不同用戶提供不同程度的開放，對一般用戶，只提供PMACNC配置軟件，支持用戶自行配置控制軸數，聯動軸數、伺服參數和I/O表；對高級用戶，Data Tau公司提供動態鏈接庫（DLL），可供用戶使用VC++、VB等開發工具自行開發菜單和基本操作界面；對控制裝備OEM廠商，Data Tau公司提供關于PMACNC的全部C++代碼。Data Tau公司的開放式解決方案，可以保證數控系統的集成商不斷吸收世界上各種新技術，與時俱進地開發先進的數控系統。二、基于PC的開放式數控系統體系結構（一）、基于PC的數控系統類型 基于PC的開放式數控系統目前可分為專用數控加PC前端的復合型、CN嵌入PC型和全軟件型3種典型結構。專用數控系統加PC前端的復合型結構這種結構的數控系統將PC作為NC的部件嵌入在數控系統中，用內部總線相連接，PC和NC連接在一起構成前后臺結構，可形成多處理器數控系統。它的NC部分仍然是傳統的數控系統，用戶無法介入數控系統的核心，但可利用PC豐富的軟件資源，滿足開放性的要求。這類數控系統的優點是原來的CNC不必改動，既保持了原來數控系統的強大的功能，又具有數據傳送速度快、系統相應時間短的特點。其缺點是不能充分發揮PC的潛力，開發性受到一定限制，系統造價無法降低。這類數控系統或者提供PC前端接口，或者將PC母板直接嵌入CNC中。這種結構的數控系統主要出于知名的數控系統制造商，原因是這些制造商不愿放棄已經成型的CNC制造技術，而又需要PC的柔性和開放性，于是采用的一種折中的解決方案。隨著計算機技術的不斷發展，硬件的標準化和成本的不斷降低，這種開放式數控系統結構很可能只是一個過渡。采用這種開放式結構的數控系統的代表產品有FANUC18i、FANUC16i系統、Siemens840D 系統、NUM1060系統及AB9/360系統。NC嵌入PC型結構（基于運動控制器的開放式數控系統） 這種結構的數控系統是在通用PC擴展槽中插入運動控制板或整個CNC單元（包括嵌入式PLC）。PC 將實現用戶接口、文件管理以及通信等非實時部分的功能，實時控制（機床的運動控制和開關量控制等）由插入PC擴展槽中的CNC單元或運動控制板來承擔。這種開放式數控系統是目前是較為先進的。但是該系統的CNC核心部分—運動控制和伺服控制仍是依賴于專用運動控制卡，還未達到整個產品的硬件通用化。 運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制功能，它本身就是一個數控系統，可以單獨使用，它的開放的函數庫供用戶在Windows平臺下自行開發構造所需的數控系統。目前這種控制卡被廣泛地應用于構造開放式數控系統。如美國Data Tau公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC—NC數控系統，日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC64構造的MAZATROL 640 數控系統等。全軟件型結構 全軟件型結構CNC又稱為純PC型開放式數控系統。這種結構的開放式數控系統的特點是CNC系統的全部或大部分功能均由PC承擔，并通過裝在PC擴展槽中的驅動接口卡對伺服驅動進行控制。在PC中采用實時的操作系統或對操作系統進行實時功能擴展，由PC完成數控系統中所有的實時任務和非實時任務，如編譯、插補和PLC等。這是一種理想的開放式數控系統，CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅動和外部I/O之間的標準化通用接口，能提供給用戶最大的選擇性和靈活性。（二） NC嵌入PC結構的開放式數控系統“NC嵌入PC結構”的開放式數控系統也可稱為“基于運動控制器”的開放式數控系統。目前運動控制器種類很多，但應用最廣的運動控制器當屬PMAC運動控制卡。下面將以PMAC運動控制器為代表，闡述“NC嵌入PC結構”的開放式數控系統的硬件和軟件體系結構。1．PMAC多軸運動控制器可編程序多軸控制器（Programmable MultiAxis controller, PMAC）是美國Delta Tau 公司1990年推出的基于工業PC和Windows操作系統的多軸、多通道開放式運動控制器，也是目前世界上功能最強的運動控制器之一。PMAC采用先進的運動控制技術和Windows平臺，滿足用戶在運動控制各個領域中的應用需求。已在機器人、數控機床、造紙和木材加工機械、各種裝配線、食品加工機械、印刷包裝等機電一體化設備上得到廣泛應用。 PMAC實際上是一臺完整的計算機系統，而且是一臺實時多任務計算機系統，它可以自動進行任務優先級判別，并按優先級別高低調度并執行任務，從而大大減輕了主機任務切換和執行實時控制任務兩方面的負擔，提高了整個控制系統的運行速度和控制精度。PMAC的硬件以Motorola56001 (20/30MHz) 24bit定點數字信號處理器（Digital Signal Porcessor, DPS）為核心，并全面拓展了DPS的強大功能。PMAC運動控制器作為嵌入在數控系統中的一個高性能伺服運動控制器，可通過靈活的高級語言，實現對1~8個軸的實時伺服控制。通過多卡連接方式還可控制多大128個軸的運動。PMAC既可獨立工作，也可按主機的命令工作，主機傳送給它的命令為字符串形式，PMAC與主機通信既可通過串行口，也可通過總線方式進行，通過總線方式通信時，可將中斷引入主機，便于數控系統主機實施靈活有效的實時多任務調度管理。2．基于運動控制器的開放式數控系統硬件結構及工作原理數控系統采用“NC嵌入PC”結構的開放式結構，在工業控制機（IPC）平臺基礎上，以PMAC運動控制器作為系統的核心處理器，工控機上的CPU與PMAC的CPU（DPS560001/DPS560002）構成主、從式雙微處理器機構。為了實現PMAC多軸運動控制的功能，還需在PMAC板上擴展相應的I/O板、伺服運動單元、伺服電動機、編碼器等，最終形成一個完整的數控系統。數控系統除PMAC運動控制器外，大部分硬件結構框圖如圖254所示。圖254 NC嵌入PC數控系統硬件結構（1） PMAC運動控制器的控制功能 在圖255所示系統中，PMAC主要完成插補運算、位置控制、刀補、速度處理和PLC等實時控制任務；工控機則主要實現系統的功能管理管理，同時具有充足的支持軟件來改善CNC系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真、數控編程、故障診斷、網絡通信等非實時控制功能。（2） PMAC運動控制器與主機之間的通信 PMAC運動控制器與主機之間通過ISA總線通信。當主機與PMAC運動控制器進行通信時，主機就到預先指定的地址去尋找PMAC運動控制器，該地址由PMAC板上的E跳線決定，用戶可以根據需要重新設置E跳線，從而改變PMAC在主機中所占用的地址，控制器與伺服電動機的運行狀態、電動機的位置、速度、跟隨誤差等數據則直接通過ISA總線實現信息交換。（3） PMAC內置PLC功能 PLC信號的輸入/輸出由I/O接口板來實現。在整個數控系統中，送入PLC的信號主要有：控制面板和機床上的按鈕開關、選擇開關等信號；各運動軸的行程開關、機械零點開關等信號；機床電器動作、限位、報警等信號；強電控制柜中接觸器、氣動開關接觸等信號以及各伺服模塊工作狀態信號等，這些信號通過光電隔離后經I/O接口送入PMAC進行處理。光電隔離能有效地將計算機數字量通道與外部模擬量通道隔離開來，大大地減輕了外部因素的干擾。圖254 NC嵌入PC數控系統軟件結構PLC的輸出信號主要有：指示燈信號、控制繼電器、接觸器等動作信號；伺服模塊的驅動使能和速度使能信號等。這些信號通過PMAC智能I/O口送到相應的控制器上來控制相應電器工作。利用PMAC提供的后臺PLC可以很方便地實現上述功能，當前臺運動程序有序地運行時，PMAC運行控制器可以在后臺運行多達32個異步PLC程序，這些PLC程序可以提高采樣速率，監視模擬輸入和數字輸入、設定輸出值、發送信息、監視運動參數、改變增益值以及命令運動停止/啟動，還可以對PMAC運動控制器發送命令，完成一些可編程序邏輯控制器（PLC）的功能，利用這些功能不僅可以簡化硬件系統設計、節省硬件開支，而且還方便用戶使用PLC進行程序設計。2．基于運動控制器的開放式數控系統的軟件結構基于運動控制器的開放式數控系統的軟件結構主要是由實時控制軟件和系統管理軟件來構成。實時控制軟件的設計充分考慮了軟件的開放性，用戶可以在PMAC已經集成的基本模塊的基礎上根據自己的需要增加軟件的功能模塊。系統管理軟件主要由用戶自己開發，來實現所有的非實時控制部分的功能。系統管理軟件最基本的應該是實現系統初始化、故障診斷、參數輸入及加工程序編輯、系統進程管理和雙CPU通信功能，在這些基本功能的基礎上可以再增加網絡控制、動態仿真等高級功能。系統的軟件結構（參考結構）如圖254所示。（1）PMAC實時控制軟件 PMAC實時控制軟件包括插補模塊、伺服驅動模塊、PLC監視模塊、加工程序解釋模塊、數據采集及輸出模塊等，其功能模塊如圖255所示。圖255 PMAC實時控制軟件功能模塊1）插補算法模塊包括直線插補、圓弧插補及樣條插補等。PMAC還提供了PVT（位置速度時間）運動模式，該模式可以對軌跡圖形進行直接而緊湊的控制。用戶可以對以上幾種模式加以選擇和組合。2）伺服驅動模塊用于選擇PID位置環伺服濾波器、陷波濾波器（NOTCH FIL）、速度前饋、加速度前饋等，并設置其控制參數，并且這幾種伺服算法可以任意組合，用戶也可采用極點配置方法，甚至可以直接加入自己的底層位置伺服方法，以適應不同需要，實現個性化伺服控制。3）PLC監控運行模塊主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示燈管理PLC及下電PLC。主PLC用來完成對控制面板及機床輸入、輸出的監控，主要包括對機床進行手動、自動調整功能的實現、主軸運動的控制、機床3個坐標軸運動的控制等操作。看門狗PLC對PMAC運動控制器本身及數控系統狀態位進行故障檢測，在系統上電和加工過程中分別進行如下處理。①看門狗PLC在PMAC上電后立即被啟動，他通過不斷讀取DPRAM(雙端口RAM)中某地址單元的計數值來判斷主機是否進入CNC系統。當相鄰兩次讀得的差值大于某個數時，它便啟動上電PLC，對整個數控系統上電；當相鄰兩次讀得的差值小于某個數時，它便啟動下電PLC,關閉整個數控系統。②看門狗PLC在加工過程中主要對各軸超行程限位開關、跟蹤誤差極限、伺服輸出極限、異常終止等信號進行檢測，以確保數控系統安全、可靠地運行。4）加工程序解釋模塊由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序組成。這些解釋程序在PEWIN32Pro(PMAC開發工具，是Delta Tau PMAC卡的Windows可執行