開放式數控系統(tǒng)

1、開放式數控系統(tǒng)及PMAC簡介開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)的概念IEEE(美國電氣電子工程師協會)關于開放式系統(tǒng)的定義是:能夠在多種平臺上運行，可以和其他系統(tǒng)互操作，并能給用戶提供一種統(tǒng)一風格的交互方式。通俗地說，開放式數控系統(tǒng)允許用戶根據自己的需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應不同的應用需求，而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商并相互兼容。開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)的基本特點：（1）模塊化包括數控功能模塊

2、化和系統(tǒng)體系結構模塊化。前者是指用戶可以根據自己的要求選裝所需的數控功能；后者是指數控系統(tǒng)內實現各個功能的算法是可分離的、可替換的。模塊化是數控系統(tǒng)開放的基礎開放式數控系統(tǒng)（2）標準化數控裝置的開放是在一定的標準約束下進行的，各個公司開發(fā)的各種部件和功能模塊必須符合這個標準。按這個標準生產的不同公司的產品可以拼裝成一臺集多家公司智慧的、功能完整的控制器。標準化的基礎是模塊化，因為標準的制定要建立在模塊合理劃分的基礎上。開放式數控系統(tǒng)（3

3、）可移植性不同應用程序模塊可運行于不同生產商提供的系統(tǒng)平臺，同時系統(tǒng)軟件也可運行于不同特性的硬件平臺之上。因此，系統(tǒng)的功能軟件應與設備無關，即應用統(tǒng)一的數據格式、控制機制，并且通過一致的設備接口，使各功能模塊能運行于不同的硬件平臺上。開放式數控系統(tǒng)（4）二次開發(fā)性開放式數控系統(tǒng)應允許用戶根據自身的需要進行二次開發(fā)。比較簡單的二次開發(fā)包括用戶界面的重新設計、參數設置等。深層的二次開發(fā)允許用戶將自己設計的標準功能模塊集成到開放式數控系統(tǒng)中。

4、所以系統(tǒng)應當提供接口標準，包括訪問和修改系統(tǒng)參數的方法以及開放式系統(tǒng)提供的API(應用程序接口)和其他工具。開放式數控系統(tǒng)（5）網絡化現代意義上的網絡化數控系統(tǒng)以通訊和資源共享為手段以車間乃至企業(yè)內的制造設備的有機集成為目標支持ISOOSI網絡互聯規(guī)范能支持InterIntra標準，具有很強的開放性，它的聯網功能通過標準網絡設備來實現而不需要其他的接口部件或者上位機。傳統(tǒng)數控系統(tǒng)與開放式數控系統(tǒng)比較圖：開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)的體系

5、結構開放體系結構是從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內核的全方位開放?；赑C的開放式數控系統(tǒng)能充分地利用計算機的軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編制程序，用戶可將標準化的外設、應用軟件進行靈活地組合和使用。使用計算機同時也便于實現網絡化。基于PC的開放式數控系統(tǒng)大致可分為以下三種類型：開放式數控系統(tǒng)（1）PC嵌入NC型該類型系統(tǒng)是將PC裝入到NC內部，PC與NC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數據傳輸快，響應迅速，同時，原型NC系

6、統(tǒng)也可不加修改就得以利用。這種數控系統(tǒng)盡管具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數控系統(tǒng)，其體系結構還是不開放的。開放式數控系統(tǒng)此類系統(tǒng)如日本的FANUC160180210是典型的PC嵌入NC模式的CNC系統(tǒng)。在FANUCCNC專用32位總線插槽中插入一塊名為MMCIV的PC模塊，通過專用接口使CNC與MMCIV緊密結合。德國的SIEMENS840D系統(tǒng)包括集成有PLC的MMC模塊，通過多點接口(MPI)與NCU(含CNC和P

7、LC部分)模塊相連。開放式數控系統(tǒng)（2）NC嵌入PC型該類型系統(tǒng)就是將運動控制板或整個CNC單元(包括集成的PLC)插入到個人計算機的擴展槽中。PC機作非實時處理，實時控制由CNC單元或運動控制板來承擔，這種方法能夠方便地實現人機界面的開放化和個性化。開放式數控系統(tǒng)美國的DELTA公司的PMACNC開放式數控系統(tǒng)將PMAC卡(可編程多軸運動控制器)插入PC機擴展槽中，總線接口為CANBUS。德國INDRAMAT公司的MTC200系列開放

8、式數控系統(tǒng)將MTCPCNC和MTCPPLC卡插入PC機擴展槽中，總線接口為SERCOS。POWERAUTOMATION公司的PA8000系列數控系統(tǒng)同樣將PACNCENGINE運動控制卡插入PC機擴展槽中，構成開放式數控系統(tǒng)。開放式數控系統(tǒng)（3）全軟件型NC該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC實現，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動等進行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。這種CNC裝置的主體是PC機，充分利用PC機不斷

9、提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實現機床控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)研究的關鍵問題（1）制定一個開放式數控系統(tǒng)的制造協議在系統(tǒng)的應用軟件、硬件和網絡功能方面形成一整套標準規(guī)范，規(guī)范系統(tǒng)的軟硬件界面和通訊協議，使得控制器制造商和機床生產廠能在制造協議的導航下進行有序的開發(fā)和生產，并在此基礎上實現廣泛的合作。開放式數控系統(tǒng)（2）實現系統(tǒng)硬件的模塊化、標準化和系列化，并提高其可

10、靠性和實時性通過對系統(tǒng)CPU結構模式、通訊方式、運動控制和輔助控制等方面進行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實現標準化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標準化接口進行通訊。開放式數控系統(tǒng)（3）構造一種獨立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺針對數控系統(tǒng)的實時性和多任務性特點，應構筑一種實時多任務軟件平臺，并使其基本功能模塊化、典型化，使各個功能模塊實現統(tǒng)一調度和相互獨立，這樣在為不同硬件結構的數控系統(tǒng)提供軟件時，只需按其功能配置相應的軟件模塊，

11、即可實現軟件的獨立性和開放性。由于每個功能模塊不會對其他功能模塊產開放式數控系統(tǒng)生影響，因此，用戶可按需要編制新的功能模塊，添加到系統(tǒng)中，亦可取代系統(tǒng)中現有的功能模塊，使得系統(tǒng)具有良好的功能擴展性。（4）開發(fā)出一個優(yōu)化系統(tǒng)軟件，把各種優(yōu)化技術集成在軟件包中利用該軟件來優(yōu)化配置系統(tǒng)加工參數，使加工過程最優(yōu)化。通過分析比較多種智能模塊技術，選擇出一種重構產品最優(yōu)控制模塊，完成系統(tǒng)的第二次開發(fā)。開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)的研究狀況1.國外的

12、研究情況（1）美國的NGC計劃美國是開放式數控系統(tǒng)的發(fā)起人，于1987年提出了NGC（NextGenerationWkstationMachineController）計劃。開放式數控系統(tǒng)NGC計劃的目的是為基于開放式系統(tǒng)體系結構的下一代機械制造控制器提供一個標準，這種體系結構允許不同的設計人員開發(fā)可相互交換和相互操作的控制器部件。一個完全合格的67包括開發(fā)的可能性，例如多個裝置間的協調，裝置的全獨立編程，基于模型的處理，自適應路徑策略

13、和大范圍的工作站及實時特性等。NGC的體系結構是在虛擬機械的基礎上建立起來的，通過虛擬機械把系統(tǒng)和模塊鏈接到計算機平臺上，如圖所示：開放式數控系統(tǒng)（2）歐洲的OSACA計劃OSACA計劃是1990年有歐共體國家的22家控制器開發(fā)商、機床生產商、控制系統(tǒng)集成商和科研機構聯合開發(fā)的。OSACA計劃提出的“分層的系統(tǒng)平臺結構化的功能單元”的體系結構。該體系結構保證了各種應用系統(tǒng)與操作平臺的無關性及相互間的互操作業(yè)，保證了開放性。開放式數控系統(tǒng)

14、（3）日本的OSEC計劃日本的OSEC計劃，由東芝機器公司、豐田機器廠和Mazak公司三家機床制造商和日本IBM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建。其目的是建立一個國際性的工廠自動化控制設備標準。在硬件方面，OSEC計劃采用PC控制卡的結構，有利于層次化、模塊化、靈活配置的實現。OSEC將功能單元分組并結構化在一些功能層中，其開放體系結構包括了3個功能層共5個處理階層如圖所示：開放式數控系統(tǒng)開放式數控系統(tǒng)的研究狀況2.我國的研究情況

15、與國際先進水平相比，國內的開放式數控系統(tǒng)的研究還處于初級階段。目前，在國內市場中，中、高檔產品主要被進口產品占據，而在較抵擋的經濟型數控機床市場我國的產品占據主要地位。我國主要的產品有北京的中華系列，沈陽的藍天系列和武漢的華中系列，其中華中世紀之星可實現五軸聯動，是國內比較先進的數控系統(tǒng)。PMAC運動控制卡簡介簡介PMAC(ProgrammableMultiAxisController)可編程多軸運動控制器，是美國DeltaTauDat

16、aSystem公司于推出的PC機平臺上的運動控制器是一個完全開放的系統(tǒng)。它采用了Motola公司的高性能信號數字處理器DSP560012作為CPU是世界上功能最強大的運動控制器之一。從硅谷計算機硬盤的超高精度的伺服磁道寫入，到高級CNC機械控制，以及機器人、硅晶片處理、激光切割等廣大領域，最著名的例子是PMAC被用來控制哈勃望遠鏡鏡面的修磨。PMAC可以控制步進、交直流伺服、直線電機、液壓伺服等各類電機，可以接受諸如增量絕對碼盤、光柵尺

17、、激光干涉儀、電位計、旋轉變壓器等檢測元件的反饋功能。另外，由于作為CNC最深層次的NC內核的開放，PMAC允許用戶使用諸如VC、C、C、VB、Delphi等多種語言開發(fā)程序極大地方便了用戶。PMAC的硬件原理圖和結構框圖：J1:模擬量輸入口此接口可接受16路05V的12位的模擬信號J2:多端口IO擴展口可提供8進8出點供用戶使用J3:通用IO接口此接口可提供16進16出輸入輸出點J4:光纜接口用于與具有光纜接口驅動器和IO板使用J5:

18、串行數據接口可與上位機進行串口通訊J6:顯示器接口J7:手輪編碼器接口可接收手輪脈沖或編碼器信號J8:位置比較量等輸出信號接口J9～J12:1～8號電機的輸入輸出接口PMAC運動控制器提供了運動控制、過程控制、離散控制、內部處理、同主機的交互等基本功能伺服控制包括PID和速度、加速度前饋控制。它的速度、分辨率、帶寬、伺服控制精度等指標遠遠優(yōu)于一般的控制器。它能夠對存儲在內部的程序進行單獨運算，執(zhí)行運動程序、PLC程序進行伺服環(huán)更新，并以

19、串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。PMAC本身就是一臺完整的計算機能夠完全獨立于操作系統(tǒng)之外處理存儲的程序，進行加工。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務處理，這使得它在處理時間和任務切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負擔。即使在主機控制之下兩者之間的通訊也是一臺計算機和另一臺計算機之間的通訊，而不是計算機和外部設備的通訊。通過特定設計的門陣列ICS(作為DSPGATE)，PMAC實現CPU與軸的通信。PMA

20、C所控制的8根軸既可聯動，亦可在各自的坐標系中完成各自獨立的完全運動。PMAC卡的使用調試用戶使用PMAC的時候，首先需要正確的連線，然后設置滿足具體要求的功能I變量值，包括電機、編碼器、輸入輸出以及伺服環(huán)所對應的I變量，在組織用戶程序的時候，主要任務就是調用PMAC的特有函數以及編寫要求的運動程序下載執(zhí)行。PMAC卡使用前的調試準備工作重要有以下四個步驟：(1)根據控制的需要設置好PMAC卡上的E跳線在PMAC卡上，可以看到很多E跳線

21、（金屬插腳對），有些已被短接，有些是斷開的。這些跳線對某一給定功能定制了硬件特性，PMAC卡出廠前的跳線已被設置為滿足一般用戶的需求，所以開始不必改變任何跳線，但在開始前要對跳線進行檢查以確保他們是正確的。(2)關掉計算機電源，把PMAC卡插入電腦主板上的一個ISA插槽中PMACLite需要總線上的一個插槽；PMACPC需要總線上的112個插槽，在另一個插槽上允許一個半尺寸的主板；PMACVWE需要兩個插槽（一個雙插槽）；PMACSTD

22、的四個通道版本需要兩個插槽，八個通道版本需要三個插槽。本設計采用的是PMACPC型，因此只需要一個插槽。(3)安裝PMAC可執(zhí)行程序建立主機通信系統(tǒng)主要利用PMAC執(zhí)行程序及與之配套的安裝程序來完成PC機與PMAC的通訊以及隨后的調試、配置、優(yōu)化PMAC卡上有關電機的軟件參數.(4)設置坐標系為了保證在PMAC上能運行程序，必須首先設立基礎坐標系，與程序中的坐標系對應，保證程序的正確執(zhí)行。在完成調試準備工作以后就要設定滿足具體要求的I變

23、量值，下面將介紹PMAC卡的幾種重要變量：PMAC變量和功能1.I變量(1024)初始化和變量設置提前定義其含義有的影響卡的全局有的是電機的定義有的是坐標系的定義有的是編碼器的定義2.P變量(1024)用戶定義的變量48bit浮點格式全局存取(與坐標系無關)3.Q變量(1024)用戶定義的變量48bit浮點格式與坐標系的定義有關4.M變量(1024)提供用戶有權使用卡的內存和IO寄存用戶定義地址偏置值和位寬度無方向可雙向BCD碼可用的浮

24、點格式PMACI變量概述I0I99卡全局設定I100I186電機1設定I187I199坐標系1設定I200I286電機2設定I287I299坐標系2設定…..I800I886電機8設定I887I899坐標系8設定I900I989硬件設定基本電機定義I變量Ix00電機x有效(x=電機序號)（1）Ix00=0電機x無效不執(zhí)行伺服計算沒有位置報告（2）Ix00=1電機x有效伺服計算速度為30mseccycleIx01電機x換相(x=電機序號)

25、（1）Ix01=0不需PMAC執(zhí)行換相不執(zhí)行換相計算一路模擬量輸出（2）Ix01=1由PMAC執(zhí)行換相相計算速度為3mseccycle一個電機需要2路模擬量Ix70Ix83必須使用Ix15在終止和遇到限位時的減速速率(單位:ctsmsec2浮點形式)一定不要設為“0”!!!(電機將沒有減速)Ix16準許的最大編程速度(單位:ctsmsec浮點)只對直線速度混合方式(I13=0)速度修調可使此速度比例變化(%值)也適用于RAPID快速方式

26、，如果I50=1Ix17允許的編程最大加速度(單位:ctsmsec2浮點)只對直線混合運動(I13=0)速度修調可使此速度比例變化(%值)也適用于RAPID快速方式，如果I50=1Ix19允許的JOG最大加速度(單位:ctsmsec2浮點)可以用TA(Ix20)TS(Ix21)修調如果Ix20=0Ix21=0，總用此加速度設置完I變量值后就可以應用PMAC卡自帶的編程指令進行基本的運動控制。這些指令是能夠實現對PMAC控制的基礎，要實現

27、對PMAC卡的控制，必須對這些指令有細致的了解：1.在線指令被PMAC卡接受后可以立即執(zhí)行的指令地址模式指令#n讓電機n為當前編址的電機#報告當前編址的電機號&n定義坐標系n為當前編址的坐標系&報告當前編址的坐標系一般全程指令UNDEFINEALL取消所有坐標系的定義緩沖區(qū)控制指令OPENPROG常量為進入編輯打開指定運動程序緩沖區(qū)OPENROT打開所有定義好的循環(huán)程序緩沖區(qū)OPENPLC常量打開指定的PLC程序緩沖區(qū)CLOSE關閉當前

28、打開的緩沖區(qū)CLEAR刪除打開的緩沖區(qū)的內容2.在線坐標指令在指定的坐標系下可以立即執(zhí)行的指令軸定義指令#n[常量]軸[常量]按電機號，軸比例系數，偏移量來定義軸例：#1X#42000A500#n[常量]軸[[常量軸[常量]軸]][常量]按電機號，軸比例，系數偏移設置定義2或3軸。只在XYZ或UVW組中才有效例：#18000X5000Y軸特征指令INC[（軸[，軸…]）]所有軸（或指定的軸）以增量方式運動ABS[（軸[，軸…]）]所有軸

29、（或指定的軸）以絕對值方式運動一般電機指令HM執(zhí)行電機的回零程序HMZ執(zhí)行電機的回零程序不產生運動電機微動指令J電機按正向無限微動J電機按反向無限微動J電機微動停止，并恢復到位置控制J=電機微動到前一次微動或前一次手動的位置J=常量電機微動到指定位置3.運動程序指令控制運動狀態(tài)和參數的指令軸運動指令軸數據[軸數據…]簡單的運動語句例：X100Y100軸數據：數據[軸數據：數據…]給定位置和速度的移動例：X5000：750Y3500（P3

30、）DWELL數據保持位置不變；基于定時的基礎上DELAY數據保持位置不變；基于可變時間的基礎上HOME常量[，常量…]讓指定的電機返回零點HOMEZ常量[，常量…]讓指定的電機做回零運動運動模式指令LINEAR直線插補運動模式RAPID快速定位模式CIRCLE1順時針圓弧插補運動模式CIRCLE2逆時針圓弧插補運動模式運動特征指令F數據指定運動速度（模態(tài)的）TA數據指定運動加速時間（模態(tài)的）TS數據指定S曲線加速度時間（模態(tài)的）圓弧插補