王傳明，楊 筍，靳 玲

(1．濮陽市華信技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 濮陽 457000;2．河南省經(jīng)濟(jì)管理學(xué)校，河南 南陽 473000)

前言

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)一般采用封閉式的體系結(jié)構(gòu)，即使是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，其CNC裝置也是以專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)。雖然選用分布式處理結(jié)構(gòu)，可以獲得高性能、強(qiáng)大的補(bǔ)償功能、圖形功能、故障診斷功能及通信功能等，但各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商通常自行設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)，各大數(shù)控制造廠商在數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、數(shù)控通信接口和通信協(xié)議等方面實(shí)施技術(shù)壟斷。

為解決封閉性數(shù)控系統(tǒng)日益明顯的弊端，提出了向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，采用開放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。而基于PC擴(kuò)展設(shè)計(jì)開放式數(shù)控系統(tǒng)思路的提出，推動(dòng)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的進(jìn)步和發(fā)展。

1．基于PC的數(shù)控系統(tǒng)

通用PC標(biāo)準(zhǔn)化程度高，軟、硬件資源豐富，信息吞吐量大，適用性強(qiáng)，是構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)的理想平臺(tái)。目前，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)可分為以下三種:

1．1 專用數(shù)控加PC前端的復(fù)合型結(jié)構(gòu)

將PC作為NC的部件嵌入在數(shù)控系統(tǒng)中，用內(nèi)部總線相連接，PC和NC連接在一起構(gòu)成前、后臺(tái)結(jié)構(gòu)，可形成多微處理器數(shù)控系統(tǒng)。原來的CNC不必改動(dòng)，所以既保持了原系統(tǒng)的強(qiáng)大功能，同時(shí)又具有數(shù)控傳送速度快、系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)。但是不能充分發(fā)揮PC的潛力，開放性受限制，系統(tǒng)造價(jià)高。

1．2 NC嵌入PC型結(jié)構(gòu)

在通用PC的擴(kuò)展槽中插入運(yùn)動(dòng)控制板或整個(gè)CNC單元。這種系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制依賴于專用運(yùn)動(dòng)控制卡，無法實(shí)現(xiàn)硬件通用化。

1．3 全軟件型結(jié)構(gòu)

CNC的全部或大部分功能均由PC承擔(dān)，并通過裝在PC擴(kuò)展槽中的驅(qū)動(dòng)接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。

比較三種類型的開放式數(shù)控系統(tǒng)，第一種對(duì)硬件制造水平要求較高;第二種是以軟件技術(shù)的研究和開發(fā)作為主體，主要硬件設(shè)備采用市場流行的工業(yè)PC機(jī)和多軸運(yùn)動(dòng)控制器。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計(jì)算機(jī)的所有資源，是當(dāng)前較為理想的開放式數(shù)控系統(tǒng)。本文以當(dāng)前應(yīng)用最廣的運(yùn)動(dòng)控制器PMAC為例，重點(diǎn)介紹NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

2．PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器

2．1 PMAC介紹

PMAC(Programmable Multi－Axis Controller，可編程序多軸控制器)是美國Delta Tau公司推出的基于工業(yè)PC和Windows操作系統(tǒng)的多軸、多通道開放式運(yùn)動(dòng)控制器。PMAC實(shí)際上是一條完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以自動(dòng)進(jìn)行任務(wù)優(yōu)先級(jí)判別，并按優(yōu)先級(jí)別高低調(diào)度并執(zhí)行任務(wù)，減輕了主機(jī)任務(wù)切換和執(zhí)行實(shí)時(shí)控制任務(wù)兩方面的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。PMAC的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 PMAC硬件結(jié)構(gòu)框圖

2．2 PMAC主要功能

(1)伺服環(huán)和計(jì)算功能 標(biāo)準(zhǔn)PMAC運(yùn)動(dòng)控制器提供PID參數(shù)調(diào)整、速度和加速度前饋控制功能，階式濾波器功能具備24位增益分辨度，具有很強(qiáng)的運(yùn)算功能，能夠進(jìn)行數(shù)學(xué)、邏輯和超越函數(shù)運(yùn)算。

(2)輸入/輸出功能 PMAC中DSP通過DSP GATE與受控軸建立連接關(guān)系，每個(gè)DSP GATE控制四路編碼器和4個(gè)模擬輸出通道，PMAC可直接接受0～5V的正交編碼器信號(hào)，PMAC控制器的I/O接口可通過相關(guān)附件進(jìn)行擴(kuò)展。

(3)PLC功能 以循環(huán)掃描邏輯順序控制程序，不采用梯形圖編程，采用類似BASIC等高級(jí)語言的編程方式，更加靈活、方便。

(4)變量與內(nèi)存管理功能 PMAC控制器采用I/O與內(nèi)存統(tǒng)一編址方式，雙16位地址空間。

3．NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3．1 硬件結(jié)構(gòu)

NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)是在工業(yè)控制機(jī)(IPC)平臺(tái)基礎(chǔ)上，以PMAC運(yùn)動(dòng)控制器作為系統(tǒng)的核心處理器，工控機(jī)上的CPU與PMAC的CPU構(gòu)成主、從式雙微處理器結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)除PMAC運(yùn)動(dòng)控制器外，大部分硬件都采用統(tǒng)一計(jì)算機(jī)硬件板卡，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

(1)控制功能 在圖2中，PMAC主要完成插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制、刀補(bǔ)、速度處理和PLC等實(shí)時(shí)控制任務(wù);工控機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能，同時(shí)完善NC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等非實(shí)時(shí)控制功能。

(2)與主機(jī)之間的通信 PMAC與主機(jī)直接通過ISA總線通信。當(dāng)主機(jī)與PMAC進(jìn)行通信時(shí)，主機(jī)就到預(yù)先制定的地址去尋找PMAC，該地址由PMAC板上的E跳線決定，用戶可以根據(jù)需要重新設(shè)置E跳線，從而改變PMAC在主機(jī)中所占用的地址，控制器與伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、電動(dòng)機(jī)的位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)則直接通過ISA總線實(shí)現(xiàn)信息交換。

(3)內(nèi)置PLC功能 PLC信號(hào)的輸入/輸出由I/O接口板實(shí)現(xiàn)，信號(hào)通過光電隔離后經(jīng)I/O接口送人PMAC進(jìn)行處理。光電隔離有效地將計(jì)算機(jī)數(shù)字量通道與外部模擬量通道隔離開來，減輕了外部干擾。

3．2 軟件結(jié)構(gòu)

NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要由實(shí)時(shí)控制軟件和系統(tǒng)管理軟件構(gòu)成。實(shí)時(shí)控制軟件考慮軟件的開放性，用戶可以在PMAC已經(jīng)集成的基本模塊上根據(jù)需要增加軟件功能模塊;系統(tǒng)管理軟件主要由用戶自行開發(fā)，實(shí)現(xiàn)所有的非實(shí)時(shí)控制部分功能。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

(1)PMAC實(shí)時(shí)控制軟件

實(shí)時(shí)控制軟件所包括模塊如圖4所示。

圖4 PMAC實(shí)時(shí)控制軟件功能模塊

插補(bǔ)算法模塊包括直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)等。PMAC還提供PVT運(yùn)動(dòng)模式，可對(duì)軌跡圖形進(jìn)行直接而緊湊的控制。

伺服驅(qū)動(dòng)模塊用于選擇PID位置環(huán)伺服濾波器、陷波濾波器、速度前饋等，并設(shè)置其控制參數(shù)，用戶可采用極點(diǎn)配置方法，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化伺服控制。

PLC監(jiān)控運(yùn)行模塊主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示燈管理及下電PLC。

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。這些程序在PEWN32Pro環(huán)境下編輯和調(diào)試，并下載到PMAC的固定存儲(chǔ)器中，在實(shí)際加工時(shí)被PMAC自動(dòng)調(diào)用。

(2)系統(tǒng)管理軟件

系統(tǒng)管理軟件的所有功能都要由用戶自己設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，其功能模塊如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)管理軟件功能模塊

由于數(shù)控系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)控制模塊都是由PMAC來實(shí)現(xiàn)的，且系統(tǒng)管理軟件完成的都是非實(shí)時(shí)性的功能(后臺(tái)功能)，所以可以選用Windows操作系統(tǒng)作為系統(tǒng)運(yùn)行與開發(fā)的平臺(tái)，而不需要對(duì)Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行任何實(shí)時(shí)化的改造與擴(kuò)展。系統(tǒng)管理軟件一般采用Windows平臺(tái)的VC++、VB或Delphi等工具開發(fā)完成，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、文件管理、故障診斷與狀態(tài)顯示、加工運(yùn)行等功能。

4．結(jié)論

由于運(yùn)動(dòng)控制器具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能、良好的I/O操作功能、極高的處理速度，并且具有良好的實(shí)時(shí)控制性能，基于PC和運(yùn)動(dòng)控制器開發(fā)高性能、高精度數(shù)控系統(tǒng)，是開放式數(shù)控系統(tǒng)主要發(fā)展方向之一。

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