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開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

2018-5-17 來(lái)源：天津市匯通儀器設(shè)備公司天津職業(yè)大學(xué) 作者：李文軍　黃連寶

摘要：本文主要介紹開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究狀況，分析其與傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)相比較的特點(diǎn)，同時(shí)探討開(kāi)發(fā)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的一些方法。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 現(xiàn)代制造

數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合。在現(xiàn)代制造中，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為主力軍。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)多采用專用的封閉式系統(tǒng)，操作者使用時(shí)只能選擇，不能對(duì)設(shè)備的某些功能進(jìn)行靈活修改來(lái)達(dá)到自己的需求。此外，數(shù)控系統(tǒng)種類很多，企業(yè)對(duì)工作人員、設(shè)備保養(yǎng)等方面消耗了大量的時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。數(shù)控系統(tǒng)制造商、集成者、客戶都需要“開(kāi)放式的控制器”，以期能夠自主地支配控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控軟件等各個(gè)組成部分，并能夠采用規(guī)范的、便捷的方法將所有組成部分結(jié)合起來(lái)。所以，研究開(kāi)放式的體系結(jié)構(gòu)十分必要。

1、傳統(tǒng) CNC 系統(tǒng)介紹

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，硬件電氣部件慢慢被專屬的計(jì)算機(jī)取代，稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。CNC 系統(tǒng)是指主要采用計(jì)算機(jī)來(lái)控制加工、應(yīng)用數(shù)字控制的系統(tǒng)。CNC 系統(tǒng)是依據(jù) PC 存儲(chǔ)器中所有的控制程序、執(zhí)行原件和所有數(shù)值控制功能進(jìn)行工作，是裝有接口電路和伺服驅(qū)動(dòng)裝置的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CNC 系統(tǒng)主要由數(shù)控代碼、輸入輸出裝置、CNC 裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)裝置、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置（包括檢測(cè)裝置）以及反饋裝置（光柵、磁尺等）等組成。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的專用性，通用性不好；軟件部分為制造商所壟斷，不能進(jìn)行功能拓展，不能兼容各種軟件，不能更新。它的可移植性不好，網(wǎng)絡(luò)通訊能力不好，對(duì)于機(jī)床商和客戶的要求相對(duì)較高。伴隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)上的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)始愈來(lái)愈繁瑣。它本身的缺陷大大阻礙了它的發(fā)展，已很難適應(yīng)現(xiàn)在制造業(yè)發(fā)展的速度、單件小批量生產(chǎn)的趨勢(shì)，更沒(méi)有辦法滿足現(xiàn)代制造業(yè)向智能化、柔性化、無(wú)人制造模式的發(fā)展。

2、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

在傳統(tǒng)的封閉式、專用數(shù)控系統(tǒng)向開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程中，其體系結(jié)構(gòu)主要有以下幾種類型。

（1）NC 嵌入 PC 型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，把運(yùn)動(dòng)控制板 NC插入 PC 機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中做實(shí)時(shí)控制用，而 PC 機(jī)主要做非實(shí)時(shí)控制。這種結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定、靈活性好，計(jì)算機(jī)的豐富資源可以得到共享。

（2）PC 嵌入 NC 型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，把 PC 主板插入傳統(tǒng)的 CNC 機(jī)器中，提供鍵盤(pán)使用戶能把 PC 和 CNC 聯(lián)系在一起，從而提高人機(jī)界面的功能。可靠的數(shù)控系統(tǒng)是這類系統(tǒng)的核心，因此它工作可靠且功能強(qiáng)大，很少出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象；缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴。

（3）基于軟件芯片的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它的CNC 軟件是把數(shù)控系統(tǒng)的功能按照一定的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行封裝它。將數(shù)控軟件設(shè)計(jì)成具有穩(wěn)定、通用的標(biāo)準(zhǔn)接口的軟件芯片。數(shù)控系統(tǒng)一個(gè)獨(dú)立模塊的功能由一個(gè)軟件芯片完成；硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)器和外部 I/O 之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。

3、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）可替代性。詳細(xì)的定義接口為各模塊使用。利用模塊化的設(shè)計(jì)，能由系統(tǒng)自己鑒別，根本不要人工干預(yù)就可以得到所需要的資源，并能完成工作和特定的任務(wù)。依據(jù)它的可靠性、功能與性能，在系統(tǒng)中的每個(gè)零件均可替換。在組成系統(tǒng)的過(guò)程中，可按照各部分的性能與價(jià)格等情況，分不同的廠家采購(gòu)，以避免受到壟斷的限制。

（2）可移植性。各部件數(shù)據(jù)格式都是統(tǒng)一的，行為模式也統(tǒng)一，網(wǎng)絡(luò)通信方式和交互方式都有標(biāo)準(zhǔn)的接口，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的無(wú)關(guān)性。應(yīng)用的軟件和系統(tǒng)沒(méi)有相關(guān)性，做很少的改動(dòng)或不進(jìn)行改動(dòng)就能在不同環(huán)境下使用。

（3）智能的人機(jī)對(duì)話。在一個(gè)開(kāi)放式的平臺(tái)環(huán)境下，機(jī)床制造商或者用戶可以應(yīng)用恰當(dāng)?shù)木幊陶Z(yǔ)言開(kāi)發(fā)研究人機(jī)對(duì)話平臺(tái)。優(yōu)化數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，沒(méi)有必要顧及數(shù)控系統(tǒng)控制器的核心，這樣的數(shù)控系統(tǒng)具備很好的智能性，能把特殊的加工工藝、管理方法和操作方式集成到數(shù)控系統(tǒng)中，讓系統(tǒng)可以進(jìn)行圖形交互、診斷等。

（4）對(duì)接性、應(yīng)用性良好。CNC 系統(tǒng)可以用標(biāo)準(zhǔn)的接口與多種系統(tǒng)連接，并傳輸有效信息完成他們之間的互連、互通、應(yīng)用處理的協(xié)作。此外，數(shù)控控制系統(tǒng)中的多功能組件利用標(biāo)準(zhǔn)化的定義、通信與交互方式，允許第三方軟件進(jìn)入，并在同一平臺(tái)上一起運(yùn)行，協(xié)調(diào)工作。

（5）柔性好，性價(jià)比優(yōu)良。具有良好的開(kāi)放性和模塊化結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，不但可增加軟件和硬件使系統(tǒng)功能更加全面，還可以刪減某些功能兼容的低端應(yīng)用，且可通過(guò)改變組建成不同形式的數(shù)控系統(tǒng)。

4、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

到現(xiàn)在為止，我國(guó)對(duì)于 PC+NC 型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究開(kāi)展較多。簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是將專用的運(yùn)動(dòng)控制器或整個(gè)的計(jì)算機(jī)單元集成到工業(yè)控制 PC 的卡槽中。現(xiàn)在采用很多的是 PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制器作為 NC 模塊的形式。基于PC+PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控系統(tǒng)具有成本低、人機(jī)對(duì)話友好、客戶可定制軟件、運(yùn)行速度敏捷、系統(tǒng)研發(fā)周期短、精度控制高等優(yōu)點(diǎn)。PMAC 多軸運(yùn)動(dòng)控制器和 PLC 可編程邏輯控制器完成對(duì)反饋裝置的控制、伺服系統(tǒng)的運(yùn)算、實(shí)時(shí)任務(wù)處理等工作。PMAC 主要進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的控制、軸的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)字化信息采集等實(shí)時(shí)性控制。由于多樣的各種通用接口和計(jì)算機(jī)都在整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的終端地位，PC 機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能等非實(shí)時(shí)性控制，因此，要想改善圖形顯示、人機(jī)界面、故障診斷等功能，通過(guò)計(jì)算機(jī)上的軟件就可以實(shí)現(xiàn)。可見(jiàn)，采用這樣的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)具有非常好的開(kāi)放性與通用性，且其切實(shí)可行。

5、PMAC 運(yùn)動(dòng)控制器

5.1　PMAC 簡(jiǎn)介

PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）是美國(guó) Delta Tau 制造的能夠控制多個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)器，可以說(shuō)是時(shí)下功能最強(qiáng)大、開(kāi)放性最好、具有較快運(yùn)行速度的軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)品。它采用的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP56K 系列）是摩托羅拉的產(chǎn)品，其中 CPU 選用從 20MHz 到 160MHz，還配有門陣列芯片組，靈活性非常好。因此，它能夠很好地控制多軸運(yùn)動(dòng)，且每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)都是獨(dú)立工作的。可以將 16 張PMAC 板接在一起使用，最多能夠?qū)崿F(xiàn) 128 個(gè)軸的聯(lián)動(dòng)和單個(gè)軸的獨(dú)立控制。PMAC 依靠其強(qiáng)大功能和廣泛用途，大量應(yīng)用在控制設(shè)備上，如數(shù)控的雕刻機(jī)、激光雕刻機(jī)、印刷設(shè)備、企業(yè)的生產(chǎn)線、工業(yè)柔性制造系統(tǒng)等場(chǎng)合。

5.2　PMAC 卡的開(kāi)放性

（1）裝接開(kāi)放性。可以裝接很多型號(hào)的電機(jī)。因?yàn)镻MAC 卡可以根據(jù)電機(jī)的不同設(shè)置不同的參數(shù)，所以可以完成匹配，實(shí)現(xiàn)與各種電機(jī)的連接，如步進(jìn)電機(jī)，交、直流伺服電機(jī)等。因此，它可供我們靈活選購(gòu)伺服配件。

檢測(cè)元件的兼容性更好。PMAC 可以接收多種機(jī)床的檢測(cè)元件給出的反饋信號(hào)，如經(jīng)常使用的元件有編碼器、光柵、激光干涉、測(cè)速發(fā)電機(jī)等。

傳輸方式的開(kāi)放性。這主要體現(xiàn)在 PMAC 卡與 PC 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以有三種形式：（1）總線、串行、并行；（2）RAM（DPRAM）；（3）USB 與光纜接口。匹配各種硬件平臺(tái)。PMAC 能夠在不同的硬件平臺(tái)運(yùn)行，從而使我們可以在不同的硬件平臺(tái)使用一個(gè)應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，更利于使用者和開(kāi)發(fā)者靈活地使用。

（2）軟件開(kāi)放性。它與很多高級(jí)編程語(yǔ)言對(duì)接。PMAC可以使用 16bit、32bit 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、Ptalk DT 控件等。在WIN 系統(tǒng)下，我們可非常方便地與 PMAC 通訊、數(shù)據(jù)傳遞與交換，還能用一些高等編程語(yǔ)言，創(chuàng)造出屬于自己的個(gè)性人機(jī)對(duì)話界面。編寫(xiě)中能夠使用 Pcomm32 動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中函數(shù)，完成 PC 與 PMAC 通訊，從而更方面地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的研發(fā)。同時(shí)，PMAC 中包含有編制好的指令功能，可對(duì)指令進(jìn)行調(diào)用，如直線、圓弧等插補(bǔ)。此外，還可以自定義數(shù)控代碼，如 G、M、S 等；對(duì)變量參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如 I、P、M、Q 等，以實(shí)現(xiàn)定制系統(tǒng)的目標(biāo)。

5.3　PMAC 卡的結(jié)構(gòu)

PMAC 卡的結(jié)構(gòu)主要由主板和很多功能模塊組成。主板上可裝接 PC 總線、VBM 總線和 STD232 總線。由于提供了多種總線，因此很容易與主板相連，開(kāi)發(fā)模塊化的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。還可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)軸的控制，如添加數(shù)字 / 模擬量、I/O 口、輸出頻率等，都會(huì)有相應(yīng)的模塊對(duì)應(yīng)。PMAC 卡的核心是DSP-GATE 和 DSP56K CPU 芯片。門陣列芯片有 8 個(gè) 16bit轉(zhuǎn)換器和 4 個(gè)編碼輸入路徑，主要作用是接收 A/D 數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)至 D/A。

6、小結(jié)

數(shù)控發(fā)展的趨勢(shì)就是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。它給系統(tǒng)商、機(jī)床商與使用者帶來(lái)了更多方便與優(yōu)勢(shì)。基于 PMAC 卡形式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)，它可以充分利用計(jì)算機(jī)與PMAC 卡的軟、硬件資源和強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，更出色地完成系統(tǒng)的人機(jī)交互等功能。此外，模塊化的應(yīng)用令程序設(shè)計(jì)的通用性、擴(kuò)展性和可移植性大大增強(qiáng)，更有利于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展。

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