開放式數控系統的研究與應用
2018-5-17 來源： 天津市匯通儀器設備公司 天津職業大學 作者：李文軍 黃連寶
摘要：本文主要介紹開放式數控系統的研究狀況，分析其與傳統 CNC 系統相比較的特點，同時探討開發開放式數控系統的一些方法。
關鍵詞：開放式 數控系統 現代制造
數控技術是機械加工技術與計算機技術的結合。在現代制造中，數控技術已經成為主力軍。傳統的數控系統多采用專用的封閉式系統，操作者使用時只能選擇，不能對設備的某些功能進行靈活修改來達到自己的需求。此外，數控系統種類很多，企業對工作人員、設備保養等方面消耗了大量的時間與經費。數控系統制造商、集成者、客戶都需要“開放式的控制器”，以期能夠自主地支配控制系統、伺服電機、驅動器、數控軟件等各個組成部分，并能夠采用規范的、便捷的方法將所有組成部分結合起來。所以，研究開放式的體系結構十分必要。
1、傳統 CNC 系統介紹
數控系統是數字控制系統的簡稱，硬件電氣部件慢慢被專屬的計算機取代，稱為計算機數控系統。CNC 系統是指主要采用計算機來控制加工、應用數字控制的系統。CNC 系統是依據 PC 存儲器中所有的控制程序、執行原件和所有數值控制功能進行工作，是裝有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。CNC 系統主要由數控代碼、輸入輸出裝置、CNC 裝置、可編程控制器、主軸驅動裝置、進給驅動裝置（包括檢測裝置）以及反饋裝置（光柵、磁尺等）等組成。傳統的控制系統有很強的專用性，通用性不好；軟件部分為制造商所壟斷，不能進行功能拓展，不能兼容各種軟件，不能更新。它的可移植性不好，網絡通訊能力不好，對于機床商和客戶的要求相對較高。伴隨著數控技術的發展，傳統上的數控系統開始愈來愈繁瑣。它本身的缺陷大大阻礙了它的發展，已很難適應現在制造業發展的速度、單件小批量生產的趨勢，更沒有辦法滿足現代制造業向智能化、柔性化、無人制造模式的發展。
2、開放式數控系統的發展現狀
在傳統的封閉式、專用數控系統向開放式數控系統發展的過程中，其體系結構主要有以下幾種類型。
（1）NC 嵌入 PC 型開放式數控系統，把運動控制板 NC插入 PC 機的標準插槽中做實時控制用，而 PC 機主要做非實時控制。這種結構功能穩定、靈活性好，計算機的豐富資源可以得到共享。
（2）PC 嵌入 NC 型開放式數控系統，把 PC 主板插入傳統的 CNC 機器中，提供鍵盤使用戶能把 PC 和 CNC 聯系在一起，從而提高人機界面的功能?？煽康臄悼叵到y是這類系統的核心，因此它工作可靠且功能強大，很少出現死機現象；缺點是結構復雜，價格昂貴。
（3）基于軟件芯片的開放體系結構的數控系統。它的CNC 軟件是把數控系統的功能按照一定的標準和規范進行封裝它。將數控軟件設計成具有穩定、通用的標準接口的軟件芯片。數控系統一個獨立模塊的功能由一個軟件芯片完成；硬件部分僅是計算機與伺服驅動器和外部 I/O 之間的標準化通用接口。
3、開放式數控系統的特點
（1）可替代性。詳細的定義接口為各模塊使用。利用模塊化的設計，能由系統自己鑒別，根本不要人工干預就可以得到所需要的資源，并能完成工作和特定的任務。依據它的可靠性、功能與性能，在系統中的每個零件均可替換。在組成系統的過程中，可按照各部分的性能與價格等情況，分不同的廠家采購，以避免受到壟斷的限制。
（2）可移植性。各部件數據格式都是統一的，行為模式也統一，網絡通信方式和交互方式都有標準的接口，實現了設備的無關性。應用的軟件和系統沒有相關性，做很少的改動或不進行改動就能在不同環境下使用。
（3）智能的人機對話。在一個開放式的平臺環境下，機床制造商或者用戶可以應用恰當的編程語言開發研究人機對話平臺。優化數控系統時，沒有必要顧及數控系統控制器的核心，這樣的數控系統具備很好的智能性，能把特殊的加工工藝、管理方法和操作方式集成到數控系統中，讓系統可以進行圖形交互、診斷等。
（4）對接性、應用性良好。CNC 系統可以用標準的接口與多種系統連接，并傳輸有效信息完成他們之間的互連、互通、應用處理的協作。此外，數控控制系統中的多功能組件利用標準化的定義、通信與交互方式，允許第三方軟件進入，并在同一平臺上一起運行，協調工作。
（5）柔性好，性價比優良。具有良好的開放性和模塊化結構的開放式數控系統，不但可增加軟件和硬件使系統功能更加全面，還可以刪減某些功能兼容的低端應用，且可通過改變組建成不同形式的數控系統。
4、開放式數控系統的開發
到現在為止，我國對于 PC+NC 型開放式數控系統的研究開展較多。簡單的說，就是將專用的運動控制器或整個的計算機單元集成到工業控制 PC 的卡槽中。現在采用很多的是 PMAC 多軸運動控制器作為 NC 模塊的形式?；赑C+PMAC 運動控制器的數控系統具有成本低、人機對話友好、客戶可定制軟件、運行速度敏捷、系統研發周期短、精度控制高等優點。PMAC 多軸運動控制器和 PLC 可編程邏輯控制器完成對反饋裝置的控制、伺服系統的運算、實時任務處理等工作。PMAC 主要進行開關量的控制、軸的運動控制和數字化信息采集等實時性控制。由于多樣的各種通用接口和計算機都在整個數控系統的終端地位，PC 機則主要實現系統的管理功能等非實時性控制，因此，要想改善圖形顯示、人機界面、故障診斷等功能，通過計算機上的軟件就可以實現。可見，采用這樣的機構系統具有非常好的開放性與通用性，且其切實可行。
5、PMAC 運動控制器
5.1 PMAC 簡介
PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）是美國 Delta Tau 制造的能夠控制多個軸的運動器，可以說是時下功能最強大、開放性最好、具有較快運行速度的軸的運動產品。它采用的數字信號處理器（DSP56K 系列）是摩托羅拉的產品，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動，且每個軸的運動都是獨立工作的。可以將 16 張PMAC 板接在一起使用，最多能夠實現 128 個軸的聯動和單個軸的獨立控制。PMAC 依靠其強大功能和廣泛用途，大量應用在控制設備上，如數控的雕刻機、激光雕刻機、印刷設備、企業的生產線、工業柔性制造系統等場合。
5.2 PMAC 卡的開放性
（1）裝接開放性?？梢匝b接很多型號的電機。因為PMAC 卡可以根據電機的不同設置不同的參數，所以可以完成匹配，實現與各種電機的連接，如步進電機，交、直流伺服電機等。因此，它可供我們靈活選購伺服配件。
檢測元件的兼容性更好。PMAC 可以接收多種機床的檢測元件給出的反饋信號，如經常使用的元件有編碼器、光柵、激光干涉、測速發電機等。
傳輸方式的開放性。這主要體現在 PMAC 卡與 PC 進行數據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。PMAC 能夠在不同的硬件平臺運行，從而使我們可以在不同的硬件平臺使用一個應用軟件來實現控制，更利于使用者和開發者靈活地使用。
（2）軟件開放性。它與很多高級編程語言對接。PMAC可以使用 16bit、32bit 動態鏈接庫、Ptalk DT 控件等。在WIN 系統下，我們可非常方便地與 PMAC 通訊、數據傳遞與交換，還能用一些高等編程語言，創造出屬于自己的個性人機對話界面。編寫中能夠使用 Pcomm32 動態鏈接庫中函數，完成 PC 與 PMAC 通訊，從而更方面地實現人機界面的研發。同時，PMAC 中包含有編制好的指令功能，可對指令進行調用，如直線、圓弧等插補。此外，還可以自定義數控代碼，如 G、M、S 等；對變量參數進行設置，如 I、P、M、Q 等，以實現定制系統的目標。
5.3 PMAC 卡的結構
PMAC 卡的結構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，開發模塊化的系統結構。還可實現對多個軸的控制，如添加數字 / 模擬量、I/O 口、輸出頻率等，都會有相應的模塊對應。PMAC 卡的核心是DSP-GATE 和 DSP56K CPU 芯片。門陣列芯片有 8 個 16bit轉換器和 4 個編碼輸入路徑，主要作用是接收 A/D 數據和發送數據至 D/A。
6、小結
數控發展的趨勢就是開放式數控系統。它給系統商、機床商與使用者帶來了更多方便與優勢?；?PMAC 卡形式的開放式數控系統更有優勢，它可以充分利用計算機與PMAC 卡的軟、硬件資源和強大的技術優勢，更出色地完成系統的人機交互等功能。此外，模塊化的應用令程序設計的通用性、擴展性和可移植性大大增強，更有利于系統的功能擴展。
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