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基于PMAC运动控制器的开放式数控系统

时间:2017-7-15 9:06:00   来源:本网   添加人:admin

  收穑日期:2⑴3―12)男。江苏镇江人,杭州电子工业学院数控技术研究所所长教授研究方向为数控技术及网络制造,cnki.net 1CNC开放的概念装备数控系统的机床可大大提高加工精度、速度和效率。现代数控系统制造厂家和用户希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑,具有一定的智能,能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统,同时也希望系统具有图形交互、诊断等功能。首先,要求数控系统具有友好的人机界面和开放的工作平台,通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路,从而形成开放结构的数控系统。开放式结构意味着可以根据不同的用户要求提供不同的系统。开放式数控系统允许用户根据需要自由选择和配置标准的硬件和软件模±,实现系统“积木式”的集成,或者在开放平台基础上开发特定的功能模块,形成适合需要的专用系统。

  在该开放系统的平台上,机床制造商可以增加一定的硬件和软件构成自己的系统。开放式数控系统的最终用户,可以在标准的硬件和软件平台上,根据自己对数控系统的特殊要求进行功能扩展,从而构成一种相对比较专用的NC体系结构。

  根据IEEE定义,G.Pritschow提出了开放式控制系统规范的基本特征,即:互操作性。提供标准的数据格式、通信及交互机制;可移植性。系统可运行于不同的软硬件平台之上;可扩充性。允许用户对系统进行扩展和裁减;互换性。系统的各功能模块可以根据需要进行替换。

  2DSP应用于开放式CNC开放式CNC曾受制于PC计算能力的限制,使得较复杂的控制算法难以实现,阻碍了这类系统向高速、高精方向发展。到20世纪80年代末,基于DSP(DigitalSignalProcessor)的运动控制技术的突破,为开放式CNC的发展提供了极好的机遇。由于DSP具有高达数10MB的数据吞吐能力,短至几十ns的指令周期,非常适合于大量数据量的高速数据采集系统和实时控制系统,因此,DSP在高性能的数控系统中具有重要的应用价值。

  现在的开放式CNC是以基于DSP运动控制器为核心,融合PLC的功能,与通用工控PC集成而成。也可以说,没有基于DSP的运动控制,就没有真正意义的开放式CNC.利用基于DSP的运动控制器开发的基于PC的开放式数控系统,能够在普及型个人计算机的操作系统上,轻松地使用系统所配置的软件模块和硬件运动控制卡,机床制造商和用户能够方便地进行软件开发,能追加功能和实现功能的个性化。

  采用基于DSP的运动控制器与PC―起构成开放式CNC的优点是多方面的。开放式CNC可以将Windows强大的图形用户接口、多任务能力以及强大的硬件软件兼容能力与基于DSP的运动控制器无与伦比的伺服、插补和实时计算能力结合在一起,为用户提供高速、高精和低成本的现代控制;除此之外,以基于DSP为核心的开放式CNC不仅融合了传统的CNC的功能,而且能提供传统CNC不能提供的功能。

  DSP可以完成数控系统中复杂的插补运算程序和速度控制程序,特别是在高速高精度多轴数控加工中,要求数控系统在极短的时间内对各轴反馈的位置信号进行处理,将DSP应用于高性能数控系统的开发不失为一种良策。

  3数控系统的硬件结构3.1控制系统的核心一基于DSP的多轴运动控制卡PMAC操作系统的多轴,多通道开放式运动控制器。该产品使用高速DSP56001/56002作为CPU,提供全新的高性能技术和Windows平台,满足用户在运动控制各个领域中的各种高科技应用。它是一个拥有高性能伺服运动控制器,通过灵活的高级语言能同时控制1 ~8个轴,最多可扩展128个轴。既可单独执行存储于控制器内部的程序,也可执行运动程序和PLC程序。还可进行伺服环更新以及以串口、总线两种方法与上位机进行通信。作为一种具有广泛用途的控制器,PMAC能应用于各种各样的设备,从那些精密到小于百万分之一英寸的精密仪器到那些需要数百千瓦或马力的大型设备。它广泛使用于机工、印刷、包装、物料装卸、摄像机控制、自动焊接、硅片加工、激光切割和许多别的方面。PMAC就是一台完整的计算机,它可以通过存储在它自己内部的程序进行单独的操作。此外,它还是一台实时的,多任务的计算机,能自动对任务进行优先级别判定,从而按照优先级别的高低逐次执行任务。

  3.2系统的硬件结构数控系统硬件框图及I/O接口图分别如和系统硬件结构框显示口;控制面板接口(至/ O接口板1)3多路输入输出口;4RS232串行口;5通用I/O口(至/O接口板2)6辅助A/D转换接口;7A/D转换接口;8位置比较及驱动器使能输出口;11机器连接口(至伺月服言号中转板)I/O接口图器人机床、纸和棚加工作业、装配线、食品加有充足的件局CNC系统的用户界面、图系统采用NC嵌入PC结构的开放式结构,以PMAC―LITE运动控制卡作为核心控制器,以工业PC作为主机,形成了主从型开放式数控系统,两个CPU各自实现相应的功能。其中PMAC主要完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理、以及PLC等实时控制;工控机则主要实现系统的管理功能,同时具形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通信等功能。MAC卡插于PC机的SA总线槽中,接口卡对NC控制信息、反馈信息以及PLC控制信息由进行信号转换及隔离。数控系统除PMAC运动控制器外,大部分硬件都采用通用的计算机硬件。

  为了实现PMAC多轴运动控制的功能,还需在PMAC板上扩展相应的I/O板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等,最终形成一个完整的数控系统。

  4系统软件设计4.1系统总的软件结构(见)上用VB语言编写,因为PMAC能够执行数控系统所有的强实时性任务,如位置控制、插补、速度处理、PLC任务、译码解释和刀补等,所以,数控软件开发的重点在于PMAC与PC机的通信以及上层系统操作调度管理软件的编制和故障诊断、参数输入、程序编辑等非高实时性的任务功能的实现。由于PMAC提供了极其有效的开放软件包Pcmm32和ActiveX通信控件PtalkDT,与PMAC通信交换信息只需调用Pcomm32里面包含的函数库里的相应功能函数或使用PtalkDT提供的各种事件和方法,所以省去了繁重的通信驱动程序的开发,不必直接与PMAC硬件打交道,用VisualBasic语言即可方便地实现数控系可移植性,在Windows环境下使用MSVisual系列功能强大的编程语言来实现数控系统,可以使系统的结构组织得比较明晰有序,便于功能的扩充与剪裁,以运行各种现有的软件如CAD、数据库等,还能使用Internet联网等,所以这样的CNC系统具有良好的开放性和可移植性。

  为开发工具,采用面向对象的编程方法,充分利用控制卡配套的动态链接库中的函数,对开放式数控系统软件进行了开发,实现了数控系统的基本功能。

  可实现的具体功能包括:Windows风格友好人机接口界面、系统初始化预处理、数控程序的译码、自动和手动加工方式、原点回归、机床状态的监控、坐标位置和主轴转速的实时显示、系统动态参数化配置、内置PLC功能、刀具控制、网络功能等。

  4.2系统软件功能的实现主界面窗口系统的初始化在系统主窗口界面调入的过程中完成,主要进行PTalkDT控件属性的设置、PMAC卡参数的预置、以及数控代码转换程序的下载。初始化子过程如下:卡时,屏蔽模拟通信PTalkDT1.SimulateCommunication=False//若En-able属性成功地设为Trne,再次屏蔽模拟通信,确保通信有效统;又由于Wi备无关性和高级语言良好的CallPmacFlush(0)"清空PMAC内存缓冲区(0,1)//置控制面板标系的进给时间单位,60000为一分钟;I193指定坐标系的时基控制寄存器地址;I115为遇极限或程序停止的减速速率;I195为各轴的进给保持减速速率。

  下载数控代码转换程序到PMAC//还有许多需要初始化设置的工作都可在此代码段执行EndSub各种工作方式间实现了互锁,系统不能同时工作于两种方式下。在机床运行期间,方式选择无效。

  系统数控程序采用通用G代码和M、T功能指令,编译是由G代码解释程序和M代码解释程序以及T代码解释程序分别进行解释。可以根据需要自己定制G、M、T代码,按照需要的功能编写对应的译码程序行,然后在译码程序中编制标准的PMAC运代码解释程序,这一特点也正好体现了PMAC优越的开放性能。

  系统的运行有许多状态需要实时监视,这里利用了Timer定时器控件。在程序运行时,计时器控件每隔一定时间间隔就产生一次Timer事件,周期性地控制某些操作。系统的每坐标每轴的状态以及各种参数变量都存在PMAC内存中,分别用M变量去指向各状态,可通过操作M变量进行状态的读取和参数的写入以及完成I/O口的控制。

  进给轴坐标值和主轴转速的实时显示也是利用Timer控件在Timer事件里执行。因为坐标显示需要快速实时地刷新,所以这里通过双端口RAM读入各轴电机位置实际值。

  PMAC的内装PLC与CNC共用微处理器,利用微处理器的余力来发挥PLC的功能,所以I/O点数较少。PLC程序主要作用:监视模拟和数字输入,设置输出,发送信息,监视运动参数,执行命令,改变增益以及开始和停止运动。通过PLC程序可以完全对PMAC变量和I/O进行操作。因为它具有非同步的特性,因此,它能有力地协助运动控制程序完成任务。PLC程序能够在任何运动程序运行的同时,在后台监视机床的工作状态,完成必要的逻辑控制。最多可有32个PLC程序,可分别设置为有效或无效。其中有效的程序在时间允许的范围内在后台连续地运行。

  5结论数控系统正朝着开放式、高精度高速度、智能化网络化的方向发展,由于DSP具有强大的运算能力、良好的I/O操作功能、极高的处理速度,并且具有良好的实时控制性能,在数控系统中具有广泛的应用前景和优势。实践证明,采用DSP进行高性能高精度的CNC系统的开发完全能满足现代数控机床对开放式数控系统的要求,是今后数控技术的一个主要方向。