開放式數(shù)控系統(tǒng)

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開放式數(shù)控系統(tǒng)及PMAC簡介,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)的概念 IEEE(美國電氣電子工程師協(xié)會)關(guān)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(fēng)格的交互方式。通俗地說，開放式數(shù)控系統(tǒng)允許用戶根據(jù)自己的需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應(yīng)不同的應(yīng)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(yīng)商并相互兼容。,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)的基本特點： （1）模塊化 包括數(shù)控功能模塊化和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模塊化。前者是指用戶可以根據(jù)自己的要求選裝所需的數(shù)控功能；后者是指數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)各個功能的算法是可分離的、可替換的。 模塊化是數(shù)控系統(tǒng)開放的基礎(chǔ),開放式數(shù)控系統(tǒng),（2）標(biāo)準(zhǔn)化 數(shù)控裝置的開放是在一定的標(biāo)準(zhǔn)約束下進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)。按這個標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不同公司的產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)是模塊化，因為標(biāo)準(zhǔn)的制定要建立在模塊合理劃分的基礎(chǔ)上。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（3）可移植性 不同應(yīng)用程序模塊可運行于不同生產(chǎn)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(yīng)與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、控制機制，并且通過一致的設(shè)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(shù)控系統(tǒng),（4）二次開發(fā)性 開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)允許用戶根據(jù)自身的需要進(jìn)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(shè)計、參數(shù)設(shè)置等。深層的二次開發(fā)允許用戶將自己設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)功能模塊集成到開放式數(shù)控系統(tǒng)中。所以系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)提供接口標(biāo)準(zhǔn)，包括訪問和修改系統(tǒng)參數(shù)的方法以及開放式系統(tǒng)提供的API(應(yīng)用程序接口)和其他工具。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（5）網(wǎng)絡(luò)化 現(xiàn)代意義上的網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)以通訊和資源共享為手段,以車間乃至企業(yè)內(nèi)的制造設(shè)備的有機集成為目標(biāo),支持ISO-OSI網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)規(guī)范, 能支持Internet/Intranet標(biāo)準(zhǔn)，具有很強的開放性，它的聯(lián)網(wǎng)功能通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來實現(xiàn),而不需要其他的接口部件或者上位機。,傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)與開放式數(shù)控系統(tǒng)比較圖：,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 開放體系結(jié)構(gòu)是從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放?；赑C的開放式數(shù)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(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活地組合和使用。使用計算機同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化?；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下三種類型：,開放式數(shù)控系統(tǒng),（1）PC嵌入NC型 該類型系統(tǒng)是將PC裝入到NC內(nèi)部，PC與NC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時，原型NC系統(tǒng)也可不加修改就得以利用。這種數(shù)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(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)還是不開放的。,開放式數(shù)控系統(tǒng),此類系統(tǒng)如日本的FANUC 160/180/210是典型的PC嵌入NC模式的CNC系統(tǒng)。在FANUC CNC專用32位總線插槽中插入一塊名為MMC - IV的PC模塊，通過專用接口使CNC與MMC-IV緊密結(jié)合。德國的SIEMENS 840D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PLC部分)模塊相連。,開放式數(shù)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(dān)，這種方法能夠方便地實現(xiàn)人機界面的開放化和個性化。,開放式數(shù)控系統(tǒng),美國的DELTA公司的PMAC-NC開放式數(shù)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MTC - 200系列開放式數(shù)控系統(tǒng)將MTC-PCNC和MTC-PPLC卡插入PC機擴展槽中，總線接口為SERCOS。POWER AUTOMATION公司的PA8000系列數(shù)控系統(tǒng)同樣將PA-CNC ENGINE運動控制卡插入PC機擴展槽中，構(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)。,開放式數(shù)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(xiàn)，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進(jìn)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(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)研究的關(guān)鍵問題（1） 制定一個開放式數(shù)控系統(tǒng)的制造協(xié)議 在系統(tǒng)的應(yīng)用軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)功能方面形成一整套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，規(guī)范系統(tǒng)的軟硬件界面和通訊協(xié)議，使得控制器制造商和機床生產(chǎn)廠能在制造協(xié)議的導(dǎo)航下進(jìn)行有序的開發(fā)和生產(chǎn)，并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)廣泛的合作。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（2）實現(xiàn)系統(tǒng)硬件的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并提高其可靠性和實時性 通過對系統(tǒng) CPU 結(jié)構(gòu)模式、通訊方式、運動控制和輔助控制等方面進(jìn)行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行通訊。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（3）構(gòu)造一種獨立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺 針對數(shù)控系統(tǒng)的實時性和多任務(wù)性特點，應(yīng)構(gòu)筑一種實時多任務(wù)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(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和相互獨立，這樣在為不同硬件結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)提供軟件時，只需按其功能配置相應(yīng)的軟件模塊，即可實現(xiàn)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(chǎn),開放式數(shù)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(xiàn)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(shù)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(shù)，使加工過程最優(yōu)化。通過分析比較多種智能模塊技術(shù)，選擇出一種重構(gòu)產(chǎn)品最優(yōu)控制模塊，完成系統(tǒng)的第二次開發(fā)。,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究狀況 1.國外的研究情況（1）美國的NGC計劃 美國是開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)起人，于1987年提出了NGC（Next Generation Workstat-ion/Machine Controller）計劃。,開放式數(shù)控系統(tǒng),NGC計劃的目的是為基于開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的下一代機械制造控制器提供一個標(biāo)準(zhǔn)，這種體系結(jié)構(gòu)允許不同的設(shè)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 6,7 包括開發(fā)的可能性，例如多個裝置間的協(xié)調(diào)，裝置的全獨立編程，基于模型的處理，自適應(yīng)路徑策略和大范圍的工作站及實時特性等。NGC 的體系結(jié)構(gòu)是在虛擬機械的基礎(chǔ)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(shù)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(chǎn)商、控制系統(tǒng)集成商和科研機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的。OSACA 計劃提出的“分層的系統(tǒng)平臺+結(jié)構(gòu)化的功能單元”的體系結(jié)構(gòu)。該體系結(jié)構(gòu)保證了各種應(yīng)用系統(tǒng)與 操作平臺的無關(guān)性及相互間的互操作業(yè)，保證了開放性。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（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(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。在硬件方面，OSEC計劃采用 PC+控制卡的結(jié)構(gòu)，有利于層次化、模塊化、靈活配置的實現(xiàn)。OSEC將功能單元分組并結(jié)構(gòu)化在一些功能層中，其開放體系結(jié)構(gòu)包括了 3個功能層共 5 個處理階層,如圖所示：,開放式數(shù)控系統(tǒng),開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究狀況 2.我國的研究情況 與國際先進(jìn)水平相比，國內(nèi)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級階段。目前，在國內(nèi)市場中，中、高檔產(chǎn)品主要被進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)，而在較抵擋的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床市場我國的產(chǎn)品占據(jù)主要地位。我國主要的產(chǎn)品有北京的中華系列，沈陽的藍(lán)天系列和武漢的華中系列，其中華中世紀(jì)之星可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，是國內(nèi)比較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)。,PMAC運動控制卡簡介,簡介 PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller)可編程多軸運動控制器，是美國Delta Tau Data System 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Motorola 公司的高性能信號數(shù)字處理器DSP56001/2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(lǐng)域，最著名的例子是PMAC 被用來控制哈勃望遠(yuǎn)鏡鏡面的修磨。PMAC 可以控制步進(jìn)、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、激光干涉儀、電位計、旋轉(zhuǎn)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(nèi)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(jié)構(gòu)框圖：,J1 : 模擬量輸入口, 此接口可接受16路0-5V的12位的模擬信號J2 : 多端口I/O擴展口, 可提供8進(jìn)8出點供用戶使用J3 : 通用I/O接口, 此接口可提供16進(jìn)16出輸入輸出點J4 : 光纜接口, 用于與具有光纜接口驅(qū)動器和I/O 板使用J5 : 串行數(shù)據(jù)接口, 可與上位機進(jìn)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J9J12 : 18 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(nèi)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(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。它能夠?qū)Υ鎯υ趦?nèi)部的程序進(jìn)行單獨運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序進(jìn)行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進(jìn)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(jìn)行加工。而且它還可以自動對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級判別，從而進(jìn)行實時的多任務(wù)處理，這使得它在處理時間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負(fù)擔(dān)。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(shè)備的通訊。通過特定設(shè)計的門陣列ICS(作為DSP - GATE)，PMAC 實現(xiàn)CPU 與軸的通信。PMAC 所控制的8根軸既可聯(lián)動，亦可在各自的坐標(biāo)系中完成各自獨立的完全運動。,PMAC卡的使用調(diào)試 用戶使用PMAC的時候，首先需要正確的連線，然后設(shè)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(yīng)的I變量，在組織用戶程序的時候，主要任務(wù)就是調(diào)用PMAC的特有函數(shù)以及編寫要求的運動程序下載執(zhí)行。 PMAC卡使用前的調(diào)試準(zhǔn)備工作重要有以下四個步驟：,(1)根據(jù)控制的需要設(shè)置好PMAC卡上的E跳線 在PMAC卡上，可以看到很多E跳線（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(shè)置為滿足一般用戶的需求，所以開始不必改變?nèi)魏翁€，但在開始前要對跳線進(jìn)行檢查以確保他們是正確的。,(2)關(guān)掉計算機電源，把PMAC卡插入電腦主板上的一個ISA插槽中 PMAC-Lite需要總線上的一個插槽；PMAC-PC需要總線上的1-1/2個插槽，在另一個插槽上允許一個半尺寸的主板；PMAC-VWE需要兩個插槽（一個雙插槽）；PMAC-STD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(shè)計采用的是PMAC-PC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(diào)試、配置、優(yōu)化PMAC卡上有關(guān)電機的軟件參數(shù).,(4)設(shè)置坐標(biāo)系 為了保證在PMAC上能運行程序，必須首先設(shè)立基礎(chǔ)坐標(biāo)系，與程序中的坐標(biāo)系對應(yīng)，保證程序的正確執(zhí)行。 在完成調(diào)試準(zhǔn)備工作以后就要設(shè)定滿足具體要求的I變量值，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(shè)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(biāo)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 48-bit 浮點格式 全局存取 (與坐標(biāo)系無關(guān)) 3. Q-變量 (1024)用戶定義的變量 48-bit 浮點格式 與坐標(biāo)系的定義有關(guān),4. M-變量 (1024)提供用戶有權(quán)使用卡的內(nèi)存和I/O寄存 用戶定義地址, 偏置值, 和位寬度 無方向, 可雙向, BCD碼, 可用的浮點格式,PMAC I-變量 概述I0-I99卡全局設(shè)定I100-I186電機1 設(shè)定I187-I199坐標(biāo)系 1 設(shè)定I200-I286電機 2 設(shè)定I287-I299坐標(biāo)系 2 設(shè)定 .I800-I886電機 8 設(shè)定I887-I899坐標(biāo)系 8 設(shè)定I900-I989硬件 設(shè)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 30msec/cycle,Ix01 電機 x 換相 (x = 電機序號) （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 3msec/cycle 一個電機需要2路模擬量 Ix70-Ix83 必須使用,Ix15在終止和遇到限位時的減速速率(單位: cts/msec2; 浮點形式)一定不要設(shè)為“0”!(電機將沒有減速)Ix16準(zhǔn)許的最大編程速度(單位: cts/msec; 浮點)只對直線速度混合方式 (I13=0)速度修調(diào)可使此速度比例變化 (% 值)也適用于RAPID快速方式，如果 I50=1,Ix17允許的編程最大加速度(單位: cts/msec2; 浮點)只對直線混合運動 (I13=0)速度修調(diào)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: cts/msec2;浮點)可以用 TA (Ix20) and TS (Ix21)修調(diào)如果 Ix20=0 and Ix21=0，總用此加速度,設(shè)置完I變量值后就可以應(yīng)用PMAC卡自帶的編程指令進(jìn)行基本的運動控制。這些指令是能夠?qū)崿F(xiàn)對PMAC控制的基礎(chǔ)，要實現(xiàn)對PMAC卡的控制，必須對這些指令有細(xì)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(dāng)前編址的電機 #-報告當(dāng)前編址的電機號 &n-定義坐標(biāo)系n為當(dāng)前編址的坐標(biāo)系 &-報告當(dāng)前編址的坐標(biāo)系一般全程指令 UNDEFINE ALL-取消所有坐標(biāo)系的定義,緩沖區(qū)控制指令 OPEN PROG常量-為進(jìn)入/編輯打開指定運動程序緩沖區(qū) OPEN ROT-打開所有定義好的循環(huán)程序緩沖區(qū) OPEN PLC常量-打開指定的PLC程序緩沖區(qū) CLOSE-關(guān)閉當(dāng)前打開的緩沖區(qū) CLEAR-刪除打開的緩沖區(qū)的內(nèi)容,2.在線坐標(biāo)指令 在指定的坐標(biāo)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(shù)，偏移量來定義軸 例：#1-X #4-2000A+500 #n-常量軸+常量軸+常量軸+常量-按電機號，軸比例，系數(shù)偏移設(shè)置定義2或3軸。只在XYZ或UVW組中才有效 例：#1-8000X-5000Y,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（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(chǎn)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(fù)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(shù)的指令軸運動指令 軸數(shù)據(jù)軸數(shù)據(jù)-簡單的運動語句 例：X100 Y100 軸數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)軸數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)-給定位置和速度的移動 例：X5000：750 Y3500（P3） DWELL數(shù)據(jù)-保持位置不變；基于定時的基礎(chǔ)上 DELAY數(shù)據(jù)-保持位置不變；基于可變時間的基礎(chǔ)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(shù)據(jù)-指定運動速度（模態(tài)的） TA數(shù)據(jù)-指定運動加速時間（模態(tài)的） TS數(shù)據(jù)-指定S曲線加速度時間（模態(tài)的）,圓弧插補例程,&1#3-10000x#4-10000yopen prog1clearrapid x1 y4f5linear y13circle1 x2 y14 i1 j0linear x3circle1 x4 y13 i0 j-1linear y7circle2 x7 y4 i3 j0linear x13circle1 x14 y3 i0 j-1linear y2circle1 x13 y1 i-1 j0linear x4circle1 x1 y4 i0 j4dwell100rapid x0 y0Close&1 b1 r,