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開放式數（shù）控係統的研究與應用

2018-5-17 來源（yuán）：天津市匯通儀器（qì）設備公司天津職業（yè）大學作者：李文（wén）軍　黃連寶

摘要：本（běn）文主要介紹開放式數控係統的研究狀況，分析其與傳統 CNC 係統相比較的特點，同時探討開發開放式數控係（xì）統的一些方法。

關鍵詞：開放式數控係統現代製造

數（shù）控技術是機械加（jiā）工技術與計算機（jī）技術（shù）的結合。在現代製造中，數控技術已經成（chéng）為主（zhǔ）力軍。傳統的數控係統多采用專用的封閉式係統，操作者使用時（shí）隻（zhī）能選擇，不能對設（shè）備的某些功能進行靈活修改來達（dá）到自己的需求。此外，數控係（xì）統種（zhǒng）類很多，企業對（duì）工作人員、設備保養等方麵消（xiāo）耗了大量（liàng）的時間與經費。數控係統製造商（shāng）、集成者、客戶都需（xū）要“開放式的（de）控製器”，以期能夠自主地（dì）支配控製係統、伺服電機、驅動器、數控軟件等各個組成部分，並能夠采用規範的、便捷的方法將所有組成部分（fèn）結合起來。所以，研究開放式的體係結構十（shí）分必要。

1、傳（chuán）統 CNC 係統介紹

數（shù）控係統是數字控製係統的簡稱，硬件電氣部件（jiàn）慢（màn）慢被專屬的計算機取代（dài），稱為計算機數控係統。CNC 係統是指主要采（cǎi）用（yòng）計算機來控製加工、應用（yòng）數字控製（zhì）的係統。CNC 係統是依據 PC 存儲器中所有的控製程序、執（zhí）行（háng）原件和所有數（shù）值控製功能進行工作（zuò），是裝有接口電路和伺服驅動裝置的專用計算機係（xì）統。CNC 係（xì）統主要由數（shù）控代碼、輸入輸出（chū）裝置（zhì）、CNC 裝置、可編程控製器、主軸驅動裝置、進給驅動裝置（zhì）（包括檢測裝置）以及反饋裝置（光柵、磁尺等）等組成。傳統的控製係統有很強的（de）專用性，通用性（xìng）不好；軟件部分為（wéi）製造商所（suǒ）壟斷，不能進行功能（néng）拓展，不（bú）能（néng）兼容各種軟件，不能更新。它的可移（yí）植（zhí）性不（bú）好，網絡通訊能力不好，對於機床商和客戶的（de）要（yào）求相對較高。伴隨著數控（kòng）技術的（de）發展，傳統上的（de）數（shù）控係（xì）統開始愈來愈繁瑣。它本身的缺陷大大阻礙了它的發展，已很難適應現在製造業發展的速（sù）度、單件小批量生產的趨勢（shì），更沒有辦法滿足現（xiàn）代製造業向（xiàng）智能化、柔性化、無人製造模式的發展。

2、開放式數控係統的發展（zhǎn）現（xiàn）狀

在傳統的封閉式、專用數控（kòng）係統向開放（fàng）式數控係統發展的過程中（zhōng），其體係結構主要（yào）有以下幾種類型。

（1）NC 嵌入 PC 型開放式數控係統，把（bǎ）運動控製板 NC插入 PC 機的標準插槽中做實時控製（zhì）用，而 PC 機主要做非實時控製。這種結構功能穩定、靈活性好，計算機的豐富資源可以得（dé）到（dào）共享。

（2）PC 嵌入 NC 型開放式數控係統，把 PC 主板插入傳統的 CNC 機器中，提供鍵（jiàn）盤使用戶能把 PC 和 CNC 聯係在一起，從而提（tí）高（gāo）人機（jī）界麵的功能。可靠的（de）數控係統是這類係統的核心，因此它工（gōng）作可靠且功能強大，很少出現死機現象（xiàng）；缺（quē）點是結構複雜，價格昂貴。

（3）基於軟件芯片的開放體係結構的數控係統。它的CNC 軟件（jiàn）是把（bǎ）數控係統的功能按照一定的標準和規範進（jìn）行（háng）封裝它（tā）。將數控軟（ruǎn）件設計（jì）成具（jù）有穩定、通用的標準接口的軟（ruǎn）件芯片。數（shù）控係統（tǒng）一個（gè）獨立模塊的功能由一（yī）個軟件芯片完成；硬件部分僅是計算（suàn）機（jī）與伺服驅動器和外部（bù） I/O 之間的標準化通用接口。

3、開放式數控係統的特點

（1）可替代性。詳細的定義接口為各模塊使用。利用模塊化（huà）的設計，能由係統自（zì）己鑒別，根本不要人工幹預就可以（yǐ）得到所需要的資（zī）源，並能完成工作和（hé）特定的任務。依據它的可靠性、功能與性能，在係統中的每個零件均可替換。在組（zǔ）成係統的過程中，可按照各（gè）部分的性能與價格（gé）等情況，分不同（tóng）的廠家采購，以避（bì）免受到壟斷的限製。

（2）可移植性。各部件數據格（gé）式都（dōu）是統一的，行為模式（shì）也統一，網絡通信方式和交互方式都有標準的接口，實（shí）現了設備的無關性。應用的軟件（jiàn）和係統沒有（yǒu）相關性，做很少的改動或不進行（háng）改（gǎi）動就（jiù）能在不同環境下使用（yòng）。

（3）智能的人機對話。在一個開放式的平台（tái）環境（jìng）下，機床製造商或者用（yòng）戶可以應用恰當的編程語言開發研究人機對話平台。優化數（shù）控係統時（shí），沒有必要顧（gù）及數控係統控製（zhì）器的核心，這樣的數控係統具備很好的智能性，能把特殊的（de）加工工藝、管理方法和操作方式集成到數控係統中，讓係統可以進行（háng）圖形交互、診斷等。

（4）對接性（xìng）、應用性良好。CNC 係統可以用標準的接口與多種係統連接，並傳輸有效信息（xī）完成他們之間的互連、互通、應用處理的協作。此外，數控控製係統中的多功能（néng）組件利用標準化的（de）定義、通信與交互方式，允許第三（sān）方軟件進入，並（bìng）在同一平台上一（yī）起運行，協調工作。

（5）柔性好，性價比優良。具有良好的開放（fàng）性和模塊化結構的開放式數控（kòng）係統，不但可增加軟件和硬件使（shǐ）係（xì）統功（gōng）能更加全麵，還可以刪減某些功能（néng）兼容的低端應（yīng）用，且可通過改變組建成不同形式的（de）數控係統。

4、開（kāi）放式數控係統的（de）開發

到（dào）現在為止，我國對（duì）於 PC+NC 型開放式（shì）數控係統的研究（jiū）開展較多。簡單的說，就是將專用的運動控（kòng）製器或整個的（de）計算機單元集成到工業控（kòng）製 PC 的卡槽中。現（xiàn）在采（cǎi）用很（hěn）多的是 PMAC 多（duō）軸運動控製器作為 NC 模塊的形式。基於PC+PMAC 運動控製器的數控係統具有成本低、人機對話友好（hǎo）、客戶可定（dìng）製軟件、運行（háng）速度敏捷、係統研發（fā）周期短、精度（dù）控（kòng）製高等優點。PMAC 多軸運動控製器和 PLC 可編程邏輯控製器（qì）完成對反饋裝置的控製、伺（sì）服係統的（de）運算、實時任（rèn）務處理等工作。PMAC 主要進行（háng）開關量的控製、軸的運動控製和數字（zì）化信息（xī）采集等實時性控製。由於多樣的各種通（tōng）用接口和計算機都在（zài）整個數控係（xì）統的終端地位，PC 機（jī）則主要實現係統的管理（lǐ）功能等非實時性控製（zhì），因此，要想改善圖形顯示、人機界麵、故障診斷等功能，通過（guò）計算機（jī）上的（de）軟件就可以（yǐ）實現。可見，采用這樣的機構係（xì）統具有（yǒu）非常好的開放性與通用性（xìng），且其切實可行。

5、PMAC 運動控（kòng）製器

5.1　PMAC 簡介

PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）是美國 Delta Tau 製造的能（néng）夠（gòu）控製多個軸的運動器，可以（yǐ）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（de）運（yùn）動產品。它采（cǎi）用的數字信號處理器（DSP56K 係列）是摩托羅拉的（de）產品，其中 CPU 選用從 20MHz 到（dào） 160MHz，還配有門陣列芯片組，靈活性非常好。因此，它能夠很好（hǎo）地控製多軸運動，且每個軸的（de）運動都是獨立工作的。可以（yǐ）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製。PMAC 依靠其強大功（gōng）能和廣泛用途，大量應用在控製設備上，如（rú）數控的雕刻機、激光雕刻機、印刷（shuā）設備、企業的生產線、工業柔（róu）性製造係統等（děng）場合。

5.2　PMAC 卡的開放性

（1）裝接開放性。可以裝接很多型號的（de）電機。因（yīn）為PMAC 卡可（kě）以（yǐ）根據電機的不同設置不同的參數，所（suǒ）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（yīn）此，它可供我們靈活選購伺服配件。

檢測元件的兼容性更（gèng）好（hǎo）。PMAC 可以接收多種機床的檢測（cè）元件給（gěi）出的反饋（kuì）信號，如經常使用的元件（jiàn）有（yǒu）編碼器、光柵、激光幹涉、測速發電機等。

傳輸方式的（de）開放性。這主（zhǔ）要（yào）體現在 PMAC 卡與 PC 進行數據（jù）傳輸可以有三種形式：（1）總線、串行、並行；（2）RAM（DPRAM）；（3）USB 與光纜接口。匹配各種硬件平台。PMAC 能夠在不同的硬件平台運行，從而使我們可以在不同的硬件平台使用一個應用軟件來實現控（kòng）製，更利於使用者和開發者靈活地（dì）使用。

（2）軟件開放性。它與很多高級（jí）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 係統（tǒng）下，我們可非（fēi）常方便地與 PMAC 通訊、數據傳遞（dì）與交換，還能用一些高等編程語言，創造出屬（shǔ）於自（zì）己的個（gè）性人機對話界麵。編寫中能夠使用 Pcomm32 動態鏈接庫中函數，完（wán）成 PC 與（yǔ） PMAC 通訊，從而（ér）更方麵地實現人機界麵（miàn）的研發。同時，PMAC 中包含有（yǒu）編製好的（de）指令（lìng）功能，可對指令進行調用，如直線、圓弧等插補。此外（wài），還可以自定義數控代碼，如 G、M、S 等；對變量參數（shù）進行設置，如 I、P、M、Q 等，以（yǐ）實現定製係統的目標。

5.3　PMAC 卡（kǎ）的結構

PMAC 卡的結構主要由主板和很多功（gōng）能模塊組成。主板上可裝（zhuāng）接 PC 總線（xiàn）、VBM 總線和 STD232 總線。由於提供了多種總線，因此很容易與主板相連，開發模塊化的係統結構。還可實現對多個軸的（de）控（kòng）製，如添加數字 / 模（mó）擬量、I/O 口、輸（shū）出頻率等，都會有相應的模（mó）塊（kuài）對應。PMAC 卡的核心是DSP-GATE 和 DSP56K CPU 芯片（piàn）。門陣列芯（xīn）片有 8 個（gè） 16bit轉換（huàn）器和 4 個（gè）編碼輸入路徑，主要作用是接收 A/D 數據和發（fā）送數據至 D/A。

6、小結

數（shù）控發展的趨勢就是開（kāi）放式數控係統。它給（gěi）係統商（shāng）、機床商與（yǔ）使用（yòng）者帶來了更多方便與優勢。基於 PMAC 卡形（xíng）式的開放式數（shù）控係統更有優勢，它可以充分利用計（jì）算機與PMAC 卡的（de）軟、硬件資源和強大的技術優勢，更出色地完成係統的人機交互（hù）等功能。此外，模塊化的應用令程（chéng）序設（shè）計的通用性、擴展性和（hé）可移植性大大增強，更有利於（yú）係統的功能擴展（zhǎn）。

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