开放式数控系统的研究与应用
2018-5-17 来源： 天津市汇通仪器设备公司 天津职业大学 作者：李文军 黄连宝
摘要：本文主要介绍开放式数控系统的研究状况，分析其与传统 CNC 系统相比较的特点，同时探讨开发开放式数控系统的一些方法。
关键词：开放式 数控系统 现代制造
数控技术是机械加工技术与计算机技术的结合。在现代制造中，数控技术已经成为主力军。传统的数控系统多采用专用的封闭式系统，操作者使用时只能选择，不能对设备的某些功能进行灵活修改来达到自己的需求。此外，数控系统种类很多，企业对工作人员、设备保养等方面消耗了大量的时间与经费。数控系统制造商、集成者、客户都需要“开放式的控制器”，以期能够自主地支配控制系统、伺服电机、驱动器、数控软件等各个组成部分，并能够采用规范的、便捷的方法将所有组成部分结合起来。所以，研究开放式的体系结构十分必要。
1、传统 CNC 系统介绍
数控系统是数字控制系统的简称，硬件电气部件慢慢被专属的计算机取代，称为计算机数控系统。CNC 系统是指主要采用计算机来控制加工、应用数字控制的系统。CNC 系统是依据 PC 存储器中所有的控制程序、执行原件和所有数值控制功能进行工作，是装有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。CNC 系统主要由数控代码、输入输出装置、CNC 装置、可编程控制器、主轴驱动装置、进给驱动装置（包括检测装置）以及反馈装置（光栅、磁尺等）等组成。传统的控制系统有很强的专用性，通用性不好；软件部分为制造商所垄断，不能进行功能拓展，不能兼容各种软件，不能更新。它的可移植性不好，网络通讯能力不好，对于机床商和客户的要求相对较高。伴随着数控技术的发展，传统上的数控系统开始愈来愈繁琐。它本身的缺陷大大阻碍了它的发展，已很难适应现在制造业发展的速度、单件小批量生产的趋势，更没有办法满足现代制造业向智能化、柔性化、无人制造模式的发展。
2、开放式数控系统的发展现状
在传统的封闭式、专用数控系统向开放式数控系统发展的过程中，其体系结构主要有以下几种类型。
（1）NC 嵌入 PC 型开放式数控系统，把运动控制板 NC插入 PC 机的标准插槽中做实时控制用，而 PC 机主要做非实时控制。这种结构功能稳定、灵活性好，计算机的丰富资源可以得到共享。
（2）PC 嵌入 NC 型开放式数控系统，把 PC 主板插入传统的 CNC 机器中，提供键盘使用户能把 PC 和 CNC 联系在一起，从而提高人机界面的功能。可靠的数控系统是这类系统的核心，因此它工作可靠且功能强大，很少出现死机现象；缺点是结构复杂，价格昂贵。
（3）基于软件芯片的开放体系结构的数控系统。它的CNC 软件是把数控系统的功能按照一定的标准和规范进行封装它。将数控软件设计成具有稳定、通用的标准接口的软件芯片。数控系统一个独立模块的功能由一个软件芯片完成；硬件部分仅是计算机与伺服驱动器和外部 I/O 之间的标准化通用接口。
3、开放式数控系统的特点
（1）可替代性。详细的定义接口为各模块使用。利用模块化的设计，能由系统自己鉴别，根本不要人工干预就可以得到所需要的资源，并能完成工作和特定的任务。依据它的可靠性、功能与性能，在系统中的每个零件均可替换。在组成系统的过程中，可按照各部分的性能与价格等情况，分不同的厂家采购，以避免受到垄断的限制。
（2）可移植性。各部件数据格式都是统一的，行为模式也统一，网络通信方式和交互方式都有标准的接口，实现了设备的无关性。应用的软件和系统没有相关性，做很少的改动或不进行改动就能在不同环境下使用。
（3）智能的人机对话。在一个开放式的平台环境下，机床制造商或者用户可以应用恰当的编程语言开发研究人机对话平台。优化数控系统时，没有必要顾及数控系统控制器的核心，这样的数控系统具备很好的智能性，能把特殊的加工工艺、管理方法和操作方式集成到数控系统中，让系统可以进行图形交互、诊断等。
（4）对接性、应用性良好。CNC 系统可以用标准的接口与多种系统连接，并传输有效信息完成他们之间的互连、互通、应用处理的协作。此外，数控控制系统中的多功能组件利用标准化的定义、通信与交互方式，允许第三方软件进入，并在同一平台上一起运行，协调工作。
（5）柔性好，性价比优良。具有良好的开放性和模块化结构的开放式数控系统，不但可增加软件和硬件使系统功能更加全面，还可以删减某些功能兼容的低端应用，且可通过改变组建成不同形式的数控系统。
4、开放式数控系统的开发
到现在为止，我国对于 PC+NC 型开放式数控系统的研究开展较多。简单的说，就是将专用的运动控制器或整个的计算机单元集成到工业控制 PC 的卡槽中。现在采用很多的是 PMAC 多轴运动控制器作为 NC 模块的形式。基于PC+PMAC 运动控制器的数控系统具有成本低、人机对话友好、客户可定制软件、运行速度敏捷、系统研发周期短、精度控制高等优点。PMAC 多轴运动控制器和 PLC 可编程逻辑控制器完成对反馈装置的控制、伺服系统的运算、实时任务处理等工作。PMAC 主要进行开关量的控制、轴的运动控制和数字化信息采集等实时性控制。由于多样的各种通用接口和计算机都在整个数控系统的终端地位，PC 机则主要实现系统的管理功能等非实时性控制，因此，要想改善图形显示、人机界面、故障诊断等功能，通过计算机上的软件就可以实现。可见，采用这样的机构系统具有非常好的开放性与通用性，且其切实可行。
5、PMAC 运动控制器
5.1 PMAC 简介
PMAC（Programmable Multi-Axis Controller）是美国 Delta Tau 制造的能够控制多个轴的运动器，可以说是时下功能最强大、开放性最好、具有较快运行速度的轴的运动产品。它采用的数字信号处理器（DSP56K 系列）是摩托罗拉的产品，其中 CPU 选用从 20MHz 到 160MHz，还配有门阵列芯片组，灵活性非常好。因此，它能够很好地控制多轴运动，且每个轴的运动都是独立工作的。可以将 16 张PMAC 板接在一起使用，最多能够实现 128 个轴的联动和单个轴的独立控制。PMAC 依靠其强大功能和广泛用途，大量应用在控制设备上，如数控的雕刻机、激光雕刻机、印刷设备、企业的生产线、工业柔性制造系统等场合。
5.2 PMAC 卡的开放性
（1）装接开放性。可以装接很多型号的电机。因为PMAC 卡可以根据电机的不同设置不同的参数，所以可以完成匹配，实现与各种电机的连接，如步进电机，交、直流伺服电机等。因此，它可供我们灵活选购伺服配件。
检测元件的兼容性更好。PMAC 可以接收多种机床的检测元件给出的反馈信号，如经常使用的元件有编码器、光栅、激光干涉、测速发电机等。
传输方式的开放性。这主要体现在 PMAC 卡与 PC 进行数据传输可以有三种形式：（1）总线、串行、并行；（2）RAM（DPRAM）；（3）USB 与光缆接口。匹配各种硬件平台。PMAC 能够在不同的硬件平台运行，从而使我们可以在不同的硬件平台使用一个应用软件来实现控制，更利于使用者和开发者灵活地使用。
（2）软件开放性。它与很多高级编程语言对接。PMAC可以使用 16bit、32bit 动态链接库、Ptalk DT 控件等。在WIN 系统下，我们可非常方便地与 PMAC 通讯、数据传递与交换，还能用一些高等编程语言，创造出属于自己的个性人机对话界面。编写中能够使用 Pcomm32 动态链接库中函数，完成 PC 与 PMAC 通讯，从而更方面地实现人机界面的研发。同时，PMAC 中包含有编制好的指令功能，可对指令进行调用，如直线、圆弧等插补。此外，还可以自定义数控代码，如 G、M、S 等；对变量参数进行设置，如 I、P、M、Q 等，以实现定制系统的目标。
5.3 PMAC 卡的结构
PMAC 卡的结构主要由主板和很多功能模块组成。主板上可装接 PC 总线、VBM 总线和 STD232 总线。由于提供了多种总线，因此很容易与主板相连，开发模块化的系统结构。还可实现对多个轴的控制，如添加数字 / 模拟量、I/O 口、输出频率等，都会有相应的模块对应。PMAC 卡的核心是DSP-GATE 和 DSP56K CPU 芯片。门阵列芯片有 8 个 16bit转换器和 4 个编码输入路径，主要作用是接收 A/D 数据和发送数据至 D/A。
6、小结
数控发展的趋势就是开放式数控系统。它给系统商、机床商与使用者带来了更多方便与优势。基于 PMAC 卡形式的开放式数控系统更有优势，它可以充分利用计算机与PMAC 卡的软、硬件资源和强大的技术优势，更出色地完成系统的人机交互等功能。此外，模块化的应用令程序设计的通用性、扩展性和可移植性大大增强，更有利于系统的功能扩展。
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