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)自己的需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能迅速適應不同的應用需求，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)體系結構模塊化。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,開放式數(shù)控系統(tǒng),（2）標準化 數(shù)控裝置的開放是在一定的標準約束下進行的，各個公司開發(fā)的各種部件和功能模塊必須符合這個標準。按這個標準生產(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。 標準化的基礎是模塊化，因為標準的制定要建立在模塊合理劃分的基礎上。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（3）可移植性 不同應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)的功能軟件應與設備無關，即應用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、控制機制，并且通過一致的設備接口，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)應允許用戶根據(jù)自身的需要進行二次開發(fā)。比較簡單的二次開發(fā)包括用戶界面的重新設計、參數(shù)設置等。深層的二次開發(fā)允許用戶將自己設計的標準功能模塊集成到開放式數(shù)控系統(tǒng)中。所以系統(tǒng)應當提供接口標準，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(應用程序接口)和其他工具。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（5）網(wǎng)絡化 現(xiàn)代意義上的網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)以通訊和資源共享為手段,以車間乃至企業(yè)內的制造設備的有機集成為目標,支持ISO-OSI網(wǎng)絡互聯(lián)規(guī)范, 能支持Internet/Intranet標準，具有很強的開放性，它的聯(lián)網(wǎng)功能通過標準網(wǎng)絡設備來實現(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)的體系結構 開放體系結構是從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內核的全方位開放?；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，用戶可將標準化的外設、應用軟件進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)，其體系結構還是不開放的。,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，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動等進行控制。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)的應用軟件、硬件和網(wǎng)絡功能方面形成一整套標準規(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)議的導航下進行有序的開發(fā)和生產(chǎn)，并在此基礎上實現(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、標準化和系列化，并提高其可靠性和實時性 通過對系統(tǒng) CPU 結構模式、通訊方式、運動控制和輔助控制等方面進行模塊化處理，按功能制作成功能模塊并實現(xiàn)標準化和系列化，且各模塊單元之間可利用已定義的標準化接口進行通訊。,開放式數(shù)控系統(tǒng),（3）構造一種獨立于硬件系統(tǒng)的軟件平臺 針對數(shù)控系統(tǒng)的實時性和多任務性特點，應構筑一種實時多任務軟件平臺，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)一調度和相互獨立，這樣在為不同硬件結構的數(shù)控系統(tǒng)提供軟件時，只需按其功能配置相應的軟件模塊，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，選擇出一種重構產(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)體系結構的下一代機械制造控制器提供一個標準，這種體系結構允許不同的設計人員開發(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，裝置的全獨立編程，基于模型的處理，自適應路徑策略和大范圍的工作站及實時特性等。NGC 的體系結構是在虛擬機械的基礎上建立起來的，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)集成商和科研機構聯(lián)合開發(fā)的。OSACA 計劃提出的“分層的系統(tǒng)平臺+結構化的功能單元”的體系結構。該體系結構保證了各種應用系統(tǒng)與 操作平臺的無關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備標準。在硬件方面，OSEC計劃采用 PC+控制卡的結構，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構化在一些功能層中，其開放體系結構包括了 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 與國際先進水平相比，國內的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究還處于初級階段。目前，在國內市場中，中、高檔產(chǎn)品主要被進口產(chǎn)品占據(jù)，而在較抵擋的經(jīng)濟型數(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，沈陽的藍天系列和武漢的華中系列，其中華中世紀之星可實現(xiàn)五軸聯(lián)動，是國內比較先進的數(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、激光切割等廣大領域，最著名的例子是PMAC 被用來控制哈勃望遠鏡鏡面的修磨。PMAC 可以控制步進、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的硬件原理圖和結構框圖：,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8出點供用戶使用?J3 : 通用I/O接口, 此接口可提供16進16出輸入輸出點?J4 : 光纜接口, 用于與具有光纜接口驅動器和I/O 板使用?J5 : 串行數(shù)據(jù)接口, 可與上位機進行串口通訊?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?J9～J12 : 1～8 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遠遠優(yōu)于一般的控制器。它能夠對存儲在內部的程序進行單獨運算，執(zhí)行運動程序、PLC 程序進行伺服環(huán)更新，并以串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。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，進行加工。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務處理，這使得它在處理時間和任務切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負擔。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備的通訊。通過特定設計的門陣列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，亦可在各自的坐標系中完成各自獨立的完全運動。,PMAC卡的使用調試 用戶使用PMAC的時候，首先需要正確的連線，然后設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)所對應的I變量，在組織用戶程序的時候，主要任務就是調用PMAC的特有函數(shù)以及編寫要求的運動程序下載執(zhí)行。 PMAC卡使用前的調試準備工作重要有以下四個步驟：,(1)根據(jù)控制的需要設置好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置為滿足一般用戶的需求，所以開始不必改變任何跳線，但在開始前要對跳線進行檢查以確保他們是正確的。,(2)關掉計算機電源，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試、配置、優(yōu)化PMAC卡上有關電機的軟件參數(shù).,(4)設置坐標系 為了保證在PMAC上能運行程序，必須首先設立基礎坐標系，與程序中的坐標系對應，保證程序的正確執(zhí)行。 在完成調試準備工作以后就要設定滿足具體要求的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 (與坐標系無關) 3. Q-變量 (1024) 用戶定義的變量 48-bit 浮點格式 與坐標系的定義有關,4. M-變量 (1024) 提供用戶有權使用卡的內存和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 卡全局設定 I100-I186 電機1 設定 I187-I199 坐標系 1 設定 I200-I286 電機 2 設定 I287-I299 坐標系 2 設定 ….. I800-I886 電機 8 設定 I887-I899 坐標系 8 設定 I900-I989 硬件 設定,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) 一定不要設為“0”!!! (電機將沒有減速) Ix16 準許的最大編程速度 (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) 速度修調可使此速度比例變化 (% 值) 也適用于RAPID快速方式，如果 I50=1 Ix19 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 如果 Ix20=0 and Ix21=0，總用此加速度,設置完I變量值后就可以應用PMAC卡自帶的編程指令進行基本的運動控制。這些指令是能夠實現(xiàn)對PMAC控制的基礎，要實現(xiàn)對PMAC卡的控制，必須對這些指令有細致的了解：,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為當前編址的電機 #----報告當前編址的電機號 &n---定義坐標系n為當前編址的坐標系 &----報告當前編址的坐標系 一般全程指令 UNDEFINE ALL---取消所有坐標系的定義,,緩沖區(qū)控制指令 OPEN PROG{常量}---為進入/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---關閉當前打開的緩沖區(qū) CLEAR---刪除打開的緩沖區(qū)的內容,2.在線坐標指令 在指定的坐標系下可以立即執(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；基于定時的基礎上 DELAY{數(shù)據(jù)}---保持位置不變；基于可變時間的基礎上 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->10000y open prog1 clear rapid x1 y4 f5 linear y13 circle1 x2 y14 i1 j0 linear x3 circle1 x4 y13 i0 j-1 linear y7 circle2 x7 y4 i3 j0 linear x13 circle1 x14 y3 i0 j-1 linear y2 circle1 x13 y1 i-1 j0 linear x4 circle1 x1 y4 i0 j4 dwell100 rapid x0 y0 Close &1 b1 r,