2.1数控(CNC)系统的分析选用

第1页共13页第1章引言1.1本课题研究的意义及主要内容数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项综合性的高新技术。随着IC技术和计算机技术的发展，市场上出现了多种功能强大的微控制器，为开发新型的、面向不同应用对象和层次的高性价比数控系统提供了坚实的平台。随着市场和科学技术需求的不断发展，现代制造技术对加工设备提出了更高的要求。传统的加工手段逐渐被数字化、集成化、智能化及网络化的数控加工方式所代替。模块化的开放式数控系统是当今数控技术发展的方向，其实现的最主要途径是数控系统的PC化。数控模块PC化有3种类型，其中应用最广泛的是“PC+数控模块”的结构。PMAC(Programablemultiaxescontroller)多轴运动控制器就是这样的一个模块。本文介绍在对车床改造中开发的以工业控制机(IPC)为系统支撑平台，以PMAC运动控制器为数控模块的双CPU开放式数控系统。该系统用IPC处理非实时部分，而插入IPC的PMAC多轴运动控制器承担运动的实时控制。本系统的特点是:各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度。第2页共13页第2章机床数控设计改造及数控系统分析选用数控系统一般分为硬件数控系统(NumericalControl简称NC)和计算机数控系统又称软件数控系统(ComputerNumericalCentral简称CNC)两种。计算机数控系统(CNC)是在硬件数控系统(NC)基础上发展起来的，是一种包含计算机在内的数字控制系统，是由专用计算机控制软件实现部分或全部功能的数控系统，它很容易通过软件来更改或扩充功能，CNC系统的逻辑控制，几何数据处理以及零件程序的执行由CPU统一执行。2.1数控(CNC)系统的分析选用机床数控系统设计，数控系统的选择对设计结果起到关键作用。容易被接受的数控系统应具备良好的性价比、高的可靠性、强大的操作功能，以及良好的售后服务和市场供应性。现在数控系统升级和功能拓展的可能性也是消费者着重考虑的问题之一。数控系统的选择有多种方案，如全部自行设计、制作；采用单片机或STD模块改制；选用现成的数控系统作少量的适应性改动或配接。模块化开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。多CPU开放式数控系统实现的最主要途径是数控系统的PC化，PC化有三种途径：1）在PC机上增加数控模块；2)在数控系统上增加PC模块；3)以软盘文件的形式来管理数控程序，把CNC模块插入PC机中是PC化的一种主要方式，PMAC(ProgrammableMultipleAxesController)运动控制器就是这样的一个数控模块。本设计提出了以PMAC运动控制器作为CNC模块，工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并将该控制系统应用于车床数控数字化测量加工系统的开发，取得了良好的效果。本设计介绍了基于PMAC的并行双CPU开放式数控数字化测量加工系统，并给出了硬软件的设计框图。本系统的特点是：各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现了WINDOWS/NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度。第3页共13页第3章数控车床系统的硬件结构3.1硬件系统框架数控车床系统的硬件包括IPC机、运动控制器、驱动器、电动机、立式车床。IPC机提供了一个软件的开发平台(采用Windows操作系统)，用户可以根据运动控制器提供的接口函数，开发自己的软件控制系统；运动控制器可以对机床的连续轨迹运动进行多轴联动控制，内部提供了典型的插补算法，如直线插补、圆弧插补等。系统采用“NC嵌人PC”型开放式结构，即在工控机为系统支持平台的基础上，采用PMAC2一Lite可编程多轴控制器作为核心控制器，以PMAC插入IPC内扩展插槽的方式形成数控系统的控制中心。IPC上的CPU与PMAC卡上的CPU构成主从式双微处理器结构，2个CPU分别完成相应的功能。作为核心管理者的IPC，主要实现对底层设备的管理和宏观控制，以及系统后台数据管理调度和人机交互接口等功能。而作为核心运动控制者的PMAC2-Lite，则主要完成车床各轴的运动控制，控制面板开关量的控制及PLC等实时性任务。控制系统硬件由工业控制机(IPC)，在板配置有双端口RAM的四轴运动控制器PMAC2一Lite,Acc一34AI/0扩展接口板，Acc一8P伺服信号中转板，松下公司的交流伺服系统(包括电机和驱动器)，变频器等组成。数控系统硬件框图如图3-1所示。。图3-1系统硬件组成框图ISABUS工业控制机（IPC）PMAC2-liteDPRAMAcc-34AAcc-8P变频器主轴控制面板、机床电器、强电柜I/Ox.y.z轴交流伺服驱动单元x.y.z轴交流伺服电机第4页共13页第4章数控系统硬件具体设计内容车床控制系统采用工业控制机（IPC）为基础，在工业控制机主板上的内扩展槽插上PMAC多轴运动控制器和双端口存储器（DPRAM），形成该机床的控制中心。工业控制机上的CPU与PMAC的CPU（DSP56001)构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中PMAC主要完成机床三轴的运动控制、控制面板开关量的控制和数字化采集的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。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/0板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等，最终形成一个完整的控制系统。控制系统硬件由主频为233MHz的工业控制机、PMAC-Lite1.5运动控制器、I/0板、双端口RAM(DPRAM)、伺服单元及交流伺服电机等组成。数控系统的硬件组成框图如图4-1所示。图4-1数控系统的硬件组成框图(1)PMAC运动控制器与主机之问的通讯采用了两种方式。一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通信，主机与PMAC运动控制器主要通过PC总线通讯，至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM交换信息。总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找PMAC运动控制器，其中指定的地址是由PMAC的跳线确定。双端口RAM主要是用来与PMAC进行快速的数据通讯和命令通讯。一方面，双端口RAM在用于向PMAC写数据时，在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载；另一方面，双端口RAM在用于从PMAC中读取数据时，可以快速地重复地获取系统的状态信息。譬如，交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停被更新，并目能够被PLC或被PMAC自动地写入DPRAM。如果系统中不使用DPRAM，这些数据必须用PMAC的在线命令(如?,P,V等)，通过PC总线进行数据的存取。由于通过工业控制机（IPC）PMAC2-liteDPRAMAcc-34AAcc-8P变频器主轴控制面板、机床电器、强电档I/Ox.y.z轴交流伺服驱动单元x.y.z轴交流伺服电机ISABUS第5页共13页DPRAM进行的数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时问要少得多，因此响应的速度就快得多。在该控制系统中，主机和PMAC之问数据的传送利用了PMAC为DPRAM提供的如下功能：1）DPRAM控制面板功能(从主机到PMAC)；2）DPRAM伺服系统状态数据反馈功能(从PMAC到主机)；3）DPRAM后台常量状态数据反馈功能(从PMAC到主机)；4）DPRAM后台变量状态数据反馈功能(从PMAC到主机)；5）DPRAMASCII通讯缓冲区(双向)；6）DPRAM二进制转换程序缓冲区（从主机到PMAC)；除了上面快速自动的存取功能外，还可以用PMAC的M变量和主机的指针变量来指定DPRAM中还没有被使用的寄存器，实现数据在主机与PMAC之问的传送。而PMAC在使用数据采集功能时，所采集的数据直接送到DPRAM中，而不是常规的RAM中。该控制系统利用了DPRAM进行数据的自动存取，提高了系统的响应速度和系统加工精度，该机床控制系统的分辨率为1um，同时也方便了控制系统中模块之问的快速通讯和地址表的设定，便于编程。（2)PMAC系统的内置PLC功能是经智能I/0接口的输入输出实现的。在控制系统中，送入PLC的输入信号主要有:操作面板和机床上的控制按钮选择开关等信号；各轴的行程开关机械零点开关等信号；机床电器动作、限位、报警等信号；强电柜中接触器、气动开关接触等信号；各伺服模块工作状态信号等。这些信号是通过光电隔离以后送到智能I/0接口上，光电隔离有效地将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。PLC输出的信号主要有:指示灯信号；控制继电器、接触器、电磁阀等动作信号；伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。这些信号经I/0接口送到相应的继电器上，最终控制相应的电器。(3）A/D接口板的主要作用是将仿形仪送出的代表压偏量的额定模拟电压转化为数字量，作为压偏量反馈信号供闭环仿形控制或数据采集所用。D/A接口将CPU计算出的各轴速度指令信号转化成模拟量送到各轴的交流伺服模块，以控制各轴伺服电机的运动。该系统的A/D转换器内置于PMAC中，同时通过光电藕合器进行光电隔离，有效地将数字地与模拟地隔离开来，提高了系统可靠性和稳定性。第6页共13页第5章系统软件功能模块设计与实现该数控系统采用了前后台式结构，相应地整个软件分为前台程序和后台程序。前台程序的设计充分考虑了软件的开放性，这样就可以根据某些具体要求增加软件的功能模块，为了实现这样的功能，要在调度程序中留有一定的时间片供使用，PMAC应用程序提供了利用中断调用这些模块的功能。前台程序主要包括插补模块、伺服驱动模块、PLC监控模块、数据采集及数字化加工模块等，也可以根据具体要求加入一些新的控制模块。前台程序功能模块如图5-1所示，其功能模块如图5-2所示。该数控系统采用的“PC+运动控制器”的主从分布式结构体系。上位机的应用程序是在Windows操作系统下，采用VC++6.0开发而成的。在Windows境下开发控制系统，可以很方便地与CAD/CAM等多种应用软件相交互或集成，且VC++6.0是面向对象的编程语言，利用它更易实现程序的模块化，提高数控软件的可组合性和可重用性。上位机应用程序实现的主要功能有:①良好的人机界面；②多种数据的运算与处理；③与PMAC之间的信息传递；④系统的诊断。数控车床的上位人机界面程序主要是将数控系统的操作界面显示在屏幕上，为操作者提供一个直观的操作环境。这是数控软件开发中较重要的一部分，主要包括程序编辑、系统参数配置、加上运行、状态显示、自诊断和在线帮助等。程序编辑界面主要用于数控文件的编辑、复制、存储和删除等操作，实现文档和系统内部数据的管理。系统参数配置界面可以方便地配置M变量、I变量、电机参数等各个系统参数。加工运行界面用于将NC代码进行解释并下载到PMAC中，通过PMAC去执行插补等功能。状态显示界面用于显示电机的实际位置、命令位置、速度以及运动时间等各种状态参数，通过显示的参数来了解加工性能的好坏，从而根据需要在系统配置界面中调整参数设置。自诊断界面用于显示各种主要故障原因及其初步解决方案。在线帮助界面为用户提供该人机界面的使用帮助说明。整个人机界面基于Windows环境，采用菜单式按钮，具有很好的人机交互性。下位机应用程序即PMAC实时控制软件由预处理模块，插补运算模块，伺服驱动模块，PLC监控模块和数据采集模块等组成。PMAC提供了直线插补、样条插补、与圆弧插补，位置-速度-时间(PVT)运动模式。已经被固化在PMAC运动控制器中。在加工时可以根据需要选择相应的运动模式。伺服驱动算法也已作为PMAC内核的一部分，但PMAC允许用户使用自己编写的伺服算法。这样就可以在运动程序中改变PID伺服滤波的控制参数得到一个良好的控制系统。PLC监控模块主要是对系统状态进行判断，保证系统