【正文】 ………………………………… …… 35 PMC 模塊設計 ……………………………………… …… 35 操作面板 I/O 模塊設計 …………………………… …… 36 本章小結 ………………………………………………… ……… 36 … ……………………………………………… 37 結論 ………………………………………………………… … 37 CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 5 展望 ………………………………………………………… 38 參考文獻 ……………………………………………………… … 38 致謝 ……………………………………………………………… 39 CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 6 基于 PC 的數控系統(tǒng)設計 前言 科學技術和社會生產的不斷發(fā)展，對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。 本文圍繞著開放式 CNC （ Computer Numerical Control）系統(tǒng)設計中的若干關鍵技術，從體系結構分析、系統(tǒng)硬件結構地開放化設計等方面進行了研究。許多生產企業(yè) (例如汽車、拖拉機、家用電器等制造廠 )已經采用了自動機床、組合機床和專用自動生產線。但在更換零件時，必須制造靠模和調整機床，不但要耗費大 t 的手工勞動，延長了生產準備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達到較高的要求。柔性的工作方式，能充分適應多品種、小批盆的現代生產方式，從而大大提高了對現代化工業(yè)生產需求的適應能力。 為了節(jié)約封閉式體系結構數控存在的問題，近年來，西方各工業(yè)發(fā)達國家相繼提出了向模塊化、標準化的方向發(fā)展，設計開放式體系結構數控系統(tǒng)的問題，如美國的 NGC 計劃，日本和歐洲提出的 OSEC 及 OSACA 計 劃等。因為開放計劃的實施，把世界上所有的數控系統(tǒng)的開發(fā)商推到了同一起跑線上。最初的數字控制系統(tǒng)是由數字邏輯電路構成的，因而稱之為硬件數控系統(tǒng)。 (1970 一 1986) 70 年代初，大規(guī)模集成電路、半導體存儲器，微處理器的問世，通用小型計算機出現并逐漸普及，給數控技術帶來了突破性的發(fā)展 。在系統(tǒng)體系結構上，開始出現了柔性化，模塊化的多處理器結構。 開放式數控系統(tǒng)結構的研究 開放式數控系統(tǒng)的研究發(fā)展 控制系統(tǒng)采用開放式體系結構將導致新一代控制器的產生，并成為制造業(yè)的一大支柱。 NGC 計劃已于 1994 年完成了原型研究，并已轉入工業(yè)開發(fā)應用。遵循 OSACA 規(guī)范的控制器產品將提供更強的客戶定制功能，縮短新產品開發(fā)的周期，降低產品的開發(fā)、維護、培訓和文檔建立的 費用。這一結構包括了零件造型、工藝規(guī)劃、機 床控制處理 (程序解釋、操作模塊控制、智能處理 )、刀具軌跡控制、順序控制、軸控制等功能，并對各層之間的接口制定了協(xié)議。由于受到當時國產電子元器件、加工工藝技術落后、部門經濟等因素的制約，未能取得較大的發(fā)展，科研和生產基本處于停滯狀態(tài)。從而導致，一方面，各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成 。CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 13 時間的開放是針對軟硬件平臺及其規(guī)范而言的，以保證平臺具有適應新技術的發(fā)展、容納新設備 的能力?；Q性使得一個數控系統(tǒng)不再是專有的，它可以有來自不同廠家的不同部件所構成。為解決系統(tǒng)開放集成上的難題，我們可以采用三種開放途徑，它們的開放層次不同，實現的難度不等，獲得開放效果也相差很大，如圖 21 所示。 開放體系結構的解決方案是一種更徹底的開放方案。但是現在的 PC的操作系統(tǒng)缺乏實時性。因此，才提出了這種折衷方案。這種方式能夠迅速 吸收計算機技術的最新成果，具有良好的靈活性和可擴展性，可方便的采用新的控制算法，也易于實現物理設備和操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代。電氣運動控制就是以電機作為動力源， ’通過對電動機的控制來對執(zhí)行機構運動的位置、速度、加速度實現精確控制?？梢娺\動控制器是運動控制指令的直接發(fā)出者，在運動控制系統(tǒng)中處于核心的地位。它具有高速的數據處理能力，如 NC 板插入 PC 機形式的 PCNC 結構中的步進或伺服電機運動控制卡就是一個典型例子，它一般采用 PC 機的插卡結構，分為單 軸和多軸以及各種專用功能插卡 。過去，總認為伺服控制系統(tǒng)和步進控制系統(tǒng)是兩種完全不同的技術，而現在它們的差別已開始縮小。因此，開放式體系結構 CNC 系統(tǒng)的概念設計著重要解決的問題是開放什么以及如何開放。 系統(tǒng)的控制對象可以使任何廠家生產的機床，不限制機床的加工類型，可以為車、銑、刨床等通用機床配套，也可以通過加入或者開發(fā)新的功能模塊為特征加工、齒輪加工等專用機床配套。模塊化的構成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化和多層次的要求。其方法有兩種 :首先是固定模塊內部結構，預留插入用戶專用軟件接口 :其次是提供用戶 API 函數和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。再上一層是 CNC應 用軟件， CNC 軟件的內部結構也是模塊化的。接口功能將有利于 CNC 系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。 10 年來，這一技術己在計算機工業(yè)中取得巨大成功。 現代通訊和網絡控制技術日新月異，并在人們的生活中占據越來越重要的位置。安裝在電機上的脈沖分配編碼器將電機軸的角位移以脈沖的形式反饋到運動控制卡 .伺服系統(tǒng)采用的伺服控制卡、伺服電機都是組合機床研究所研制開發(fā)的。 DSP 采用 TI 公司的 TMS320FL2407，雙口 RAM 采用 IDT7024 (4K ) 。 控制系統(tǒng)結構的開放性還體現在從上到下的不同層次 :上層 PC 首先向用戶提供一個友好的人機交換界面，包括各種狀態(tài)設置，加工參數解釋，運動控制選擇，加工情況檢 測等。 PCI 控制卡接口 (WDM 驅動程序 )負責 PC 命令的解釋執(zhí)行，它向服務程序提供一個與硬件無關的接口，將具體的硬件端口操作屏蔽起來。 標準化總線技術 專用 CNC 采用自行定義的總線規(guī)范，其技術細節(jié)往往是不公開的，給系統(tǒng)擴展和升級帶來極大的不便。串行總線有 ： 通用串行總線 USB 及各種現場總線，如 CAN 總線，Profibus 總線等。 線性突發(fā)傳輸可確?？偩€不斷滿載數據，故能更有效地運用總線的帶寬去傳送數據，以減少無謂的地址操作。這樣用戶可以隨意增添外圍CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 24 設備 ， 以擴充電腦系統(tǒng)而不必擔心在不同時鐘頻率下會導致性能的下降。 表 總線信號 基本引腳 類型 功能 CLK IN 系統(tǒng)時鐘 AD[31： 00] T/S 地址和數據復用信號線信號 C/BD[3： 00] T/S 總線命令和地址性能信號 PAR T/S 奇偶效驗信號 FRAME S/T/S 指示總線起始和終止 IRDY S/T/S 主設備準備好信號 TRDY S/T/S 目標設備準備好信號 STOR S/T/S 目標設備要求終止當前信號傳輸 DEVSER S/T/S 目標設備選取信號 IN 為輸入信號 。根據不同的讀寫操作，將選擇不同的地址空間。而且由于 AD 由主設備驅動轉成目標設備驅動，所以在目標設備驅動信號之前， AD 要保持 1 個系統(tǒng)時鐘周期的三態(tài)，以便完成轉換。在數據傳輸的過程中，總線的主控設備和目標設備都可以終止當前的總線操作。如果 FRAME仍保持有效，則該方式為突發(fā)方式。其主要特點如下 [7]。 PCI 總線規(guī)則并沒CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 26 有給中央仲裁器建立 1 個明確的協(xié)議，它要求中央仲裁器支持一個合理的算法，給每 個 PCI 主設備確立獲得總線控制權的等待時間。 4)可以按單個讀或突發(fā)讀方式操作。 中斷確認周期可以認為是一個特殊的讀操作，主設備為 HOST/PCI 橋路，目標設備為含有中斷控制器的 PCI 總線設備。其他總線傳輸協(xié)議不同， PCI 總線不使用單獨的信號線和命令來定義突發(fā)方式的進行，而是通過 FRAME和 IRDY信號時序的變化使單個數據的傳輸自然地轉成突發(fā)方式。 空閑期 ( IDEL PHASE)是指 沒有總線操作的時段，此時 FRAME和 3RDY無效。 PCI總線上所有目標設備對地址進行譯碼，地址對應設備通過置 DEVSEL信號有效來響應傳送周期。包括 :內存讀、寫 。 PCI 總線在開發(fā)時預留了充足的發(fā)展空間，支持 64 位地址 /數據多路復用，可將系統(tǒng)的數據傳輸速率提高到 264Mbit/so 由此可以提高數控控制系統(tǒng)的傳輸速度，提高數控系統(tǒng)的實時特性。 4)采用總線主控和同步操作。所以在 CNC 系統(tǒng)中，可供選擇的開放總線主要有工 SA, PCI、及 CAN 等。總線規(guī)定了處理各部件或個子系統(tǒng)之間相互通訊的標準接口，使不同時期、不同廠家的部件都可以通過總線組合在一起，為用戶根據自己的應用要求選配系統(tǒng)的組成提供方便，為用戶系統(tǒng)的升級換代提供可能?；?PC 的開放式 CNC 系統(tǒng)的硬件結構必須全面支持開放式系統(tǒng)的互操作性、移植性、互換性、可擴展性等開放理念，有利于系統(tǒng)的集成、更新、維護和向新技術的遷移。在這一層上，系統(tǒng)應該提供用戶便于選擇不同的控制算法如 :曲線插補算法?？缮炜s性體現在控制系統(tǒng)必須根據用戶的實際需求，增加和減少某些系統(tǒng)功能或部件，動 態(tài)分析和解析 PC 機 參數設置 位置指令 狀態(tài)信息 反饋信息 運動控制卡 伺服控制卡 交流伺服電機 機械傳動機構 碼盤接口 編碼器 PCI總線 CAN 總線 CNC 系統(tǒng)體系結構開發(fā)的設計 22 控制系統(tǒng)的軟硬件資源，并友好的向用戶提供系統(tǒng)信息。 PC 機接收加工程序，經過預編譯、語言檢查、刀具運算等步驟，然后進行插補運算 .PC 機主要功能是利用強大的計算能力完成高速精插補運算， PC 機高速的處理能力可保證實時插補和實時控制加工。由于期間本身執(zhí)行速度有限，其位置控制周期、控制軸的數量及控制精度等都受到限制。這些 DSP 的主要特性是它們兼容性好，浮點運算速度快。外部程序也運行于 Windows 操作系統(tǒng)之上，可以利用 CNC 系統(tǒng)提供的庫函數開發(fā)相 關應用，并集成到一起 [5]。設備管理等進行檢測、監(jiān)控。再上一層是控制器硬件平臺，它是一個計算機系統(tǒng)，一般采用通用的 PC 機硬件結構，還應提供與機床底層的接口，如數字 I/O、可編程控制器 (PLC)、運動控制卡等。但是由于軟硬件平臺的多樣性，需要實現在多種軟硬件平臺上的可移植性。 開放體系結構 CNC 系統(tǒng)的設計原則 為了全面支持上述關于開放式數控系統(tǒng)的開放概念、應用特性和功能，本文提供了如下的開放式數控系統(tǒng)體系結構設計原則 : 1)盡最大可能的利用 PC 機的軟硬件技術 :個人計算機具 有高可靠性和計算能力，硬件己經實現了標準化。 表現在功能上，一個開放式的 CNC 系統(tǒng)應能夠做到 : 能夠提供一個統(tǒng) 一風格的操作界面，實現操作的簡潔性 ?？梢钥闯墒撬欧姍C的步進化。 基于總線結構型的運動控制器易于系統(tǒng)集成，具有根好的網絡功能和開放性 :獨立型運動控制器則應用靈活機動、系統(tǒng)升級優(yōu)化比較容易 .目前還出現了混合型的運動控制器，它由一個運動控制器和一個伺服驅動控制器構成并組 裝成一體 .既具有獨立運動控制器的優(yōu)點，同時可以通過很多方法和協(xié)議將多個伺服驅動控制器連接在一起，并行協(xié)調控制 .其中 SERCOS C Serial Real fillle COImnunitalon Speffiedon)協(xié)議 (1995年成為 IEC 1491國際標準 )是目前最適應子同步和協(xié)調控制的串行實時漚信協(xié)議，該協(xié)議為 CNC 系統(tǒng)與數字伺服系統(tǒng)之間提供了統(tǒng)一的數據交換接口，并使產品具有可互換性。這種開放式的運動控制器是未來數控系統(tǒng)的核心部件。運動控制作為一門多學科交叉的技術，每種技術所出現的進展都使它向前再邁進一步，其技術的進步是日新月異的 . 運動控制作為自動控制的一個重要分支，在軍事國防、工業(yè)生產、消費生活等眾多領域有著 極其廣泛的應用 .如軍事和宇航方面的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航 :工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工裝備、數控機床、工業(yè)機器人、以及工廠自動化 (FA )中的各種其他控制設備 :計算機外圍設備和辦公室自動化 (OA)中的各種磁帶機、軟盤驅動器、硬盤驅動器、數控繪圖機、傳真機、打印機、復印機的控制等 。因此，二十世紀八十年代后期，國際上開始出現運動控制系統(tǒng) (Motion ControlSystem)這一術語。 NC 軟件 NC 指 CNC 系統(tǒng)的各項功能，如編譯、編譯、插補和 PLC 等，均由軟件模塊來實現。這種方法能夠方便的實現人機界面的開放化和個性化，即上述第一層的的開放。 PC 從產生到現在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現標準化，這些使得它越來越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。到人機控制接口中。 開放 式數控系統(tǒng)的目的就是使 CNC 控制器與當今的 PC 機類似，系統(tǒng)構筑于一個開放的平臺上，具有模塊化結構，允許用戶根據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