【文章內(nèi)容簡介】 計算所研制的藍天 1 型、北京航空航天大 學(xué)的 CH2020 也都是基于 PC 平臺的數(shù)控系統(tǒng)，各具特色。這些擁有自主版權(quán)的高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，表明我國已經(jīng)具備開發(fā)、生產(chǎn)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)的能力，為我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展提供了技術(shù)支持，在技術(shù)上和戰(zhàn)略上都具有重要意義。 2. 1 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) 采用專用計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)，在選用高性能的微處理器構(gòu)成分布式處理結(jié)構(gòu)時，可以獲得很高的性能，如多軸聯(lián)動高速、高精度控制，很強的補償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產(chǎn)和保密的需要，不同的數(shù)控系 統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計其硬件和軟件，這樣設(shè)計出來的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機界面、多種實時操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)化接口等缺陷。從而導(dǎo)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 。風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，給用戶的使用與維護帶了很多不便 。另一方面，系統(tǒng)的封閉性阻礙了計算機技術(shù)的及時應(yīng)用，不利于數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)的進步。顯然，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場的變化和競爭，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。 開放體系結(jié) 構(gòu)的概念 關(guān)于開放式體系結(jié)構(gòu)的定義，目前尚有較大爭議，根據(jù) IEEE 關(guān)于開放式系統(tǒng)的定義 :一個開放式的系統(tǒng)應(yīng)能夠在多種平臺上運行，能夠與其它系統(tǒng)進行操作，并能給用戶提供一致的交互界面。 對于一個開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，也應(yīng)遵循這些基本要求。一個開放的控制系統(tǒng)應(yīng)具有完全模塊化的結(jié)構(gòu)，模塊之間具有互換性、可擴展性和可移植性，這是一個開放系統(tǒng)的基本特征。 開放的概念可以從兩個方面進行理解 :一是時間的開放，二是空間的開放。CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)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(yīng)新技術(shù)的發(fā)展、容納新設(shè)備 的能力。時間的開放性又有可擴展性和可移植性兩個方面 :空間的開放性是針對系統(tǒng)接口及其規(guī)范而言的，它又可以分為互操作性和互換性。 （ 1）可擴展性 可擴展性包括規(guī)模可擴展性和換代可擴展性。規(guī)模可擴展性是指一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)可以通過增減部件改變系統(tǒng)的功能或性能 。換代可擴展性，是指隨著時間和技術(shù)的遷移，組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件具有可升級性。 （ 2） 可移植性 可移植性要求數(shù)控系統(tǒng)能夠在多個廠商提供的平臺上運行。因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)用與設(shè)備無關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機制，并且通過一 致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺上。 （ 3） 互換性 互換性要求構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的部件在功能，性能或可靠性等要求不同時，能夠用另一種部件進行替換?；Q性使得一個數(shù)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(gòu)成。這對提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比具有重要的意義。 （ 4） 互操作性 互操作性表征了構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的各個部件在一起協(xié)調(diào)工作的能力。開放式數(shù)控系統(tǒng)的互操作性通過一個統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)，這個通訊系統(tǒng)不僅允許數(shù)據(jù)的交換并且定義了交換的協(xié)議。 開放 式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使 CNC 控制器與當(dāng)今的 PC 機類似，系統(tǒng)構(gòu)筑于一個開放的平臺上，具有模塊化結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)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(yīng)商，并且相互兼容。 與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于 :建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴充的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性，在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進行二次開發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應(yīng)新的加工需求。 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系 結(jié)構(gòu)的開放途徑 目前，大量的供應(yīng)商提供了各種各樣的加工及控制系統(tǒng)的解決方案，這些方案構(gòu)成了解決所有自動化系統(tǒng)形形色色的途徑。然而，要想附加集成一些由不同賣方提供的功能時，卻有相當(dāng)?shù)碾y度，這些困難主要集中在不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)之間沒有公共的接口，需要很高的擴展、擴充及集成費用，沒有風(fēng)格一致的操作系統(tǒng)的界面以及需要分別針對不同的系統(tǒng)來培訓(xùn)人員等使維護費用急劇增加。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(xiàn)的難度不等，獲得開放效果也相差很大，如圖 21 所示。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機控制層和控制內(nèi)核層兩個層，其中控制內(nèi)核是 CNC 系統(tǒng)完成實時加工過程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)系。三種方式就是基于對這種兩個層面開放的不同處理來區(qū)分的 [3]。 開放人機控制接口 開放系統(tǒng)核心接口 開放體系結(jié)構(gòu) CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 14 人機 控制層 控制 內(nèi)核層 圖 21 控制系統(tǒng)的開放途徑 放人機控制接口 這種方式允許開發(fā)商或者用戶構(gòu)造或者集成自己的模塊 [4]。到人機控制接口中。這一方面是為用戶提供了靈活制定特殊要求操作界面和操作步驟的途徑，一般用在 PC 機作為圖形化人機控制界面的系統(tǒng)中。 此方式除了提供上述第一種方式的開放性能外，還允許用戶添加自己特色的模塊到控制內(nèi)核模塊中。通過開放系統(tǒng)的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統(tǒng)預(yù)先留出的內(nèi)核接口上。 開放體系結(jié)構(gòu)的解決方案是一種更徹底的開放方案。它試圖提供從軟件到硬 件，從人機操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開放。人們可以在開放體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)及一系列規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置獲得功能可強弱、性能可高可低、價格可控制、不依賴于單一賣方 的系統(tǒng)。 基于 PC 的開放式體系結(jié)構(gòu) 從實現(xiàn)方法上， PCNC 是目前實現(xiàn) CNC 開放化比較現(xiàn)實的途徑。 PC 從產(chǎn)生到現(xiàn)在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它越來越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。 PC 具有豐富的支持軟件來改善 CNC 系統(tǒng)的用戶界面、圖形界面、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障論斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。利用 PC 上功能強大的開 發(fā)工具，機床制造商和用戶可以采用通用的編程語言來編制軟件模塊化替代系統(tǒng)原有的模塊，便于機床廠和用戶添加具有自己獨特技術(shù)的模塊。 所謂 PC 機硬件平臺和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用市場上銷售或者自行研制開發(fā)的應(yīng)用軟件和硬件插卡，構(gòu)造出數(shù)控系統(tǒng)功能。但是現(xiàn)在的 PC的操作系統(tǒng)缺乏實時性。目前， PCNC 的構(gòu)造方式主要有三種 :NC 板卡插入到PC 機的擴展槽中， PC 板卡插到 NC 裝置中。 1. NC 板遷入 PC 機 這種形式就是將運動控制板或整個 CNC 單元插入到個人計算機的擴展槽中。 PC 機作為非實時處 理，實時控制由 CNC 單元或者運動控制板來承擔(dān)。這種方法能夠方便的實現(xiàn)人機界面的開放化和個性化，即上述第一層的的開放。在此基礎(chǔ)上，借助于所插入 NC 板的可編程能力，能部分實現(xiàn)系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)的開放，CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 15 即上述第二層的開放，如基于 PMAC 運動控制卡構(gòu)成的 CNC 系統(tǒng)即屬于此類。 2. PC 板遷入 NC 這一形式主要為了一些大的 CNC 控制器制造商所采用。其原因有兩個方面 :一是許多用戶對它們的產(chǎn)品很熟悉，也習(xí)慣使用 :二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用 CNC 技術(shù)。因此，才提出了這種折衷方案。其 做法就是在傳統(tǒng)的 CNC 中提供 PC 前端接口，使其具有 PC 化的人機界面，能夠集成應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)接口等。顯然，這種系統(tǒng)的 NC 內(nèi)核保持了原有的封閉性。故只能實現(xiàn)第一層次的開放。 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(xiàn)。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺，在應(yīng)用軟件的支持下，通過對 CNC 軟件的適當(dāng)組織、劃分、規(guī)范定義和開發(fā)，可望實現(xiàn)上述各個層次的開放。這種控制模式的硬件成本是最經(jīng)濟的。但軟件開發(fā)是最復(fù)雜的，開發(fā)的重點是系統(tǒng)軟件和設(shè)備驅(qū)動程序。這種方式能夠迅速 吸收計算機技術(shù)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(xiàn)物理設(shè)備和操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代。 本文作者采用的是第一種方式，即 NC 板遷入 PC 機的方式，系統(tǒng)采用的運動控制卡是由作者自行研制開發(fā)的，長期以來高性能的多軸運動控制卡技術(shù)一直被國外壟斷，產(chǎn)品價格昂貴，因此，研究開發(fā)高性能的多軸運動控制卡對我國科技水乎的提高有重要的意義。 運動控制 (Motion Control)是由電力拖動發(fā)展而來的，電力拖動或電氣傳動是對以電動機為對象的控制系統(tǒng)的通稱。隨著電力 電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的電氣傳動控制的概念己經(jīng)不能充分的概括現(xiàn)代自動化系統(tǒng)中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。因此，二十世紀(jì)八十年代后期，國際上開始出現(xiàn)運動控制系統(tǒng) (Motion ControlSystem)這一術(shù)語。 圖 22 現(xiàn)代運動控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系 運動控制通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機械運動。按照使用的動力源的不同，運動控制主要可分為以電機作為動力源的電氣運動控制、以氣體和流體作為 動力源的氣液控制和以燃料 (煤、油等 )作微型計算機 模擬數(shù)字電子技術(shù) 傳感器和變換器 經(jīng)典現(xiàn)代控制理論 計算機仿真和輔助設(shè)計 電力電子器件 電機技術(shù) 大規(guī)模集成電路 運動控制系統(tǒng) CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 16 為動力源的熱機運動控制等。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以及微計算機控制技術(shù)的發(fā)展，在這幾種運動控制中，電氣運動控制因其具有易實現(xiàn)與計算機接口等明顯優(yōu)點而成為運動控制的主流，大多數(shù)中小功率的運動控制系統(tǒng)都是采用電氣控制。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(gòu)運動的位置、速度、加速度實現(xiàn)精確控制。 從電力拖動開始，經(jīng)歷四十幾年的發(fā)展過程，運動控制己成長為一個以自動控制理論和現(xiàn)代控制理論為基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。例如電機技術(shù)、電力 電子技術(shù) (電力電子器件、電力電子線路 )、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計算機技術(shù)等等，如圖 所示，運動控制技術(shù)是這些周邊技術(shù)的有機結(jié)合體。隨著功能齊全的微計算機、超大規(guī)模集成電路 (VLSI )，功率集成電路(PIC )，以及先進的計算機輔助制造 (CAM)等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，運動控制技術(shù)的面貌為之一新，其前沿不斷擴大。運動控制作為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，每種技術(shù)所出現(xiàn)的進展都使它向前再邁進一步，其技術(shù)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(chǎn)、消費生活等眾多領(lǐng)域有著 極其廣泛的應(yīng)用 .如軍事和宇航方面的雷達天線、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航 :工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工裝備、數(shù)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(shè)備 :計算機外圍設(shè)備和辦公室自動化 (OA)中的各種磁帶機、軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器、數(shù)控繪圖機、傳真機、打印機、復(fù)印機的控制等 。家用電器中的空調(diào)機、洗衣機、 CD 機等的控制 .總之，只要存在對運動機構(gòu)進行精確控制的任務(wù)，就離不開運動控制系統(tǒng)，運動控制技術(shù)得到了各個國家的重視，已經(jīng)成為一個專門的技末領(lǐng)域。 圖 23 典型運動控制系統(tǒng)的構(gòu)成 應(yīng)用在各個領(lǐng)域的典型運動控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng) (或 PLC)、運動控制器、拖動裝置 (即驅(qū)動裝置 )、電動機、執(zhí)行機構(gòu)和反饋裝置構(gòu)成，如圖 2. 3 所示。其中反饋裝置將運動設(shè)備的位置信息提供給運動控制器，運動控制器響應(yīng)閉環(huán)信號和接受控制系統(tǒng) (或 PLC)的定位請求信號并將其轉(zhuǎn)換為命令信號提供給拖動裝置，由拖動裝置將命令信號轉(zhuǎn)換成電流以驅(qū)動電動機?？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。 對子數(shù)控機床來說，運動控制系統(tǒng)就像是它的中樞神 經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個動作。對應(yīng)的控制系統(tǒng)就是數(shù)控裝置，按照加工要求發(fā)出相應(yīng)指令，運動控制器接收指令，并根據(jù)指令像主軸電機和設(shè)備進給電機發(fā)出控制信號，設(shè)備電機的驅(qū)動器則將控制信號轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動電機的電信號。正如前文所述，開放式運動控制已成為運動控制的發(fā)展方向，數(shù)控系統(tǒng)也逐步走向開放化，因此對運動控制器也有更高的要求，比如從硬件上要能實現(xiàn)多個坐標(biāo)軸的位置、速度伺服控制，從軟件上配有功能完備的伺服控制軟件，具有完善的運動軌跡和插補功能及軟件伺服控制功能且能方便地與機床、機器人等設(shè)備聯(lián)接，能迅速地建立高層應(yīng)用程控制系統(tǒng) PLC 運動控制器 拖動裝置 電動機 執(zhí)行機構(gòu) 反饋裝置 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 17 序 與機床或機器人等設(shè)備之間的控制以及測試數(shù)據(jù)交換等等。這種開放式的運動控制器是未來數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。 目前在應(yīng)用中的運動控制器按不同的方法有不同的分類。 根據(jù)運動控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來分，主要可以分為基于總線的運動控制器和獨立應(yīng)用的運動控制器及混合型運動控制器。基于總線的控制運動控制器是利用現(xiàn)有的硬件和