【文章內(nèi)容簡介】 建立了五軸制造系統(tǒng)環(huán)境，用以調(diào)試、驗證和擴展。OSACA計劃試圖將OSACA規(guī)范作為自動化領(lǐng)域的通用國際標準，其研究范圍涵蓋了整個自動化領(lǐng)域，包容性大，適應(yīng)性強，但研究開發(fā)工作量非常大，目前還處于整體構(gòu)思、分布實施階段，短期內(nèi)很難實現(xiàn)對大部分操作平臺的支持?？傊?，開放式數(shù)控系統(tǒng)是對封閉式數(shù)控系統(tǒng)的巨大挑戰(zhàn)，但從它提出后十年里，雖然西方各工業(yè)發(fā)達國家投入了大量的人力和物力，但由于研究計劃龐大、所涉及的關(guān)系復(fù)雜、技術(shù)難度大等原因，至今仍沒有在市場上占據(jù)重要的份額。 在全新設(shè)計開放式數(shù)控系統(tǒng)進展緩慢時，通用PC的技術(shù)性能則迅速提升，應(yīng)軟件資源日益豐富，工業(yè)PC的可靠性也在不斷增強，而價格在持續(xù)下降。PC體系結(jié)構(gòu)已成為事實上的微型計算機標準，應(yīng)用面越來越廣。由于PC插卡式結(jié)構(gòu)，為構(gòu)造開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)搭建了理想的平臺，因此，人們很快將目光轉(zhuǎn)向PC擴展設(shè)計方面，即以工業(yè)PC硬件體系結(jié)構(gòu)和實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，擴展相應(yīng)的板卡和數(shù)控應(yīng)用軟件，構(gòu)成基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。20世紀90年代，Ampro Computer 公司策略發(fā)展部行政副總裁Pick Lehrbaum首先提出“利用PC體系結(jié)構(gòu)，涉及新一代嵌入式開放式數(shù)控系統(tǒng)”。不久，Software Development System的James S. Challenger又提出“Windows和嵌入式計算機技術(shù)的融合”，主張利用現(xiàn)有PC的軟硬件規(guī)范設(shè)計新一代數(shù)控系統(tǒng)。德國的IBH、美國的AI、日本朋立公司等相繼開發(fā)了基于PC的數(shù)控系統(tǒng)?；赑C擴展設(shè)計開放式數(shù)控系統(tǒng)思路的提出，極大地推動了開放式數(shù)控系統(tǒng)的進步與發(fā)展。基于PC體系結(jié)構(gòu)和軟硬件規(guī)范，設(shè)計新一代開放式數(shù)控系統(tǒng)成為數(shù)控系統(tǒng)開放的重要途徑，也是迄今為止的最佳選擇?；赑C構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)的方法 通用PC的標準化程度高，軟硬件資源豐富，適應(yīng)性強，是構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)的理想平臺?；赑C平臺構(gòu)建開放式數(shù)控系統(tǒng)，需要根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的特殊要求，從硬件和軟件兩個方面對PC進行相應(yīng)的改造，擴充數(shù)控系統(tǒng)專用的板卡和應(yīng)用軟件等。 主要包括如下內(nèi)容。（1）實時處理能力擴充 開放式數(shù)控系統(tǒng)屬于實時多任務(wù)計算機控制系統(tǒng)，其中計算機系統(tǒng)必須具備實時控制和多任務(wù)處理能力，即硬件中斷能力強，操作系統(tǒng)任務(wù)切換時間短，具有支持實時相應(yīng)的特性。而普通PC的硬件系統(tǒng)配置和DOS或Windows操作系統(tǒng)都不能滿足數(shù)控系統(tǒng)實時性的要求，在基于DOS或Windows操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，必須擴充操作系統(tǒng)的實時處理能力，如增加線程或?qū)崟r多任務(wù)調(diào)度，還需對硬件進行相應(yīng)的改造。（2）適應(yīng)工業(yè)運行環(huán)境 數(shù)控系統(tǒng)的運行環(huán)境屬于工業(yè)運行環(huán)境，計算機系統(tǒng)的可靠性、電磁兼容性、抗震性和耐高溫性等性能指標應(yīng)能夠適應(yīng)工業(yè)運行環(huán)境的要求。因此，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)一般采用工業(yè)PC（IPC）或各種與PC兼容的嵌入式工業(yè)控制計算機，并采用箱式結(jié)構(gòu)，增強散熱和防塵的性能，還需對工業(yè)PC的通用模板進行力學(xué)特性改造和加固。（3）延長生命周期 普通PC和工業(yè)PC（IPC）更新?lián)Q代很快，加上不同的廠家、不同型號的CPU主板的性能有一定的差異，會給數(shù)控系統(tǒng)的集成帶來一定的困難。延長數(shù)控系統(tǒng)生命周期的最好辦法就是加大對用戶的開放程度，使數(shù)控系統(tǒng)集成商和用戶自己能夠?qū)?shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件進行升級。例如，美國Data Tau公司的PMACNC運動控制板卡向不同用戶提供不同程度的開放，對一般用戶，只提供PMACNC配置軟件，支持用戶自行配置控制軸數(shù)，聯(lián)動軸數(shù)、伺服參數(shù)和I/O表；對高級用戶，Data Tau公司提供動態(tài)鏈接庫（DLL），可供用戶使用VC++、VB等開發(fā)工具自行開發(fā)菜單和基本操作界面；對控制裝備OEM廠商，Data Tau公司提供關(guān)于PMACNC的全部C++代碼。Data Tau公司的開放式解決方案，可以保證數(shù)控系統(tǒng)的集成商不斷吸收世界上各種新技術(shù)，與時俱進地開發(fā)先進的數(shù)控系統(tǒng)。二、基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（一）、基于PC的數(shù)控系統(tǒng)類型 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)目前可分為專用數(shù)控加PC前端的復(fù)合型、CN嵌入PC型和全軟件型3種典型結(jié)構(gòu)。專用數(shù)控系統(tǒng)加PC前端的復(fù)合型結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)將PC作為NC的部件嵌入在數(shù)控系統(tǒng)中，用內(nèi)部總線相連接，PC和NC連接在一起構(gòu)成前后臺結(jié)構(gòu)，可形成多處理器數(shù)控系統(tǒng)。它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心，但可利用PC豐富的軟件資源，滿足開放性的要求。這類數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)點是原來的CNC不必改動，既保持了原來數(shù)控系統(tǒng)的強大的功能，又具有數(shù)據(jù)傳送速度快、系統(tǒng)相應(yīng)時間短的特點。其缺點是不能充分發(fā)揮PC的潛力，開發(fā)性受到一定限制，系統(tǒng)造價無法降低。這類數(shù)控系統(tǒng)或者提供PC前端接口，或者將PC母板直接嵌入CNC中。這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)主要出于知名的數(shù)控系統(tǒng)制造商，原因是這些制造商不愿放棄已經(jīng)成型的CNC制造技術(shù)，而又需要PC的柔性和開放性，于是采用的一種折中的解決方案。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，硬件的標準化和成本的不斷降低，這種開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)很可能只是一個過渡。采用這種開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)的代表產(chǎn)品有FANUC18i、FANUC16i系統(tǒng)、Siemens840D 系統(tǒng)、NUM1060系統(tǒng)及AB9/360系統(tǒng)。NC嵌入PC型結(jié)構(gòu)（基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)） 這種結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)是在通用PC擴展槽中插入運動控制板或整個CNC單元（包括嵌入式PLC）。PC 將實現(xiàn)用戶接口、文件管理以及通信等非實時部分的功能，實時控制（機床的運動控制和開關(guān)量控制等）由插入PC擴展槽中的CNC單元或運動控制板來承擔(dān)。這種開放式數(shù)控系統(tǒng)是目前是較為先進的。但是該系統(tǒng)的CNC核心部分—運動控制和伺服控制仍是依賴于專用運動控制卡，還未達到整個產(chǎn)品的硬件通用化。 運動控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強的運動控制和PLC控制功能，它本身就是一個數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨使用，它的開放的函數(shù)庫供用戶在Windows平臺下自行開發(fā)構(gòu)造所需的數(shù)控系統(tǒng)。目前這種控制卡被廣泛地應(yīng)用于構(gòu)造開放式數(shù)控系統(tǒng)。如美國Data Tau公司用PMAC多軸運動控制卡構(gòu)造的PMAC—NC數(shù)控系統(tǒng)，日本MAZAK公司用三菱電機的MELDASMAGIC64構(gòu)造的MAZATROL 640 數(shù)控系統(tǒng)等。全軟件型結(jié)構(gòu) 全軟件型結(jié)構(gòu)CNC又稱為純PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點是CNC系統(tǒng)的全部或大部分功能均由PC承擔(dān)，并通過裝在PC擴展槽中的驅(qū)動接口卡對伺服驅(qū)動進行控制。在PC中采用實時的操作系統(tǒng)或?qū)Σ僮飨到y(tǒng)進行實時功能擴展，由PC完成數(shù)控系統(tǒng)中所有的實時任務(wù)和非實時任務(wù)，如編譯、插補和PLC等。這是一種理想的開放式數(shù)控系統(tǒng)，CNC軟件全部裝在計算機中，而硬件部分僅是計算機與伺服驅(qū)動和外部I/O之間的標準化通用接口，能提供給用戶最大的選擇性和靈活性。（二） NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)“NC嵌入PC結(jié)構(gòu)”的開放式數(shù)控系統(tǒng)也可稱為“基于運動控制器”的開放式數(shù)控系統(tǒng)。目前運動控制器種類很多，但應(yīng)用最廣的運動控制器當(dāng)屬PMAC運動控制卡。下面將以PMAC運動控制器為代表，闡述“NC嵌入PC結(jié)構(gòu)”的開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件體系結(jié)構(gòu)。1．PMAC多軸運動控制器可編程序多軸控制器（Programmable MultiAxis controller, PMAC）是美國Delta Tau 公司1990年推出的基于工業(yè)PC和Windows操作系統(tǒng)的多軸、多通道開放式運動控制器，也是目前世界上功能最強的運動控制器之一。PMAC采用先進的運動控制技術(shù)和Windows平臺，滿足用戶在運動控制各個領(lǐng)域中的應(yīng)用需求。已在機器人、數(shù)控機床、造紙和木材加工機械、各種裝配線、食品加工機械、印刷包裝等機電一體化設(shè)備上得到廣泛應(yīng)用。 PMAC實際上是一臺完整的計算機系統(tǒng)，而且是一臺實時多任務(wù)計算機系統(tǒng)，它可以自動進行任務(wù)優(yōu)先級判別，并按優(yōu)先級別高低調(diào)度并執(zhí)行任務(wù)，從而大大減輕了主機任務(wù)切換和執(zhí)行實時控制任務(wù)兩方面的負擔(dān)，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMAC的硬件以Motorola56001 (20/30MHz) 24bit定點數(shù)字信號處理器（Digital Signal Porcessor, DPS）為核心，并全面拓展了DPS的強大功能。PMAC運動控制器作為嵌入在數(shù)控系統(tǒng)中的一個高性能伺服運動控制器，可通過靈活的高級語言，實現(xiàn)對1~8個軸的實時伺服控制。通過多卡連接方式還可控制多大128個軸的運動。PMAC既可獨立工作，也可按主機的命令工作，主機傳送給它的命令為字符串形式，PMAC與主機通信既可通過串行口，也可通過總線方式進行，通過總線方式通信時，可將中斷引入主機，便于數(shù)控系統(tǒng)主機實施靈活有效的實時多任務(wù)調(diào)度管理。2．基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)控系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式結(jié)構(gòu)，在工業(yè)控制機（IPC）平臺基礎(chǔ)上，以PMAC運動控制器作為系統(tǒng)的核心處理器，工控機上的CPU與PMAC的CPU（DPS560001/DPS560002）構(gòu)成主、從式雙微處理器機構(gòu)。為了實現(xiàn)PMAC多軸運動控制的功能，還需在PMAC板上擴展相應(yīng)的I/O板、伺服運動單元、伺服電動機、編碼器等，最終形成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)除PMAC運動控制器外，大部分硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖254所示。圖254 NC嵌入PC數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)（1） PMAC運動控制器的控制功能 在圖255所示系統(tǒng)中，PMAC主要完成插補運算、位置控制、刀補、速度處理和PLC等實時控制任務(wù)；工控機則主要實現(xiàn)系統(tǒng)的功能管理管理，同時具有充足的支持軟件來改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通信等非實時控制功能。（2） PMAC運動控制器與主機之間的通信 PMAC運動控制器與主機之間通過ISA總線通信。當(dāng)主機與PMAC運動控制器進行通信時，主機就到預(yù)先指定的地址去尋找PMAC運動控制器，該地址由PMAC板上的E跳線決定，用戶可以根據(jù)需要重新設(shè)置E跳線，從而改變PMAC在主機中所占用的地址，控制器與伺服電動機的運行狀態(tài)、電動機的位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)則直接通過ISA總線實現(xiàn)信息交換。（3） PMAC內(nèi)置PLC功能 PLC信號的輸入/輸出由I/O接口板來實現(xiàn)。在整個數(shù)控系統(tǒng)中，送入PLC的信號主要有：控制面板和機床上的按鈕開關(guān)、選擇開關(guān)等信號；各運動軸的行程開關(guān)、機械零點開關(guān)等信號；機床電器動作、限位、報警等信號；強電控制柜中接觸器、氣動開關(guān)接觸等信號以及各伺服模塊工作狀態(tài)信號等，這些信號通過光電隔離后經(jīng)I/O接口送入PMAC進行處理。光電隔離能有效地將計算機數(shù)字量通道與外部模擬量通道隔離開來，大大地減輕了外部因素的干擾。圖254 NC嵌入PC數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)PLC的輸出信號主要有：指示燈信號、控制繼電器、接觸器等動作信號；伺服模塊的驅(qū)動使能和速度使能信號等。這些信號通過PMAC智能I/O口送到相應(yīng)的控制器上來控制相應(yīng)電器工作。利用PMAC提供的后臺PLC可以很方便地實現(xiàn)上述功能，當(dāng)前臺運動程序有序地運行時，PMAC運行控制器可以在后臺運行多達32個異步PLC程序，這些PLC程序可以提高采樣速率，監(jiān)視模擬輸入和數(shù)字輸入、設(shè)定輸出值、發(fā)送信息、監(jiān)視運動參數(shù)、改變增益值以及命令運動停止/啟動，還可以對PMAC運動控制器發(fā)送命令，完成一些可編程序邏輯控制器（PLC）的功能，利用這些功能不僅可以簡化硬件系統(tǒng)設(shè)計、節(jié)省硬件開支，而且還方便用戶使用PLC進行程序設(shè)計。2．基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)基于運動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)主要是由實時控制軟件和系統(tǒng)管理軟件來構(gòu)成。實時控制軟件的設(shè)計充分考慮了軟件的開放性，用戶可以在PMAC已經(jīng)集成的基本模塊的基礎(chǔ)上根據(jù)自己的需要增加軟件的功能模塊。系統(tǒng)管理軟件主要由用戶自己開發(fā)，來實現(xiàn)所有的非實時控制部分的功能。系統(tǒng)管理軟件最基本的應(yīng)該是實現(xiàn)系統(tǒng)初始化、故障診斷、參數(shù)輸入及加工程序編輯、系統(tǒng)進程管理和雙CPU通信功能，在這些基本功能的基礎(chǔ)上可以再增加網(wǎng)絡(luò)控制、動態(tài)仿真等高級功能。系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（參考結(jié)構(gòu)）如圖254所示。（1）PMAC實時控制軟件 PMAC實時控制軟件包括插補模塊、伺服驅(qū)動模塊、PLC監(jiān)視模塊、加工程序解釋模塊、數(shù)據(jù)采集及輸出模塊等，其功能模塊如圖255所示。圖255 PMAC實時控制軟件功能模塊1）插補算法模塊包括直線插補、圓弧插補及樣條插補等。PMAC還提供了PVT（位置速度時間）運動模式，該模式可以對軌跡圖形進行直接而緊湊的控制。用戶可以對以上幾種模式加以選擇和組合。2）伺服驅(qū)動模塊用于選擇PID位置環(huán)伺服濾波器、陷波濾波器（NOTCH FIL）、速度前饋、加速度前饋等，并設(shè)置其控制參數(shù)，并且這幾種伺服算法可以任意組合，用戶也可采用極點配置方法，甚至可以直接加入自己的底層位置伺服方法，以適應(yīng)不同需要，實現(xiàn)個性化伺服控制。3）PLC監(jiān)控運行模塊主要包括看門狗PLC、上電PLC、主PLC、指示燈管理PLC及下電PLC。主PLC用來完成對控制面板及機床輸入、輸出的監(jiān)控，主要包括對機床進行手動、自動調(diào)整功能的實現(xiàn)、主軸運動的控制、機床3個坐標軸運動的控制等操作?？撮T狗PLC對PMAC運動控制器本身及數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)位進行故障檢測，在系統(tǒng)上電和加工過程中分別進行如下處理。①看門狗PLC在PMAC上電后立即被啟動，他通過不斷讀取DPRAM(雙端口RAM)中某地址單元的計數(shù)值來判斷主機是否進入CNC系統(tǒng)。當(dāng)相鄰兩次讀得的差值大于某個數(shù)時，它便啟動上電PLC，對整個數(shù)控系統(tǒng)上電；當(dāng)相鄰兩次讀得的差值小于某個數(shù)時，它便啟動下電PLC,關(guān)閉整個數(shù)控系統(tǒng)。②看門狗PLC在加工過程中主要對各軸超行程限位開關(guān)、跟蹤誤差極限、伺服輸出極限、異常終止等信號進行檢測，以確保數(shù)控系統(tǒng)安全、可靠地運行。4）加工程序解釋模塊由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序組成。這些解釋程序在PEWIN32Pro(PMAC開發(fā)工具，是Delta Tau PMAC卡的Windows可執(zhí)行