【文章內容簡介】 到大型系統比較困難。但從應用需求來看，這兩種類型的運動控制器都有各自的優(yōu)點。 基于總線結構型的運動控制器易于系統集成，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、，同時可以通過很多方法和協議將多個伺服驅動控制器連接在一起，(1995年成為IEC 1491國際標準)是目前最適應子同步和協調控制的串行實時漚信協議，該協議為CNC系統與數字伺服系統之間提供了統一的數據交換接口，并使產品具有可互換性。 根據運動控制器的核心技術方案來分，主要可分為基于大規(guī)模集成電路型、基于微處理器型、基于專用集成電路(ASIC )型和基于數字信號器(DSP)型的運動控制器。前文己經論及，這里不再贅述。 根據被控制的對象來分，又可以分為步進電機運動控制器和伺服電機運動控制器。過去，總認為伺服控制系統和步進控制系統是兩種完全不同的技術，而現在它們的差別已開始縮小。由于控制技術的發(fā)展，這兩種系統互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢。現代電子技術的發(fā)展使得將模擬信號轉換成數字信號變得很方便且廉價。過去以模擬控制為主的伺服系統已轉向數字化，采用微機控制?？梢钥闯墒撬欧姍C的步進化。同樣，現代的步進電機控制，特別是采用閉環(huán)控制后，同樣可實現快速精確的位置控制，其控制結構在許多方面與交流伺服電機控制是相通的。在國外，己經出現這樣的運動控制器，它既可以對步進電機并行開環(huán)或者閉環(huán)控制，也可以用來控制直流或交流伺服電機，實現閉環(huán)伺服控制。 概念設計是在系統正式開發(fā)前對開放目標的清晰明確，對系統體系結構的總體把握。因此，開放式體系結構CNC系統的概念設計著重要解決的問題是開放什么以及如何開放。它來源于對系統的全面需求分析，依據開放式體系結構基于規(guī)范要求進行體系結構的構造。概念設計的結構形成可供系統開發(fā)借鑒的參考模型。 從應用的角度，開放式體系結構CNC系統的設計目標是使系統能夠最大限度的提供CNC系統生產廠、機床設備生產廠和最終用戶快遞而有創(chuàng)造性的解決當今制造環(huán)境中的數控加工和系統集成，不僅能夠為設備自由地選擇、更新或重構CNC系統，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、PMC等外設，而且系統與外設之間應具有強大的信息通訊能力，使之能靈活運用于綜合化的制造系統環(huán)境之中。 表現在功能上，一個開放式的CNC系統應能夠做到: 能夠提供一個統一風格的操作界面，實現操作的簡潔性。同時，用戶可根據需求定制界面，例如可以改變仿真形式、增加顯示內容、擴展遠程監(jiān)視等功能。 用戶或者開發(fā)商可按需選擇合適的功能模塊，或開發(fā)新的模塊。例如，系統集成商可更換或自行開發(fā)插補模塊、翻譯模塊或擴展高級曲線曲面插補功能，以適應新的加工需求。 系統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。 數控系統對另一個并聯系統或高層系統是開放的，它們之間可以通過網絡相互操作。例如，可由一臺主控制機來控制整個網絡，控制其它CNC系統的起停、監(jiān)視其工作狀態(tài)。 系統應該可以安裝在大多數類型的計算機硬件平臺上，以利于應用推廣和降低成本，并且移植方便。 為了全面支持上述關于開放式數控系統的開放概念、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。PC上運行的軟件具有諸多功能，如友好的界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數控編程、故障診斷、網絡通訊等。采用程序開發(fā)工具，用通用編程語言編制軟件模塊代替原有模塊，便于生產商和用戶添加具有自己獨特技術訣竅的功能模塊。 2)模塊化:數控系統的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎之上，實現了模塊之間的標準連接，以及即插即用。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。 3)動態(tài)配置系統:為了實現更靈活的配置和更有好的操作，本系統能夠在系統啟動、運行狀態(tài)下，完成系統的動態(tài)配置。其實現是基于系統拓撲結構的動態(tài)生成，包括構成要素、參數化構成要素的功能、構成要素之間的信息流的組織等幾個步驟。 4)可移植性:系統的模塊化保證了在同一軟硬件平臺上，具有相同功能構成要素的可移植性。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。、命名習慣、用戶接口外觀等有利于不同系統平臺的實現。就軟件講，采用分層設計或者客戶/服務器設計應用程序，將軟、硬件有關的部分置于底層，便于替換，實現移植。 5)可擴展性:本系統可以使用戶或者二次開發(fā)者安全、有效的將自己的軟件集成到個人計算機系統中，形成自己的專用系統。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。 上述開放式體系結構的設計原則，可以用于指導開放式數控系統的具體結構構造與開發(fā)。 結合當前計算機技術的發(fā)展和控制系統的開放性趨勢，大家普遍提出的開放式數控系統的參考模型如圖24從圖中可以看出，開放式體系結構數控系統的參考模型是一個分層結構，同時也是模塊化的，每一層都是一個模塊。最低層的是數控機床系統的硬件平臺，它包括機床本身，X, Y, Z, C軸驅動器、各種繼電器、伺服電機等。再上一層是控制器硬件平臺，它是一個計算機系統，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。這兩層是硬件層。 軟件的最低層是操作系統，采用Windows98, 2000。這些操作系統提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應用程序接口(API )庫、多任務機制。再上一層是CNC應用軟件，CNC軟件的內部結構也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來負責整個系統的諧調、高效運作。方便的用戶人機界面，代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預處理，產生相應的數據結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結果通過設備驅動程序 (WDM)操作相應的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關量、機床狀態(tài)等。設備管理等進行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統接口、專家系統接口、數據庫系統接口等。它應提供兩種形式的連接:一是網絡，通過客戶機/服務器(ClS)的形式與遠程的CADICAM系統、MIS系統等交換數據。二是和本地機上的其他應用程序間交換數據。接口功能將有利于CNC系統和其它系統的連接和集成。 這個參考模型充分體現了開放性原則，由于分層次、模塊化的結構，各個層次間采用標準接口，從而使每一模塊都能實現互換，可以由不同的廠商來生產，組合起來就是一個高性能性價比的系統。由于PC機的開放性，使控制器硬件和操作系統達到最大限度的互換。而且，CNC系統提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內部信息。外部程序也運行于Windows操作系統之上，可以利用CNC系統提供的庫函數開發(fā)相關應用，并集成到一起[5]。 PC機的低價格保證了控制器的低價格，而Windows上的各種開發(fā)工具VC等又使CNC系統的開發(fā)難度大大降低，開發(fā)費用大幅下降。，同樣，它也提供了許多高性能的網絡程序開發(fā)工具。插補運算模塊過程控制模塊人機界面檢測監(jiān)控模塊設備管理模塊人機界面外部接口模塊專家系統MIS系統CAD/CAM系統總控模塊代碼處理模塊軸控制模塊圖24 開放式數控系統的體系結構設備驅動程序 1986年以來，世界工業(yè)界一直致力于在制造業(yè)中推廣開放，積木式的結構控制技術。10年來，這一技術己在計算機工業(yè)中取得巨大成功。在開放式結構控制技術的指導下，計算機控制系統完成了從造價昂貴的專業(yè)大型機到開放式，積木式通用個人計算機的改良。計算機技術的飛速發(fā)展為開放式結構的運動控制卡積累了豐富的經驗，創(chuàng)造了良好的條件。操作系統平臺 從90年代開始，DSP技術和FPGA芯片技術在美國得到高速發(fā)展，出現了一批高性能低成本的DSP。這些DSP的主要特性是它們兼容性好，浮點運算速度快。采用DSP技術使得232軸的運動控制系統能夠濃縮到一塊PC的PCI控制卡上。而且每個伺服軸的更新速率可達幾十MHz，而且FPGA技術使得通過軟件來更新硬件成為了可能。這使得以單片機為基礎的運動控制系統發(fā)生了重大變化，利用現有的操作系統和資源，可以進一步降低系統的成本，并增加系統的通用性。控制器硬件平臺 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。如基于網絡技術果能把通訊和網絡控制技術與DSP有機的結合在一起，可開發(fā)出一種全新的基于網絡技術的開放式機構的DSP智能運動控制系統，這是當今世界運動控制系統的發(fā)展主流。PCI總線編碼器碼盤接口機械傳動機構交流伺服電機伺服控制卡運動控制卡PC機參數設置位置指令狀態(tài)信息反饋信息CAN總線 數控系統正朝著高速、高精度及開放化、智能化、網絡化的方向發(fā)展，而高速高精度則靠運動控制部件(運動控制卡)和執(zhí)行部件(伺服系統)來保證。以前的運動控制系統主要是基于單片機的，實現位置調節(jié)、碼盤的信號處理等功能。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。但是基于DSP(數字信號處理器)的運動控制卡性能很好的處理這些問題。圖25是運動控制系統的結構框圖，按照物理結構可以分為三個部分:1)交流伺服驅控制卡以及交流伺服電機。交流伺服驅動單元將來自運動控制卡的位置誤差信號做速度環(huán)的隨動輸入，按微分控制規(guī)律對電機轉速進行控制。、伺服電機都是組合機床研究所研制開發(fā)的。2)，對控制系統結構參數有較大的影響，系統非線性因素主要分布于其中.3) FC機和運動控制卡。這是運動控制系統的控制核心。 由于個人PC機的性價比非常高，同時系統也比較可靠。PC機接收加工程序，經過預編譯、語言檢查、刀具運算等步驟，PC機高速的處理能力可保證實時插補和實時控制加工。PC機所完成的任務是將插補運算得到的各軸的理論位置乘相應的系數轉換成為各軸所應轉過的角度值，通過雙口RAM傳給DSP。同時PC機要監(jiān)控各軸的執(zhí)行情況，以便調整插補的速度和進行故障報帶。PC機的操作系統提供了文件管理能力，方便了加工程序的組織，同時能顯示文字和圖象信息，為良好的人機界面設計提供了基礎。 DSP采用TI公司的TMS320FL2407，雙口RAM采用IDT7024 (4K ) 。 PC機將經過插補后的位置指令，通過雙端口RAM傳遞給DSP ，DSP完成位置調節(jié)和速度調節(jié)并將指令經過CAN總線傳遞給伺服控制系統。運動控制卡的軟件整體結構要符合開放性要求，以便用戶有能力更深入的參與到控制系統內部，進行控制方法選擇和比較，達到最佳效果。這就要求在軟件整體規(guī)劃時，就要考慮軟件整體的可伸縮性和可擴展性?？缮炜s性體現在控制系統必須根據用戶的實際需求，增加和減少某些系統功能或部件，動態(tài)分析和解析控制系統的軟硬件資源，并友好的向用戶提供系統信息?？蓴U展性體現在當控制用戶界面基本系統服務和加工控制用戶模塊開發(fā)服務組件PCI板卡接口函數DSP下位機系統算法控制圖26 軟件系統結構系統的功能不能滿足用戶要求時，用戶可以進行開發(fā)和擴展。這將要求控制系統能夠將用戶自制的模塊融入系統，或者代替現有的系統模塊，而系統的完整性并不受到影響。軟件系統結構如圖26所示。 控制系統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。改界面可以與其他系統集成。向其他系統提供加工過程數據。在控制系統的下層，DSP將接受上位PC機傳來的數據，實現具體的運動控制。在這一層上，系統應該提供用戶便于選擇不同的控制算法如:曲線插補算法。這兩層還可以細分為小的層次，其目的時為了在層與層之間建立比較完善的接口，便于以后物理上的功能擴展。 用戶界面部分向最終用戶提供一般標準的Windows應用程序接口，通過它可以對加工的情況進行監(jiān)控，又包括加工的運動控制，對控制器的資源情況的監(jiān)控，對加工參數的修改和效果反饋等。這些服務由程序的基本系統服務部分完成。 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。本章小結 本章結合當今CNC系統發(fā)展的新進展，對CNC系統的體系結構特點進行了分析，討論了CNC系統體系結構開放化的基本概念和實行開放的途徑，并在需求分析的基礎上提出了開放體系CNC系統的設計原則和概念模型，為后續(xù)章節(jié)進一步對開放式CNC系統的軟、硬件結構構造和詳細研究提供了一個總體參考框架。 本章著重討論在開放體系結構目標下基本的CNC系統硬件，分析數控系統硬件開放化的基本設計原則，以及應用PC平臺構成CNC系統的硬件模塊劃分和總線選擇方法，提出基于現場總線的模塊化，分布式CNC系統硬件結構。硬件是CNC系統工作的物質基礎?；赑C的開放式CNC系統的硬件結構必須全面支持開放式系統的互操作性、移植性、互換性、可擴展性等開放理念，有利于系統的集成、更新、維護和向新技術的遷移。因此，開放體系結構的CNC系統硬件應該是以總線和網絡為基礎的模塊化拓撲結構。而系統硬件的開放性不僅僅表現在公開其硬件設計的技術細節(jié)和詳細結構參數，更重要的是在于其結構的可拓撲性，即允許用戶遵守一定的規(guī)范自行開發(fā)、選購、更新系統的硬件組件，并以此為集成進行二次開發(fā)，而且在這種集成和開發(fā)的過程及其方便。在具體的實現中，采用一次策略將有助于開放式CNC系統硬件結構的開放化設計。 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，給系統擴展和升級帶來極大的不便。基于PC的開放式CNC系統采用通用標準總線技術來解決因總線定義不同而帶來的硬件不能公開的問題。 總線是一組信號線的集合，是一種傳送信息的公共通道，通常由數據總