【文章內(nèi)容簡介】 到大型系統(tǒng)比較困難。但從應(yīng)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(jié)構(gòu)型的運動控制器易于系統(tǒng)集成，具有根好的網(wǎng)絡(luò)功能和開放性:獨立型運動控制器則應(yīng)用靈活機動、，同時可以通過很多方法和協(xié)議將多個伺服驅(qū)動控制器連接在一起，(1995年成為IEC 1491國際標(biāo)準(zhǔn))是目前最適應(yīng)子同步和協(xié)調(diào)控制的串行實時漚信協(xié)議，該協(xié)議為CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，并使產(chǎn)品具有可互換性。 根據(jù)運動控制器的核心技術(shù)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(shù)字信號器(DSP)型的運動控制器。前文己經(jīng)論及，這里不再贅述。 根據(jù)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(rèn)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(shù)，而現(xiàn)在它們的差別已開始縮小。由于控制技術(shù)的發(fā)展，這兩種系統(tǒng)互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢?，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展使得將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)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(tǒng)已轉(zhuǎn)向數(shù)字化，采用微機控制?？梢钥闯墒撬欧姍C的步進化。同樣，現(xiàn)代的步進電機控制，特別是采用閉環(huán)控制后，同樣可實現(xiàn)快速精確的位置控制，其控制結(jié)構(gòu)在許多方面與交流伺服電機控制是相通的。在國外，己經(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)閉環(huán)伺服控制。 概念設(shè)計是在系統(tǒng)正式開發(fā)前對開放目標(biāo)的清晰明確，對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的總體把握。因此，開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的概念設(shè)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(tǒng)的全面需求分析，依據(jù)開放式體系結(jié)構(gòu)基于規(guī)范要求進行體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。概念設(shè)計的結(jié)構(gòu)形成可供系統(tǒng)開發(fā)借鑒的參考模型。 從應(yīng)用的角度，開放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是使系統(tǒng)能夠最大限度的提供CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠、機床設(shè)備生產(chǎn)廠和最終用戶快遞而有創(chuàng)造性的解決當(dāng)今制造環(huán)境中的數(shù)控加工和系統(tǒng)集成，不僅能夠為設(shè)備自由地選擇、更新或重構(gòu)CNC系統(tǒng)，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、PMC等外設(shè)，而且系統(tǒng)與外設(shè)之間應(yīng)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(tǒng)環(huán)境之中。 表現(xiàn)在功能上，一個開放式的CNC系統(tǒng)應(yīng)能夠做到: 能夠提供一個統(tǒng)一風(fēng)格的操作界面，實現(xiàn)操作的簡潔性。同時，用戶可根據(jù)需求定制界面，例如可以改變仿真形式、增加顯示內(nèi)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(tǒng)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(yīng)新的加工需求。 系統(tǒng)的控制對象可以使任何廠家生產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)對另一個并聯(lián)系統(tǒng)或高層系統(tǒng)是開放的，它們之間可以通過網(wǎng)絡(luò)相互操作。例如，可由一臺主控制機來控制整個網(wǎng)絡(luò)，控制其它CNC系統(tǒng)的起停、監(jiān)視其工作狀態(tài)。 系統(tǒng)應(yīng)該可以安裝在大多數(shù)類型的計算機硬件平臺上，以利于應(yīng)用推廣和降低成本，并且移植方便。 為了全面支持上述關(guān)于開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放概念、應(yīng)用特性和功能，本文提供了如下的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計原則: 1)盡最大可能的利用PC機的軟硬件技術(shù):個人計算機具有高可靠性和計算能力，硬件己經(jīng)實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)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(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)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(chǎn)商和用戶添加具有自己獨特技術(shù)訣竅的功能模塊。 2)模塊化:數(shù)控系統(tǒng)的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎(chǔ)之上，實現(xiàn)了模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)連接，以及即插即用。模塊化的構(gòu)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(tǒng):為了實現(xiàn)更靈活的配置和更有好的操作，本系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)啟動、運行狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的動態(tài)配置。其實現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)生成，包括構(gòu)成要素、參數(shù)化構(gòu)成要素的功能、構(gòu)成要素之間的信息流的組織等幾個步驟。 4)可移植性:系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺上，具有相同功能構(gòu)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(xiàn)在多種軟硬件平臺上的可移植性。、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等有利于不同系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)。就軟件講，采用分層設(shè)計或者客戶/服務(wù)器設(shè)計應(yīng)用程序，將軟、硬件有關(guān)的部分置于底層，便于替換，實現(xiàn)移植。 5)可擴展性:本系統(tǒng)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(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)。其方法有兩種:首先是固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，預(yù)留插入用戶專用軟件接口:其次是提供用戶API函數(shù)和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。 上述開放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則，可以用于指導(dǎo)開放式數(shù)控系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造與開發(fā)。 結(jié)合當(dāng)前計算機技術(shù)的發(fā)展和控制系統(tǒng)的開放性趨勢，大家普遍提出的開放式數(shù)控系統(tǒng)的參考模型如圖24從圖中可以看出，開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個分層結(jié)構(gòu)，同時也是模塊化的，每一層都是一個模塊。最低層的是數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件平臺，它包括機床本身，X, Y, Z, C軸驅(qū)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(tǒng)，一般采用通用的PC機硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與機床底層的接口，如數(shù)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(tǒng)，采用Windows98, 2000。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應(yīng)用程序接口(API )庫、多任務(wù)機制。再上一層是CNC應(yīng)用軟件，CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來負責(zé)整個系統(tǒng)的諧調(diào)、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(yù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結(jié)果通過設(shè)備驅(qū)動程序 (WDM)操作相應(yīng)的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關(guān)量、機床狀態(tài)等。設(shè)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(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。它應(yīng)提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡(luò)，通過客戶機/服務(wù)器(ClS)的形式與遠程的CADICAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù)。二是和本地機上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。 這個參考模型充分體現(xiàn)了開放性原則，由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu)，各個層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使每一模塊都能實現(xiàn)互換，可以由不同的廠商來生產(chǎn)，組合起來就是一個高性能性價比的系統(tǒng)。由于PC機的開放性，使控制器硬件和操作系統(tǒng)達到最大限度的互換。而且，CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。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(shù)開發(fā)相關(guān)應(yīng)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(tǒng)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(wǎng)絡(luò)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(shè)備管理模塊人機界面外部接口模塊專家系統(tǒng)MIS系統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)總控模塊代碼處理模塊軸控制模塊圖24 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)備驅(qū)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(jié)構(gòu)控制技術(shù)。10年來，這一技術(shù)己在計算機工業(yè)中取得巨大成功。在開放式結(jié)構(gòu)控制技術(shù)的指導(dǎo)下，計算機控制系統(tǒng)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(shù)的飛速發(fā)展為開放式結(jié)構(gòu)的運動控制卡積累了豐富的經(jīng)驗，創(chuàng)造了良好的條件。操作系統(tǒng)平臺 從90年代開始，DSP技術(shù)和FPGA芯片技術(shù)在美國得到高速發(fā)展，出現(xiàn)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(shù)使得232軸的運動控制系統(tǒng)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(shù)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(chǔ)的運動控制系統(tǒng)發(fā)生了重大變化，利用現(xiàn)有的操作系統(tǒng)和資源，可以進一步降低系統(tǒng)的成本，并增加系統(tǒng)的通用性。控制器硬件平臺 現(xiàn)代通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)日新月異，并在人們的生活中占據(jù)越來越重要的位置。如基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)果能把通訊和網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與DSP有機的結(jié)合在一起，可開發(fā)出一種全新的基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放式機構(gòu)的DSP智能運動控制系統(tǒng)，這是當(dāng)今世界運動控制系統(tǒng)的發(fā)展主流。PCI總線編碼器碼盤接口機械傳動機構(gòu)交流伺服電機伺服控制卡運動控制卡PC機參數(shù)設(shè)置位置指令狀態(tài)信息反饋信息CAN總線 數(shù)控系統(tǒng)正朝著高速、高精度及開放化、智能化、網(wǎng)絡(luò)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(tǒng))來保證。以前的運動控制系統(tǒng)主要是基于單片機的，實現(xiàn)位置調(diào)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(shù)量及控制精度等都受到限制。但是基于DSP(數(shù)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(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，按照物理結(jié)構(gòu)可以分為三個部分:1)交流伺服驅(qū)控制卡以及交流伺服電機。交流伺服驅(qū)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(zhuǎn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)有較大的影響，系統(tǒng)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(tǒng)的控制核心。 由于個人PC機的性價比非常高，同時系統(tǒng)也比較可靠。PC機接收加工程序，經(jīng)過預(yù)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(wù)是將插補運算得到的各軸的理論位置乘相應(yīng)的系數(shù)轉(zhuǎn)換成為各軸所應(yīng)轉(zhuǎn)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(diào)整插補的速度和進行故障報帶。PC機的操作系統(tǒng)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(shè)計提供了基礎(chǔ)。 DSP采用TI公司的TMS320FL2407，雙口RAM采用IDT7024 (4K ) 。 PC機將經(jīng)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(diào)節(jié)和速度調(diào)節(jié)并將指令經(jīng)過CAN總線傳遞給伺服控制系統(tǒng)。運動控制卡的軟件整體結(jié)構(gòu)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(tǒng)內(nèi)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。可伸縮性體現(xiàn)在控制系統(tǒng)必須根據(jù)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?？蓴U展性體現(xiàn)在當(dāng)控制用戶界面基本系統(tǒng)服務(wù)和加工控制用戶模塊開發(fā)服務(wù)組件PCI板卡接口函數(shù)DSP下位機系統(tǒng)算法控制圖26 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)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(tǒng)能夠?qū)⒂脩糇灾频哪K融入系統(tǒng)，或者代替現(xiàn)有的系統(tǒng)模塊，而系統(tǒng)的完整性并不受到影響。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖26所示。 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的開放性還體現(xiàn)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(shè)置，加工參數(shù)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(tǒng)集成。向其他系統(tǒng)提供加工過程數(shù)據(jù)。在控制系統(tǒng)的下層，DSP將接受上位PC機傳來的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)具體的運動控制。在這一層上，系統(tǒng)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)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(shù)的修改和效果反饋等。這些服務(wù)由程序的基本系統(tǒng)服務(wù)部分完成。 PCI控制卡接口(WDM驅(qū)動程序)負責(zé)PC命令的解釋執(zhí)行，它向服務(wù)程序提供一個與硬件無關(guān)的接口，將具體的硬件端口操作屏蔽起來。本章小結(jié) 本章結(jié)合當(dāng)今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進展，對CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特點進行了分析，討論了CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(chǔ)上提出了開放體系CNC系統(tǒng)的設(shè)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(tǒng)的軟、硬件結(jié)構(gòu)構(gòu)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(jié)構(gòu)目標(biāo)下基本的CNC系統(tǒng)硬件，分析數(shù)控系統(tǒng)硬件開放化的基本設(shè)計原則，以及應(yīng)用PC平臺構(gòu)成CNC系統(tǒng)的硬件模塊劃分和總線選擇方法，提出基于現(xiàn)場總線的模塊化，分布式CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。硬件是CNC系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)?；赑C的開放式CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)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(shù)的遷移。因此，開放體系結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件應(yīng)該是以總線和網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的模塊化拓撲結(jié)構(gòu)。而系統(tǒng)硬件的開放性不僅僅表現(xiàn)在公開其硬件設(shè)計的技術(shù)細節(jié)和詳細結(jié)構(gòu)參數(shù)，更重要的是在于其結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xiàn)中，采用一次策略將有助于開放式CNC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的開放化設(shè)計。 專用CNC采用自行定義的總線規(guī)范，其技術(shù)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?；赑C的開放式CNC系統(tǒng)采用通用標(biāo)準(zhǔn)總線技術(shù)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(shù)據(jù)總