0 概述

　　計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的機(jī)床控制新技術(shù)，它是綜合了計(jì)算機(jī)、通信、微電子、自動(dòng)控制、傳感測(cè)試、機(jī)械制造等技術(shù)而形成的一門邊緣學(xué)科。數(shù)控技術(shù)是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)和工廠自動(dòng)化(FA)的基礎(chǔ)之一，也是振興國家機(jī)床工業(yè)、增強(qiáng)制造業(yè)國際競爭力的基礎(chǔ)。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過了5代電子元器件的更新:電子管、晶體管、中小規(guī)模集成電路、小型計(jì)算機(jī)數(shù)控和微型電子計(jì)算機(jī)數(shù)控，這些發(fā)展更新大大豐富了系統(tǒng)的控制功能，提高了數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟(jì)性二現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入第6代—開放式計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

　　在一套計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)中，起著關(guān)鍵作用的組成部分是其中的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)的計(jì)算速度、實(shí)時(shí)性、伺服更新速度、資源管理能力、數(shù)字通信、精密控制、微量進(jìn)給等性能都取決于這兩個(gè)部分。尤其是計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置甲也就是運(yùn)動(dòng)控制單元，更是數(shù)控系統(tǒng)的核心單元模塊，數(shù)控系統(tǒng)的性能、精度一定程度上依賴干運(yùn)動(dòng)控制單元的快速控制能力，由它可完成數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性要求比較高的插補(bǔ)、位置控制、開關(guān)量I/O控制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)CNC系統(tǒng)中多軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)計(jì)算、位置控制等功能，使用這樣的運(yùn)動(dòng)模塊并輔助以其他的設(shè)備部件，可以方便靈活地構(gòu)建應(yīng)用于不同場(chǎng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 PMAC運(yùn)動(dòng)控制器

　　隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，人們逐漸認(rèn)識(shí)到專用CNC系統(tǒng)之間的自成一體所帶來的問題，迫切要求具有靈活配置、功能擴(kuò)展簡便、基于統(tǒng)一的規(guī)范和易于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理的開放式系統(tǒng)。這時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)強(qiáng)有力的開放性體系結(jié)構(gòu)已是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的最重要趨勢(shì)。90年代開始，一些發(fā)達(dá)國家針對(duì)CNC所面臨的問題和開放式數(shù)控發(fā)展的必然趨勢(shì)，以設(shè)計(jì)生產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)作為目標(biāo)，相繼推出了各自的開放式體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，這其中有美國的NGC和。MAG計(jì)劃，歐盟的OSACA計(jì)劃，日本的OSEC計(jì)劃等。

　　其中，美國提出的下一代控制器計(jì)劃NGG(Next C}eneraLion Machine Controller)的目的是指定一套新一代開放式控制系統(tǒng)的規(guī)范，希望通過實(shí)現(xiàn)基于相互操作和分級(jí)式模塊SOSSA(開放式體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范〕對(duì)封閉性問題進(jìn)行解決，在NGC計(jì)劃中提出了“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)”的新一代數(shù)控概念，這種體系結(jié)構(gòu)允許不同的設(shè)計(jì)人員開發(fā)可互交換和相互操作的控制器部件，其最大的特點(diǎn)就是外部接口的公開性。與此同時(shí)，美國的汽車3巨頭(通用、福特、克萊斯勒)為解決自身發(fā)展中碰到的問題，在NGC的指導(dǎo)下，聯(lián)臺(tái)提出了OMAC(開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器)的開發(fā)計(jì)劃，其目的是開發(fā)一種模塊化的可重構(gòu)控制系統(tǒng)，隨時(shí)可納入或集成模塊化軟件與硬件，使之重構(gòu)成一個(gè)高效的控制器。

　　PMPC(Programn able Multiple-AxisContraller)就是在這種大背景下，由美國的DeltaTau公司遵循開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的開放式可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器。它借助于Motorola的D5P5GU01/5GOa2數(shù)字信號(hào)處理器，可同時(shí)控制1--- 8個(gè)軸，既可單獨(dú)執(zhí)行存儲(chǔ)于其內(nèi)部的程序，也可執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序和R研呈序，并進(jìn)行伺服環(huán)更新及以串口總線兩種方式與上位機(jī)進(jìn)行通信;PMPC還可白動(dòng)對(duì)任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行判別，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)多任務(wù)處理。這一功能使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕了主機(jī)和編程器的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。PMPC運(yùn)動(dòng)控制器將極強(qiáng)的處理能力和高度的通用性結(jié)合起來，可適應(yīng)多種總線結(jié)構(gòu)，多種電機(jī)類型、多種反饋元件、多種命令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。PMPC可通過RS-2321RS422串行數(shù)據(jù)口同計(jì)算機(jī)進(jìn)行串行通信，或通過別立寬數(shù)據(jù)的總線同計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，它還有著廣泛的應(yīng)用范圍，如各種數(shù)控機(jī)車、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、自動(dòng)生產(chǎn)線、物料裝卸，自動(dòng)焊接、硅片加工、激光切割等，還可應(yīng)用于機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，用PMPC璐空制器進(jìn)行控制可以很好地協(xié)調(diào)其執(zhí)行工作。

2 基于PMPC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　2.1 傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)

　　21世紀(jì)70-80年代，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入到了普及和應(yīng)用的成熟期，但各廠家研制和生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)都是一種封閉式系統(tǒng)，沒有一個(gè)強(qiáng)有力的體系結(jié)構(gòu)予以支撐，在控制軟件開發(fā)上缺乏持久開發(fā)的能力，不能進(jìn)行高可靠性的軟件擴(kuò)展，不能滿足用戶對(duì)其二次開發(fā)的需要;系統(tǒng)專用性強(qiáng)，通用性差，軟件為系統(tǒng)的制造商所有，不便干功能的擴(kuò)展和各種軟件的支撐、更新，軟件的可移植性差，組網(wǎng)通訊能力差，對(duì)機(jī)床制造商和用戶的要求較高。同時(shí)，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷往前發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)也變得越來越復(fù)雜，其自身的缺陷又限制了它的應(yīng)用，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是基于缺乏靈活性的、專有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成的，它具有不同的編程語言，非標(biāo)準(zhǔn)的人機(jī)接口，多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是一種沒有共同性和標(biāo)準(zhǔn)接口的封閉性系統(tǒng)甲其封閉性也帶來了一系列的問題，比如軟、硬件的透明性不夠，先進(jìn)技術(shù)的難適應(yīng)性，應(yīng)用范圍的固定性，軟件的不可再用性等。因此，為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線和聯(lián)網(wǎng)能力及個(gè)性化要求，創(chuàng)建一個(gè)新的強(qiáng)有力的開放性體系結(jié)構(gòu)已是數(shù)控發(fā)展的最重要趨勢(shì)。

　2.2 基于PMPC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控發(fā)展的大方向，是計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)融入數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)物二開放式數(shù)控系統(tǒng)具有強(qiáng)大的適應(yīng)性和靈活配置能力，能適應(yīng)各種設(shè)備，可靈活配置，隨意集成:所采用的控制軟件具有及時(shí)擴(kuò)展和聯(lián)結(jié)功能，可以順應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展，加入各種新功能;不僅能適應(yīng)計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速和更新?lián)Q代，而且能有效保護(hù)用戶原有投資:操作簡單，維護(hù)方便;遵循統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)規(guī)范，模塊之間具有兼容性，部件具有互換性和互操作性;

　　目前，市場(chǎng)上的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有以下兩種結(jié)構(gòu):(1)專用數(shù)控加R浦方端的復(fù)合式結(jié)構(gòu)。(2)通用PC;加實(shí)時(shí)控制單元的遞階式結(jié)構(gòu):利用開放式數(shù)控系統(tǒng)上PC機(jī)的WINDOWS環(huán)境形成良好的人機(jī)界面:利用PC機(jī)的資源優(yōu)勢(shì)，采用軟件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù)開放式結(jié)構(gòu)平臺(tái)(運(yùn)動(dòng)控制器)可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要，且具有與硬件無關(guān)的特性，設(shè)備層高速度、高可靠性，標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)字通訊，可滿足用戶私有要求且保證高性能、低成本;具體來說，開放式數(shù)控系統(tǒng)有下面幾個(gè)方面的優(yōu)勢(shì):

　　(1)基于開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)的開放結(jié)構(gòu)

　　跨平臺(tái)特性:通過開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的跨平臺(tái)運(yùn)行?？芍貥?gòu)性:用戶可根據(jù)自己的設(shè)備特點(diǎn)和需求，只需改變數(shù)控系統(tǒng)的軟件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就可建立不同的數(shù)控系統(tǒng)。廣泛的兼容性基于開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)的硬件無關(guān)性，用戶可以選用符合自己需求的控制器，只要采用控制器平臺(tái)支持的操作系統(tǒng)即可二

　　(2)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件結(jié)構(gòu)

　　基于標(biāo)準(zhǔn)總線的模塊化結(jié)構(gòu):開放體系結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)硬件，建立在基干標(biāo)準(zhǔn)總線的模塊化設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，數(shù)控系統(tǒng)可以運(yùn)行在多種標(biāo)準(zhǔn)化總線上二伺服層的數(shù)字通訊:CNC平臺(tái)和機(jī)床驅(qū)動(dòng)部分之間支持多種國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字通訊接口和通用協(xié)議來控制伺服軸、主軸和PLC-I/O接口。CNC與伺服系統(tǒng)之間通訊具有很高的可靠性，很大的信息容量和傳輸速率，使得同一硬件平臺(tái)上可以控制數(shù)量眾多且不同種類的底層設(shè)備，進(jìn)行多軸數(shù)控機(jī)床或數(shù)控生產(chǎn)線白勺控制。

　　(3)先進(jìn)的人機(jī)交互功能

　　友好的、開放的人機(jī)界面:基于windows環(huán)境的統(tǒng)一風(fēng)格的界面，具有界面可配置性和多種零件加工信息輸入功能。動(dòng)態(tài)圖形仿真功能:可以動(dòng)態(tài)模擬某-NC程序?qū)?yīng)的加工過程，按一定比例動(dòng)態(tài)顯示刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)位置關(guān)系。

　　(4)插補(bǔ)功能

　　提供多軸多通道功能:具有多軸多通道的數(shù)控系統(tǒng)，可以在不同的通道內(nèi)同時(shí)或者不同時(shí)的執(zhí)行不同的零件程序，從而提高系統(tǒng)的效率。NURTBS插補(bǔ)功能:具有NURBS插補(bǔ)功能的數(shù)控系統(tǒng)，可以用數(shù)學(xué)方法來精確的描述幾乎所有的曲線和曲面，從而實(shí)現(xiàn)自由曲面的精確加工。高速、高精度插補(bǔ):在數(shù)控系統(tǒng)中融入誤差補(bǔ)償技術(shù)，降低各種工件加工誤差，提高工件精度。

　　(5)網(wǎng)絡(luò)功能

　　制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)制造過程的集成。制造環(huán)境與整個(gè)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設(shè)計(jì)、管理信息系統(tǒng)、設(shè)備維護(hù)等各子系統(tǒng)的集成;機(jī)床操作工人通過網(wǎng)絡(luò)查詢技木資料和尋求幫助的功能。企業(yè)與企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)化，實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合和優(yōu)化利用，實(shí)現(xiàn)異地制造，遠(yuǎn)程診斷。

　　基于HviAC白勺開放式數(shù)控系統(tǒng)就是采用了第二種結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，利用PMAG強(qiáng)大的運(yùn)算和處理能力。進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的底層實(shí)時(shí)控制，用PC機(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)中一些上層的對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很高的任務(wù)處理和協(xié)調(diào)?；赑IvIAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

 
圖1基于PIvIAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

　　基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)利用PC機(jī)上WINDOWS環(huán)境形成良好的人機(jī)界面;利用PC機(jī)的資源優(yōu)勢(shì)采用軟件來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代控制技術(shù);開放結(jié)構(gòu)平臺(tái)可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)的需要，且具有硬件無關(guān)的特性?；赑MAC的開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的PC硬件和標(biāo)準(zhǔn)的操作系統(tǒng)，使專用控制器數(shù)控系統(tǒng)的局限性得到了根本的解決。由于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)速度一般在幾+Mbps(RS232  RS485一般在幾十kbps)，使數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣忍岣吡藥浊П?，加工前一次傳輸，保證了程序傳輸?shù)目煽啃浴Ｓ捎谟脖P的容量大，讀取的速度極快，即使上百兆0. 0 Irm長度的空間直線段系統(tǒng)加工速度也可到每分鐘幾十米。這樣即解決了大程序量的高速高精度的加工問題，同時(shí)也不需要曲面和樣條插補(bǔ)，和現(xiàn)有的CAD,  CAM系統(tǒng)可方便的集成。由于PMAC可通過串口RS232, RS485或并口計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，這便干進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，易于實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化。通過PMAC這樣的開放結(jié)構(gòu)控制平臺(tái)，可以任意添加應(yīng)用模塊:通過PMAC控制平臺(tái)的配置系統(tǒng)，可根據(jù)用戶的結(jié)構(gòu)要求，改變各應(yīng)用模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可重構(gòu)性;PMAC開放結(jié)構(gòu)控制器平臺(tái)的建立，使控制系統(tǒng)具有硬件無關(guān)性，用戶根據(jù)需求選用通用計(jì)算機(jī)控制。

3 結(jié)束語

　　放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，基干PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在開發(fā)結(jié)構(gòu)控制平臺(tái)上的新一代數(shù)控系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高效的現(xiàn)代加工制造系統(tǒng)的重要組成部分，具有廣泛的工程實(shí)踐價(jià)值，值得推廣使用。