0 概述

　　計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)是20世紀70年代發(fā)展起來的機床控制新技術，它是綜合了計算機、通信、微電子、自動控制、傳感測試、機械制造等技術而形成的一門邊緣學科。數(shù)控技術是計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)和工廠自動化(FA)的基礎之一，也是振興國家機床工業(yè)、增強制造業(yè)國際競爭力的基礎。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、小型計算機數(shù)控和微型電子計算機數(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)濟性二現(xiàn)在，計算機數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)進入第6代—開放式計算機數(shù)控系統(tǒng)。

　　在一套計算機數(shù)控系統(tǒng)中，起著關鍵作用的組成部分是其中的計算機數(shù)字控制裝置和伺服系統(tǒng)，系統(tǒng)的計算速度、實時性、伺服更新速度、資源管理能力、數(shù)字通信、精密控制、微量進給等性能都取決于這兩個部分。尤其是計算機數(shù)控裝置甲也就是運動控制單元，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動控制單元的快速控制能力，由它可完成數(shù)控系統(tǒng)中實時性要求比較高的插補、位置控制、開關量I/O控制任務，實現(xiàn)CNC系統(tǒng)中多軸聯(lián)動的插補計算、位置控制等功能，使用這樣的運動模塊并輔助以其他的設備部件，可以方便靈活地構建應用于不同場臺的運動控制系統(tǒng)。

1 PMAC運動控制器

　　隨著計算機控制技術和先進制造技術的發(fā)展，人們逐漸認識到專用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、功能擴展簡便、基于統(tǒng)一的規(guī)范和易于實現(xiàn)統(tǒng)一管理的開放式系統(tǒng)。這時，創(chuàng)建一個強有力的開放性體系結構已是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的最重要趨勢。90年代開始，一些發(fā)達國家針對CNC所面臨的問題和開放式數(shù)控發(fā)展的必然趨勢，以設計生產(chǎn)開放式數(shù)控系統(tǒng)作為目標，相繼推出了各自的開放式體系結構規(guī)范，這其中有美國的NGC和。MAG計劃，歐盟的OSACA計劃，日本的OSEC計劃等。

　　其中，美國提出的下一代控制器計劃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，希望通過實現(xiàn)基于相互操作和分級式模塊SOSSA(開放式體系結構標準規(guī)范〕對封閉性問題進行解決，在NGC計劃中提出了“開放式系統(tǒng)體系結構”的新一代數(shù)控概念，這種體系結構允許不同的設計人員開發(fā)可互交換和相互操作的控制器部件，其最大的特點就是外部接口的公開性。與此同時，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的指導下，聯(lián)臺提出了OMAC(開放式模塊化體系結構控制器)的開發(fā)計劃，其目的是開發(fā)一種模塊化的可重構控制系統(tǒng)，隨時可納入或集成模塊化軟件與硬件，使之重構成一個高效的控制器。

　　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)體系結構標準開發(fā)的開放式可編程多軸運動控制器。它借助于Motorola的D5P5GU01/5GOa2數(shù)字信號處理器，可同時控制1--- 8個軸，既可單獨執(zhí)行存儲于其內(nèi)部的程序，也可執(zhí)行運動程序和R研呈序，并進行伺服環(huán)更新及以串口總線兩種方式與上位機進行通信;PMPC還可白動對任務優(yōu)先級進行判別，從而進行實時多任務處理。這一功能使得它在處理時間和任務切換這兩方面大大減輕了主機和編程器的負擔，提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。PMPC運動控制器將極強的處理能力和高度的通用性結合起來，可適應多種總線結構，多種電機類型、多種反饋元件、多種命令數(shù)據(jù)結構。PMPC可通過RS-2321RS422串行數(shù)據(jù)口同計算機進行串行通信，或通過別立寬數(shù)據(jù)的總線同計算機進行通信，它還有著廣泛的應用范圍，如各種數(shù)控機車、印刷機械、包裝機械、自動生產(chǎn)線、物料裝卸，自動焊接、硅片加工、激光切割等，還可應用于機器人的控制系統(tǒng)中，用PMPC璐空制器進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70-80年代，數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展進入到了普及和應用的成熟期，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)，沒有一個強有力的體系結構予以支撐，在控制軟件開發(fā)上缺乏持久開發(fā)的能力，不能進行高可靠性的軟件擴展，不能滿足用戶對其二次開發(fā)的需要;系統(tǒng)專用性強，通用性差，軟件為系統(tǒng)的制造商所有，不便干功能的擴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，對機床制造商和用戶的要求較高。同時，隨著數(shù)控技術的不斷往前發(fā)展，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)也變得越來越復雜，其自身的缺陷又限制了它的應用，因為傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)都是基于缺乏靈活性的、專有設計的基礎上完成的，它具有不同的編程語言，非標準的人機接口，多種實時操作系統(tǒng)，是一種沒有共同性和標準接口的封閉性系統(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，先進技術的難適應性，應用范圍的固定性，軟件的不可再用性等。因此，為適應數(shù)控進線和聯(lián)網(wǎng)能力及個性化要求，創(chuàng)建一個新的強有力的開放性體系結構已是數(shù)控發(fā)展的最重要趨勢。

　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，是計算機硬件技術、信息技術、控制技術融入數(shù)控技術的產(chǎn)物二開放式數(shù)控系統(tǒng)具有強大的適應性和靈活配置能力，能適應各種設備，可靈活配置，隨意集成:所采用的控制軟件具有及時擴展和聯(lián)結功能，可以順應新技術的發(fā)展，加入各種新功能;不僅能適應計算機技術和信息技術的快速和更新?lián)Q代，而且能有效保護用戶原有投資:操作簡單，維護方便;遵循統(tǒng)一的標準體系結構規(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，市場上的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有以下兩種結構:(1)專用數(shù)控加R浦方端的復合式結構。(2)通用PC;加實時控制單元的遞階式結構:利用開放式數(shù)控系統(tǒng)上PC機的WINDOWS環(huán)境形成良好的人機界面:利用PC機的資源優(yōu)勢，采用軟件來實現(xiàn)現(xiàn)代控制技術開放式結構平臺(運動控制器)可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)需要，且具有與硬件無關的特性，設備層高速度、高可靠性，標準化的數(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)有下面幾個方面的優(yōu)勢:

　　(1)基于開放結構控制器平臺的開放結構

　　跨平臺特性:通過開放結構控制器平臺軟件，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的跨平臺運行?？芍貥嬓?用戶可根據(jù)自己的設備特點和需求，只需改變數(shù)控系統(tǒng)的軟件拓撲結構，就可建立不同的數(shù)控系統(tǒng)。廣泛的兼容性基于開放結構控制器平臺的硬件無關性，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支持的操作系統(tǒng)即可二

　　(2)標準化、模塊化的硬件結構

　　基于標準總線的模塊化結構:開放體系結構的CNC系統(tǒng)硬件，建立在基干標準總線的模塊化設計拓撲結構上，數(shù)控系統(tǒng)可以運行在多種標準化總線上二伺服層的數(shù)字通訊:CNC平臺和機床驅動部分之間支持多種國際標準數(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，使得同一硬件平臺上可以控制數(shù)量眾多且不同種類的底層設備，進行多軸數(shù)控機床或數(shù)控生產(chǎn)線白勺控制。

　　(3)先進的人機交互功能

　　友好的、開放的人機界面:基于windows環(huán)境的統(tǒng)一風格的界面，具有界面可配置性和多種零件加工信息輸入功能。動態(tài)圖形仿真功能:可以動態(tài)模擬某-NC程序對應的加工過程，按一定比例動態(tài)顯示刀具和工件之間的相對運動位置關系。

　　(4)插補功能

　　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)同時或者不同時的執(zhí)行不同的零件程序，從而提高系統(tǒng)的效率。NURTBS插補功能:具有NURBS插補功能的數(shù)控系統(tǒng)，可以用數(shù)學方法來精確的描述幾乎所有的曲線和曲面，從而實現(xiàn)自由曲面的精確加工。高速、高精度插補:在數(shù)控系統(tǒng)中融入誤差補償技術，降低各種工件加工誤差，提高工件精度。

　　(5)網(wǎng)絡功能

　　制造環(huán)境內(nèi)部的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造過程的集成。制造環(huán)境與整個企業(yè)的網(wǎng)絡化，實現(xiàn)制造環(huán)境與企業(yè)中工程設計、管理信息系統(tǒng)、設備維護等各子系統(tǒng)的集成;機床操作工人通過網(wǎng)絡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)絡化，實現(xiàn)企業(yè)間的資源共享、組合和優(yōu)化利用，實現(xiàn)異地制造，遠程診斷。

　　基于HviAC白勺開放式數(shù)控系統(tǒng)就是采用了第二種結構的新一代數(shù)控系統(tǒng)，利用PMAG強大的運算和處理能力。進行數(shù)控系統(tǒng)的底層實時控制，用PC機進行數(shù)控系統(tǒng)中一些上層的對實時性要求不是很高的任務處理和協(xié)調(diào)。基于PIvIAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。

 
圖1基于PIvIAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結構框圖

　　基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)利用PC機上WINDOWS環(huán)境形成良好的人機界面;利用PC機的資源優(yōu)勢采用軟件來實現(xiàn)現(xiàn)代控制技術;開放結構平臺可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適合聯(lián)網(wǎng)的需要，且具有硬件無關的特性?；赑MAC的開放結構數(shù)控系統(tǒng)，采用了標準的PC硬件和標準的操作系統(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。由于標準的網(wǎng)絡速度一般在幾+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?。由于硬盤的容量大，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，同時也不需要曲面和樣條插補，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或并口計算機進行通信，這便干進行網(wǎng)絡連接，易于實現(xiàn)工廠自動化。通過PMAC這樣的開放結構控制平臺，可以任意添加應用模塊:通過PMAC控制平臺的配置系統(tǒng)，可根據(jù)用戶的結構要求，改變各應用模塊之間的拓撲關系，實現(xiàn)系統(tǒng)的可重構性;PMAC開放結構控制器平臺的建立，使控制系統(tǒng)具有硬件無關性，用戶根據(jù)需求選用通用計算機控制。

3 結束語

　　放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，基干PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在開發(fā)結構控制平臺上的新一代數(shù)控系統(tǒng)，是實現(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，具有廣泛的工程實踐價值，值得推廣使用。