理学开放式数控系统

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,一 概 述,随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用,CNC,系统之间的,自成一体,所带来的互不兼容的弊病，迫切需求具有配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实现统一管理的开放式系统。,各国纷纷开展新一代开放式体系结构数控系统的情况：,美国：“下一代工作站,/,机床控制器体系结构”,NGC,欧共体：“自动化系统中开放式体系结构”,OSACA,日本：,OSEC,计 划等,1987,年，美国提出了,下一代控制器,计划,NGC(Next Generation Workstation/Machine Controller),和,开放式系统体系结构标准,SOSAS(Standards of Open System Architecture for Automatic Systems),首次提出了开放式体系结构的概念。,1992,年，,OSACA-Open System Architecture for Controls within Automation Systems,Open System Environment for Controllers,二 开放式数控系统的定义及优点,1,开放式数控系统的概念及特点,IEEE,定义开放式系统为：,一个开放式系统应能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户交互界面。,从目前研究来看，开放式数控系统体系结构还,没有统一、明确的概念,，实现技术还处于百家争鸣的阶段。,一般来说，对于开放式数控系统都强调五个方面的性能特征：,即插即用,(plug&play):,数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力，以满足具体控制功能要求；,可移植性,(portability):,功能模块可运行于不同的控制系统内；,易于实现,智能化、网络化,的要求。,可扩展性,(expandability):,功能相似、接口相同的模块之间可相互替换，有随技术进步而更新硬软件的可能；,可缩放性,(scalability):,控制系统的大小（模块的数量与实现）可根据具体的应用增减，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用途。,互操作性,(interoperability):,模块之间能相互协作,(,交换数据,),，容易实现和其他自动化设备互连，,可相互替代。,数控系统呈现出,从封闭体系结构向开放体系结构,发展，从,硬数控向软数控方向,发展的趋势。目前数控系统有以下四种：,如,FANUC,、,SIEMENS,等数控系统。,这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。,(1),传统数控系统,(2),开放式数控系统,PC,嵌入,NC,式（衍生式）,NC,嵌入,PC,式（嵌入式）,全软件型（扩展式）,（,1,）,PC,嵌入,NC,（衍生式）,专用,NC+PC,，,在传统的非开放式的,CNC,上插入一块专门开发的个人计算机模板，使传统的专用,CNC,带有个人计算机的特点。,该系统传统,CNC,没有改变，进行实时插补、伺服控制、电源控制以及,I/O,控制等一些实时控制；,PC,部分执行前端管理等非实时控制，例如人机界面，存储和通讯等。,此种模式的控制器主要,出自,CNC,控制器制造商,。其原因一方面是许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用；另一方面是控制器商不可能在短时间内放弃他们传统的专用,CNC,技术。因此，这是一种,折衷方案,：在他们专用,CNC,系统中,PC,的前端接口，使其具有,PC,处理的柔性，也就是说，这种模式只具有部分的开放性，它,不能实现,NC,内核的开放,。,这是数控系统制造商将多年来积累的数控软件技术和当今计算机丰富的软件资源相结合开发的产品。它具有一定的开放性，,但由于它的,NC,部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心。,代表产品有,SIEMENSSINUMERIK,系列、,FANUC18i,、,16i,系,、,Num1060,系统、,AB,9/360,等,列数控系统。国内的华中,I,型数控系统。,PC+NC,控制卡。,PC,机作为系统的核心，将控制卡插入到,PC,的标准扩展槽中完成各种标准数控功能，一般用,PC,机处理各种非实时任务，由硬件扩展卡处理实时任务。,(2)NC,嵌入,PC,（嵌入式,）,这种模式中，,PC,部分能提供一定意义上的开放，控制卡能保证实时性。,以,PC,为基础的,CNC,控制器是目前研究的主流,。美国,Dela Tau Data System,公司的,PMAC-NC,，德国,PA,公司的,PA8000,、美国,Ormec System,公司,Orion,、德国的,Indramat,公司的,MTC200,都是类似这种模式。,这种运动控制卡通常选用高速,DSP,或运动控制芯片,作为,CPU,，具有很强的运动控制和,PLC,控制能力。它本身就是一个数控系统，可以单独使用。它开放的函数库可以在,Windows,、,DOS,和,Linux,平台下自行开发构造所需的控制系统。,如,美国,PMAC,卡,构造的,PMAC-NC,数控系统。,(3),软,型开放式数控系统,（,扩展式）,这是一种真正意义上开放体系结构的数控系统,只需,将,CNC,接口板插到,PC,机的标准插槽中，这里的,PC,是不需要改造的通用,PC,，,整个系统由,PC,扩展而成,。,除伺服驱动和外部,I/O,接口外，其余功能均由软件完成。,个人计算机,既完成前端管理等非实时任务，又完成如实时插补、伺服控制、电源控制以及,I/O,控制等一些实时任务；,CNC,接口板,只担任沟通,PC,接口和物理驱动器接口的任务。,这种模式的数控系统，能实现,NC,内核的开放、用户操作界面的开放，,CNC,可以直接地、或通过网络运行各种应用软件。因而能满足机床制造商和用户的最终要求，它能最大限度地利用,PC,的软硬件资源，适应未来先进制造技术的要求。,用户可在,Win-NT,或,RT-LINUX,等操作系统,平台上，利用开放的,CNC,内核软件，开发所需的各种功能，通过智能软件替代复杂的硬件。,正在成为当代数控系统发展的重要趋势。,其典型产品有美国,MDSI,公司的,Open,CNC,、德国,Power,Automation,公司的,PA8000,NT,等。,开放式体系结构可以大量采用通用,微机技术，使编程、操作以及技术升级和更新,变得更加简单、快捷、开放。数控系统制造商和用户可以根据这些开放的资源进行的,系统集成,，同时它也为用户根据实际需要,灵活配置数控系统,带来极大方便，促进了数控 系统多档次、多品种（特别是各种,非标准，非传统数控设备,）的开发和广泛应用，开发生产周期大大缩短。同时，这种数控系统可随,CPU,或其它组件升级而升级，而其余结构可以保持不变。,开放式数控的出现，对我国的数控装备行业而言，可以说既是一个,挑战,，也是一个千载难逢的,机遇,：因为在开放式数控体系中，大部分原来由硬件完成的工作由,PC,机承当，开发的工作量很大部分在软件部分。,使得我们可以绕过专用数控硬件制造的瓶颈。,目前我国在,PC,机硬件方面，已具备相当的制造水平和规模，以中国人特有的聪明才智，完全可以在数控软件开发中大有作为。,正是开放式数控系统的特性，使其具有传统数控系统无法比拟的优点，成为数控技术发展的方向。开放式数控系统的优点主要有：,2,开放式数控系统的优点,(1),向未来技术开放,。由于软、硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容，这将使系统的开发费用大大降低而系统性能与可靠性将不断改善，并处于长生命周期；,(2),标准化的人机界面,，标准化的编程语言，方便用户使用。,(3),向用户开放,。通过更新产品、扩充功能、提供可供选择的硬软件产品的各种组合以满足用户特殊应用要求，给用户提供一个方法，从低级控制器开始，逐步提高，直到达到所要求的性能为止,.,另外，用户自身的技术能方便地融入，创造出自己的产品。,(4),可减少产品品种,，便于批量生产、提高可靠性和降低成本，增强了市场响应能力和竞争能力。,三 开放式微机数控系统的实现技术,现阶段，真正实现数控系统的完全开放还难以做到，一些数控系统只是具备了开放式系统特点或者开放程度相对大一些而已。,(1)PC,嵌入,NC,模式,(2)NC,嵌入,PC,模式,(3),全软件型开放式数控系统,目前，利用现有,PC,机的软硬件规范设计开放式数控系统，从研究进展及实现技术上看，主要有以下三种：,(1)PC,嵌入,NC,模式,(2)NC,嵌入,PC,模式,(3),全软件型开放式数控系统,PC,与,CNC,之间用,专门的总线连接，因而数据传输快，,响应迅速,;,缺点是,不能直接利用通用的,PC,，开放性受到限制，,NC,部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。这类系统主要为一些,CNC,控制器制造商所采用，其结构复杂、功能强大，价格昂贵。,将运动控制卡插到,PC,的扩展槽中，运动控制卡利用了以,DSP,为核心的多轴运动控制技术，其主要特点在于它的集成化、兼容性和高速性。,这类系统中，,PC,机一般处理各种非实时性的任务,比如人机交互界面、加工图形显示等；而插补、位置控制、速度控制等实时性要求很高的任务则由运动控制卡来完成。运动控制卡配有开放的函数库以供其用户自行开发、构造自己的控制系统。这种类型的开放式数控系统,可以充分利用,PC,的丰富的软硬件资源,并且软件开发周期短,通用性好。,其,CNC,软件全部装在,PC,机中,硬件部分插在,PC,机扩展槽中的,I/O,板,为用户提供最大的灵活性。,此类系统运行在通用的非实时,windows,操作系统平台上,系统的实时性处理便成为一难点。针对其弱实时的特性,通常对其内核进行实时扩展,引入强实时扩展软件,以处理强实时任务。,尽管全软件数控系统提供了高度开放的体系结构,但由于操作系统的实时性、标准的统一性以及系统的稳定性等一系列问题,此类系统还处于研究和实验阶段,尚未成熟。,采用,NC,嵌入,PC,的模式来构建开放式数控系统是当前一种可行的有效的方法。,四、基于,PMAC(PC+NC,型,),的开放式数控系统设计,PC-NC,模式开放式数控系统的结构,扩展接口卡,1,扩展接口卡,2,运动控制卡,控制软件,A,B,C,PC,操作系统,控制卡设备驱动,控制软件扩展,控制结口扩展,PC,硬件接口规范,PC,软件接口规范,数控机床,1,、,PC+NC,模式数控系统构成,PMAC,(programmable multi-axes controller),是美国,DELTA TAU,公司九十年代推出的多轴运动控制器。是开放式多轴运动控制器的代表。,采用板卡结构，,支持多种,总线通讯型式,（,包括,PC/104,、,ISA,、,PCI,、,VME,和,STD,等），产品主要有,：,PMAC2A-PC/104,、,Turbo PMAC Clipper,、,Turbo PMAC2 PCI,、,PMAC2 PCI,、,Turbo PMAC PCI,、,UMAC,、,QMAC,。它们,既可联机也可脱机独立工作,。,应用,PC+PMAC,控制卡构成的,PMAC,开放式数控系统,获得了良好的应用效果。,2,、,PMAC,控制卡,PMAC,运动控制器,集运动控制和,PLC,控制,于一体，,PMAC,以,Motorola,56000,系列,DSP,为,CPU,，具有优秀的插补计算、伺服和,I/O,接口等实时控制能力，最多可控制,32,轴（,Turbo,PMAC,）。,PMAC PC104,PMAC PC104,扩展卡,PMAC,PC104,扩展卡,2.1,、,PMAC,控制卡的特点,(1),可与不同伺服系统的连接：伺服接口有模拟式和数字式两种，能连接模拟、数字伺服驱动器，交、直流伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器。,(2),可与不