龍門銑床數(shù)控系統(tǒng)改造

1 引言

    模塊化開放式數(shù)控系統(tǒng)是當今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向。多CPU開放式數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的最主要途徑是數(shù)控系統(tǒng)的PC化，PC化有三種途徑：1）在PC機上增加數(shù)控模塊；2）在數(shù)控系統(tǒng)上增加PC模塊；3）以軟盤文件的形式來管理數(shù)控程序，把CNC模塊插人PC機中是PC化的一種主要方式，PMAC（Programmabb Moltiple Axes Controller）運動控制器就是這樣的一個數(shù)控模塊。本文提出了以PMAC運動控制器作為CNC模塊，工業(yè)控制機為系統(tǒng)支撐單元的雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng)，并將該控制系統(tǒng)應(yīng)用于龍門銑床數(shù)控數(shù)字化測量加工系統(tǒng)的開發(fā)，取得了良好的效果。

    本文介紹了基于PMAC的并行雙CPU開放式數(shù)控數(shù)字化測量加工系統(tǒng)，并給出硬、軟件的設(shè)計框圖。本系統(tǒng)的特點是：各微處理器并行工作，軟件工作被分散到各級處理器，實現(xiàn)了WlNDOWS／NT環(huán)境下實時多任務(wù)處理，提高了系統(tǒng)的執(zhí)行速度.

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2．1 PMAC介紹

    可編程多軸控制器PMAC是美國Delta Tau公司的產(chǎn)品。PMAC運動控制器是一個擁有高性能伺服運動的控制器，它借助于Motorola的DSP56001／56002數(shù)字信號處理器，可以同時操縱1—8個軸。這八根軸可以互相聯(lián)動以便進行完全協(xié)調(diào)的運動；每一根軸也可以被放人它自己的坐標中，從而得到八個完全獨立的運動；或者它們中的其它組合形式。

    PMAC運動控制器能夠通過存儲在它自己內(nèi)部的程序進行單獨的操作和運算，而且可以自動對任務(wù)進行優(yōu)先等級判別，從而進行實時的多任務(wù)處理。PMAC具有的這種同時執(zhí)行多個任務(wù)并能夠正確地進行優(yōu)先級排序的能力，使得它在處理時間和任務(wù)切換的復(fù)雜性這兩方面大大減輕主機和編程器的負擔，提高整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。除此而外，PMAC還具有執(zhí)行運動程序、執(zhí)行PLC程序、伺服環(huán)更新、資源管理及與主機通信等功能。

2．2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

    龍門銑床控制系統(tǒng)采用工業(yè)控制機（IPC）為基礎(chǔ)，在工控機主板上的內(nèi)擴展槽插上PMAC多軸運動控制器和雙端口存儲器（DPRAM），形成該機床的控制中心。工控機上的CPU 與PMAC 的CPU（DSP56001）構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)，兩個CPU各自實現(xiàn)相應(yīng)的功能，其中PMAC主要完成機床三軸的運動控制、控制面板開關(guān)量的控制和數(shù)字化采集的控制，工控機則主要實現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能。為了實現(xiàn)PMAC多軸運動控制的功能，還需在PMAC板上擴展相應(yīng)的I／O板、伺服驅(qū)動單元、伺服電機、編碼器等，最終形成一個完整的控制系統(tǒng)�？刂葡到y(tǒng)硬件由主額為233MHz的工業(yè)控制機、PMAC．Lite 1．5運動控制器、I／O板、雙端口RAM（DPRAM）、伺服單元及交流伺服電機等組成。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

    1）PMAC運動控制器與主機之問的通訊采用了兩種方式。一種是總線通訊方式，另一種是利用DPRAM進行數(shù)據(jù)通信，主機與PMAC運動控制器主要通過PC總線通訊，至于控制卡和電機的狀態(tài)、電機位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)則通過DPRAM交換信息�？偩�通訊方式是指主機到指定的地址上去尋找PMAC運動控制器，其中指定的地址是由PMAC的跳線確定。雙端口RAM主要是用來與PMAC進行快速的數(shù)據(jù)通訊和命令通訊。一方面，雙端口RAM在用于向PMAC寫數(shù)據(jù)時，在實時狀態(tài)下能夠快速地將位置數(shù)據(jù)信息或程序信息進行重復(fù)下載：另一方面，雙端口RAM在用于從PMAC中讀取數(shù)據(jù)時，可以快速地重復(fù)地獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息。譬如，交流伺服電機的狀態(tài)、位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)可以不停被更新，并且能夠被PLC或被PMAC自動地寫入DPRAM。如果系統(tǒng)中不使用DPRAM，這些數(shù)據(jù)必須用PMAC的在線命令（如?、P、V等），通過PC總線進行數(shù)據(jù)的存取。由于通過DPRAM進行的數(shù)據(jù)存取不需要經(jīng)過通訊13發(fā)送命令和等待響應(yīng)，所以所需的時間要少得多，因此響應(yīng)的速度就快得多。在該控制系統(tǒng)中，主機和PMAC之間數(shù)據(jù)的傳送利用了PMAC為DPRAM提供的如下功能：

    ● DPRAM控制面板功能（從主機到PMAC）；

    ●DPRAM伺服系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋功能（從PMAC到主機）；

    ●DPRAM后臺常量狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋功能（從PMAC到主機）；

    ● DPRAM后臺變量狀態(tài)數(shù)據(jù)反饋功能（從PMAC到主機）；

    ● DPRAM ASCII通訊緩沖區(qū)（雙向）；

    ● DPRAM 二進制轉(zhuǎn)換程序緩沖區(qū)（從主機到PMAC）；

    除了上面快速自動的存取功能外，還可以用PMAC的M 變量和主機的指針變量來指定DPRAM中還沒有被使用的寄存器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在主機與PMAC之間的傳進。而PMAC在使用數(shù)據(jù)采集功能時，所采集的數(shù)據(jù)直接送到DPRA～I中，而不是常規(guī)的RAM 中。

    該控制系統(tǒng)利用了DPRAM進行數(shù)據(jù)的自動存取，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)加工精度，該機床控制系統(tǒng)的分辨率為1ttm，同時也方便了控制系統(tǒng)中模塊之間的陜速通訊和地址表的設(shè)定，便于編程。

    2）PMAC系統(tǒng)的內(nèi)置PLC功能是經(jīng)智能I／O接口的輸入輸出實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中，送人PLC的輸入信號主要有：操作面板和機床上的控制按鈕、選擇開關(guān)等信號；各軸的行程開關(guān)、機械零點開關(guān)等信號；機床電器動作、限位、報警等信號；強電柜中接觸器、氣動開關(guān)接觸等信號；各伺服模塊工作狀態(tài)信號等這些信號是通過光電隔離以后送到智能I／O接口上，光電隔離有效地將計算機數(shù)字量通道與外部過程模擬量通道隔離起來，大大地減小了外部因素的干擾，提高了整機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PLC輸出的信號主要有：指示燈信號；控制繼電器、接觸器、電磁閥等動作信號；伺服模塊的驅(qū)動使能和速度使能信號等。這些信號經(jīng)I／O接口送到相應(yīng)的繼電器上，最終控制相應(yīng)的電器。

    3）A／D接口板的主要作用是將仿形儀送出的代表壓偏量的額定模擬電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，作為壓偏量反饋信號供閉環(huán)仿形控制或數(shù)據(jù)采集所用。D／A接口將CPU計算出的各軸速度指令信號轉(zhuǎn)化成模擬量送到各軸的交流伺服模塊，以控制各軸伺服電機的運動。該系統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器內(nèi)置于PMAC中，同時通過光電耦臺器進行光電隔離，有效地將數(shù)字地與模擬地隔離開來，提高了系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

    該數(shù)控系統(tǒng)采用了前后臺式結(jié)構(gòu)，相應(yīng)地整個軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序的設(shè)計充分考慮了軟件的開放性，這樣就可以根據(jù)某些具體要求增加軟件的功能模塊，為了實現(xiàn)這樣的功能，要在調(diào)度程序中留有一定的時間片供使用，PMAC應(yīng)用程序提供了利用中斷調(diào)用這些模塊的功能。前臺程序主要包括插補模塊、伺服驅(qū)動模塊、PLC監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)字化加工模塊等，也可以根據(jù)具體要求加入一些新的控制模塊。前臺程序功能模塊如圖2所示。

圖2 前后功能模塊圖

    后臺程序主要實現(xiàn)人機對話、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理等功能。其功能模塊如圖3所示。

圖3 后臺功能模塊圖

4 結(jié)論

    該數(shù)控系統(tǒng)以通用的工業(yè)控制機為基礎(chǔ)，采用功能強大的運動控制器PMAC承擔插補計算、位置控制、速度控制等任務(wù)。實踐證明，這種雙CPU結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的方案是完全可行的。這種設(shè)計方案對于縮短數(shù)控開發(fā)周期．提高數(shù)控系統(tǒng)的加工精度、穩(wěn)定性和多樣性具有重要的意義。