導(dǎo)讀：引言 數(shù)控系統(tǒng)如同計(jì)算機(jī)硬件一樣更新?lián)Q代愈來(lái)愈快。這種發(fā)展也給用戶帶來(lái)了極大的困難和浪費(fèi)。原因是舊型號(hào)的備件難于購(gòu)買(mǎi)，造成數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)代價(jià)太高，同時(shí)，技術(shù)的快速更新也使得用戶手中的許多系統(tǒng)趕不上需求的發(fā)展。這些因素促使用戶進(jìn)行系統(tǒng)的更新?lián)Q
引言
數(shù)控系統(tǒng)如同計(jì)算機(jī)硬件一樣更新?lián)Q代愈來(lái)愈快。這種發(fā)展也給用戶帶來(lái)了極大的困難和浪費(fèi)。原因是舊型號(hào)的備件難于購(gòu)買(mǎi)，造成數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)代價(jià)太高，同時(shí)，技術(shù)的快速更新也使得用戶手中的許多系統(tǒng)趕不上需求的發(fā)展。這些因素促使用戶進(jìn)行系統(tǒng)的更新?lián)Q代，但是，這種更新的代價(jià)是很高的，而且仍不免有淘汰的危險(xiǎn)。對(duì)于專用設(shè)備和特種設(shè)備，用戶更難找到合適的系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行設(shè)備的數(shù)控改造。在我國(guó)數(shù)控市場(chǎng)大部分依賴進(jìn)口的狀況下，這些矛盾尤為突出。
本文通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)改造的實(shí)踐，著重分析了怎樣利用開(kāi)放式控制器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，低成本、高性能的完成用戶所需求的功能。在這里，低成本改造并不意味著低性能，而是盡量節(jié)約用戶已有的設(shè)備資源，同時(shí)，改變傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)造成功能極大浪費(fèi)的缺點(diǎn)，滿足用戶專有需求的高性能。
1 用戶的需求分析
1.1 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)用戶所遇到的問(wèn)題
?。?） 設(shè)備維護(hù)成本高：由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)必須依賴系統(tǒng)制造商的備件。尤其是老產(chǎn)品的備件購(gòu)買(mǎi)很困難。
?。?） 設(shè)備管理、使用困難：由于存在不同品牌，不同年代的產(chǎn)品。
?。?） 升級(jí)、更新困難：大部分須連帶伺服系統(tǒng)更換，代價(jià)太高。
?。?）功能大量浪費(fèi)：用戶不能對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行增刪，對(duì)功能利用不足，造成使用性能與價(jià)格比不高。
（5） 對(duì)專用機(jī)床和特種機(jī)床改造非常困難：不能為用戶配置專用的控制器，用戶也不能在通用的控制器中加入自己的專有功能。
1.2 用戶在數(shù)控改造時(shí)所希望的解決方案
（1）節(jié)約改造成本：盡量能利用用戶手中的設(shè)備資源，降低改造的范圍；控制器在滿足用戶需求的前提下不造成功能的浪費(fèi)。
?。?）不造成使用、維護(hù)的困難：保持用戶界面風(fēng)格的統(tǒng)一性，采用用戶習(xí)慣的操作方式或用戶自己設(shè)計(jì)的人機(jī)界面；標(biāo)準(zhǔn)化的硬件配置使配件價(jià)格較低，開(kāi)放式的設(shè)計(jì)使用戶容易解決故障。
?。?）可靠性高：采用模塊化結(jié)構(gòu)使故障影響范圍減小，改造后的維護(hù)成本低。
（4）適應(yīng)發(fā)展的需要：隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需求越來(lái)越趨向個(gè)性化，當(dāng)代制造業(yè)必然要面向多品種、小批量生產(chǎn)。為適應(yīng)這種生產(chǎn)模式，數(shù)控技術(shù)必須適應(yīng)DNC，CAD／CAM及CIMS的發(fā)展。
?。?）滿足用戶專用設(shè)備的控制要求：通用CNC系統(tǒng)不具備的功能，或應(yīng)用通用CNC系統(tǒng)代價(jià)太高。甚至可滿足冶金、紡織、印刷等行業(yè)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制日益增長(zhǎng)的需求。
2 開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器PMAC的開(kāi)放性
2．1 PMAC簡(jiǎn)介
PMAC（programmable multi－axes controller）是美國(guó)Delta Tau公司九十年代推出的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，它提供運(yùn)動(dòng)控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能。PMAC內(nèi)部使用了一片Motorola DSP 56001數(shù)字信號(hào)處理芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前饋控制，其伺服周期單軸可達(dá)60μs，二軸聯(lián)動(dòng)為110μs。產(chǎn)品的種類(lèi)可從二軸聯(lián)動(dòng)到三十二軸聯(lián)動(dòng)。甚至連接MACRO現(xiàn)場(chǎng)總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進(jìn)行生產(chǎn)線的聯(lián)動(dòng)控制。與同類(lèi)產(chǎn)品相比，PMAC的特性給系統(tǒng)集成者和最終用戶提供了更大的柔性。它允許同一控制軟件在三種不同總線（PC－XT和AT，VME，STD）上運(yùn)行，由此提供了多平臺(tái)的支持特性。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類(lèi)型和多種反饋類(lèi)型。
2．2 與各種產(chǎn)品的匹配
?。?） 與不同伺服系統(tǒng)的連接：伺服接口有模擬式和數(shù)字式兩種，能連接模擬、數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)器，交、直流、直流無(wú)刷伺服電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。
?。?） 與不同檢測(cè)元件的連接：測(cè)速發(fā)電機(jī)、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等。
?。?） PLC功能的實(shí)現(xiàn)：內(nèi)裝式軟件化的PLC，使用類(lèi)似basic的程序，可擴(kuò)展到2048點(diǎn)I／O。
?。?） 界面功能的實(shí)現(xiàn)：按用戶的需求定制。
?。?） 與IPC的通訊：PMAC提供了三種通訊手段——串行方式、并行方式和雙口RAM方式。采用雙口RAM方式可使PMAC與IPC進(jìn)行高速通信，串行方式能使PMAC脫機(jī)運(yùn)行。
?。?）CNC系統(tǒng)的配置：PMAC以計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插卡的形式與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)共同構(gòu)成CNC系統(tǒng)，它可以用PC－XT＆AT，VME，STD32或者PCI總線形式與計(jì)算機(jī)相連。
3 硬件設(shè)計(jì)實(shí)例
我們采用PMAC為運(yùn)動(dòng)控制卡，構(gòu)成NC in PC結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，并用它改造了日本MAZK的QT-10N車(chē)床。該車(chē)床控制系統(tǒng)原有的配置為：三菱CNC控制器，刀具檢測(cè)器，二軸直流伺服系統(tǒng)，速度反饋元件為感應(yīng)式測(cè)試發(fā)電機(jī)，位置反饋元件為旋轉(zhuǎn)變壓器，主軸為交流變頻調(diào)速系統(tǒng)，反饋元件為脈沖編碼器。該機(jī)床CNC控制器已壞，但伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳感器都完好無(wú)損。對(duì)這種控制器功能比較多的復(fù)雜驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和反饋元件類(lèi)型比較多的情況，直接用傳統(tǒng)的控制器來(lái)替代是比較困難的。即使是三菱現(xiàn)在生產(chǎn)的控制器基本上是采用脈沖編碼器作為速度和位置反饋元件，所以，除非連驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一起更換，否則對(duì)其CNC系統(tǒng)的改造是較困難的。
實(shí)際改造中，數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)IPC的CPU為Pentum266，操作系統(tǒng)為Windows NT。PMAC與主機(jī)之間的通信采用雙口RAM來(lái)完成，實(shí)時(shí)控制任務(wù)由PMAC 控制器實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)選件ACC8Dopt7 12位的RDC轉(zhuǎn)換，形成每轉(zhuǎn)4096脈沖的數(shù)字反饋量，用于速度和位置反饋。開(kāi)關(guān)量控制在增加ACC34A接口卡后，I／O擴(kuò)展到80點(diǎn)。利用PMAC 配置的調(diào)試軟件可以用圖形方式直觀而方便地進(jìn)行伺服系統(tǒng)的調(diào)試。經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)跟隨誤差小于2μm。圖1為系統(tǒng)改造后的結(jié)構(gòu)圖。
▲ 圖1 PMAC控制器對(duì)MAZAK QT-10N改造系統(tǒng)
為了伺服系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)的需要，又采用國(guó)產(chǎn)的二個(gè)感應(yīng)式交流伺服電機(jī)AC200-30及KT220驅(qū)動(dòng)器代替原有直流伺服系統(tǒng)，該伺服電機(jī)采用脈沖編碼器作為速度和位置反饋元件。圖2為該構(gòu)成的結(jié)構(gòu)。經(jīng)調(diào)試系統(tǒng)跟隨誤差小于2．5μm。同時(shí)，又利用原三菱的直流伺服電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器，選用一臺(tái)美國(guó)SEMI-power公司的交、直流驅(qū)動(dòng)器代替原來(lái)的三菱直流伺服驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器僅為一個(gè)PWM的功率放大器，伺服系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)和位置調(diào)節(jié)均由PMAC來(lái)完成。PMAC直接輸出PWM信號(hào)作為指令信號(hào)輸入該驅(qū)動(dòng)器。這種配置充分利用了PMAC先進(jìn)的伺服功能，我們將這兩臺(tái)直流伺服電機(jī)和兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)用一個(gè)四軸PMAC卡控制與另一臺(tái)計(jì)算機(jī)，形成一個(gè)CNC的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。圖3為該系統(tǒng)的構(gòu)成。圖中，直流伺服電機(jī)的速度和位置反饋仍用旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)選件ACC8Dopt7 12位的RDC轉(zhuǎn)換，形成每轉(zhuǎn)4096脈沖的數(shù)字反饋量。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可以從PMAC上直接獲得脈沖指令。從這一例改造可以看出，利用PMAC控制器的開(kāi)放特點(diǎn)，用戶可以得到多種方式的改造方案，使原有的進(jìn)口設(shè)備得到充分利用。如：（1）更換CNC系統(tǒng)。（2）更換CNC系統(tǒng)和全部伺服系統(tǒng)。（3）更換CNC系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器，保留伺服電機(jī)。（4）更換CNC系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)器。
▲ 圖2 PMAC控制器對(duì)MAZAK QT-10N的改造2
▲ 圖3 NCinPC開(kāi)發(fā)演示平臺(tái)
4 軟件開(kāi)發(fā)
PMAC具有直線和圓弧插補(bǔ)、S－曲線加減速、三次樣條插補(bǔ)等功能，可以完成用戶定義的G、M、T代碼，因此，用戶的軟件開(kāi)發(fā)工作主要是界面功能的實(shí)現(xiàn)和診斷系統(tǒng)的處理。
4．1 用戶界面功能的開(kāi)發(fā)
PMAC的軟件通訊功能。Delta Tau公司提供了PtalkDT的通訊函數(shù)庫(kù)。采用了微軟公司的構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)ActiveX技術(shù)嵌入PtalkDT的通訊函數(shù)庫(kù)。ActiveX是OLE控件的新標(biāo)準(zhǔn)，它利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)提供了一種用來(lái)源于不同應(yīng)用程序的信息創(chuàng)建復(fù)合文檔的強(qiáng)有力方法。PtalkDT則以ActiveX控件形式提供一套類(lèi)庫(kù)，它包含一系列通訊函數(shù)，提供上位機(jī)與PMAC之間快速有效的通訊，并完成一些出錯(cuò)處理。利用PtalkDT開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序，用戶可專注于開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序的特殊功能，而直接使用已有應(yīng)用程序所具有的功能，避免了重復(fù)開(kāi)發(fā)，提高了開(kāi)發(fā)效率。同時(shí)由于對(duì)象可以在不同應(yīng)用程序間共享，提供了信息的共享性和存儲(chǔ)的有效性。
▲ 圖4 實(shí)例的執(zhí)行頁(yè)面之一
4．2 實(shí)例
在建立PMAC與PC之間雙口RAM通訊的基礎(chǔ)之上，用VC開(kāi)發(fā)了兩軸數(shù)控車(chē)床的ATUO、MDI和手動(dòng)模式及程序輸入、參數(shù)調(diào)整、程序仿真、系統(tǒng)診斷以及位置速度實(shí)時(shí)顯示等基本數(shù)控功能。
以下是開(kāi)發(fā)實(shí)例中的一個(gè)執(zhí)行頁(yè)面。本例中，PMAC完成解釋、刀補(bǔ)、插補(bǔ)算法、位置控制、速度處理以及PLC等全部實(shí)時(shí)控制。
5 結(jié)論
從實(shí)例中可以看出，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)控改造的靈活性和巨大效益。但類(lèi)似PMAC這樣的系統(tǒng)仍然存在不足。第一，CNC的核心部分運(yùn)動(dòng)控制和伺服控制仍是封閉的，這使得用戶仍然要依賴于專用運(yùn)動(dòng)控制卡（雖然控制器的大部分價(jià)值為購(gòu)買(mǎi)通用計(jì)算機(jī)設(shè)備），還沒(méi)有達(dá)到整個(gè)控制器產(chǎn)品的硬件通用化。第二，在界面風(fēng)格和通信協(xié)議上還沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得軟件的可重用性，跨平臺(tái)性不強(qiáng)。歐盟于1992年在ESPRIT計(jì)劃內(nèi)起步開(kāi)發(fā)研究OSACA（Open Architecture for controls within Automation System），OSACA開(kāi)放式控制系統(tǒng)平臺(tái)和系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)的定義，完全符合IEEE給出的標(biāo)準(zhǔn)，這是一種完全開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)。它為用戶提供包括運(yùn)動(dòng)控制核心的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用戶開(kāi)發(fā)的功能模塊也能運(yùn)行于任何符合OSACA標(biāo)準(zhǔn)的控制器產(chǎn)品中?，F(xiàn)今歐盟各主要CNC控制器制造商都在開(kāi)發(fā)基于OSACA標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式控制器。我們也正在同OSACA的合作中開(kāi)發(fā)應(yīng)用于中國(guó)市場(chǎng)的基于OSACA標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)放式CNC控制器，這一產(chǎn)品的研制成功，能為我國(guó)數(shù)控改造用戶更增添一個(gè)可以選擇的方案。
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是國(guó)際上方興未艾的一項(xiàng)新技術(shù)，它的出現(xiàn)是對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)的挑戰(zhàn)，也是數(shù)控產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的機(jī)遇。
王宇晗 男，1966年2月出生，講師，主要從事數(shù)控技術(shù)研究，發(fā)表論文4篇。
王宇晗（上海交通大學(xué)?。ㄉ虾！?00030））
吳祖育（上海交通大學(xué)?。ㄉ虾！?00030））
陸志強(qiáng)（上海交通大學(xué)?。ㄉ虾！?00030））
李宇昊（上海交通大學(xué)?。ㄉ虾！?00030））
參 考 文 獻(xiàn)
1，OSACA HANDBOOK
2，PMAC“user reference”
3，PMAC“software reference”
4，“OPEN SYSTEM ARCHITECTURE FOR COTROL WITHIN AUTOMATION SYSTEMS”—ESPRITⅢ Project6379．
5，王宇晗等．OSACA開(kāi)放結(jié)構(gòu)規(guī)范及平臺(tái)軟件研究．機(jī)電一體化，1999，（3）：
