導(dǎo)讀：引言 數(shù)控系統(tǒng)如同計算機硬件一樣更新?lián)Q代愈來愈快。這種發(fā)展也給用戶帶來了極大的困難和浪費。原因是舊型號的備件難于購買，造成數(shù)控系統(tǒng)的維護代價太高，同時，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行系統(tǒng)的更新?lián)Q
引言
數(shù)控系統(tǒng)如同計算機硬件一樣更新?lián)Q代愈來愈快。這種發(fā)展也給用戶帶來了極大的困難和浪費。原因是舊型號的備件難于購買，造成數(shù)控系統(tǒng)的維護代價太高，同時，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行系統(tǒng)的更新?lián)Q代，但是，這種更新的代價是很高的，而且仍不免有淘汰的危險。對于專用設(shè)備和特種設(shè)備，用戶更難找到合適的系統(tǒng)來進行設(shè)備的數(shù)控改造。在我國數(shù)控市場大部分依賴進口的狀況下，這些矛盾尤為突出。
本文通過對數(shù)控系統(tǒng)改造的實踐，著重分析了怎樣利用開放式控制器的結(jié)構(gòu)特點，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，改變傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)造成功能極大浪費的缺點，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)用戶所遇到的問題
?。?） 設(shè)備維護成本高：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)品的備件購買很困難。
?。?） 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。
（3） 升級、更新困難：大部分須連帶伺服系統(tǒng)更換，代價太高。
?。?）功能大量浪費：用戶不能對系統(tǒng)功能進行增刪，對功能利用不足，造成使用性能與價格比不高。
（5） 對專用機床和特種機床改造非常困難：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)控改造時所希望的解決方案
?。?）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。
?。?）不造成使用、維護的困難：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)計的人機界面；標(biāo)準化的硬件配置使配件價格較低，開放式的設(shè)計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，改造后的維護成本低。
（4）適應(yīng)發(fā)展的需要：隨著市場對產(chǎn)品的需求越來越趨向個性化，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)代價太高。甚至可滿足冶金、紡織、印刷等行業(yè)對運動控制日益增長的需求。
2 開放式運動控制器PMAC的開放性
2．1 PMAC簡介
PMAC（programmable multi－axes controller）是美國Delta Tau公司九十年代推出的開放式多軸運動控制器，它提供運動控制、離散控制、內(nèi)務(wù)處理、同主機的交互等數(shù)控的基本功能。PMAC內(nèi)部使用了一片Motorola DSP 56001數(shù)字信號處理芯片，它的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠優(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60μs，二軸聯(lián)動為110μs。產(chǎn)品的種類可從二軸聯(lián)動到三十二軸聯(lián)動。甚至連接MACRO現(xiàn)場總線的高速環(huán)網(wǎng)，直接進行生產(chǎn)線的聯(lián)動控制。與同類產(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）上運行，由此提供了多平臺的支持特性。并且每軸可以分別配置成不同的伺服類型和多種反饋類型。
2．2 與各種產(chǎn)品的匹配
（1） 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)動器，交、直流、直流無刷伺服電機伺服驅(qū)動器及步進電機驅(qū)動器。
（2） 與不同檢測元件的連接：測速發(fā)電機、光電編碼器、光柵、旋轉(zhuǎn)變壓器等。
?。?） PLC功能的實現(xiàn)：內(nèi)裝式軟件化的PLC，使用類似basic的程序，可擴展到2048點I／O。
?。?） 界面功能的實現(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進行高速通信，串行方式能使PMAC脫機運行。
?。?）CNC系統(tǒng)的配置：PMAC以計算機標(biāo)準插卡的形式與計算機系統(tǒng)共同構(gòu)成CNC系統(tǒng)，它可以用PC－XT＆AT，VME，STD32或者PCI總線形式與計算機相連。
3 硬件設(shè)計實例
我們采用PMAC為運動控制卡，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車床。該車床控制系統(tǒng)原有的配置為：三菱CNC控制器，刀具檢測器，二軸直流伺服系統(tǒng)，速度反饋元件為感應(yīng)式測試發(fā)電機，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。該機床CNC控制器已壞，但伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動系統(tǒng)和傳感器都完好無損。對這種控制器功能比較多的復(fù)雜驅(qū)動系統(tǒng)和反饋元件類型比較多的情況，直接用傳統(tǒng)的控制器來替代是比較困難的。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)動系統(tǒng)一起更換，否則對其CNC系統(tǒng)的改造是較困難的。
實際改造中，數(shù)控系統(tǒng)主機IPC的CPU為Pentum266，操作系統(tǒng)為Windows NT。PMAC與主機之間的通信采用雙口RAM來完成，實時控制任務(wù)由PMAC 控制器實現(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。開關(guān)量控制在增加ACC34A接口卡后，I／O擴展到80點。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MAZAK QT-10N改造系統(tǒng)
為了伺服系統(tǒng)開發(fā)實驗的需要，又采用國產(chǎn)的二個感應(yīng)式交流伺服電機AC200-30及KT220驅(qū)動器代替原有直流伺服系統(tǒng)，該伺服電機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，又利用原三菱的直流伺服電機和旋轉(zhuǎn)變壓器，選用一臺美國SEMI-power公司的交、直流驅(qū)動器代替原來的三菱直流伺服驅(qū)動器，該驅(qū)動器僅為一個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來完成。PMAC直接輸出PWM信號作為指令信號輸入該驅(qū)動器。這種配置充分利用了PMAC先進的伺服功能，我們將這兩臺直流伺服電機和兩臺步進電機用一個四軸PMAC卡控制與另一臺計算機，形成一個CNC的開發(fā)平臺。圖3為該系統(tǒng)的構(gòu)成。圖中，直流伺服電機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。步進電機驅(qū)動器可以從PMAC上直接獲得脈沖指令。從這一例改造可以看出，利用PMAC控制器的開放特點，用戶可以得到多種方式的改造方案，使原有的進口設(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)動器，保留伺服電機。（4）更換CNC系統(tǒng)和主軸驅(qū)動器。
▲ 圖2 PMAC控制器對MAZAK QT-10N的改造2
▲ 圖3 NCinPC開發(fā)演示平臺
4 軟件開發(fā)
PMAC具有直線和圓弧插補、S－曲線加減速、三次樣條插補等功能，可以完成用戶定義的G、M、T代碼，因此，用戶的軟件開發(fā)工作主要是界面功能的實現(xiàn)和診斷系統(tǒng)的處理。
4．1 用戶界面功能的開發(fā)
PMAC的軟件通訊功能。Delta Tau公司提供了PtalkDT的通訊函數(shù)庫。采用了微軟公司的構(gòu)件標(biāo)準ActiveX技術(shù)嵌入PtalkDT的通訊函數(shù)庫。ActiveX是OLE控件的新標(biāo)準，它利用面向?qū)ο蟮募夹g(shù)提供了一種用來源于不同應(yīng)用程序的信息創(chuàng)建復(fù)合文檔的強有力方法。PtalkDT則以ActiveX控件形式提供一套類庫，它包含一系列通訊函數(shù)，提供上位機與PMAC之間快速有效的通訊，并完成一些出錯處理。利用PtalkDT開發(fā)應(yīng)用程序，用戶可專注于開發(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)開發(fā)，提高了開發(fā)效率。同時由于對象可以在不同應(yīng)用程序間共享，提供了信息的共享性和存儲的有效性。
▲ 圖4 實例的執(zhí)行頁面之一
4．2 實例
在建立PMAC與PC之間雙口RAM通訊的基礎(chǔ)之上，用VC開發(fā)了兩軸數(shù)控車床的ATUO、MDI和手動模式及程序輸入、參數(shù)調(diào)整、程序仿真、系統(tǒng)診斷以及位置速度實時顯示等基本數(shù)控功能。
以下是開發(fā)實例中的一個執(zhí)行頁面。本例中，PMAC完成解釋、刀補、插補算法、位置控制、速度處理以及PLC等全部實時控制。
5 結(jié)論
從實例中可以看出，開放式數(shù)控系統(tǒng)對數(shù)控改造的靈活性和巨大效益。但類似PMAC這樣的系統(tǒng)仍然存在不足。第一，CNC的核心部分運動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動控制卡（雖然控制器的大部分價值為購買通用計算機設(shè)備），還沒有達到整個控制器產(chǎn)品的硬件通用化。第二，在界面風(fēng)格和通信協(xié)議上還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準，使得軟件的可重用性，跨平臺性不強。歐盟于1992年在ESPRIT計劃內(nèi)起步開發(fā)研究OSACA（Open Architecture for controls within Automation System），OSACA開放式控制系統(tǒng)平臺和系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)的定義，完全符合IEEE給出的標(biāo)準，這是一種完全開放的數(shù)控系統(tǒng)。它為用戶提供包括運動控制核心的開發(fā)平臺，用戶開發(fā)的功能模塊也能運行于任何符合OSACA標(biāo)準的控制器產(chǎn)品中?，F(xiàn)今歐盟各主要CNC控制器制造商都在開發(fā)基于OSACA標(biāo)準的開放式控制器。我們也正在同OSACA的合作中開發(fā)應(yīng)用于中國市場的基于OSACA標(biāo)準的開放式CNC控制器，這一產(chǎn)品的研制成功，能為我國數(shù)控改造用戶更增添一個可以選擇的方案。
開放式數(shù)控系統(tǒng)是國際上方興未艾的一項新技術(shù)，它的出現(xiàn)是對現(xiàn)代制造業(yè)的挑戰(zhàn)，也是數(shù)控產(chǎn)業(yè)技術(shù)進步的機遇。
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（上海交通大學(xué) （上?！?00030））
李宇昊（上海交通大學(xué)?。ㄉ虾！?00030））
參 考 文 獻
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開放結(jié)構(gòu)規(guī)范及平臺軟件研究．機電一體化，1999，（3）：
