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      開放式控制器對數控機床低成本改造的策略

      中國機床網  2010-05-21 10:54:20 來源: 機械設計與研究
      導讀:引言 數控系統如同計算機硬件一樣更新換代愈來愈快。這種發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,造成數控系統的維護代價太高,同時,技術的快速更新也使得用戶手中的許多系統趕不上需求的發展。這些因素促使用戶進行系統的更新換
      關鍵詞: 數控機床 控制器
      引言
      數控系統如同計算機硬件一樣更新換代愈來愈快。這種發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,造成數控系統的維護代價太高,同時,技術的快速更新也使得用戶手中的許多系統趕不上需求的發展。這些因素促使用戶進行系統的更新換代,但是,這種更新的代價是很高的,而且仍不免有淘汰的危險。對于專用設備和特種設備,用戶更難找到合適的系統來進行設備的數控改造。在我國數控市場大部分依賴進口的狀況下,這些矛盾尤為突出。
      本文通過對數控系統改造的實踐,著重分析了怎樣利用開放式控制器的結構特點,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,而是盡量節約用戶已有的設備資源,同時,改變傳統數控系統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 傳統數控系統用戶所遇到的問題
       ?。?) 設備維護成本高:由于傳統數控系統必須依賴系統制造商的備件。尤其是老產品的備件購買很困難。
       ?。?) 設備管理、使用困難:由于存在不同品牌,不同年代的產品。
       ?。?) 升級、更新困難:大部分須連帶伺服系統更換,代價太高。
       ?。?)功能大量浪費:用戶不能對系統功能進行增刪,對功能利用不足,造成使用性能與價格比不高。
       ?。?) 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 用戶在數控改造時所希望的解決方案
       ?。?)節約改造成本:盡量能利用用戶手中的設備資源,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:保持用戶界面風格的統一性,采用用戶習慣的操作方式或用戶自己設計的人機界面;標準化的硬件配置使配件價格較低,開放式的設計使用戶容易解決故障。
       ?。?)可靠性高:采用模塊化結構使故障影響范圍減小,改造后的維護成本低。
       ?。?)適應發展的需要:隨著市場對產品的需求越來越趨向個性化,當代制造業必然要面向多品種、小批量生產。為適應這種生產模式,數控技術必須適應DNC,CAD/CAM及CIMS的發展。
       ?。?)滿足用戶專用設備的控制要求:通用CNC系統不具備的功能,或應用通用CNC系統代價太高。甚至可滿足冶金、紡織、印刷等行業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、內務處理、同主機的交互等數控的基本功能。PMAC內部使用了一片Motorola DSP 56001數字信號處理芯片,它的速度、分辨率、帶寬等指標遠優于一般的控制器。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,二軸聯動為110μs。產品的種類可從二軸聯動到三十二軸聯動。甚至連接MACRO現場總線的高速環網,直接進行生產線的聯動控制。與同類產品相比,PMAC的特性給系統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 與各種產品的匹配
       ?。?) 與不同伺服系統的連接:伺服接口有模擬式和數字式兩種,能連接模擬、數字伺服驅動器,交、直流、直流無刷伺服電機伺服驅動器及步進電機驅動器。
       ?。?) 與不同檢測元件的連接:測速發電機、光電編碼器、光柵、旋轉變壓器等。
       ?。?) PLC功能的實現:內裝式軟件化的PLC,使用類似basic的程序,可擴展到2048點I/O。
       ?。?) 界面功能的實現: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系統的配置:PMAC以計算機標準插卡的形式與計算機系統共同構成CNC系統,它可以用PC-XT&AT,VME,STD32或者PCI總線形式與計算機相連。
      3 硬件設計實例
      我們采用PMAC為運動控制卡,構成NC in PC結構的數控系統,并用它改造了日本MAZK的QT-10N車床。該車床控制系統原有的配置為:三菱CNC控制器,刀具檢測器,二軸直流伺服系統,速度反饋元件為感應式測試發電機,位置反饋元件為旋轉變壓器,主軸為交流變頻調速系統,反饋元件為脈沖編碼器。該機床CNC控制器已壞,但伺服系統、主軸驅動系統和傳感器都完好無損。對這種控制器功能比較多的復雜驅動系統和反饋元件類型比較多的情況,直接用傳統的控制器來替代是比較困難的。即使是三菱現在生產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,除非連驅動系統一起更換,否則對其CNC系統的改造是較困難的。
      實際改造中,數控系統主機IPC的CPU為Pentum266,操作系統為Windows NT。PMAC與主機之間的通信采用雙口RAM來完成,實時控制任務由PMAC 控制器實現。旋轉變壓器經選件ACC8Dopt7 12位的RDC轉換,形成每轉4096脈沖的數字反饋量,用于速度和位置反饋。開關量控制在增加ACC34A接口卡后,I/O擴展到80點。利用PMAC 配置的調試軟件可以用圖形方式直觀而方便地進行伺服系統的調試。經調試系統跟隨誤差小于2μm。圖1為系統改造后的結構圖。

      ▲ 圖1 PMAC控制器對MAZAK QT-10N改造系統
      為了伺服系統開發實驗的需要,又采用國產的二個感應式交流伺服電機AC200-30及KT220驅動器代替原有直流伺服系統,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為該構成的結構。經調試系統跟隨誤差小于2.5μm。同時,又利用原三菱的直流伺服電機和旋轉變壓器,選用一臺美國SEMI-power公司的交、直流驅動器代替原來的三菱直流伺服驅動器,該驅動器僅為一個PWM的功率放大器,伺服系統的速度調節和位置調節均由PMAC來完成。PMAC直接輸出PWM信號作為指令信號輸入該驅動器。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的開發平臺。圖3為該系統的構成。圖中,直流伺服電機的速度和位置反饋仍用旋轉變壓器經選件ACC8Dopt7 12位的RDC轉換,形成每轉4096脈沖的數字反饋量。步進電機驅動器可以從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,使原有的進口設備得到充分利用。如:(1)更換CNC系統。(2)更換CNC系統和全部伺服系統。(3)更換CNC系統和伺服驅動器,保留伺服電機。(4)更換CNC系統和主軸驅動器。

      ▲ 圖2 PMAC控制器對MAZAK QT-10N的改造2
      ▲ 圖3 NCinPC開發演示平臺

      4 軟件開發
      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,用戶的軟件開發工作主要是界面功能的實現和診斷系統的處理。
      4.1 用戶界面功能的開發
        PMAC的軟件通訊功能。Delta Tau公司提供了PtalkDT的通訊函數庫。采用了微軟公司的構件標準ActiveX技術嵌入PtalkDT的通訊函數庫。ActiveX是OLE控件的新標準,它利用面向對象的技術提供了一種用來源于不同應用程序的信息創建復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,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開發應用程序,用戶可專注于開發應用程序的特殊功能,而直接使用已有應用程序所具有的功能,避免了重復開發,提高了開發效率。同時由于對象可以在不同應用程序間共享,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通訊的基礎之上,用VC開發了兩軸數控車床的ATUO、MDI和手動模式及程序輸入、參數調整、程序仿真、系統診斷以及位置速度實時顯示等基本數控功能。
        以下是開發實例中的一個執行頁面。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 結論
        從實例中可以看出,開放式數控系統對數控改造的靈活性和巨大效益。但類似PMAC這樣的系統仍然存在不足。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備),還沒有達到整個控制器產品的硬件通用化。第二,在界面風格和通信協議上還沒有形成統一的標準,使得軟件的可重用性,跨平臺性不強。歐盟于1992年在ESPRIT計劃內起步開發研究OSACA(Open Architecture for controls within Automation System),OSACA開放式控制系統平臺和系統參考結構的定義,完全符合IEEE給出的標準,這是一種完全開放的數控系統。它為用戶提供包括運動控制核心的開發平臺,用戶開發的功能模塊也能運行于任何符合OSACA標準的控制器產品中?,F今歐盟各主要CNC控制器制造商都在開發基于OSACA標準的開放式控制器。我們也正在同OSACA的合作中開發應用于中國市場的基于OSACA標準的開放式CNC控制器,這一產品的研制成功,能為我國數控改造用戶更增添一個可以選擇的方案。
        開放式數控系統是國際上方興未艾的一項新技術,它的出現是對現代制造業的挑戰,也是數控產業技術進步的機遇。
      王宇晗 男,1966年2月出生,講師,主要從事數控技術研究,發表論文4篇。
      王宇晗(上海交通大學?。ㄉ虾!?00030))
      吳祖育(上海交通大學?。ㄉ虾!?00030))
      陸志強(上海交通大學?。ㄉ虾!?00030))
      李宇昊(上海交通大學?。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開放結構規范及平臺軟件研究.機電一體化,1999,(3):
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