开放式数控系统设计应用举例.docx
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开放式数控系统设计应用举例
开放式数控系统应用举例
本章将通过对NC嵌入PC的典型范例－PMAC运动控制卡及其应用的介绍，使读者对开放式数控系统有一个初步的了解。
开放式数控系统的应用
6.1.1PMAC开放式运动控制卡
PMAC全称可编程多轴控制器（ProgrammableMulti-AxisController），是美国DeltaTauDataSystems公司于1990年推出的基于PC机平台的开放式运动控制器。
它集运动控制和PLC控制于一体，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（TurboPMAC）。
板上的MACRO接口允许将诸多的PMAC卡联成环形网进行控制。
它支持多种总线规范（ISA、PCI、VME和STD），同一控制软件可以不同的总线上运行，从而提供了多平台支持特性。
PMAC还支持多种电机（如直流伺服电机、交流同步电机、交流异步电机、步进电机，直线电机等）和检测反馈元件（增量编码器、绝对编码器、旋转变压器、线性磁传感器等）。
PMAC以Motorola56000系列DSP为CPU，板上的存储器用于存放系统控制软件和用户程序、I/O接口和伺服接口用于连接外部输入/输出信号和伺服电机,板上的显示接口允许连接一个2×40的字符液晶显示器。
此卡本身就是一个NC系统可以单独使用，也可以插入PC机中，构成开放式控制系统，其硬件结构如图6-1-1所示，表6-1-1为PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标。
图6-1-1PMAC开放式运动控制卡
表6-1-1PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标
表6-1-1开放式运动控制器的主要技术性能指标
主要技术性能指标
TURBO-PMAC
控制轴数
32
通道结构（坐标系）
16
联动轴数
32
插补（直线、圆弧、螺旋线）
有
非均匀有理样条插补（NURBS）
有
三阶多项式插补
有
CPU
DSP56300
CPU频率（MHz）
80,100
程序段处理能力
1000段/分
预测（LookAhead）功能
有
速度和加速度前馈控制
有
S曲线加减速控制
有
同步控制功能
有
刀具半径和长度补偿
有
丝杠螺距误差补偿
有
高速位置采集
有
电子齿轮和电子凸轮
有
编程语言
RS274和类Basic语言
网络接口
MacroRing
直接数字驱动能力
PWM直接连接放大器，可驱动各种交流、直流、步进、直线电机
PLC能力
内装64个PLC（实时PLC,编译好再执行的PLC,解释执行的PLC）
6.1.2KT560-T开放式车床数控系统
T560_T开放式车床数控系统由PMAC-LITE四轴运动控制卡和工业控制计算机组成，它的软件分为上位机（PC）和下位机（PMAC）两部分。
上位机主要完成系统的管理功能，如人机界面的实现，加工状态显示，仿真的实现，参数编辑，参数配置，程序文件编辑，端口状态监测和故障的诊断等工作。
下位机的软件主要是实现机床的运动控制与信号的逻辑控制。
PTALK部分为上位机与下位机的通信模块。
其结构如图6-1-2所示。
图6-1-2KT560_T软件结构图
KT560_T数控系统是在上海开通数控有限公司的FONCS通用数控系统开发平台的基础上的构建的。
FONCS充分的应用了OOP的设计思想并结合了工业控制领域的组态软件的特点。
用户可以通过FONCS的开发工具，对软件功能模块进行可视化的配置，从模块库中调出需要的功能组件或者删除不必要的组件。
FONCS的开发工具对系统配置的结果保存在一个数据库文件中，当FONCS在运行环境中启动时，会根据这个数据库中的信息，动态生成用户界面（图6-1-3与图6-1-4）。
用户借助于这样一个机制，可以在短时间内为自己的机床定制专用的控制系统。
图6-1-3KT560_T的界面结构
图6-1-4系统界面（主界面、手动界面、自动界面和诊断界面）
系统的各个界面都是通过系统菜单来进行切换的，KT560_T中提供了一个菜单编辑器（图6-1-5），用户可以通过这个工具自定义菜单的结构和菜单按钮的外观，充分体现了系统的开放性。
图6-1-5菜单编辑器
在使用数控机床的过程中，数控程序的检查方法是影响生产率的重要因素之一，数控程序校验常用的有三种方法，一是由编辑人员检查NC代码、数据；二是在机床上“以笔代刀”，模拟加工画出刀具轨迹；三是采用计算机来模拟刀具和工件的相对运动来进行检查。
显然前两种方法费时、费力，增加了机床的占用时间；而第三种方法直观、快速，可减轻编程人员的工作量，提高数控机床使用率。
KT560_T中的动态三维仿真功能，可仿真车床的车削过程，具有真实感。
三维数控仿真是数控机床在虚拟环境中的映射，集制造技术、机床数控理论、计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、建模和仿真技术于一体。
在此虚拟环境中刀具对工件进行虚拟切削，能检查数控程序的正确性、合理性、对加工方案的优劣做出评估和优化；达到缩短产品加工周期，降低成本、提高质量的目的。
KT560_T的仿真采用实时动画方式，首先生成一个毛坯，然后根据机械加工时的材料去除规律生成动画的每一帧。
三维仿真通过三维演示窗口显示在屏幕上。
在自动模块和编辑模块中，都可在文件的打开和保存时进行快速的仿真演示。
图6-1-6为加工一个保龄球瓶时的动态三维效果演示。
图6-1-6三维演示
KT560-T数控系统的系统参数管理功能,能够同时满足开放性与灵活性、安全性与可靠性的要求。
由于数控机床涉及的参数很多，不同类型的数控机床甚至同一类型不同的数控机床都有各自不同的参数，这给参数管理带来了不便，要求参数管理模块具有很大的灵活性与开放性，当被管理的参数发生变化时，参数管理模块能自动适应产生的变化，即能对参数的增加、减少、类型的变化等进行动态的管理。
KT560_T提供了一个参数设计软件工具（软件参数界面见图6-1-7），允许系统制造厂商自行定义和编辑系统参数。
图6-1-7参数界面
6.2开放式运动控制器实验装置
开放式运动控制器实验装置的主要功能有：
执行运动程序和PLC程序、控制和调整伺服电机运行特性、系统的故障监控和与计算机通讯。
它能帮助我们学习数控机床运动与插补原理，进而根据实际的控制要求开发数控机床需要的各种功能。
6.2.1实验装置的基本组成
开放式运动控制实验装置的基本组成：
一台IBM-PC或兼容计算机；一块四轴运动控制卡PMAC-LITE；一个带数控操作面板的装有四路直流伺服驱动器与四个带编码器的直流伺服电机的机箱。
，
如图6-2-1所示，机箱内部有一开关电源，输入为AC220V，输出的DC+/-12V供PMAC内部数摸转换电路用，输出DC24V作为电机驱动卡的驱动电源。
机箱操作面板上的ON/OFF开关控制电机驱动卡的电源，ACC8DOPT4A卡是四轴电机驱动卡，负责将PMAC送出的模拟量信号转换成电机的速度和转矩，控制电机运行。
另外，机箱内部还有二块信号转接板，一块与PMAC卡的J2、J3、J5、J11输入/输出端口相连，转接信号；另一块连接机箱操作面板上的控制按钮、开关及指示灯，分别表示PMAC的输入和输出。
图6-2-1 PMAC-LITE控制系统的结构
6.2.2PMAC的命令和变量集
用PMAC的命令和变量编写运动程序和PLC程序，控制伺服系统工作，进而可开发各种应用软件，实现需要达到的功能。
1.在线命令（立即执行，不存储）
1）全局命令
&1指定坐标系1为当前寻址的系统
#1指定电机1为当前寻址的电机
$$$全局复位，包括所有的电机和坐标系
SAVE保存I变量到EEROM中
OPENPROG1打开运动程序1的缓冲器
CLEAR清除打开缓冲器的内容
2）坐标系定义命令
#1→x定义电机1为x轴，比例系数为1。
R运行当前寻址的运动程序
\当前坐标系中进给保持，并允许手动控制轴向运动。
A立即终止当前的程序和轴运动
%报告当前进给倍率值
%100指定进给倍率值为100%
3）电机命令
HM电机执行返回参考点运动
#1J+手动电机1向正方向运动
J/停止手动运动的电机，变开环控制为闭环。
P报告指定电机的位置
V报告指定电机的速度
2.运动程序命令
这是一组缓冲命令，存放在缓冲器中，用R命令执行，其作用是指定运动位置，运动方式和属性，程序逻辑控制，变量赋值。
例如：
X100Y（P1）Z（P2*P3）指定X、Y、Z的运动位置
LINEAR直线插补方式
CIRCLE0 顺时针园弧插补方式
ABS所有的轴以绝对值方式运动
INC（X）X轴以增量值方式运动
TM100指定运动时间为100ms
GOTO（标号）跳转到指定标号的程序段
I130=3000I变量赋值
SENDP“abcd”通过总线传送”abcd”给计算机
TA指定运动加速时间
3.PLC程序指令
这也是一组缓冲命令，重复执行，其中包括运算、逻辑控制、信息传送等命令。
例如：
IF
ELSE
ENDIF
WHILE
ENDWHILE
COMMAND“#4HM”指定“电机4返回参考点”命令
4.I，P，Q和M变量
I变量用于设定PMAC卡的性能，伺服电机控制和编码器参数；P、Q变量作为通用变量，在运算中赋值和传送信息，Q变量还可以在坐标系中作其它特殊用途；M变量可以直接定义存储器和I/O接口，通过M变量的读写，对I/O接口和各轴的实际位置、理论位置进行操作。
6.2.3运动程序组成和作用
运动程序由一些例命令语句组成，用于轴向定位和轮廓轨迹运动。
1.运动命令
X1000Y2000Z3000
U（P1*3.14159）V（20*SIN（Q6））
DWELL,DELAY
2.模式命令
ABS，INC，FRAX，NORMAL，
LINEAR，CIRCLEn,RAPID,SPLINEn,PVT
TA,TM,TS,F
3.变量赋值
变量=表达式
4.逻辑控制语句
N，O，GOTO，GOSUB，CALL，RETURN
G，M，T，D（特殊的CALL语句）
IF，WHILE，ELSE，ENDIF，ENDWHILE
5.辅助语句
COMMAND，SEND，DISPLAY，
ENABLEPLC，DISABLEPLC
6.PMAC的运算符（在运动程序和PLC程序中使用）
&位“与”位SIN正弦
|位“或”位COS余弦
^位“异或”位TAN正切
=等于ASIN反正弦
!
=不等于ACOS反余弦
>大于ATAN反正切
!
>小于等于ATAN2扩展的反正切
<小于SQRT开平方
LN自然对数
EXP指数
ABS绝对值
INT取整
6.2.4运动程序
一个程序可以同时在多个坐标系中运行，一个坐标系中只能运行一个运动程序。
启动一个运动程序，首先用“&n”和“Bn”命令指定坐标系和运动程序，然后发“R”或“〈CTRL-R〉”命令。
PMAC执行G代码，实质上相当于执行一条CALL命令，因此，除已定义的G、M、T、D代码外，用户可以自己定义G、M、T、D代码，执行特殊功能。
例如：
G01相当于调用PROG1000中的N01000LINEARRET子程序
G02相当于调用PROG1000中的N02000CIRCLE0RET子程序
G90相当于调用PROG1000中的N90000ABSRET子程序
例题6-2-1运动程序
程序设定和定义：
&2定义坐标系2
Close确认所有的缓冲器被关闭
#5->1000X定义5号电机移动单位1mm=1000计数单位
运动程序：
OPENPROG2打开程序2缓冲器
CLEAR清除缓冲器中的内容
LINEAR直线插补
INC增量方式
TA500加速度时间为500ms
TS250S曲线加速度时间两边为250ms
TM2000从起点到终点运动时间为2秒
P1=0计数器设置初值
WHILE（P1<10）循环10次
X10X轴正向移动10mm
DWELL500停顿0.5秒
X-10X轴负向移动10mm
DWELL500停顿0.5秒
P1=P1+1循环计数
ENDWHILE循环结束
CLOSE关闭缓冲器，程序结束。
运行程序（运动轨迹如图6-2-2）：
&2B2R指定第二坐标系，运行程序2
图6-2-2 例题1运动轨迹
例题6-2-2运动程序
运动程序：
OPENPROG5CLEAR 打开程序5缓冲器，清除缓冲器中的内容。
G17G90 定义XY平面，绝对值编程。
G97S1800 设定主轴转速1800转/分
F500 设定切削速度500mm/min
G00X10.00Y5.00 快速定位到（10,5）位置
M03 主轴正转
G04P2.0 停顿2秒
G01Z0 刀具下降
X30.25Y5.00 直线插补
G03X35.25Y10.00J5 逆时针圆弧插补
G01X35,25Y50.00 直线插补
G03X30.25Y55.10I-5 逆时针圆弧插补
G01X10.00Y55.10 直线插补
G03X5.00Y50.10J-5 逆时针圆弧插补
G01X5.00Y10.00 直线插补
G03X10.00Y5.00I5 逆时针圆弧插补
G01Z5M05 刀具上升，主轴停转
G00X0Y0 快速运动至（0，0）位置
CLOSE
运动程序1000（包含G代码子程序）：
OPENPROG1000CLEAR打开程序1000缓冲器，清除缓冲器内容。
RAPIDRETURN;G00模式
N01000LINEARRETURNG01模式
N02000CIRCLE1RETURNG02模式
N03000CIRCLE2RETURNG03模式
N04000READ（P）G04模式，停顿P秒。
IF（Q100&32768>0）
DWELL（Q166*1000）停顿时间以毫秒为单位
ENDIF
RETURN
N17000NORMALK-1RETG17指定XY平面
N18000NORMALJ-1RETG18指定ZX平面
N19000NORMALI-1RETG19指定YZ平面
N90000ABSRETG90模式
N91000INCRETG91模式
N97000READ（S）G97模式
RETURN
CLOSE
运动程序1001包含M代码子程序：
OPENPROG1001CLEAR
N03000CMD“#4J+”RETM03模式
N04000CMD“#4J-”RETM04模式
N05000CMD“4J/”RETM05模式
CLOSE
6.2.5PMAC软件的应用与开发
PMAC是一个开放体系结构的运动控制器，可以在多种操作系统平台上运行，如DOS、WINDOWS、WINDOWSNT、UNIX、OS2等操作系统。
还能把计算机应用软件（如CAD/CAM）装在系统里一起运行。
PMAC构成的数控系统，其系统软件由两部分构成：
PMAC系统软件和计算机应用软件。
1.PMAC系统软件
PMAC本身就是一个高性能数控系统，具有高速插补，I/O控制和优良的伺服控制性能，PMAC系统软件的主要功能：
1）执行由计算机下载的运动程序
2）执行装在PMAC中的PLC程序
3）控制伺服电机运行
4）运动故障检查
5）与计算机通讯，接收计算机的运动程序、命令、数据，返回给计算机所需的各种信息（如轴的位置、速度、工作状态等）。
2.计算机应用软件
为方便操作和与PMAC系统软件使用环境构成一个完整的数控系统，根据控制对象和PMAC的命令语句、变量，在计算机中开发相应的应用软件，可选用C,C++,VC,VB,Delphi,C++Builder等高级语言开发应用软件，开发的应用软件应具备如下的功能：
1）人机交互对话功能
2）运动程序和PLC程序编辑功能
3）运动程序的仿真模拟功能
4）与PMAC通讯功能
5）向PMAC发送运动程序、PLC程序、命令和数据；接受PMAC传送的信息、数据，并进处理。
3.PMAC软件开发工具PEWIN
PEWIN是PMAC应用软件，用于开发和调试系统，它的主要功能如下：
1）I，P，Q和M变量的设置；
2）在坐标系中分配电机的位置；
3）显示电机运动速度、位置和跟随误差；
4）实时显示PMAC的I/O接口信号状态；
5）执行PMAC的各种命令；
6）运动程序和PLC程序的编辑、下载和调试；
7）设置通讯方式（串行、总线和双口RAM）；
8）测试电机性能和运动程序，以及故障分析；
9）进行数据采集、分析，并画出波形图；
10）伺服电机动态特性的调整。
6.3 数控机床运动控制实验
本节将在开放式运动控制实验装置的基础上，提出数控机床运动控制的实验。
6.3.1基本运动控制
1.点位控制
目的：
了解点位运动控制和程序的编制。
操作：
点击计算机界面中的“点位控制”,按计算机提示的点位运动程序格式，输入位置值，设定点位运动轴的速度，然后按启动按钮，此时界面显示点位运动轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
点位运动的特点是什么?
使用什么G代码？
根据实验结果，画出其中一个轴的速度-位置曲线图
2.轮廓控制
目的：
了解轮廓控制和程序的编制。
要求：
点击计算机界面中的“轮廓控制”，按计算机提示的轮廓运动程序格式，输入位置值，设定轮廓运动的速度，然后按启动按钮，此时界面显示轮廓运动轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
轮廓运动的特点是什么?
使用什么G代码？
根据实验结果，画出其中一个轴的速度-位置曲线图
3.手动控制
目的：
了解手动控制的操作和功能。
要求：
点击计算机界面中的“手动控制”，按计算机的提示，设定手动速度，选择手动轴，用手动操作键对轴进行手动连续、点动、手轮控制，观察相应电机的运动。
4.坐标系的确定原则
目的：
了解运动升降速控制的原理，学会调整S曲线升降速参数。
要求：
点击计算机界面中的“升降速控制”，按计算机的提示输入不同的升降速控制参数，观察相应电机运动速度的变化，理解升降速运动控制的原理和目的。
思考题：
画出一个轴运动的速度-时间曲线图
5.返回参考点
目的：
了解返回参考点的操作和功能。
要求：
点击计算机界面中的“返回参考点”，按计算机的提示，选择返回参考点的轴，输入返回参考点的速度，然后按启动键，按下参考点开关，观察相应电机运动的变化。
思考题：
为什么要执行返回参考点操作？
6．同步跟踪
目的：
了解同步跟踪控制的原理。
要求：
点击计算机界面中的“同步跟踪”，按计算机的提示选择主动轴和从动轴，然后手动主动轴，则从动轴跟踪主动轴同步运动。
6.3.2插补运动控制
1.直线插补
目的：
了解直线插补的控制原理和程序编制格式。
要求：
点击计算机界面中的“直线插补”，按计算机提示的直线插补程序格式，输入位置值，设定运动速度，然后按启动按钮，此时页面显示直线插补轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
程序中的运动速度对直线插补的含义是什么？
2.圆弧插补
目的：
了解圆弧插补控制的原理和程序编制格式。
要求：
点击计算机界面中的“圆弧插补”，按计算机提示的圆弧插补程序格式，输入位置值，设定运动速度，然后按启动按钮，此时界面显示圆弧插补轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
程序中的运动速度对圆弧插补的含义是什么？
3.螺旋线插补
目的：
了解螺旋线插补的控制原理和程序编制格式。
要求：
点击计算机界面中的“螺旋线插补”，按计算机提示的螺旋线插补程序格式，输入位置值，设定运动速度，然后按启动按钮，此时界面显示螺旋线插补轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
程序中的运动速度对螺旋线插补的含义是什么？
4.坐标系的确定原则
目的：
了解螺纹插补的控制原理和程序编制格式。
要求：
点击计算机界面中的“螺纹插补”，按计算机提示的螺纹插补程序编制格式，输入位置值，设定运动速度，然后按启动按钮，此时界面显示螺旋线插补轨迹图形，观察电机运动的情况。
思考题：
“螺纹插补”和“每转进给”的区别是什么？
6.3.3闭环运动控制
1.位置闭环控制
目的：
了解闭环运动控制的原理，学会调整伺服PID参数。
要求：
点击计算机界面中的“闭环控制”，按计算机的提示输入不同的伺服控制参数，观察相应电机的运动速度、跟踪误差的变化，理解闭环运动控制的原理。
思考题：
跟踪误差的含义是什么？
“定位死区”的概念是什么？
在电气上如何调整圆弧
的椭圆度？
2.主轴控制
目的：
了解主轴控制的原理，设置主轴参数和操作主轴的运行。
要求：
点击计算机界面中的“主轴控制”，输入不同的主轴速度，用主轴正转、反转和停止按钮启动主轴旋转、停止，观察相应电机的转速，还可以用M03\M04\M05指令来启动主轴旋转、停止。
6.3.4PLC控制实验
1.输入输出信号控制
目的：
学习运动程序和PLC程序的编写、编译和调试，掌握I、M、P变量的设置。
要求：
定义操作面板上的手动方向键、开关、选择开关和波段开关，使用这些方向
键和开关控制电机工作与修正电机速度（设定相应的电机速度、加速度为I
变量）。
2.数控车床刀架控制
目的：
了解数控车床刀架控制原理，掌握刀架控制的PLC程序编制和调试。
要求：
画出一台数控车床四方刀架的控制流程图，定义操作面板上的开关，控制刀架的
刀位（发光二极管作为刀架电机正反转输出控制信号），并编制、调试相应的PLC程序。
6.3.5综合实验
1.综合实验1
目的：
初步了解PMAC命令运动程序的编写和调试。
要求：
用类BASIC语言和G代码编写两个运动程序（包含直线、园弧段），并在PLC
程序中编辑“启动”、“停止”按钮的功能，通过“启动”、“停止”按钮执
行启动/停止程序。
2.综合实验2
目的：
通过本试验，初步掌握在WINDOWS95环境下开放体系结构数控系统软件开发的方法。
要求：
1）编制一个手动操作人机交互界面，显示四个轴的位置。
2）界面具有点动、连续运动、增量进给（×1，×10，×100）、返回参数点功能。
3）编制PLC程序，定义波段开关1为轴的选择开关，定义波段开关2为倍率开关，
定义两个输入开关为手动正向、负向运动按钮。
4）编制通讯程序，解决计算机和PMAC之间的信息交互。
3.伺服电机动态特性的调整（AUTOTURNING）
目的：
通过本项实验，了解伺服电机控制基本原理，掌握闭环控制的调整。
要求：
参阅PEWIN手册，利用PEWIN的AUTOTURNING功能调整某个电机的I变量，观察
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