基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

程　艷

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，合肥 231603)

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基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)

程艷

(安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，合肥 231603)

在現(xiàn)代裝備制造業(yè)繁榮發(fā)展的過(guò)程中，裝備的功能和性能都取決于數(shù)控加工這一關(guān)鍵技術(shù).在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)上，以PMAC為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，分別對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與開(kāi)發(fā)進(jìn)行了探討，構(gòu)建了比較完善的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng).

PMAC；數(shù)控系統(tǒng)；研究；開(kāi)發(fā)

在當(dāng)前的市場(chǎng)上，數(shù)控系統(tǒng)中的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)基本都是專用的，兼容性非常差，在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的過(guò)程中，缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái).基于此，以PMAC為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與開(kāi)發(fā)，進(jìn)而構(gòu)建出比較完善的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng).

1　基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)總體概述

在進(jìn)行開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑是首先需要考慮的問(wèn)題，對(duì)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，要充分的考慮該系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)、開(kāi)發(fā)的成本、開(kāi)發(fā)的難度等因素，最終選擇出恰當(dāng)?shù)膶?shí)現(xiàn)方式，基于這些方面的因素，本文中采用的形式為IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器.所謂IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器形式，是指在IPC的基礎(chǔ)上，將可編程運(yùn)動(dòng)控制器嵌入進(jìn)去[1].實(shí)際上，此種系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)為IPC，而核心性的部件為可編程運(yùn)動(dòng)控制器，這種形式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)所具備的擴(kuò)展性是非常好的，當(dāng)用戶需要進(jìn)行再次開(kāi)發(fā)時(shí)，該形式完全支持.此系統(tǒng)的開(kāi)放性有兩級(jí)，一個(gè)是上級(jí)，另一個(gè)是下級(jí).除了具備成本低的優(yōu)點(diǎn)之外，對(duì)于用戶自定義的軟件，在系統(tǒng)中能夠比較好的運(yùn)行，與傳統(tǒng)的CNC相比，該系統(tǒng)界面所具備的友好性更優(yōu).

2　硬件模塊開(kāi)發(fā)

2.1總體結(jié)構(gòu)

基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，PMAC型號(hào)的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié).在本文研究開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，選擇的運(yùn)動(dòng)控制卡為PMACC2A-PC104型，這個(gè)型號(hào)的運(yùn)動(dòng)控制卡屬于板卡級(jí)產(chǎn)品，比較適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中.控制卡具備十分緊湊的結(jié)構(gòu)，在使用的過(guò)程中成本比較少，具備比較高的經(jīng)濟(jì)性[2].

根據(jù)上面的闡述可知，本文中開(kāi)發(fā)的基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式為IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器，此可編程運(yùn)動(dòng)控制器選擇的就是PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡.由此，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式為IPC+PMAC，這種形式的總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1.

圖1　IPC+PMAC總體結(jié)構(gòu)圖

在開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，選擇的IPC為上位機(jī)，主要的職責(zé)就是完成非實(shí)時(shí)性的任務(wù)，比如系統(tǒng)管理等，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的資源，合理的進(jìn)行分配，在傳遞信息時(shí)，速度非常快.運(yùn)動(dòng)控制卡的主要任務(wù)是進(jìn)行控制，控制的對(duì)象為運(yùn)動(dòng)軸，具備極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)，還擔(dān)負(fù)采集的職責(zé)，各軸的測(cè)量信息都在采集的范圍之內(nèi).I/O卡的主要功能是輸入和輸出，當(dāng)各種開(kāi)關(guān)量信號(hào)需要進(jìn)行輸入或輸出時(shí)，I/O卡就開(kāi)始工作，其所完成的也是實(shí)時(shí)性的任務(wù).

2.2工控機(jī)

工控機(jī)是指工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在工業(yè)環(huán)境中，其運(yùn)行具備較高的可靠性，與傳感器等裝備能夠?qū)崿F(xiàn)直接連接，從而有效地完成測(cè)控任務(wù).無(wú)論是生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)還是機(jī)械設(shè)備的組成部分，工控機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制任務(wù)，而當(dāng)工控機(jī)作為機(jī)械設(shè)備的組成部分時(shí)，主要的就是完成控制任務(wù)[3].工控機(jī)的性能非常的穩(wěn)定，在運(yùn)算時(shí)，具備很快的速度.除此之外，工控機(jī)還具備兩大優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是可靠性高，另一個(gè)是具備較高的環(huán)境適應(yīng)能力.基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，模擬的是工業(yè)環(huán)境，因此系統(tǒng)中選擇的工控機(jī)型號(hào)為PLK-450，此種型號(hào)的工控機(jī)在嵌入PMAC卡時(shí)，便捷性非常好.另外，工控機(jī)所配備的接口為USB型，即使PMAC卡與工控機(jī)之間的安裝形式分裝，通信也能夠有效的保證.

2.3主基板

在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，需要對(duì)5個(gè)軸進(jìn)行控制，而PMACC2A-PC104在進(jìn)行控制時(shí)，可以同時(shí)對(duì)4個(gè)軸進(jìn)行控制，這就需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行擴(kuò)展.在數(shù)控系統(tǒng)中，主卡為此型號(hào)的運(yùn)動(dòng)控制卡，隨后添加一個(gè)副卡，副卡選擇的是ACC-1P軸擴(kuò)展板，此擴(kuò)展板同樣具備4個(gè)通道.由此一來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)中所具備的軸數(shù)就增加為8個(gè).

2.4I/O板

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，除了要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序之外，還需要執(zhí)行邏輯控制程序.通常來(lái)說(shuō)，原點(diǎn)、限位、主軸功能等都是數(shù)控系統(tǒng)中需要處理的邏輯變量，在對(duì)這些邏輯變量進(jìn)行處理時(shí)，多是由可編程邏輯控制器來(lái)進(jìn)行.在開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，原點(diǎn)和限位的處理可以由主卡來(lái)進(jìn)行，而其他的邏輯處理則需要利用I/O板來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)也是由擴(kuò)展板來(lái)實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為ACC-2P[4].

3　軟件結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)

3.1軟件開(kāi)發(fā)核心技術(shù)

在開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，軟件是十分重要的組成部分，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能有著重要的影響.在進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，要注意以下四個(gè)方面的技術(shù)問(wèn)題：第一，合理的選擇軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái).軟件開(kāi)發(fā)需要通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)搭建時(shí)，平臺(tái)除了要具備軟件開(kāi)發(fā)的功能之外，還需要蘊(yùn)含十分豐富的開(kāi)發(fā)資源，以便于二次開(kāi)發(fā)或后續(xù)使用的實(shí)現(xiàn).在進(jìn)行基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，以Windows 2000為操作平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件開(kāi)發(fā)，同時(shí)，開(kāi)發(fā)資源來(lái)源于PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)[5]；第二，插補(bǔ)算法的確定.當(dāng)前，在控制機(jī)床軌跡時(shí)，采用的插補(bǔ)策略為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)結(jié)合的方式，然而在進(jìn)行插補(bǔ)的過(guò)程中，受到采樣頻率的制約，在一些中低速場(chǎng)合中，此種方法具備很好的插補(bǔ)效果，但是如果是高速高精度場(chǎng)合，此種插補(bǔ)策略無(wú)法滿足要求.基于此，在進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，選擇的插補(bǔ)算法為高速高精度，這在PMAC具備的功能中可以很好的實(shí)現(xiàn)；第三，注重軟件伺服控制的性能.數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是對(duì)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制，在實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的過(guò)程中，最終的部分就是伺服控制，通過(guò)伺服控制的功能，使得數(shù)控加工過(guò)程中，精度和速度都能夠滿足加工的要求.因此，在進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，就必須要十分注重軟件伺服控制的性能，在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡中，所提供的算法為數(shù)字PID伺服控制，由此一來(lái)，伺服控制所具備的性能就非常的優(yōu)良；第四，保證軟件開(kāi)發(fā)的可靠性及效率.數(shù)控系統(tǒng)中的軟件所承擔(dān)的任務(wù)是比較多的，在軟件設(shè)計(jì)的過(guò)程中，必須要保證軟件具備完成這些任務(wù)的功能，由此導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的復(fù)雜性比較高，為了保證軟件開(kāi)發(fā)具備較高的可靠性，同時(shí)在保證性能的基礎(chǔ)上盡量地縮短開(kāi)發(fā)周期，就需要采用恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)語(yǔ)言.在PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中，能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的支持.因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用的設(shè)計(jì)方法為模塊化程序設(shè)計(jì)，進(jìn)而不但滿足了可靠性及高效率的要求，而且在軟件使用的過(guò)程中，維護(hù)非常的簡(jiǎn)單[6].

3.2數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)

具體說(shuō)來(lái)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，主要包含兩個(gè)部分，一部分是PMAC實(shí)時(shí)控制軟件，另一個(gè)部分是系統(tǒng)管理軟件.對(duì)于PMAC實(shí)時(shí)控制軟件，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開(kāi)放性是必須要充分考慮的因素，不同的用戶具備不同的功能需求，開(kāi)發(fā)出來(lái)的PMAC實(shí)時(shí)控制軟件要支持用戶增加軟件功能模塊；而對(duì)于系統(tǒng)管理軟件來(lái)說(shuō)，所承擔(dān)的功能并不具備實(shí)時(shí)性，比如系統(tǒng)初始化、故障診斷、系統(tǒng)進(jìn)程管理等.軟件開(kāi)發(fā)的進(jìn)行需要以系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為依據(jù).首先，分析系統(tǒng)的需求功能；其次，根據(jù)系統(tǒng)功能，對(duì)軟件所承擔(dān)的功能進(jìn)行有效地劃分；最后，以Windows 2000操作平臺(tái)以及開(kāi)發(fā)資源為基礎(chǔ)，完成軟件開(kāi)發(fā)[7].

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件具備開(kāi)放性的特征，主要包含五個(gè)層次，這五個(gè)層次的不同功能形成了控制軟件的體系結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是在操作系統(tǒng)的選擇上，因?yàn)樗且粋€(gè)實(shí)時(shí)的多任務(wù)控制系統(tǒng)，也只有這樣，才能確保數(shù)控系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性.

控制軟件的開(kāi)發(fā)在Windows 2000平臺(tái)上進(jìn)行，采用的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為VB語(yǔ)言，在數(shù)控系統(tǒng)中，大部分的任務(wù)都是實(shí)時(shí)性任務(wù).因此，PMAC與IPC之間通信的建立、故障診斷、參數(shù)輸入等都是軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn).在PMAC運(yùn)動(dòng)控制器中，包含軟件包Pcomm32，此軟件包具備較強(qiáng)的開(kāi)放性，同時(shí)，其中還包含ActiveX通信空間，當(dāng)IPC與PMAC通信時(shí)，只需通過(guò)這兩項(xiàng)功能就可以有效地實(shí)現(xiàn)通信.由此一來(lái)，通信設(shè)計(jì)中比較繁瑣的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)就可以直接省略，提升了軟件開(kāi)發(fā)的效率.除了開(kāi)放性之外，利用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件具備的可移植性也非常好.通過(guò)Windows 2000與VB語(yǔ)言的有效結(jié)合，再加上編程時(shí)采用面向?qū)ο蠓ǎＷC了軟件開(kāi)發(fā)的可靠性.同時(shí)，PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中具備豐富的開(kāi)發(fā)資源，促使軟件開(kāi)發(fā)的順利實(shí)現(xiàn)，也保證了軟件基本功能的實(shí)現(xiàn).

圖2　控制軟件的體系結(jié)構(gòu)

4　結(jié)論

數(shù)控技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用促進(jìn)了現(xiàn)代裝備制造業(yè)的繁榮發(fā)展，在應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的過(guò)程中，需要通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)來(lái)對(duì)其進(jìn)行控制，以便于保證數(shù)控加工的速度及精度.原有的數(shù)控系統(tǒng)所具備的開(kāi)放性不足，為了改善這個(gè)問(wèn)題，在PMAC的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng).在明確系統(tǒng)的總體框架之后，通過(guò)相應(yīng)的硬件模塊開(kāi)發(fā)與軟件結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)，不僅保證了數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性，同時(shí)提升了數(shù)控系統(tǒng)的性能，有效地實(shí)現(xiàn)了控制，最終推進(jìn)了現(xiàn)代裝備制造業(yè)長(zhǎng)久的發(fā)展.

[1]賈旭，盧曉紅，王鑫鑫，等.基于PMAC的微銑床數(shù)控系統(tǒng)中G代碼編譯研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(3)：104-107.

[2]梁速，徐輝，陳默，等.基于PMAC的商用五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)[J].電加工與模具，2012(S1)：27-31.

[3]鄭華林，于璽，潘盛湖，等.基于PMAC的線切割數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)顯示[J].機(jī)床與液壓，2012(16)：90-93.

[4]夏羅生，盧端敏，朱樹(shù)紅.基于PMAC的二維攪拌摩擦焊開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010(5)：71-74.

[5]崔超，高霖.基于PMAC的板材漸進(jìn)成形數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究[J].航空制造技術(shù)，2011(5)：80-82.

[6]王石莉.基于PMAC的鈑料漸進(jìn)成形機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011(3)：22-24，27.

[7]黎良田.基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究[J].軟件導(dǎo)刊(教育技術(shù))，2014(1)：54-55.

[責(zé)任編輯王新奇]

Research and Development of Numerical Control System Based on PMAC

CHENG Yan

(Department of Mechanical Engineering, Anhui Water Conservancy Technical College, Hefei 231603, China)

In the process of the development of modern equipment manufacturing industry, the function and performance of the equipment depend on the key technology of numerical control machining. In this paper, the numerical control system was developed based on PMAC in open numerical control system. The optimization and development of the hardware and software of the numerical control system were discussed respectively, and a relatively perfect open numerical control system was constructed.

PMAC; numerical control system; research; development

1008-5564(2016)02-0019-04

2015-10-27

安徽省高等學(xué)校省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目“數(shù)控技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2013zy127)

程艷(1979—)，女，安徽淮南人，安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師，碩士，主要從事機(jī)械工程研究.

TM571.1

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