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开放式控制器对数控机床低成本改造的策略

中国机床网  2010-05-21 10:54:20 来源: 机械设计与研究
导读:引言 数控系统如同计算机硬件一样更新换代愈来愈快。这种发展也给用户带来了极大的困难和浪费。原因是旧型号的备件难于购买,造成数控系统的维护代价太高,同时,技术的快速更新也使得用户手中的许多系统赶不上需求的发展。这些因素促使用户进行系统的更新换
关键词: 数控机床 控制器
引言
数控系统如同计算机硬件一样更新换代愈来愈快。这种发展也给用户带来了极大的困难和浪费。原因是旧型号的备件难于购买,造成数控系统的维护代价太高,同时,技术的快速更新也使得用户手中的许多系统赶不上需求的发展。这些因素促使用户进行系统的更新换代,但是,这种更新的代价是很高的,而且仍不免有淘汰的危险。对于专用设备和特种设备,用户更难找到合适的系统来进行设备的数控改造。在我国数控市场大部分依赖进口的状况下,这些矛盾尤为突出。
本文通过对数控系统改造的实践,着重分析了怎样利用开放式控制器的结构特点,低成本、高性能的完成用户所需求的功能。在这里,低成本改造并不意味着低性能,而是尽量节约用户已有的设备资源,同时,改变传统数控系统造成功能极大浪费的缺点,满足用户专有需求的高性能。
1 用户的需求分析
1.1 传统数控系统用户所遇到的问题
  (1) 设备维护成本高:由于传统数控系统必须依赖系统制造商的备件。尤其是老产品的备件购买很困难。
  (2) 设备管理、使用困难:由于存在不同品牌,不同年代的产品。
  (3) 升级、更新困难:大部分须连带伺服系统更换,代价太高。
  (4)功能大量浪费:用户不能对系统功能进行增删,对功能利用不足,造成使用性能与价格比不高。
  (5) 对专用机床和特种机床改造非常困难:不能为用户配置专用的控制器,用户也不能在通用的控制器中加入自己的专有功能。
1.2 用户在数控改造时所希望的解决方案
  (1)节约改造成本:尽量能利用用户手中的设备资源,降低改造的范围;控制器在满足用户需求的前提下不造成功能的浪费。
  (2)不造成使用、维护的困难:保持用户界面风格的统一性,采用用户习惯的操作方式或用户自己设计的人机界面;标准化的硬件配置使配件价格较低,开放式的设计使用户容易解决故障。
  (3)可靠性高:采用模块化结构使故障影响范围减小,改造后的维护成本低。
  (4)适应发展的需要:随着市场对产品的需求越来越趋向个性化,当代制造业必然要面向多品种、小批量生产。为适应这种生产模式,数控技术必须适应DNC,CAD/CAM及CIMS的发展。
  (5)满足用户专用设备的控制要求:通用CNC系统不具备的功能,或应用通用CNC系统代价太高。甚至可满足冶金、纺织、印刷等行业对运动控制日益增长的需求。
2 开放式运动控制器PMAC的开放性
2.1 PMAC简介
  PMAC(programmable multi-axes controller)是美国Delta Tau公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器,它提供运动控制、离散控制、内务处理、同主机的交互等数控的基本功能。PMAC内部使用了一片Motorola DSP 56001数字信号处理芯片,它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。伺服控制包括PID加Notch和速度、加速度前馈控制,其伺服周期单轴可达60μs,二轴联动为110μs。产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。甚至连接MACRO现场总线的高速环网,直接进行生产线的联动控制。与同类产品相比,PMAC的特性给系统集成者和最终用户提供了更大的柔性。它允许同一控制软件在三种不同总线(PC-XT和AT,VME,STD)上运行,由此提供了多平台的支持特性。并且每轴可以分别配置成不同的伺服类型和多种反馈类型。
2.2 与各种产品的匹配
  (1) 与不同伺服系统的连接:伺服接口有模拟式和数字式两种,能连接模拟、数字伺服驱动器,交、直流、直流无刷伺服电机伺服驱动器及步进电机驱动器。
  (2) 与不同检测元件的连接:测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。
  (3) PLC功能的实现:内装式软件化的PLC,使用类似basic的程序,可扩展到2048点I/O。
  (4) 界面功能的实现:按用户的需求定制。
  (5) 与IPC的通讯:PMAC提供了三种通讯手段——串行方式、并行方式和双口RAM方式。采用双口RAM方式可使PMAC与IPC进行高速通信,串行方式能使PMAC脱机运行。
  (6)CNC系统的配置:PMAC以计算机标准插卡的形式与计算机系统共同构成CNC系统,它可以用PC-XT&AT,VME,STD32或者PCI总线形式与计算机相连。
3 硬件设计实例
我们采用PMAC为运动控制卡,构成NC in PC结构的数控系统,并用它改造了日本MAZK的QT-10N车床。该车床控制系统原有的配置为:三菱CNC控制器,刀具检测器,二轴直流伺服系统,速度反馈元件为感应式测试发电机,位置反馈元件为旋转变压器,主轴为交流变频调速系统,反馈元件为脉冲编码器。该机床CNC控制器已坏,但伺服系统、主轴驱动系统和传感器都完好无损。对这种控制器功能比较多的复杂驱动系统和反馈元件类型比较多的情况,直接用传统的控制器来替代是比较困难的。即使是三菱现在生产的控制器基本上是采用脉冲编码器作为速度和位置反馈元件,所以,除非连驱动系统一起更换,否则对其CNC系统的改造是较困难的。
实际改造中,数控系统主机IPC的CPU为Pentum266,操作系统为Windows NT。PMAC与主机之间的通信采用双口RAM来完成,实时控制任务由PMAC 控制器实现。旋转变压器经选件ACC8Dopt7 12位的RDC转换,形成每转4096脉冲的数字反馈量,用于速度和位置反馈。开关量控制在增加ACC34A接口卡后,I/O扩展到80点。利用PMAC 配置的调试软件可以用图形方式直观而方便地进行伺服系统的调试。经调试系统跟随误差小于2μm。图1为系统改造后的结构图。

▲ 图1 PMAC控制器对MAZAK QT-10N改造系统
为了伺服系统开发实验的需要,又采用国产的二个感应式交流伺服电机AC200-30及KT220驱动器代替原有直流伺服系统,该伺服电机采用脉冲编码器作为速度和位置反馈元件。图2为该构成的结构。经调试系统跟随误差小于2.5μm。同时,又利用原三菱的直流伺服电机和旋转变压器,选用一台美国SEMI-power公司的交、直流驱动器代替原来的三菱直流伺服驱动器,该驱动器仅为一个PWM的功率放大器,伺服系统的速度调节和位置调节均由PMAC来完成。PMAC直接输出PWM信号作为指令信号输入该驱动器。这种配置充分利用了PMAC先进的伺服功能,我们将这两台直流伺服电机和两台步进电机用一个四轴PMAC卡控制与另一台计算机,形成一个CNC的开发平台。图3为该系统的构成。图中,直流伺服电机的速度和位置反馈仍用旋转变压器经选件ACC8Dopt7 12位的RDC转换,形成每转4096脉冲的数字反馈量。步进电机驱动器可以从PMAC上直接获得脉冲指令。从这一例改造可以看出,利用PMAC控制器的开放特点,用户可以得到多种方式的改造方案,使原有的进口设备得到充分利用。如:(1)更换CNC系统。(2)更换CNC系统和全部伺服系统。(3)更换CNC系统和伺服驱动器,保留伺服电机。(4)更换CNC系统和主轴驱动器。

▲ 图2 PMAC控制器对MAZAK QT-10N的改造2
▲ 图3 NCinPC开发演示平台

4 软件开发
PMAC具有直线和圆弧插补、S-曲线加减速、三次样条插补等功能,可以完成用户定义的G、M、T代码,因此,用户的软件开发工作主要是界面功能的实现和诊断系统的处理。
4.1 用户界面功能的开发
  PMAC的软件通讯功能。Delta Tau公司提供了PtalkDT的通讯函数库。采用了微软公司的构件标准ActiveX技术嵌入PtalkDT的通讯函数库。ActiveX是OLE控件的新标准,它利用面向对象的技术提供了一种用来源于不同应用程序的信息创建复合文档的强有力方法。PtalkDT则以ActiveX控件形式提供一套类库,它包含一系列通讯函数,提供上位机与PMAC之间快速有效的通讯,并完成一些出错处理。利用PtalkDT开发应用程序,用户可专注于开发应用程序的特殊功能,而直接使用已有应用程序所具有的功能,避免了重复开发,提高了开发效率。同时由于对象可以在不同应用程序间共享,提供了信息的共享性和存储的有效性。

▲ 图4 实例的执行页面之一

4.2 实例
  在建立PMAC与PC之间双口RAM通讯的基础之上,用VC开发了两轴数控车床的ATUO、MDI和手动模式及程序输入、参数调整、程序仿真、系统诊断以及位置速度实时显示等基本数控功能。
  以下是开发实例中的一个执行页面。本例中,PMAC完成解释、刀补、插补算法、位置控制、速度处理以及PLC等全部实时控制。
5 结论
  从实例中可以看出,开放式数控系统对数控改造的灵活性和巨大效益。但类似PMAC这样的系统仍然存在不足。第一,CNC的核心部分运动控制和伺服控制仍是封闭的,这使得用户仍然要依赖于专用运动控制卡(虽然控制器的大部分价值为购买通用计算机设备),还没有达到整个控制器产品的硬件通用化。第二,在界面风格和通信协议上还没有形成统一的标准,使得软件的可重用性,跨平台性不强。欧盟于1992年在ESPRIT计划内起步开发研究OSACA(Open Architecture for controls within Automation System),OSACA开放式控制系统平台和系统参考结构的定义,完全符合IEEE给出的标准,这是一种完全开放的数控系统。它为用户提供包括运动控制核心的开发平台,用户开发的功能模块也能运行于任何符合OSACA标准的控制器产品中。现今欧盟各主要CNC控制器制造商都在开发基于OSACA标准的开放式控制器。我们也正在同OSACA的合作中开发应用于中国市场的基于OSACA标准的开放式CNC控制器,这一产品的研制成功,能为我国数控改造用户更增添一个可以选择的方案。
  开放式数控系统是国际上方兴未艾的一项新技术,它的出现是对现代制造业的挑战,也是数控产业技术进步的机遇。
王宇晗 男,1966年2月出生,讲师,主要从事数控技术研究,发表论文4篇。
王宇晗(上海交通大学 (上海 200030))
吴祖育(上海交通大学 (上海 200030))
陆志强(上海交通大学 (上海 200030))
李宇昊(上海交通大学 (上海 200030))
参 考 文 献
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开放结构规范及平台软件研究.机电一体化,1999,(3):
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