开放式数控技术.pptx

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现代数控系统原理、构成与实例第5章基于PC的开放式数控系统5.1开放式数控系统概述5.1.15.1.1开放式数控系统开放式数控系统5.1.25.1.2基于基于PCPC的开放式数控系统的开放式数控系统5.2基于Pc的开放式数控系统体系结构5.2.15.2.1基于基于PCPC的数控系统类型的数控系统类型5.2.2NC5.2.2NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统5.1开放式数控系统概述1.开放式数控系统的提出数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。

传统数控系统采用封闭式的体系结构。

即便是计算机数控（CNC）系统,其CNC装置也以专用计算机系统为基础。

虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构,可以获得高性能（如多轴联动的高速高精度控制）、强大的补偿功能、图形功能、故障诊断功能及通信功能等。

但出于技术保密和降低成本等原但出于技术保密和降低成本等原因,各数控系统生产厂商通常自行设计数控系统的硬件和软件体系结构,不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软/硬件模块、编程语言、人-机界面都不相同,世界各大数控制造厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通信协议等各方面实施技术垄断、市场垄断,甚至维修服务的垄断,数控系统用户自身无法对购买的数控系统进行功能扩展、系统维护和升级换代,数控系统的维护、维修以及人员培训等全部依赖于世界各大制造厂商。

5.1.15.1.1开放式数控系统开放式数控系统计算机网络技术的发展,使计算机集成制造（CIM）的实现形式从以大型主计算机和大规模数据库为中心的集中型,向以个人计算机为主的小型计算机互相连接、配置成网络的分散型发展。

这一变化不仅拥有技术上的优势,而且更符合实际生产方式的需要。

此外,生产系统的开放也对CNC系统提出了“开放”的要求。

在“分散网络化制造系统模型”下,以数控机床为代表的底层制造设备将成为网络中的一个节点,要求数控系统能方便地接入网络,并且能够独立、自主地完成一定的任务（包括筒易的CAD/CAM陋集成,局部的调度和工艺规划,局部的故障监控以及向上一级控制器汇报工作情况等）。

具有这些特性的制造设备将作为分散网络化制造系统中的节点或模块。

实现上述现代生产系统的目标,要求数控系统能够与PC兼容或至少能方便地联入网络,还要求数控系统能充分利用第三方软件实现CAD/CAM集成或其他功能。

因此,现代生产系统的进步和发展也提出了制造设备开放性的要求。

为了解决封闭性数控系统日益明显的弊端,以适应生产系统进步和发展的要求,近年来,西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，采用开放式体系结构数控系统的问题。

著名的有美国l994年提出的下一代控制器（NextGenerationcontrollerNGC）计划,欧洲和日本在20世纪90年代初提出自动控制系统的开放系统结构（openSystemArchitectureforcontrolWithinAutomationSystems.OSACA）计划和控制器开放系统环境（openSystemEnvironmentforcontrol1er,OSEC）计划等。

2.开放式数控系统的主要优点开放体系结构数控系统的本质特征是开放性。

其含义：

是数控系统的开发可以在统一的平台上,面向机床厂家和最终用户,通过改变、增加或裁减功能模块,形成系列化,并可将用户的特殊应用集成到控制系统中,实现不同品种、不同挡次的开放式数控系统。

开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性、可扩展及可互换性、可伸缩性、互操作性等一系列特点。

与传统封闭式数控系统相比,主要具有以下优点。

（1）面向未来开放由于软、硬件接口遵循公认标准,扩展或升级软、硬件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容。

这意味着系统的开发费用将大大降低,系统性能可以持续改善,可靠性可不断提高,产品生命周期可大大延长。

（2）应用软件移植性好开放式数控系统的应用软件与底层软、硬件支撑无关,便于多位软件设计人员针对相同被控对象,在不同的运行环境下并行开发应用软件。

可采用软件工程方法,实现软件的模块化和复用,从而有效地解决数控系统应用软件的产业化,以加快应用软件开发。

（3）网络集成便捷开放式数控系统采用标准总线和通信网络协议,可接入计算机网络,作为网络加工中的加工设备和通信站点,便于制造网络集成。

（4）人-机界面友好开放式数控系统采用通用型人-机界面,符合人-机工程学要求,操作方便、易于观察,交互性好。

（5）编程语言标准化开放式数控系统采用统一性、标准化数控加工编程语言，可以从很本上解决封闭性数控系统编程指令不统一的问题,可大大减少编程劳动。

（6）系统灵活性强开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展和裁减系统,用户可从低级控制器开始,逐步扩充系统的功能,提高系统的性能。

用户也可在系统中融入自己的技术诀窍,创造出具有自己特色的产品。

（7）可减少产品品种开放式数控系统通用性强,便于批量生产,可有效地保证系统的可靠性井降低制造成本,增强市场竞争力1.基于PC的开放式数控系统产生背景数控系统的设计可采用全新设计和扩展设计两种途径。

全新设计指：

从系统体系结构设计着手,独立提出系统设计的技术规范,并依据独立技术规范进行硬件系统和软件系统的设计。

（美国的NCC、OMAC计划及欧共体的OSACA计划,都采用了全新设计的方案。

）总之,开放式数控系统是对封闭式数控系统的巨大挑战,但从它提出后十多年里,虽然西方各工业发达国家投入了大量的人力和物力,但由于研究开发计划庞大、所涉及的关系复杂、技术难度大等原因,至今仍没有在市场上占据重要份额。

5.1.25.1.2基于基于PCPC的开放式数控系统的开放式数控系统在全新设计开放式控制系统进展缓慢时,通用PC的技术性能却在迅速提升,硬件、软件资源日益丰富.工业PC的可靠性也在不断增强,而价格则持续下降。

PC体系结构已成为事实上的微型计算机标准,应用面越来越广。

由于PC为插卡式结构,为构造开放式体系结构数控系统搭建了理想的平台,因此,人们很快就将开放式数控系统的着眼点转移到PC扩展设计方面,即以工业PC硬件体系结构和通用实时操作系统为基础,扩展相应的板卡和数控应用软件构成基于PC的开放式数控系统。

20世纪90年代初,Amprocomputer公司策略发展部行政副总裁PiekLehrbaum首先提出“利用PC体系结构,设计新一代的嵌入式应用”。

不久,SoftwareDevelopmentSystem的JamesSChallenger又提出“W1ndows和喧入式计算机技术的融合”,主张利用现有PC的软硬件规范设计新一代数控系统。

德国IBH、美国AI、日本朋立公司等也都相继开发了基于PC的数控系统。

基于PC扩展设计开放式数控系统思路的提出,极大地推动了开放式数控系统的进步和发展。

基于PC体系结构和软、硬件规范设计新一代开放式数控系统成为数控系统开放的重要途径,也是迄今为止的最佳选择。

2.基于PC构建开放式数控系统的方法通用PC标准化程度高,软、硬件资源丰富,信息吞吐量大,适用性强,是构建开放式数控系统的理想平台。

基于PC平台构建开放式数控系统,需要根据开放式数控系统的特殊要求,从硬件和软件两方面对PC进行相应的改造,扩充数控系统专用的板卡和应用软件等。

主要包括如下内容:

（1）实时处理能力扩充开放式数控系统属于实时多任务计算机控制系统,其中的计算系统必须具有实时控制和多任务处理能力,即硬件中断能力强,操作系统任务切换时间短，具有支持实时响应的特性。

而普通PC的硬件系统配置和DOS或Windows操作系统都不能满足数控系统实时性的要求,在基于DOS或Windows操作系统的数控系统中,必须扩充操作系统的实时处理能力,如增加线程或实时多任务调度,还须对硬件进行相应改造。

（2）适应工业运行环境数控系统的运行环境属于工业环境,计算机系统的可靠性、电磁兼容性、抗震性和耐高温性等性能指标应能够适应工业运行环境要求。

因此,基于PC的开放式数控系统一般采用工业PC（IPC）或各种与PC兼容的嵌入式工业控制计算机,并采用箱式结构,增强散热和防尘等性能,还须对工业PC的通用模板进行力学特性改造和加固。

（3）延长生命周期普通PC和工业PC更新换代很快,加上不同厂家、不同型号的CPE主板的性能有一定差异,会给数控系统集成带来一定困难。

延长数控系统生命周期的最好办法就是加大向用户开放的程度,使数控系统集成商和用户自己能够对数控系统的硬件和软件进行升级。

5.2基于Pc的开放式数控系统体系结构5.2.15.2.1基于基于PCPC的数控系统类型的数控系统类型基于PC的开放式数控系统目前大致可分为专用数控加PC前端的复合型、CN嵌入PC型和全软件型3种典型结构。

1.1.专用数控加专用数控加PCPC前端的复合型结构前端的复合型结构这种结构的数控系统将PC作为NC的部件嵌入在数控系统中,用内部总线相连接,PC和NC连接在一起构成前、后台结构,可形成多微处理器数控系统。

它的NC部分仍然是传统的数控系统,用户无法介入数控系统的核心,但可利用PC丰富的软件资源,满足开放性要求。

优点：

是原来的CNC不必改动,既保持了原来CNC系统强大的功能,又具有数据传送速度快、系统响应时间短的特点。

缺点：

是不能充分发挥PC的潜力,开放性受到一定限制,系统造价无法降低。

2.NC2.NC嵌入嵌入PCPC型结构（型结构（基于基于运动控制器的开放式数控运动控制器的开放式数控系统）系统）这种结构的数控系统是在通用PC的扩展槽中插入运动控制板或整个CNC单元（包括内嵌式PLC）。

PC将实现用户接口、文件管理以及通信等非实时部分的功能,实时控制（机床的运动控制和开关量控制等）由插入PC扩展槽中的CNC单元或运动控制板来承担。

这种开放式数控系统目前是较为先进的。

但是该系统的CNC核心部分_运动控制和伺服控制仍要依赖于专用运动控制卡,还未达到整个产品的硬件通用化。

3.3.全全软件型结构软件型结构全软件型结构CNC（SoftCNC）又称为纯PC型开放式数控系统。

这种结构的开放性数控系统的特点是CNC的全部或大部分功能均由PC承担,并通过装在PC扩展槽中的驱动接口卡对伺服驱动进行控制。

在PC中采用实时操作系统或对操作系统进行实时功能扩展,由PC完成数控所有的实时任务和非实时任务,如编译、解释、插补和PLC等。

比较上述的3种类型的开放式数控系统,可以发现：

第一种开放式数控系统主要从硬件的模块化和接口的标准化上满足数控系统的开放性,对硬件制造水平要求较高；第二种数控系统充分挖掘计算机软件的潜力,通过软件模块化和计算机通信标准化构建开放式数控系统,但需要实时操作系统强有力的支持,第三种数控系统将PC的灵活性和硬件的实时性结合起来,从而降低了对硬件的要求和对操作系统实时性的要求,实践证明是目前实现开放式数控系统最经济、最现实的途径。

由于第一种类型的开放式数控系统还具有很强的封闭性,属于过渡阶段的产品。

以下将着重介绍NC喧入PC结构与纯PC型结构的开故式数控系统。

5.2.2NC5.2.2NC嵌入嵌入PCPC结构的开放式数控系统结构的开放式数控系统“NC嵌入PC结构”的开放式数控系统也可称为“基于运动控制器”的开放式数控系统。

下面将以PMAC运动控制器为代表，阐述“NC嵌入PC结构”的开放式数控系统的硬件和软件体系结构。

11、PMACPMAC多轴运动控制器多轴运动控制器可编程序多轴控制器（ProgrammableMulti-AxisController,PMAC）是美国DeltaTau公司1990年推出的基于工业PC和Windows操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器,也是目前世界上功能最强的运动控制器之一。

己在机器人、数控机床、造纸和木材加工机械、各种装配线、食品加工机械、印刷包装等机电一体化设备上得到广泛应用。

PMAC的硬件结构如图5-l所示,图5-lPMAC硬件结构框图PMAC以Motorola56001（20/30MH