第6章 开放式数控系统
1 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
6.1.1 PMAC开放式运动控制卡
PMAC全称可编程多轴控制器（Programmable Multi-Axis Controller），是美国Delta Tau
Data Systems 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（Turbo PMAC）。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Motorola 56000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6-1-1 PMAC开放式运动控制卡
表6-1-1 PMAC开放式运动控制器的主要技术性能指标
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2 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（Look Ahead）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 Macro Ring
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）
6.1.2 KT560-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。
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3 图6-1-2 KT560_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6-1-3 KT560_T的界面结构
第6章 开放式数控系统 4 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，第6章 开放式数控系统
5 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
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6 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，ACC8D OPT 4A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
6.2.2 PMAC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 第6章 开放式数控系统
7 SAVE 保存I变量到EEROM中
OPEN PROG 1 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=3000 I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。
