龙门铣床数控系统改造

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1 引言
模块化开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。多CPU开放式数控系统实现的最主要途径是数控系统的PC化，PC化有三种途径：1）在PC机上增加数控模块；2）在数控系统上增加PC模块；3）以软盘文件的形式来管理数控程序，把CNC模块插人PC机中是PC化的一种主要方式，PMAC（Programmabb Moltiple Axes Controller）运动控制器就是这样的一个数控模块。本文提出了以PMAC运动控制器作为CNC模块，工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并将该控制系统应用于龙门铣床数控数字化测量加工系统的开发，取得了良好的效果。
本文介绍了基于PMAC的并行双CPU开放式数控数字化测量加工系统，并给出硬、软件的设计框图。本系统的特点是：各微处理器并行工作，软件工作被分散到各级处理器，实现了WlNDOWS／NT环境下实时多任务处理，提高了系统的执行速度.
2 数控系统的硬件结构
2．1 PMAC介绍
可编程多轴控制器PMAC是美国Delta Tau公司的产品。PMAC运动控制器是一个拥有高性能伺服运动的控制器，它借助于Motorola的DSP56001／56002数字信号处理器，可以同时操纵1—8个轴。这八根轴可以互相联动以便进行完全协调的运动；每一根轴也可以被放人它自己的坐标中，从而得到八个完全独立的运动；或者它们中的其它组合形式。
% R) K8 B6 W7 @- l- v7 mPMAC运动控制器能够通过存储在它自己内部的程序进行单独的操作和运算，而且可以自动对任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务处理。PMAC具有的这种同时执行多个任务并能够正确地进行优先级排序的能力，使得它在处理时间和任务切换的复杂性这两方面大大减轻主机和编程器的负担，提高整个控制系统的运行速度和控制精度。除此而外，PMAC还具有执行运动程序、执行PLC程序、伺服环更新、资源管理及与主机通信等功能。
2．2 数控系统硬件设计
* _, a+ x$ [! Q* M' a3 z  e' w龙门铣床控制系统采用工业控制机（IPC）为基础，在工控机主板上的内扩展槽插上PMAC多轴运动控制器和双端口存储器（DPRAM），形成该机床的控制中心。工控机上的CPU 与PMAC 的CPU（DSP56001）构成主从式双微处理器结构，两个CPU各自实现相应的功能，其中PMAC主要完成机床三轴的运动控制、控制面板开关量的控制和数字化采集的控制，工控机则主要实现系统的管理功能。为了实现PMAC多轴运动控制的功能，还需在PMAC板上扩展相应的I／O板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等，最终形成一个完整的控制系统。控制系统硬件由主额为233MHz的工业控制机、PMAC．Lite 1．5运动控制器、I／O板、双端口RAM（DPRAM）、伺服单元及交流伺服电机等组成。数控系统硬件框图如图1所示。

1）PMAC运动控制器与主机之问的通讯采用了两种方式。一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通信，主机与PMAC运动控制器主要通过PC总线通讯，至于控制卡和电机的状态、电机位置、速度、跟随误差等数据则通过DPRAM交换信息。总线通讯方式是指主机到指定的地址上去寻找PMAC运动控制器，其中指定的地址是由PMAC的跳线确定。双端口RAM主要是用来与PMAC进行快速的数据通讯和命令通讯。一方面，双端口RAM在用于向PMAC写数据时，在实时状态下能够快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载：另一方面，双端口RAM在用于从PMAC中读取数据时，可以快速地重复地获取系统的状态信息。譬如，交流伺服电机的状态、位置、速度、跟随误差等数据可以不停被更新，并且能够被PLC或被PMAC自动地写入DPRAM。如果系统中不使用DPRAM，这些数据必须用PMAC的在线命令（如?、P、V等），通过PC总线进行数据的存取。由于通过DPRAM进行的数据存取不需要经过通讯13发送命令和等待响应，所以所需的时间要少得多，因此响应的速度就快得多。在该控制系统中，主机和PMAC之间数据的传送利用了PMAC为DPRAM提供的如下功能：
● DPRAM控制面板功能（从主机到PMAC）；
) ]( c+ z5 x7 [) y5 u●DPRAM伺服系统状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；
+ c) c+ }5 U9 B% T●DPRAM后台常量状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；
● DPRAM后台变量状态数据反馈功能（从PMAC到主机）；
9 `# V# E6 X3 @! x' f5 P● DPRAM ASCII通讯缓冲区（双向）；
● DPRAM 二进制转换程序缓冲区（从主机到PMAC）；
除了上面快速自动的存取功能外，还可以用PMAC的M 变量和主机的指针变量来指定DPRAM中还没有被使用的寄存器，实现数据在主机与PMAC之间的传进。而PMAC在使用数据采集功能时，所采集的数据直接送到DPRA～I中，而不是常规的RAM 中。
5 S% V2 s/ f7 m( e$ S( I该控制系统利用了DPRAM进行数据的自动存取，提高了系统的响应速度和系统加工精度，该机床控制系统的分辨率为1ttm，同时也方便了控制系统中模块之间的陕速通讯和地址表的设定，便于编程。
2）PMAC系统的内置PLC功能是经智能I／O接口的输入输出实现的。在控制系统中，送人PLC的输入信号主要有：操作面板和机床上的控制按钮、选择开关等信号；各轴的行程开关、机械零点开关等信号；机床电器动作、限位、报警等信号；强电柜中接触器、气动开关接触等信号；各伺服模块工作状态信号等这些信号是通过光电隔离以后送到智能I／O接口上，光电隔离有效地将计算机数字量通道与外部过程模拟量通道隔离起来，大大地减小了外部因素的干扰，提高了整机系统的可靠性和稳定性。PLC输出的信号主要有：指示灯信号；控制继电器、接触器、电磁阀等动作信号；伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。这些信号经I／O接口送到相应的继电器上，最终控制相应的电器。
3）A／D接口板的主要作用是将仿形仪送出的代表压偏量的额定模拟电压转化为数字量，作为压偏量反馈信号供闭环仿形控制或数据采集所用。D／A接口将CPU计算出的各轴速度指令信号转化成模拟量送到各轴的交流伺服模块，以控制各轴伺服电机的运动。该系统的A／D转换器内置于PMAC中，同时通过光电耦台器进行光电隔离，有效地将数字地与模拟地隔离开来，提高了系统可靠性和稳定性。
! L( Y9 T3 H) ^3 数控系统的软件设计
该数控系统采用了前后台式结构，相应地整个软件分为前台程序和后台程序。前台程序的设计充分考虑了软件的开放性，这样就可以根据某些具体要求增加软件的功能模块，为了实现这样的功能，要在调度程序中留有一定的时间片供使用，PMAC应用程序提供了利用中断调用这些模块的功能。前台程序主要包括插补模块、伺服驱动模块、PLC监控模块、数据采集及数字化加工模块等，也可以根据具体要求加入一些新的控制模块。前台程序功能模块如图2所示。

5 p! o/ b  W' h8 i图2 前后功能模块图
) E$ _- |0 `; u% S5 G$ d2 D后台程序主要实现人机对话、数据处理和系统管理等功能。其功能模块如图3所示。
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% Z& L3 w9 M( v1 R图3 后台功能模块图
4 结论
9 N' l. n# s& @) P1 h9 }3 y该数控系统以通用的工业控制机为基础，采用功能强大的运动控制器PMAC承担插补计算、位置控制、速度控制等任务。实践证明，这种双CPU结构的开放式数控系统的方案是完全可行的。这种设计方案对于缩短数控开发周期．提高数控系统的加工精度、稳定性和多样性具有重要的意义。【MechNet】
- Y% f4 b" g' S( c3 F3 u* H9 B文章关键词： 数控系统