基于PMAC的激光加工机床开放式数控系统开发.pdf

2 0 1 3年 1 O月 第 4 1 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS 0e t ． 2 01 3 V0 l _ 41 No ． 1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 2 3 基于 P MA C的激光加工机床开放式数控 系统开发 尚纯 ，崔宝磊 ，杨光 ，钦兰云 ，卞宏友 ，王伟 ，项坤 1 ．沈阳航 空航 天大学航 空制造工艺数字化 国防重点学科 实验室，辽宁沈阳 1 1 0 1 3 6； 2 ．沈 阳航 空航天大学机 电工程学院，辽宁沈阳 1 1 0 1 3 6 摘要通过对开放式数控系统主要结构形式的分析 ，提出基于 P M A C的激光加工机床开放式数控系统的设计理念。该 系统是以 P MA C作为 C N C控制模块、P c机为系统支撑单元的双 C P U开放式数控系统，即 “ P cP MA C ”的开放式数控系 统模式。经多次试验证明该系统能够稳定工作，很好地满足激光加工机床的要求。 关键词P MA C ；开放式数控系统；激光加工机床 中图分类号 T G 6 5 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 9 0 8 3 3 De v e l o pme nt o f Ope n CNC S y s t e m Ba s e d o n PM AC f o r La s e r Pr o c e s s i n g M a c hi ne To o l S H A N G C h u n ，C U I B a o l e i ，Y A N G G u a n g ，Q I N L a n y u n ，B I A N H o n g y o u ，WA N G We i ， X I A N G K u n 1 ． Ke y L a b o r a t o r y o f F u n d a me n t a 1 S c i e n c e f o r Na t i o n a 1 D e f e n c e o f A e r o n a u t i c a l Di g i t a l Ma n u f a c t u rin g P r o c e s s ， S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 3 6， C h i n a ；2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ，S h e n y a n g A e r o s p a c e U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 1 3 6 ，C h i n a Ab s t r a c t Th r o u g h a n a l y z i n g t h e ma i n s t r u c t u r e f o r ms o f o p e n C NC s y s t e m ，t h e d e s i g n p h i l o s o p h y o f t h e o p e n C NC s y s t e m b a s e d o n P MAC f o r l a s e r p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o l wa s p u t for w a r d ． I n t h i s s y s t e m，P MAC wa s t a k e n a s c o n t r o l mo d e l o f CNC a n d P C wa s t a k e n a s s y s t e m s u p p o r t i n g u n i t s ．S o i t wa s a d o u b l e C P U o p e n CN C s y s t e m ．n a me l y t h e o p e n CN C s y s t e m mo d e l o f“ P C P MAC ”．A l o t o f e x p e r i me n t s h a v e p r o v e d t h a t t h i s s y s t e m C an w o r k s t e a d i l y a n d i t c a n me e t t h e d e ma n d o f l a s e r p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d s P MAC；O p e n C NC s y s t e m；L a s e r p r o c e s s i n g ma c h i n e t o o l 数控激光加工技术是集光、机、电等于一体的先 进加工技术，该技术广泛应用于材料的热处理、表面 熔覆 、切割和焊接等领域 ，而且可以实现加工过程 自 动化，因此具有广泛的应用前景 。传统的激光加工 机床多采用专用数控系统，这种数控系统由于采用封 闭式结构模式，系统的扩展性和灵活性受到了限制， 因此很难将企业的工艺经验、专用技术集成到控制系 统 中去，造成数控系统 的很多功能闲置，且成本较 高 。开放式数控系统作为一种新兴的数控系统构建 模式 ，具有可扩展 、可重用、可移植 、可互换等优 点 。为使激光加工机床数控系统具有开放式数控系 统的优点 ，系统采用典型的开放式数控系统结构，即 “ P C P M A C ”的控制结构。 1 开放式数控 系统及其结构形式 I E E E标准定义 的 开放 式数 控 系统 能够在 多 种平台上运行 ，能够与其他系统相互操作，并能给用 户提供一种统一风格的交互方式。目前 ，国内外开放 式数控 系统有 以下 4种结构形式 1 P c连接 N C式。该形式是将 P C机直接与原 有的 C N C系统进行串行通信传输。这种方式 比较容 易实现，但是受到原来 C N C系统的限制，整个系统 的响应速度较慢，不易实现开放化。 2 P C嵌入 N C式。该形式是在 N C内部嵌入 P c，用专用的总线把两者连接起来。其特点是数据 传输迅速、响应快 ，并能充分利用原有的 C N C系统 ， 但在只在专用 C N C系统的前端接口具有 P C处理的柔 性。也就是说，这种模式只具有部分的开放性 ，它不 能实现 N C内核的开放 ，使其开放性受到限制。 3 N C嵌入 P c式。该形式是 P C机作为系统的 核心，将控制卡插入到 P C的标准扩展槽中完成标准 数控功能。易于实现与用户之间接口及主系统通信的 开放化 ，同时系统 的性能得到 了保证且具有较强的软 件通用性 。 4 全软件型 N C 。该类型是一种真正意义上开 放体系结构的数控系统，只需将 C N C接口板插到 P c 机的标准 插 槽 中。这 里 的 P C是 不 需 要 改造 的通 用 P C，整个 P C系统 由 P C扩 展而成 。除伺服 驱动 和外 部 I ／ O接口外，其余功能均由软件完成 ，软件通用性 好 ，编程处理灵活 ，能实现彻底 的开放性 。 就总体而言，基于 P c和多轴运动控制器的开放 收稿 日期 2 0 1 2 0 90 2 作者简介尚纯 1 9 8 7 一 ，男，本科，助理工程师 ，研究方 向为激光快速成形、C A D ／ C A M。Em a i l s h a n g c h u n 1 6 3 1 63 ．c o m。 8 4 机床与液压 第 4 1卷 式数控系统是当前比较理想的开放式数控系统 ，它能 够把系统平 台直接构建 于 P C微机软件基础之上 ， 充分利用微机现有的软硬件资源，使得系统开发简 单 、性能可靠。在工业领域 中，P MA C是 国内外开 放 式数控 系统 中应 用最 为广 泛 的多轴 运 动控 制器 之 一 [ 2 基于 P MA C的激光加工机床开放式数控 系统的 总体设计 2 ． 1 激 光加 工机床 数控 系统 的控 制要 求 激光加工机床基本原理是 把足够功 率 或能 量 的激光束 聚焦后 ，照射 到送粉器 供 给的金 属粉末 上 ， 在极短 的时间内，使金属粉末熔化 、金相组织发生变 化 ，以达 到成 型的 目的 。 激光加工机床有 4个传动轴，它们分别是 、】 ， 、 z轴及送粉器主轴 ， 、y 、z轴三轴联动 ，控制工 作 台的空 间位置 ，实现成形零件 的设计 图形 ，主轴则是 带动粉盘匀速旋转 的自转轴。 、y 、z轴分别 由交 流伺服电机通过同步带连接滚珠丝杠驱动 ，主轴由步 进 电机经蜗杆减速器来 驱动。该机床结构 和坐标定 位 如图 l 所示 。 图 1 机床结构和坐标定位 2 ． 2激 光加 工机床 数控 系统 的硬 件设计 根据系统的控制要求，该数控系统的硬件结构设 计方案如图 2所示 。系统采用 “ P C P M A C运 动控制 卡” 的上下位机结构形式 上位机采用控制机 P C 主要完成对系统 的管理 ；下位机采用 P M A C运 动控制 卡 P M A C 2 - L I T E，完成实时控制 、l ， 、z轴和送粉 器主轴 的运 动 以及控 制面板 的 开关量 。P c机与 系统 控制器 P M A C的通讯主要是通过 I S A总线来实现的。 P c机负责完成数控系统的配置和人机交换功能，通 过充分利用 P c机现有的软硬件资源 ，用户能获得良 好 的人机交互 环境 。P M A C与 电机 主要 通过 D P R MA 进行通信，D P R M A用来与 P MA C进行快速的数据和 命令通讯，例如电机速度 、位置状态等数据可以不停 地被 更 新 并 且 被 P L C 程 序 或 被 P MA C 自动 写 入 D P R A M。由于通过 D P R M A进行的数据存取不需要经 过通讯 口发出命令和等待响应 ，因此响应速度非常 快。P M A C发 出的开光量信号通过控制继电器 的动 作 ，来控制激光 光闸 、气路 和送粉器主轴的动作 ，这 样 就完成 了数控系统硬件结构 的设计 。 键盘 I l 软驱l l 硬盘 l l 并 口l l 串I l l l 显示器 主c P u 及主板 l l显卡 I SA P MAC 卡卜 ． - ． I D P R A Ml l网卡 I ／ O接 口板 信 号 转 接 板 图 2 数控 系统 的硬 件结 构 2 ． 3激光加 工机 床数 控 系统 的软 件设 计 2 ． 3 ． 1 软件结构 的总体设计 数控系统软件是整个数控系统 的控制 中心 ，它集 中了管路、检测、控制等多种功能 ，离开了软件数控 系统便无法 正常运行 。该 系统软件 以 Wi n d o w s 为软 件开发平 台 ，以 V C 6 ． 0编译 器为基 本软件 开发 和 调试工具 J 。软件结构如 图 3所示 ，系统软件设计 采 用了模块化的设计方法 ，使软件具有开放性，各模块 既可 以连续运行 ，也可独立运行 。 实时控制软件 0S 实 施 控 制 软 件 数据 采集 模 块 P L C监 控模 块 伺服驱动模块 插 补 模块 加工程序解释模块 上 层 过程 软件 过程 控制 软 件 l 编辑 I 1 设置 l 1 程序 I l 管理 l I ～。l I 诊断 l 图3 数控系统的软件结构 主要模块有 1 数据采集模块。该模块作用是 动态调度管理中心的资源及各任务进程 ，实时向 I ／ 0 卡采集数据或发送数据，在系统的协调下使各个模块 高效、安全运行。 2 P L C监控模块。主要完成加工中各坐标轴 实际位置和给定位置以及对系统加工程序、报警信息 等工作状态 的实时显 示。 3 伺服驱动模块。主要实现工作 台的各种运 动 ，使工作台能够进行步进移动 、连续移动、直线插 补与圆弧插补运动等，并能在加工中对速度进行调 一 一 ～ 一 ～ 一 一 一一一 一一 一 一