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        開(kāi)放式數控系統的現狀與趨勢
        作者:管理員    發(fā)布于:2018-06-03 13:45:56    文字:【】【】【】瀏覽 (60)
        摘要:開(kāi)放式數控系統是下一代數控系統的主要發(fā)展方向,國內外都正在進(jìn)行研究和并在工業(yè)已經(jīng)獲得應用。本文闡述了開(kāi)放式數控系統的現狀與發(fā)展趨勢。討論了新一代數控系統的硬件和軟件結構以及皮米插補技術(shù)。

        1.開(kāi)放式數控系統

        數控系統是數控技術(shù)的核心,數控機床的“大腦”。開(kāi)放式數控系統從20世紀90年代初就引起人們的注意。初期的開(kāi)放式系統結構仍然是面向特定裝置、硬件和軟件的。對于現代數控機床的控制來(lái)說(shuō),需要一種完全以微機為基礎的、和諧的、標準化的軟件環(huán)境,從而能夠根據用戶(hù)需要實(shí)現復雜的控制功能,在縮短加工時(shí)間的同時(shí),提高加工質(zhì)量和柔性。

        從圖中可見(jiàn),開(kāi)放式數控系統的結構是面向軟件配置的,可以由用戶(hù)自行定義接口和軟件平臺,不斷將功能集成到控制系統中,構成網(wǎng)絡(luò )化的制造環(huán)境。將控制系統硬件和軟件完全分開(kāi),可以根據需要和技術(shù)的發(fā)展對相應硬件或軟件分別升級。這一點(diǎn)對于機床制造商和用戶(hù)都是非常有利的。

        用戶(hù)進(jìn)入數控系統的內部接口,就可進(jìn)一步按照加工過(guò)程的要求,修改、刪除和添加控制系統的功能,提高機床(包括控制系統)的性能。通過(guò)外部接口,就可根據自己的特殊需要和經(jīng)驗,增加新的控制功能。毫無(wú)疑問(wèn),開(kāi)放式控制系統是機床控制技術(shù)的發(fā)展方向,將給數控系統供應商、機床制造商和較終用戶(hù)都帶來(lái)效益,如圖2示

        2.開(kāi)放的標志和內涵

        數控系統的開(kāi)放程度可從以下四個(gè)方面來(lái)加以評價(jià):

        1)  可移植性。系統的應用模塊無(wú)需經(jīng)過(guò)任何改變就可以用于另一平臺,仍然保持其原有性能。

        2)  可擴展性。不同應用模塊可在同一平臺上運行,相互不發(fā)生沖突。

        3)  可協(xié)同性。不同應用模塊能夠協(xié)同工作,并以確定方式交換數據。

        4)  規??勺?。應用模塊的功能和性能以及硬件的規??砂凑招枰{整。

        實(shí)踐證明,控制系統的開(kāi)放程度將涉及人機界面、控制核心和整個(gè)系統:

        1)  開(kāi)放的人機界面?!伴_(kāi)放”僅限于控制系統的非實(shí)時(shí)部分,可對面向用戶(hù)的程序作修改。

        2)  開(kāi)放的控制核心(數控和可編程控制等)有限度開(kāi)放。雖然控制核心的拓撲結構是固定的,但可以嵌入包括實(shí)時(shí)功能的用戶(hù)專(zhuān)用過(guò)濾器。

        3)  開(kāi)放的控制系統??刂坪诵牡耐負浣Y構取決于過(guò)程,內部可相互交換、規??勺?、可移植和可協(xié)同工作。

        當前,盡管眾多的數控系統供應商宣稱(chēng)他們的產(chǎn)品是開(kāi)放式數控系統,但系統的開(kāi)放程度仍然有很大差異。全開(kāi)放數控系統應該能夠與上層和下層進(jìn)行通信

        3、開(kāi)放式數控系統結構及其接口

        控制系統硬件和軟件結構有三種不同方案:

        1)  方案1?;趥鹘y的數控系統結構,系統的功能分別由專(zhuān)用的處理器承擔,控制系統核心的位置控制器采用模擬驅動(dòng)接口。

        2)  方案2。將控制模塊綜合,減少處理器的數目,采用集成化控制功能的數字驅動(dòng)方案。

        3)  方案3。以微機為基礎,采用實(shí)時(shí)操作系統和單處理器,所有的控制功能作為軟件任務(wù)在實(shí)時(shí)環(huán)境下運行,即SoftCNC,具有更大的靈活性。

        3種不同方案的結構及其比較

        不同開(kāi)放式系統的特征

        機床的新一代數控系統對實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高,硬件和軟件的接口性能具有重要意義。接口可分為外部接口和內部接口兩種,如圖5所示。

        控制系統的外部和內部接口

        外部接口的作用是將控制系統與上層和下層裝置以及用戶(hù)連接,可以分為編程接口和通信接口。NC和PLC編程接口是標準化的,例如RS 274、DIN 66025。通常采用現場(chǎng)總線(xiàn)SERCOS,Profibus或DeviceNet,作為各種裝置和I/O的接口,采用以太網(wǎng)和TCP/IP 作為與上層系統的接口。系統環(huán)境內部接口用于構成控制系統核心的元器件之間的交互和數據交換。

        10多年來(lái),各國都對開(kāi)放式控制系統進(jìn)行了卓有成效的研究和開(kāi)發(fā)。例如,美國的“下一代控制器(NGC)”研究計劃提出了開(kāi)放式結構標準規范(SOSAS)以及三大汽車(chē)公司提出了“開(kāi)放的模塊結構控制器(OMAC)”計劃;日本由18家機床制造商和系統提供商共同參與的“控制器開(kāi)放環(huán)境(OSEC)”協(xié)會(huì ),致力于推動(dòng)控制器開(kāi)放化;德國發(fā)起、歐洲各國參與的“自動(dòng)化開(kāi)放控制系統結構(OSACA)”計劃等。

        美國國家標準與技術(shù)研究所主持了加強型機器控制器(Enhanced Machine Controller)的研究,采用Linux實(shí)時(shí)操作系統,源代碼是公開(kāi)的,可從www.linuxcnc.org網(wǎng)站下載,對我國研究和推廣開(kāi)放式數控系統有很大參考價(jià)值。

        控制系統的開(kāi)放特征可以從系統平臺、通信方式和編程方法三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行評價(jià)和比較,見(jiàn)表1。

        表 1    開(kāi)放式控制系統的特征

        4、開(kāi)放式數控系統的應用案例

        1.德國Andron公司

        Andronic 2060數控系統是該公司的較新產(chǎn)品(www.andron.com),它是新一代基于微機的、在Windows平臺上的開(kāi)放式系統,其內部硬件結構。 Andronic 2060數控系統的硬件結構

        它采用由兩個(gè)Intel處理器,通過(guò)PCI-PCI橋進(jìn)行相互通信。一個(gè)處理器承擔數控運算(NC計算機),另一個(gè)作為人機界面計算機。NC計算機中插有NC CPU卡、NC機床卡。NC機床卡與數控驅動(dòng)裝置連接,并且通過(guò)2塊帶PCI橋的總線(xiàn)卡與人機界面計算機通信。人機界面計算機地內部總線(xiàn)卡與數控系統操作面板和外部接口連接。人機界面計算機的CPU卡控制觸摸式LCD顯示屏以及計算機外設和網(wǎng)絡(luò )通信。采用,作為所有外設的I/O接口。上海機床集團公司生產(chǎn)的曲軸磨床就采用該系統。

        2.SKY2006型數控系統是(原南京四開(kāi)電子)(www.gf2002.com)基于WIDOWS 平臺的新一代開(kāi)放式數控系統,FPGA的可編程SoC的硬實(shí)時(shí)設計大幅度提高了數控系統插補與驅動(dòng)控制響應確定性,可達納秒級。其內部硬件結構。

        SKY2006 數控系統采用通用X86工業(yè)PC進(jìn)行數控運算(軟件實(shí)時(shí)模塊),通過(guò)100M/IG以太網(wǎng)與基于FPGA精密插補核心(硬件實(shí)時(shí)模塊)相連。系統多軸運動(dòng)的實(shí)時(shí)性有FPGA的精細插補軟核并行完成,保證數控軌跡高精密性。FPGA核心模塊支持PROFIBUS DP(10M)與驅動(dòng)連接,同時(shí)也有30M的SKYLINK內部協(xié)議與模擬驅動(dòng)擴展模塊相連,便于已有的機床進(jìn)行系統升級。

        操作面板和一般性IO由RS485 IO 卡通過(guò)RS485與工業(yè)PC相連。工廠(chǎng)內部以太網(wǎng)與工業(yè)PC的第二塊網(wǎng)卡相連,人機界面和軟實(shí)時(shí)模塊基于WINDOWS XP EMBEDDED平臺,可通過(guò)相應API 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)和功能擴展。

        四開(kāi)機床公司的SKY2006 系統結構

        5、SERCOS接口技術(shù)

        SERCOS是串聯(lián)實(shí)時(shí)通信系統(Serial Real- time Communication System)的縮寫(xiě)。數控系統從原理上來(lái)說(shuō),提供的是不連續運動(dòng)的控制,通過(guò)插補技術(shù),借助微小的直線(xiàn)線(xiàn)段去逼近一條曲線(xiàn),形成刀具的運動(dòng)軌跡。

        數控軌跡的形成。為了提高加工精度,必須縮小這個(gè)微小直線(xiàn)線(xiàn)段Δs,與此同時(shí)系統的響應時(shí)間就要縮短。例如當Δs=0.05mm時(shí),響應時(shí)間小于0.1ms。

        傳統的數控系統是將編程系統的數字信號轉換成為電壓模擬信號,再以電壓的大小控制伺服電動(dòng)機的轉速,仍是模擬量控制。

        SERCOS技術(shù)可以將位置控制、速度控制、精密插補以及伺服電動(dòng)機的控制集成在一個(gè)集成電路中。數字伺服驅動(dòng)技術(shù)是借助 “串聯(lián)實(shí)時(shí)通信系統” 接口將數控系統與伺服控制器用光纖連接起來(lái),大幅度提高系統的傳輸率和響應速度,可達到納秒級,其配置。

        具有SERCOS接口的系統配置

        德國的ST Microelectronic公司采用0.5μm/5V的HCMOS技術(shù),生產(chǎn)SERCOS專(zhuān)用芯片SERCON 816,其外觀(guān)和內部邏輯結構。 

        SERCON816芯片與以前生產(chǎn)的SERCON 410B 芯片兼容,傳輸率可選為2/4/8/16Mbit,具有與工業(yè)微機連接的8/16bit總線(xiàn)接口,通過(guò)光纖環(huán)進(jìn)行全雙向通信。

        6、皮米級插補技術(shù)

        數控系統性能以及數控機床的加工精度和效率的提高與插補精度是分不開(kāi)的。德國Andron公司采用SERCOS接口技術(shù)和光纖連接后,開(kāi)發(fā)了皮米級插補技術(shù),將插補精度從1′10-7m提高到0.6′10-12 m。顯而易見(jiàn),插補精度越高,機床加工零件的尺寸精度也越高,表面粗糙度越小,機床運動(dòng)越平穩,刀具磨損也越小,進(jìn)一步降低加工成本。當刀具運動(dòng)軌跡改變方向時(shí),采用 0.1μm插補精度與0.6pm插補精度的對比微米插補與皮米插補的比較

        參考文獻

        [1] Prischow G et al. Open Controller Architecture -- Past, Present and Furure. Annals of the CIRP v.50/1, 2001

        [2] Kynast R. Digital Drive Interface. SERCOS Interface, pp. 10-13 Vogel Verlag, Berlin. 2004

        [3] Lutz P. Sercon 816 -- Controller for Sercon Interface. SERCOS Interface, pp. 10-13 Vogel Verlag, Berlin. 2004

        [4] www.andron.de

        [5] www’isg-stuttgart.de

        [6] www.gf2002.com


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