近年來,隨著工業(yè)PC機性能的快速發(fā)展,可靠性大為提高,而價格卻大幅度降低,以工業(yè)PC機為核心的控制系統(tǒng)已廣泛被工業(yè)控制領域所接受。在機床控制領域,采用工業(yè)PC機,在流行的操作系統(tǒng)下發(fā)展通用的數(shù)控系統(tǒng),已成為數(shù)控技術發(fā)展的最新潮流。其中,基于工業(yè)PC機和Windows操作系統(tǒng)的開放式、模塊化數(shù)控系統(tǒng)是發(fā)展的主要方向。

1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

　　1.1 PMAC多軸運動控制器

　　美國Delta Tau公司生產(chǎn)的可編程多軸運動控制器(PMAC)是世界上功能最強的運動控制器之一,它借助于Motorola的DSP56001/56002數(shù)字信號處理器,可以同時操縱1~8個軸。它能夠?qū)Υ鎯υ谒鼉?nèi)部的程序進行單獨的運算,執(zhí)行運動程序、PLC程序、進行伺服環(huán)更新,并以串口、總線兩種方式與主計算機進行通訊。而且它還可以自動對任務進行優(yōu)先等級判別,從而進行實時的多任務處理,這使得它在處理時間和任務切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負擔,提高了整個控制系統(tǒng)的運行速度和控制精度。

　　1.2 數(shù)控火焰切割機加工工藝特點

　　數(shù)控火焰切割機,具有一般數(shù)控機床的特點,能根據(jù)數(shù)控加工程序,自動完成從點火)預熱)通切割氧)切割)熄火)返回原點的整套切割過程。但數(shù)控火焰切割機又有別于一般數(shù)控金屬切削機床,它利用氧)乙炔火焰把鋼板割縫加熱到熔融狀態(tài),用高壓氧吹透鋼板進行切割,而不像金屬切削機床那樣,是用金屬切削工具與工件剛性接觸來進行切削加工。由于各種因素的影響,有時會發(fā)生鋼板未割穿的現(xiàn)象,此時割炬應暫停下來按原軌跡準確地返回到未割穿點,再按原軌跡重新切割,因此數(shù)控火焰切割機必須具有隨時實現(xiàn)暫停及按原軌跡返回的功能。

　　1.3 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　該數(shù)控火焰切割機采用工業(yè)PC機為基礎,在工控機主板上的ISA擴展槽插上PMAC多軸運動控制器,形成該機床的控制中心。工控機上的CPU與PMAC卡的CPU構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu),兩個CPU各自實現(xiàn)相應的功能,其中PMAC主要完成機床三軸的運動控制、控制面板開關量的控制和數(shù)字化采集的控制,工控機則主要實現(xiàn)系統(tǒng)的管理功能。為了實現(xiàn)PMAC多軸運動控制的功能,還需在PMAC板上擴展相應的I/O板、伺服驅(qū)動單元、伺服電機、編碼器等,最終形成一個完整的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)硬件由主頻為233MHz的工業(yè)PC機、PMAC-Lite1.5運動控制器、I/O板、伺服單元及交流伺服電機等組成。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖,如圖1所示。

圖1 基于PMAC的CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

　　(1)PMAC運動控制器與主機之間的通訊采用了兩種方式:一種是總線通訊方式;另一種是利用雙端口RAM(DPRAM)進行數(shù)據(jù)通信,主機與PMAC運動控制器主要通過PC總線通訊,至于控制卡和電機的狀態(tài)、電機位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)則通過DPRAM交換信息。總線通訊方式是指主機到指定的地址上去尋找PMAC運動控制器,其中指定的地址是由PMAC的跳線確定。雙端口RAM主要是用來與PMAC進行快速的數(shù)據(jù)通訊和命令通訊。一方面,雙端口RAM在用于向PMAC寫數(shù)據(jù)時,在實時狀態(tài)下能夠快速地將位置數(shù)據(jù)信息或程序信息進行重復下載:另一方面,雙端口RAM在用于從PMAC中讀取數(shù)據(jù)時,可以快速地重復地獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息。譬如,交流伺服電機的狀態(tài)、位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)可以不停被更新,并且能夠被PLC或被PMAC自動地寫入DPRAM。如果系統(tǒng)中不使用DPRAM,這些數(shù)據(jù)必須用PMAC的在線命令(如?、P、V等),通過PC總線進行數(shù)據(jù)的存取。由于通過DPRAM進行的數(shù)據(jù)存取不需要經(jīng)過通訊口發(fā)送命令和等待響應,所以所需的時間要少得多,因此響應的速度就快得多。除了快速自動的存取功能外,還可以用PMAC的M變量和主機的指針變量來指定DPRAM中還沒有被使用的寄存器,實現(xiàn)數(shù)據(jù)在主機與PMAC之間的傳送。而PMAC在使用數(shù)據(jù)采集功能時,所采集的數(shù)據(jù)直接送到DPRAM中,而不是常規(guī)的RAM中。

　　(2)PMAC板的內(nèi)置PLC功能是經(jīng)智能I/O接口的輸入輸出實現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中,送入PLC的輸入信號主要有:操作面板和機床上的控制按鈕、選擇開關等信號;各軸的行程開關、機械零點開關等信號;機床電器動作、限位、報警等信號;強電柜中接觸器、氣動開關接觸等信號;各伺服模塊工作狀態(tài)信號等。這些信號是通過光電隔離以后送到智能I/O接口上,光電隔離有效地將計算機數(shù)字量通道與外部過程模擬量通道隔離起來,大大地減小了外部因素的干擾,提高了整機系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PLC輸出的信號主要有:指示燈信號;控制繼電器、接觸器、電磁閥等動作信號;伺服模塊的驅(qū)動使能和速度使能信號等。這些信號經(jīng)I/O接口送到相應的繼電器上,最終控制相應的電器。

2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計

　　該數(shù)控系統(tǒng)采用了前后臺式結(jié)構(gòu),相應地整個軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序的設計充分考慮了軟件的開放性,這樣就可以根據(jù)某些具體要求增加軟件的功能模塊,為了實現(xiàn)這樣的功能,要在調(diào)度程序中留有一定的時間片供使用,PMAC應用程序提供了利用中斷調(diào)用這些模塊的功能。前臺程序主要包括插補模塊、伺服驅(qū)動模塊、PLC監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)采集及數(shù)字化加工模塊等,也可以根據(jù)具體要求加入一些新的控制模塊。前臺程序功能模塊,如圖2所示。后臺程序主要實現(xiàn)人機對話、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)管理等功能。

圖2 前臺程序功能模塊圖

3 結(jié) 論

　　在分析了數(shù)控火焰切割機加工工藝的基礎上,開發(fā)了基于工業(yè)PC機和PMAC板的數(shù)控火焰切割機的數(shù)控系統(tǒng),該數(shù)控系統(tǒng)具有良好的人機界面及切割軌跡的動態(tài)跟蹤功能,使用操作十分方便,適合于工業(yè)現(xiàn)場使用。該數(shù)控系統(tǒng)已成功地應用于武漢電力設備廠數(shù)控火焰切割機的改造中。