基于PMAC的數(shù)控火焰切割機數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

　　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(lǐng)域所接受。在機床控制領(lǐng)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(shù)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(jìn)行單獨的運算,執(zhí)行運動程序、PLC程序、進(jìn)行伺服環(huán)更新,并以串口、總線兩種方式與主計算機進(jìn)行通訊。而且它還可以自動對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先等級判別,從而進(jìn)行實時的多任務(wù)處理,這使得它在處理時間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機和編程器的負(fù)擔(dān),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(yù)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(jìn)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(jìn)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(yīng)暫停下來按原軌跡準(zhǔn)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(chǔ),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(yīng)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(guān)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(yīng)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(jìn)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?？偩€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(jìn)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(jìn)行重復(fù)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(fù)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(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。由于通過DPRAM進(jìn)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(yīng),所以所需的時間要少得多,因此響應(yīng)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(guān)等信號;各軸的行程開關(guān)、機械零點開關(guān)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(guān)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(yīng)的繼電器上,最終控制相應(yīng)的電器。

2 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　該數(shù)控系統(tǒng)采用了前后臺式結(jié)構(gòu),相應(yīng)地整個軟件分為前臺程序和后臺程序。前臺程序的設(shè)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(yīng)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(chǔ)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(yīng)用于武漢電力設(shè)備廠數(shù)控火焰切割機的改造中。