新一代数控系统

新一代开放式数控系统 New Generation Open Architecture CNC Controller 诺维特机械科学技术发展中心、同济大学（200092） 张曙 【摘要】本文阐述了开放式数控系统的现状与发展趋势。讨论了Andronic新一代数控系统的硬件和软件结构，以及皮米插补技术。 关键词 开放式控制器 数控系统 机床 Keywords Open architecture control CNC Machine Tool 1．开放式数控系统 数控系统是数控技术的核心，数控机床的“大脑”。开放式数控系统从20世纪90年代初就引起人们的注意。初期的开放式系统结构仍然是面向特定装置、硬件和软件的。虽然采用微机的中央处理器和母板，但仍与系统软件、应用软件和硬件紧密相关，既复杂又不灵活。对于现代数控机床的控制来说，需要一种完全以微机为基础的、和谐的、标准化的软件环境，从而能够根据用户需要实现复杂的控制功能，在缩短加工时间的同时，提高加工质量和柔性，如图1所示。 图 1 开放式数控系统 从图中可见，它的结构是面向软件配置的，可以由用户自行定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中，构成网络化的制造环境。将控制系统硬件和软件完全分开，可以根据需要和技术的发展对相应硬件或软件分别升级。这一点对于机床 制造商和用户都是非常有利的。 机床设计者进入数控系统的内部接口，就可进一步按照加工过程的要求，修改、删除和添加控制系统的功能，提高机床（包括控制系统）的性能。用户通过外部接口，就可根据自己的特殊需要和经验，增加新的控制功能。毫无疑问，开放式控制系统是机床控制技术的发展方向，将给数控系统供应商、机床制造商和最终用户都带来效益，如图2示。 图 2 开放式控制系统的优点 2．开放的标志和内涵 数控系统的开放程度可从以下四个方面来加以评价： 1) 可移植性。系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持其原有性能。 2) 可扩展性。不同应用模块可在同一平台上运行，相互不发生冲突。 3) 可协同性。不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。 4) 规模可变。应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。 实践证明，控制系统的开放程度还涉及人机界面、控制核心和整个系统： 1) 开放的人机界面。“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向用户的程序作修改。 2) 控制系统核心（数控和可编程控制等）有限度开放。虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。 3) 开放控制系统。控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。 当前，尽管众多的数控系统供应商宣称他们的产品是开放式数控系统，但系统的开放程度仍然有很大差异。完整的开放式数控系统应该能够与上层和下层进行通信，如图3示。 图 3 开放式控制系统的标志 3、开放式数控系统结构及其接口 控制系统硬件和软件结构有三种不同 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ： 1) 方案1。是传统的数控系统结构，系统的功能分别由专用的处理器承担，控制系统核心的位置控制器采用模拟驱动接口。 2) 方案2。将控制模块综合，减少处理器的数目，采用集成化控制功能的数字驱动方案。 3) 方案3。以微机为基础，采用实时操作系统和单处理器，所有的控制功能作为软件任务在实时环境下运行，从而使用户具有更大的灵活性。 3种不同方案的结构及其比较如图4示。 图4 不同开放式系统的特征 机床的新一代数控系统对实时性和可靠性要求很高，硬件和软件的接口性能具有重要意义。接口可分为外部接口和内部接口两种，如图5所示。 图 5 控制系统的外部和内部接口 外部接口的作用是将控制系统与上层和下层装置以及用户连接，可以分为编程接口和通信接口。NC和PLC编程接口是标准化的，例如RS 274、DIN 66025。通常采用现场总线SERCOS，Profibus或DeviceNet，作为各种装置和I/O的接口，采用以太网和TCP/IP 作为与上层系统的接口。 内部接口用于构成控制系统核心的元器件之间的交互和数据交换，这部分的重要指标是对实时机制的支持程度。控制系统的开放特征可以从系统平台、通信方式和编程 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 三个方面来进行评价和比较，其评价标志见表1。 表 1 开放式控制系统的特征 项 目 特征标志 特 征 内 容 举 例 系统平台 硬 件 具有标准总线的硬件系统 工业微机 操作系统 标准操作系统 VxWorks、Windows 中间件 标准中间件 DCOM、COBRA 通信方式 工厂网络 标准物理介质和通信协议 以太网和TCP/IP 驱动网络 标准物理介质和通信协议 SERCOS接口 I/O 网络 标准物理介质和通信协议 Profibus、DeviceNet 编程方法 NC/RC 编程 标准NC编程语言 DIN 66025、RS-274 PLC 编程 标准PLC编程语言 IEC 61131-3 人机界面 标准应用编程界面 DDE、OPC CNC软件 标准应用编程界面 编译、循环 4、Andronic 开放式数控系统 Andronic 2060数控系统是德国Andron公司的最新产品（www.andron.com），它是新一代基于微机的、在Windows平台上的开放式系统，其内部硬件结构如图6所示。 图6 Andronic 2060数控系统的硬件结构 它采用由两个Intel处理器，通过PCI-PCI桥进行相互通信。一个处理器承担数控运算（NC计算机），另一个作为人机界面计算机。NC计算机中插有NC CPU卡、NC机床卡。NC机床卡与数控驱动装置连接，并且通过2块带PCI桥的总线卡与人机界面计算机通信。人机界面计算机地内部总线卡与数控系统操作面板和外部接口连接。人机界面计算机的CPU卡控制触摸式LCD显示屏以及计算机外设和网络通信。采用，作为所有外设的I/O接口。上海机床集团公司生产的曲轴磨床就采用该系统。 5、SERCOS接口技术 SERCOS是串联实时通信系统（Serial Real- time Communication System）的缩写。数控系统从原理上来说，提供的是不连续运动的控制，通过插补技术，借助微小的直线线段去逼近一条曲线，形成刀具的运动轨迹，如图7所示。 图7 数控轨迹的形成 从图中可见，为了提高加工精度，必须缩小这个微小直线线段Δs，与此同时系统的响应时间就要缩短。例如当Δs=0.05mm时，响应时间小于0.1ms。 传统的数控系统是将编程系统的数字信号转换成为电压模拟信号，再以电压的大小控制驱动电动机的转速，事实上仍是模拟量控制，如图8所示。 图8 传统数控系统的原理 SERCOS技术可以将位置控制、速度控制、精密插补以及伺服电动机的控制集成在一个集成电路中。数字伺服驱动技术是借助 “串联实时通信系统” 接口将数控系统与伺服控制器用光纤连接起来，大幅度提高系统的传输率和响应速度，可达到纳秒级，其系统配置如图9所示。 图9 具有SERCOS接口的系统配置 德国的ST微电子公司（STMicroelectronics）采用0.5µm/5V的HCMOS技术，生产SERCOS专用芯片SERCON 816，其外观和内部逻辑结构如图10所示。 图10 SERCOS接口控制器专用芯片 SERCON816芯片与以前生产的SERCON 410B 芯片兼容，传输率可选为2/4/8/16Mbit，具有与工业微机连接的8/16bit总线接口，通过光纤环进行全双向通信。 采用SERCOS接口的数字交流驱动的数控系统如图11所示。 图11 具有SERCOS接口的机床数控系统 6、皮米级插补技术 数控系统性能以及数控机床的加工精度和效率的提高与插补精度是分不开的。Andron公司采用SERCOS接口技术后，开发了皮米级插补技术，将插补精度从1(10-7m提高到0.6(10-12 m。 插补精度越高，机床加工零件的尺寸精度也越高，表面粗糙度越小，机床运动越平稳，刀具磨损也越小，可进一步降低加工成本。 当刀具运动轨迹改变方向时，采用 0.1µm插补精度与0.6pm插补精度的对比，如图12所示。 图12 微米插补与皮米插补的比较 参考文献 [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 PCI PCI PCI PCI PCI PCI 备用卡 备用卡 手轮 SERCOS 高速I/O CNC控制 NC C P U 卡 NC机床卡 NC-计算机 选件： USB 硬盘 USB 记忆棒 USB 软驱 CD-ROM USB 刻录机 2块带PCI桥的总线接口板 IDE 硬盘 以太网 COM1 LPT1 LCD显示器 触摸屏控制器 内部总线卡 人 机 界 面CPU卡 外部I/O 输出电流（蓝色） 位置命令（红色） 速度前馈（紫色） 加速度（绿色） 输出电流（蓝色） 位置命令（红色） 速度前馈（紫色） 加速度（绿色） 插补精度0.1µm 插补精度0.6pm 通信 伺服驱动 主轴驱动 SERCOS光纤电缆 SERCOS光纤电缆 控制器 数控系统 � 位置反馈 数模转换±10V � 位置控制 交流伺服驱动控制 （速度控制） 位置反馈值 位置 解码器 反馈 交流 伺服电动机 数模转换 控制单元 （位置控制） 扭矩反馈 扭矩反馈 SERCON 816内部逻辑结构 回转位置 刻度尺 位置接口 人 操 高分辨率 位置接口 人 操 场状态 电流控制 人 操 速度反馈值 扭矩 命令值 速度控制 人 操 速度 控制器 扭矩 命令值 扭矩 命令值 速度反馈值 扭矩 命令值 模拟量 ±10V 精密插补 位置控制 人 操 速度 命令值 驱动微控制器 人 操 转子位置 � EMBED PowerPoint.Slide.8 ��� SERCOS 接口 人 操 SERCOS 接口 人 操 操作面板+16 I/O AC伺服 电动机 人 人机界面计算机 数字化智能AC驱动控制器 � SERCOS接口控制器专用芯片 SERCON 816 面向装置 控制单元 PWM 扭矩控制 工作站 过去/今天 今天/明天 面向软件 以微机为基 础的异构环境 异构环境 人机界面 编程接口 控制面板 微机控制系统 网络：通过以太网联到其他微机 总线：SERCOS,Profibus,Interbus PCI插卡 即插即用 标准化的开发工具 基本控制软件 应用软件 仿真环境 工作站 供应商提供的硬件 开发系统 � � 机床制造公司 最终用户 � 控制系统供应商 可重复使用的软件 可自行增加的用户接口 容易实现客户需要的特殊控制功能 可扩展的硬件系统 控制系统和机床的开发相互独立 用户专用软件的集成 标准化的接口 整个控制系统成本降低 第三方软件 上层控制功能 局域网 API 与操作者有关的 控制功能(HMI) 下层控制功能 非实时 API 实 时 NC/PLC 编程软件 应用程序接口(API) 控 制 平 台 中间件 操作系统 硬件 接 口 接 口 驱动网络 工厂网络 I/O网络 I/O网络 现场总线 与机器有关的 控制功能(CNC) 方案3 传统的 模拟驱动接口 方案2: 驱动域 采用数字接口 方案1 在用户域连接（SoftCNC） 处理器1 (用户域) 人机界面 编程接口 TP, TG, PLC, PR 人机界面 编程接口 DR 电流控制器 功率放大器 处理器2 (控制域) TP, TG, LR 处理器3 (控制域) PLC 处理器4 (控制域) PR 处理器5 (驱动域) TP, TG, PLC, PR DR 电流控制器 功率放大器 LR LR＋DR 电流控制器 功率放大器 TP=轨迹规划，TG＝轨迹生成，PR＝过程控制 LR=位置控制器，DR＝速度控制器 人机界面 � CNC 局域网 人机界面 SERCOS +/- 10 V Profibus CAN Interbus 与低层 装置 的接口 MAP/ MMS TCP/IP Ethernet 与上层 装置 的接口 现场 总线 用户界面 NC/PLC编程 X-Windows Tcl/Tk Tcl/Tk MFC DIN 66025 (STEP-NC) ICE-1131 模块化的控制结构 可重构的硬件和软件模块 Tcl/Tk: 刀具命令语言 MFC: 微软功能分类 控 制 系 统 的 内 部 接 口 控 制 系 统 的 外 部 接 口