一种高性能、开放式软件数控系统及其应用

    自1952 年诞生第一台数控机床，数控机床的发展经历了数字控制(NC) 、计算机数字控制(CNC) 两个阶段。数控系统也从第一代采用电子管起，历经了采用晶体管、小规模集成电路、小型计算机技术到1974年左右发展到采用微处理器的专用NC阶段。90年代初期，数控系统进入基于PC机的阶段。基于PC机的数控系统(CNC)又分为以下几种类型：
   
    (1) PC机嵌入NC型
   
    在传统的专用NC中简单地嵌入PC技术，NC可以共享一些计算机的软硬件资源，而计算机只参加辅助编程、分析、监控、生产管理和工艺编制等工作。由于这种数控系统的NC部分仍是专用结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系统。
   
    (2) NC嵌入PC型
   
    这是完全采用PC机为硬件平台的数控系统，运动控制(包括轴控制和机床逻辑控制)功能由配有专用控制芯片的独立的运动控制器完成，通常以PC插件(符合ISA或PCI总线标准)形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。运动控制软件由NC生产厂商设计，用户无法修改。只是NC的上层软件(数控语言解释器/人机界面等)以PC操作系统(例如Windows)为平台，因此这种数控系统只是在上位机层面上实现了开放性。
   
    (3) 全软件型
   
    这是完全采用PC机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，已经成为新一代CNC的主流。
   
    众所周知，目前最常用的Windows 桌面操作系统是多线程、抢先多任务的32 位操作系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速度和加工精度。因此有些数控系统采用原始的DOS 操作系统作为软件平台，可以满足一般的实时性要求。但是，运行在实模式下的16 位单任务的DOS操作系统没有发挥出32位PC机的优势，而且应用程序受640k内存限制，并可直接对硬件操作，系统可靠性也很难保证。而目前市场上基于Windows的实时操作系统(或软件)，如WindowsCE. NET等的价格又比较昂贵，不利于在数控机床行业的普及。本文介绍的香港海德盟数控技术有限公司开发的Hi-800系列基于PC的数控系统引入德国Power Automation(以下简称PA)公司的实时控制内核，弥补了Windows 桌面操作系统实时性差的不足，是一种真正的全软件型开放式数控系统，可广泛应用于各种数控机床、加工中心及一些特殊用途机床的复杂控制中。
   
    一、Hi-800数控系统组成
   
    Hi-800系列数控系统是按照工业级标准，应用PC技术制造的高性能CNC。系统采用Windows NT操作系统及PA实时内核(Real Time Kernel)，使用户可以拥有操作方便的窗口式人机界面，同时使得利用硬盘作为NC内存成为可能。而且从简单的串行口到复杂的通信网络都能得到应用。
   
    1. Hi-800数控系统硬件设计
   
    由于运动控制和逻辑控制功能都由软件实现，因此Hi-800系列数控系统硬件只有控制器、键盘和显示器、NC操作面板和相应的扩展版卡等部件组成，其外形结构如图1所示。

图1 Hi-800系列数控系统外形结构图

    主控制器是一台安装了Micrsoft Windows NT 操作系统的工业标准PC机，可以通过PC机主板上标准的插槽和总线连接系统需要的器件，如轴控卡，数字或模拟量输入/输出(I/O)接口、通信网卡等。 Hi-800系统通过PCI总线配置了可控制4个模拟量轴和1个主轴的控制卡；16个数字量输入和输出及5路模拟量输出通道。用户还可以根据需要通过多轴扩展板卡，或I/O扩展模块，实现控制更多轴和更多I/O的功能。与Hi-800主控制器相连接的典型外部设备如图2所示。

图2 CNC控制器外部设备接口

    Hi-800系列操作系统还配置1个以太网卡(TCP/IP协议)；4个串行通信接口(其中1个可配置为RS-485接口 )；1个并行通信接口和1个USB通信接口，可以灵活地实现网络化控制。还有1个可实现双声道立体声控制的声卡和1个可同时连接TFT和CRT的显示卡。用户还可以根据需要选择其它硬件配置。
   
    系统采用10.4″超薄液晶显示器和薄膜按键，更适合于工业现场应用。可在其可视化界面内很专业、很方便的监控和实现各种操作，如：加工过程曲线图形和加工件零件的各种信息；根据用户需要编写的PLC程序、在线监控PLC和CNC信号和在线程序修改等；可以观察加工过程中的机械坐标、程序坐标等一些重要的操作信息。
   
    NC操作面板可用于控制系统和程序的起停操作，还可以通过它实现控制对象(如机床)的手动控制，如X、Y、Z轴的手动进给；主轴的正转、反转控制；润滑、冷却系统控制等，便于机床调试。
   
    2. 系统软件结构
   
    Hi-800数控系统的软件结构如图3所示。由于系统内嵌PA的NT实时内核，因此，对实时性要求比较高的运动控制任务和逻辑控制任务都由CNC软件和软件PLC完成，并直接控制相关的硬件设备，也可以满足数控系统实时控制的要求。而其他对实时性要求不高的任务，如人机接口(HMI)、计算机辅助制造(CAM)等需要由PC机实现的任务，仍由Windows NT操作系统来实现。

图3 Hi-800系列数控系统软件结构

    PA的NT实时内核使数控系统可以以固定的时间间隔执行实时任务，而且在执行实时任务时，禁止其他非实时任务的执行，并能够直接获得系统相关的硬件资源。只有在没有实时任务需要执行时，Windows NT才能获得CPU资源，去执行基于NT系统的应用程序。
   
    系统CNC软件包含与运动控制有关的所有功能，如对用户的NC程序进行编译、解释代码；运动轨迹的插补运算；轴的位置环控制及与软件PLC和外部设备的通信等。
   
    3. CNC编译器(CNC Interpreter)
   
    CNC编译器的主要任务是对用户的NC程序进行解释，并将其转换为伺服任务中的插补器能够识别的格式。此外，编译器还具有下列功能：

• 控制CNC操作模式；
• 系统诊断；
• 与伺服系统进行信息交换；
• 向MMI传送信息，用于显示；
• 与PLC进行二进制I/O数据交换；
• 加工过程的偏移量设置和路径修正。 

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    4. CNC插补器(CNC interpolator)
   
    插补器是CNC的执行单元，CNC的下列功能都与插补任务有关：

• 路径插补；
• 轴插补，包括线性、样条、圆弧、螺旋线插补，还具有镜像、并行随动轴功能；
• 位置轴控制；
• 诊断与监控管理；
• 与位置任务的通信连接；
• 从CNC-PLC读取输入信号；
• 向PLC传送BCD码信号；
• 实时转换 (极坐标，5轴)；
• 实时自校正，包括间隙补偿、齿隙误差补偿、零漂补偿等；
• 正弦震荡器；
• 主轴输出；
• 从FIFO寄存器中读取新的程序段；
• 快速输出数字量信号。 

    5. CNC位置闭环控制(CNC Position Loop)
   
    位置任务用于实现轴的位置控制功能，所有CNC和PLC的实时任务都是由与控制轴有关的硬件定时中断控制的，每次中断都执行一次位置任务，主要完成下列操作：

• 从门阵列或sercos接口读取位置值；
• 检测编码器信号(模拟轴)；
• 更新机床位置；
• 计算机床位置误差值；
• 根据机床位置计算相应的内部位置；
• 计算命令位置值与实际机械位置的偏差；
• 计算对应的位置控制的输出值；
• 输出到D/A转换器(模拟量控制轴)；
• 输出到sercos接口(sercos控制轴)。

    Hi-800内置的高速软PLC符合IEC-1131-3标准，用户可以使用梯形图、功能程序段、指令表、流程图及结构文本等多种PLC语言编程，完成各种复杂的机床逻辑控制。系统还内置机床参数编辑器和逻辑分析仪(非常有用的调试工具)，使得机床控制系统的安装、调试和保养非常简便。
   
    作为基于PC的开放式CNC系统，Hi800允许用户以安全可靠的方式集成第三方专业技术及专用软件(例如各种CAM软件)。系统控制功能均由软件实现，可以根据机床类型及不同的应用开放相应功能模块，提供给用户最大的选择和灵活性。
   
    二、Hi-800系列数控系统的性能及特点
   
    系统的主要性能指标如附表所示：

附表 系统的主要性能指标
 

    Hi-800系统独特的软硬件结构，使其具有下列特点：

    (1) 开放性

    Hi-800系统充分利用了Windows NT操作系统的开放性特点，允许在同一个系统上集成CNC及其它应用软件。此外，还额外提供了一系列开放式软件工具。如循环编译工具(Compile Cycles)允许用户定制自己的特殊加工功能，实现各种复杂机床控制；可视化界面使用户可以在原有MMI的基础上定制专用人机界面；虚拟人机界面VMI功能可以根据用户需求定制全新人机界面。
   
    (2) 高速度
   
    Hi-800的“自适应预读功能”可以在实时情况下，预处理几百个NC程序段，并且可以根据相应的进给速率自动调整加、减速控制。自适应预读功能速度变化曲线如图4所示，图中横坐标是NC程序段，纵坐标F表示执行速度。用蓝色曲线表示的G08没有预读功能，因此每个程序段都要执行加速和减速操作；而红色曲线表示的G09的速度是连续变化的，这样不仅增强了机床的效率，也提高了加工工件的表面光洁度。

 
图4 自适应预读功能速度变化曲线对比

    系统的“曲率优化功能”，可以使大量连续微小线段加工达到最佳效果，更好地保证加工过程的快速性、连续性和平稳性。同时快速的PA实时内核能够完成各种实时操作，满足快速性要求。
   
    (3) 高精度
   
    系统采用“自适应调节技术”，可以在实时状态下根除伺服滞后并且抑制由速度变化导致的共振干扰。能够自动为每根轴选择最佳参数，然后在运行过程中补偿这些参数。精确停止插补功能及拐角平滑处理功能，能有效防止拐角处发生过切现象，可以获得良好的加工精度。
   
    (4) 海量NC内存
   
    基于PC的Hi-800系统利用硬盘存储加工程序，实现海量NC内存(大于10GB)，大大缩短了NC程序读取时间，使得机床的加工效率成倍提高。
   
    (5) 良好的人机界面
   
    操作人员可以通过功能键选择六种不同的操作模式，菜单式操作简单易学。
   
    (6) 网络化控制
   
    数控系统直接配置通用网络接口，使其具有强大的网络通信功能，容易实现远程监视和控制，及分散化网络加工，使现代化管理成为可能。
   
    三、应用案例
   
    建立在先进的Windows操作系统平台上的Hi-800数控系统具备柔性、开放性和不断扩展的特性。通过简单的系统参数及功能设定，便可实现各种先进的控制技术，满足复杂加工和几乎所有应用，如各种高速高精度车、铣、雕、磨、线切割及激光加工设备；复杂加工中心；5轴联动机床等。为用户提供一流的专家解决方案。
   
    1. 高速雕铣机的控制
   
    如：Hi-800所独有的曲率优化功能，能对连续小线段加工轨迹进行平滑处理，进一步提高加工快速性，并获得更好的表面光洁度。自适应预读功能够根据进给速度和加工轨迹处理加减速，避免小线段频繁加减速，保证加工速度稳定，实现快速加工。特别适用于高速雕铣机的控制。
   
    2. 激光切割机的控制
   
    Hi-800系统还能够根据加工距离、加工时间的变化对激光能量进行控制。距离调整功能可以控制激光头(Z方向)与加工表面保持恒定距离。对于三维切割，可以保证切割的平整性，避免过切现象。非常适用于激光切割机的控制应用。
   
    3. CNC仿真软件在教学领域的应用
   
    Hi-800的开放性和离线版本CNC仿真软件使其为教学领域应用提供了安全和方便性。仿真软件可以安装在任何1台装有Windows NT/2000的个人计算机上运行，无需额外硬件支持。而且离线CNC操作界面和实际应用操作界面完全相同，可以在计算机上学习系统基本操作，熟悉NC编程指令，模拟运行加工程序。另外，Hi-800系统丰富全面的控制功能和卓越的性能，可以使学生更多地了解数控领域的先进技术和发展方向。
   
    由于基于PC技术，Hi800数控系统可以直接连接投影仪等设备，方便教师进行教学演示。
   
    四、结语
   
    与传统数控系统相比， 软件数控系统可以充分利用Windows平台和CNC的开放式软件工具开发所需的各种功能，使用户可以灵活的组态CNC功能模块，构成各种类型的高性能数控系统。以满足普通机床、加工中心及各种特殊类型机床的复杂控制。这种实现形式上的变革使得系统可以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，大幅度提升数控系统的控制性能，简化系统实现难度，缩短研发周期；大大增强了系统的伸缩性和可扩展性。因此，软件数控系统具有最高的性能价格比，最有很强的生命力。