何欣 王力强
天津职业技术师范大学 工程实训中心
摘要：本文主要是设计和开发基于PMAC的开放式数控加工中心装调与维修实验台中的一部分，针对数控教学实际需要展开工作。研究基于PMAC的加工中心开放式数控系统,以此为基础深入地研究了平台的模块化结构,使各模块之间具有相对独立性，互操作性和可扩展性,达到了CNC内核的开放,使用户能把自己特有或专用的技术和软件例程集成到CNC系统中，体现了新技术对教学的适应。
关键词：数控机床；开放式数控系统
1.前言
机械制造工业代表了一个国家工业发展的水平。目前由于市场需求不断发生变化，全球制造业的资源配置在科技的发展和大力推动下，向着具有劳动力+设+信息+知识的方向发展[1]。自成功引入国内以来，功能强大的运动控制器（PMAC运动控制器）在各个工业制造的各个领域都发挥出了重要作用[2]。随着先进的数控技术的快速发展，目前我国学校的教学设备明显的落后，许多学校没有充足的资金更新换代，一定程度上影响了教学的过程。数控机床作为学校教学的重点内容，是学校进行数字改造升级的重点内容。针对学校教学中的重点内容，本文研制了一种小型的开放式数控机床，一方面能够符合数控技术发展的潮流，另一方面又能够节省教学经费，有利于教学资源的充分利用，同时也能起到对教学用数控设备研发的示范作用，对目前国内很对学校具有重要意义[3]。
2.PMAC运动控制器
采用PMAC运动控制器的数控系统相对于传统数控结构的系统具有总线式、开放化、模块化的优点，是目前数控系统发展的新趋势。
PMAC运动控制器具有以下功能：
(1)执行运动控制程序
PMAC运动控制器采用的是和PLC类似的执行方式，主要功能是按照编订好的程序顺序执行[4]。因此在运行程序时每次执行一个指令，在执行下一步前判断条件，再根据符合条件情况继续执行下面的程序，所以每次执行前都要经过计算并协调要正确执行的各种动作，并提前准备运动执行需求。
(2)执行PLC程序
PMAC的运动程序的顺序特性使其非常适合于按运动顺序执行的一系列任务，并且可以协调其它坐标系的动作[5]。但是，这些程序在执行不按运动顺序同步的任务时不适用于运动的坐标系。对于这些类型的任务，PMAC运动控制器为系统用户提供了很好的编程方式。这种可编程的控制程序方法对于不按运动顺序执行的指令任务非常有用。
(3)伺服系统的更新
在自动执行过程中不能打断PMAC运动控制器的执行过程。所以为了能实现用户对PMAC运动控制器的运动过程的实时控制，PMAC运动控制器采用了一种差值的方法进行伺服系统的更新。程序的执行过程一般是：有主程序得到设定的位置量，由反馈装置得到实际的位置量，将这两个量进行比较得出差值，最后程序根据差值输出命令，该命令的目标是将差值降低，这样一个命令周期完成。为了能够使得差值达到允许范围，可以反复使用这样的命令直至目标完成[6]。
(4)数控资源管理
PMAC运动控制器自动检测确定整个系统是否处于正常工作状态，正常后将自动执行资源管理功能[7]。PMAC运动控制器自动检测主要包括软件和硬件方面的内容[8]。软件方面有软件误差设置，软件超限程设置，显示错误设置等；硬件方面包括硬件行程设制等。再执行程序时，系统出现异常情况就会引发看门狗程序启动，从而关闭PMAC运动控制器。
(5) 与主控设备通讯
PMAC运动控制器可以在任何时候都与上位机进行通讯，通讯过程中 PMAC运动控制器接收到上位机的命令时立即采取行动来响应，首先将命令执行到程序缓冲器中供以后执行，然后还会对上位机进行数据回应，根据上位机的命令执行相应命令，当上位机命令不合法时，PMAC运动控制器会发送给上位机一个执行错位的信号，这时主机停止工作开始检查[9]。
3.开放式数控机装
由于数控技术是集机械、电子、液压、计算机以及信息技术于一体的综合技术，所以需要大量的从研究开发到使用维修各个层次的科研人员，数控人才的培养己经成为数控技术应用和发展的重中之重。在我国作为技术人才培养摇篮的大、中、专院校，其数控技术类课程和数控实验设备的普及程度远不及发达国家，在数控技术实践这方面，只能依赖一些数控教学实验课程来达到实训的目的。大部分的院校实验、实习的条件较差，学校购买的数控机床数量有限，而且设备都比较落伍。为了提高学生动手操作的能力，研究开发新型的数控实验设备、改进数控实验的条件是非常必要的。对于数控操作和编程练习往往只需要通过数控机床或者通过数控仿真系统即可达到实训的目的，但是对于数控机床的电气环节的学习，仅有数控机床或者仿真系统是不行的，因为数控机床的主要电气环节一般都封装在电气柜中，功能不具有开放性，电气调试和维修都需专业人员，机床厂家也不希望用户随意地打开电气柜，无论是从安全性考虑还是从机床设备保养角度考虑都是不可取的。数控机床电气部分的学习恰恰希望通过参与开放式的数控实验台来学习掌握数控系统的电气控制系统、电气组成、电气元件的接线、以及故障诊断维修等内容。基于此，建立了一个针对于整个数控技术应用开发领域一体化实验平台,采用组件和模块的思想建立了一个集成的设计开发环境,实现从数控装备产品规划,方案选择,运动算法和人机交互等各个环节的教学实践活动,运用数控技术新的教学模式,培养社会需要的数控高级人才。
日本的OSEC(Open System Environmen For Controller,控制器的开放系统环境)计划是在国际机器人和工厂自动化研究中心IROFA(International Robotics and Factory Automation Center)建立的开放式数控委员会倡导下,由3个机床厂、1个系统厂和2个信息公司发起的.其目的是开发基于PC平台的新一代开放结构数控系统.OSEC采用了3层功能结构,即应用层、控制层和驱动层,这种结构实现了零件造型、工艺规划(加工顺序、刀具轨迹、切削条件) 、机床控制原理(程序解释、操作模块控制、智能处理等) 、刀具轨迹控制、顺序控制轴控制等.就系统结构形式而言,当今世界上的开放式数控系统大致可分为三种类型: PC嵌入NC结构的开放式数控系统，NC嵌入PC结构的开放式数控系统，存PC型开放式数控系统[10]。其中NC嵌入PC结构的开放式数控系统,特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源,是当前最为理想的开放式数控系统[11]。
开放式数控系统包括，上位机：不同系统仿真界面的开发，比如FANUC-0I仿真界面、西门子802D仿真界面、三菱M64仿真界面、华中HNC210B仿真界面等。下位机：熟练运用PMAC对伺服电机的调试，G、M、T代码的编写程序以及相对应的PLC程序的编写。本文主要是设计和开发基于PMAC的开放式数控加工中心装调与维修实验台中的一部分，针对数控教学实际需要展开工作。研究基于PMAC的加工中心开放式数控系统,以此为基础深入地研究了平台的模块化结构,使各模块之间具有相对独立性，互操作性和可扩展性,达到了CNC内核的开放,使用户能把自己特有或专用的技术和软件例程集成到CNC系统中，体现了新技术对教学的适应。
研究开放式数控系统国内外研究现状和发展趋势、开放式数控平台的应用现状,分析该实验台的技术特点，应用和需要解决的问题，对系统整体框架进行介绍。加工中心装调与维修实验台的系统框图如图1所示.
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图1 加工中心装调与维修实验台的系统框图
利用VB进行不同数控系统仿真界面的开发, 比如FANUC-0I仿真界面、西门子802D仿真界面、三菱M64仿真界面、华中HNC210B仿真界面等.开放式数控加工中心装调与维修实验台工作原理图如图2所示.
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PMAC卡的基本功能和性能,确定选用PMAC运动控制器作为平台的运动控制部分[12]。编写G、M、T代码及相应的PLC程序。研究以多轴运动控制器(PMAC)为基础的,集原理,应用和实验为一体的数控技术实验平台,介绍硬件组成特点,软件的组成特点,系统情况和如何设计实现。
对数控系统的磨床部分进行了设计，磨床部分主要由指令、控制、执行三部分组成，其中指令部分是整个数控系统的控制核心。控制部分主要包括PMAC运动控制器和伺服系统。执行部分磨床系统的工作平台，本文采用的是三自由度滑台，这种滑台体积小，使用功率低，在使用中安全性强，因此非常适合教学使用。
参考文献
[1]陈渊.基于PMAC的开放式轧辊磨床数控系统研究与开发（D）.西安：西安科技大学.2014
[2]刘启东，徐春广，郝娟 .基于PMAC的大型超精密车铣机床数控系统开发（J）.机床与液压.2016
[3]PMAC 软件手册.北京元茂兴控制设备技术有限责任公司，2001.
[4]苏伟.基于PMAC的开放式数控教学平台的研究（D）.天津：天津大学.2015
[5]章家祺.数控维修实验台运动部件进给系统的设计（J）价值工程.2005
[6]熊光华.数控机床[M].北京：机械工业出版社，2001
[7]肖云山.最新数控机床设计及优化技术手册[M].中国知识出版社，2009
[8]孙汉卿.数控机床维修技术[M].北京:机械工业出版社,2001
[9] 孙志永，赵砚江.《数控与电控技术》.北京：机械工业出版社，2002.
[10] 孙斌、杨汝清.基于 PC 的数控系统的研究现状和发展趋势.机床与液压，2001.
[11] 周德俭《数控技术》.重庆：重庆大学出版社，2001.
[12] 刘晋、任偲.PMAC 运动程序及 PLC 程序编写.制造技术与机床，2002.