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开放式数控系统的特点探讨

时间:2011-02-28 来源:网络

  1.软件化数控系统内核扩展了数控系统的柔性和开放性,降低了系统成本。

  随着计算机性能的提高和实时操作系统的应用,软件化NC内核将被广泛接受。它使得数控系统具有更大的柔性和开放性,方便系统的重构和扩展,降低系统的成本。数控系统的运动控制内核要求有很高的实时性(伺服更新和插补周期为几十微秒~几百微秒),其实时性实现有两种方法:硬件实时和软件实时。

  在硬件实时实现上,早期DOS系统可直接对硬中断进行编程来实现实时性,通常采用在PC上插NC I/O卡或运动控制卡。由于DOS是单任务操作系统,非图形界面,因此在DOS下开发的数控系统功能有限,界面一般,网络功能弱,有专有硬件,只能算是基于PC化的NC,不能算是真正的开放式数控系统,如华中I型,航天CASNUC901系列,四开SKY系列等;Windows系统推出后,由于其不是实时系统,要达到NC的实时性,只有采用多处理器,常见的方式是在PC 上插一块基于DSP处理器的运动控制卡,NC内核实时功能由运动控制卡实现,称为PC与NC的融合。这种方式给NC功能带来了较大的开放性,通过Windows的GUI可实现很好的人机界面,但是运动控制卡仍属于专有硬件,各厂家产品不兼容,增加成本(1-2万元),且Windows系统工作不稳定,不适合于工业应用(WindowsNT工作较稳定)。目前大多宣称为开放式的数控系统属于这一类,如功能非常强大的MAZAK的Mazatrol Fusion 640,美国A2100,Advantage 600,华中HNC-2000数控系统等。

  在软件实时实现上,只需一个CPU,系统简单,成本低,但必须有一个实时操作系统。实时系统根据其响应的时间可分为硬实时(Hard real time,小于100微秒),严格实时(Firm real time小于1毫秒)和软实时(Soft real time,毫秒级),数控系统内核要求硬实时。现有两种方式:一种是采用单独实时操作系统如QNX,Lynx,VxWorks和WindowsCE等,这类实时操作系统比较小,对硬件的要求低,但其功能相对Windows等较弱。如美国Clesmen大学采用QNX研究的Qmotor系统;另一种是在标准的商用操作系统上加上实时内核,如WindowsNT加VenturCOM公司的RTX和Linux加RTLinux等。这种组合形式既满足了实时性要求,又具有商用系统的强大功能。LINUX系统具有丰富的应用软件和开发工具,便于与其他系统实现通讯和数据共享,可靠性比Windows系统高,LINUX系统可以三年不关机,这在工业控制中是至关重要的。目前制造系统在WINDOWS下的应用软件比较多,为解决Windows应用软件的使用,可以通过网络连接前端PC扩展运行WINDOWS应用软件,既保证了系统的可靠性又达到了已有软件资源的应用。WindowsNT+RTX组合的应用较成功的有美国的OpenCNC和德国的PA公司(自己开发的实时内核),这两家公司均有产品推出,另外SIMENS公司的SINUMERIK® 840Di也是一种采用NT操作系统的单CPU的软件化数控系统。Linux和RTLinux是源代码开放的免费操作系统,发展迅猛,是我国力主发展的方向。

  2.数控系统与驱动和数字I/O(PLC的I/O)连接的发展方向是现场总线

  传统数控系统驱动和PLC I/O与控制器是直接相连的,一个伺服电动机至少有11根线,当轴数和I/O点多时,布线相当多,出于可靠性考虑,线长有限(一般3-5米),扩展不易,可靠性低,维护困难,特别是采用软件化数控内核后,通常只有一个CPU,控制器一般在操作面板端,离控制箱(放置驱动器等)不能太远,给工程实现带来困难,所以一般PC数控系统多采用一体化机箱,但这又不为机床厂家和用户接受。而现场总线用一根通讯线或光纤将所有的驱动和I/O级连起来,传送各种信号,以实现对伺服驱动的智能化控制。这种方式连线少,可靠性高,扩展方便,易维护,易于实现重配置,是数控系统的发展方向。现在数控系统中采用的现场总线标准有PROFIBUS(传输速率12Mbps),如Siemens 802D等;光纤现场总线SERCOS(最高为16Mbps,但目前大多系统为4Mbps),如Indramat System2000和北京机电院的CH-2010/S,北京和利时公司也研究了SERCOS接口的演示系统;CAN现场总线,如华中数控和南京四开的系统等,但目前基于SERCOS和PROFIBUS的数控系统都比较贵。而CAN总线传输速率慢,最大传输速率为1Mbps时,传输距离为40米。

  3.网络化是基于网络技术的E-Manufacturing对数控系统的必然要求。

  传统数控系统缺乏统一、有效和高速的通道与其他控制设备和网络设备进行互连,信息被锁在“黑匣子”中,每一台设备都成为自动化的“孤岛”,对企业的网络化和信息化发展是一个障碍。CNC机床作为制造自动化的底层基础设备,应该能够双向高速地传送信息,实现加工信息的共享、远程监控、远程诊断和网络制造,基于标准PC的开放式数控系统可利用以太网技术实现强大的网络功能,实现控制网络与数据网络的融合,实现网络化生产信息和管理信息的集成以及加工过程监控,远程制造、系统的远程诊断和升级;在网络协议方面,制造自动化协议MAP(Manufacturing Automation Protocol)由于其标准包含内容太广泛,应用层未定义,难以开发硬件和软件,每个站需有专门的MAP硬件,价格昂贵,缺乏广泛的支持而逐渐淡出市场。现在广为大家接受的是采用TCP/IP INTERNET协议,美国HAAS公司的Creative Control Group将这一以太网的数控网络称为DCN(Direct CNC Networking)。数控系统网络功能方面,日本的MAZAKA公司 的Mazatrol Fusion 640系统有很强的网络功能,可实现远程数据传输、管理和设备故障诊断等。