基于PMAC的义齿加工数控系统的研究

PatternRecognition IntelligentSystem Research DentureManufacturing Numerical Control System Based PMACBy Zhang Zhendong Supervisor:Associate Professor Wang Fei Northeastern University May 2010 独创性声明 本人声明,所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。宁夏体彩_[官网首页]论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外,不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果,也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 学位论文作者签名:础日期:29f么.7.1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作半交流的时间为作者获得学位后: 学位论文作者签名:架拯救 签字日期:2010.-1.f 一年半口 两年口 导师签名: 东北大学硕士学位论文摘要 基于PMAC的义齿加工数控系统的研究 摘要牙体缺损是口腔科的一种常见病和多发病,一般需要采用固定义齿进行修复。传统 的义齿成形制作过程为:修形、制作包埋蜡型、真空铸造、烤瓷等,须采用手工个别制 作,加工工艺繁琐,速度慢,制作效率低,周期长,依赖于技师的熟练程度。CAD/CAM 技术制作义齿可以明显缩短疗程,提高工作效率和修复质量,对口腔修复医学理论和实 践具有深刻影响。宁夏体彩_[官网首页] 根据口腔修复特点,义齿CAD/CAM技术主要包括以下几个方面:数据采集技术、 数据处理技术以及数控加工技术。本文实现了义齿CAD/CAM中数控系统的搭建,并且 由离散点云数据重建牙齿三维曲面。 数控系统选用美国Delta Tau公司的PMAC多轴运动控制卡作为下位机,以工控机 作为上位机,在VC++6.0开发环境下利用PComm32动态链接库实现上下位机之间的通 信,组成“PMAC嵌入IPC型开放式数控系统”。宁夏体彩_[官网首页]数控系统包括硬件和软件两部分,硬 件平台主要涉及伺服控制系统、电气控制系统和电气元件布局三部分;软件开发分为下 位机和上位机两大部分,下位机编写运动控制程序和PLC程序,上位机人机交互界面 包括多轴电机调试界面与运动监控界面。 运用多层双三次均匀B样条曲面对离散点云数据进行逼近,能够在保证逼近精度的 条件下快速对点云数据进行牙齿曲面重建,并且对逼近误差进行了分析。宁夏体彩_[官网首页] 数控加工系统是义齿CAD/CAM的控制核心,研发具有可靠性能和性价比的基于 IPC+PMAC的开放式义齿加工数控系统具有重要意义。宁夏体彩_[官网首页] 关键词:义齿;PMAC;开放式数控;B样条;曲面重建 .II. 东北大学硕士学位论文 Abs仃act Research DentureManufacturing Numerical Control System Based AbStractDental defects frequently—occurringdiseases,people often use denture repairthem.Traditional denture manufacture process consists contouring,embeddingwax patterns,vacuum caning porcelainveneering;all workmust donemanually aresult,themanufacture process worker’Sproficiency. By using CAD/CAM technology manufacturedenture call strongly shorten bothimprove workefficiency repairquality.In wayCAD/CAMtechnology has deep affection removableprosthodontics. According prosthodontics,dentalCAD/CAM technology mainly consists threeparts:data acquisition,data processing CNCmanufacture technology. This project establishes numericalcontrol system dentalCAD/CAM system 3Ddental surface from scattered data cloud. Numerical control system uses PMAC(Progr如nrnable Multi-Axis Controller),which AmericanDelta Tan Companyas NCdevice usesIPC(Industrial Personal Computer)as uppercomputer.The project bases VC++6.0develop environment usesadynamic link library which calledPComm32 communicationbetween NC device uppercomputerin wayitestablishes a‘‘PMAC embedded IPCpattern Open Architecture CNC System”.Numerical control system mainly consists twoparts:hardware software,inwhich hardware platform mainly includes servo control system,electrical control system electricalcomponent layout.Software development include NC device software uppercomputer software,we write motion control programs PLCprograms NCdevice,in which programsCan realtime,in sametime,we develop multi—axis debugging interface motionmonitoring interface uppercomputerin which users Can easily monitor numericalcontrol system. ..III.. 东北大学硕士学位论文 Abstract This article uses multi— level uniform bicubic splinealgorithm computesaCZ-continuous surface through aset irregularlyspaced points.Experimental results demonstrate hi曲-fidelityreconstruction possiblefrom aselected set irregularscattered data cloud. Numerical control system averyimportant part dentalCAD/CAM system.It developa11 Open Architecture CNC System which both has hi出reliability superiorcost—effective. Keywords:dental;PMAC;Open Architecture CNC System;B-spline;surface reconstruction ..IV.. 东北大学硕士学位论文 目录 目录独创性声明…………………………………………………………………I 摘要………………………………………………………………………II ABSTRACT.….………….…….…….….………….….…….….…….…….…….…….……….…….……….…….III 第一章绪论………………………………………………………………1 1.1课题研究背景及意义…………………………………………………………………….1 1.2国内外义齿CAD/CAM系统发展现状…………………………………………………2 1.2.1义齿CAD/CAM系统关键技术…………………………………………………..2 1.2.2国内外研究进展……………………………………………………………………3 1.3开放式数控系统………………………………………………………………………….5 1.3.1开放式数控系统概念………………………………………………………………5 1.3.2几种典型的开放式数控系统………………………………………………………6 1.3.3开放式数控系统体系结构…………………………………………………………7 1.4本文研究内容…………………………………………………………………………….8 第二章基于可编程多轴控制器的数控系统硬件平台研究……………9 2.1数控系统硬件设计原则………………………………………………………………….9 2.2 PMAC运动控制器………………………………………………………………………10 2.2.1 PMAC卡的开放性………………………………………………………………..10 2.2.2 PMAC运动控制器的结构及基本功能…………………………………………一1 12.3数控系统硬件结构………………………………………………………………………13 2.3.1数控机床机械本体……………………………………………………………….14 2.3.2数控系统各电气元件布局……………………………………………………….14 2.4伺服控制系统……………………………………………………………………………1 62.4.1伺服系统控制方案……………………………………………………………….16 2.4.2伺服系统驱动装置……………………………………………………………….1 72.4.3伺服系统控制模式……………………………………………………………….18 2.4.4主轴调速………………………………………………………………………….19 东北大学硕士学位论文目录 2.5电气控制系统……………………………………………………………………………20 2.5.1电气系统抗干扰措施…………………………………………………………….20 2.5.2电气控制系统总体结构………………………………………………………….21 2.5.3强电回路………………………………………………………………………….22 2.5.4伺服驱动器电路………………………………………………………………….23 2.6本章小结…………………………………………………………………………………24 第三章数控系统软件开发………………………………………………25 3.1数控系统软件结构………………………………………………………………………25 3.2数控系统上、下位机通信………………………………………………………………26 3.3下位机软件实现…………………………………………………………………………28 3.3.1 PMAC软件系统结构与变量设置………………………………………………..29 3.3.2运动程序设计…………………………………………………………………….3 13.3.3 PLC程序设计……………………………………………………………………..35 3.4上位机人机交互界面设计………………………………………………………………37 3.5本章小结…………………………………………………………………………………39 第四章牙齿三维曲面重建………………………………………………41 4.1 B样条…………………………..:……………………………………………………………………………..:…..41 4.1.1 B样条概述……………….……………………………………………………….41 4.1.2 B样条的定义……………………………………………………………………..42 4.2单层B样条曲面逼近…………………………………………………………………..44 4.3多层B样条曲面逼近…………………………………………………………………一49 4.3.1基本多层B样条曲面逼近(MBA)………………………………………………49 4.3.2改进多层B样条曲面逼近………………………………………………………51 4.4逼近效果及误差分析……………………………………………………………………54 4.5本章小结…………………………………………………………………………………56 第五章总结与展望………………………………………………………59 5.1结j沧…………………………………………………………………………………………………………………59 5.2展望…………………………………………………………………………………….55 .VI. 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献………………………………………………………………61 致谢………………………………………………………………………65 .VII. 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1.1课题研究背景及意义 牙体缺损是口腔科的一种常见病和多发病,自然人中约占24%.53%,常采用固定 修复体进行修复…。传统的义齿制作需要经过制取印模、修整模型、雕蜡型、铸造、喷 沙、堆瓷、烤瓷、修整、打磨抛光等20多道工序口1[31。这种方法对技术要求不高,但采 用手工制作,加工工艺繁琐,制作周期长,制作效率低,依赖于技师的熟练程度,病人 一般需要多次就诊,延长了患者的治疗时间。即使进一步挖掘传统铸造工艺的潜力,也 只能部分改善传统的口腔修复体制作工艺,并不能从根本上解决问题,因此迫切需要变 革传统的制作方法。宁夏体彩_[官网首页] 计算机辅助设计与制造(computer aided design computeraided manufacture, CAD/CAM)技术在上世纪80年代进入成熟阶段,广泛应用于各种复杂机械零件的设计 与制造中,随后逐渐向其它技术领域渗透,其中包括多个医学领域。其中CAD是指以 计算机作为主要技术手段来运用各种数字信息和图形信息,以进行产品的设计;而CAM 是指由计算机控制的数控加工设备,如数控铣床等对产品进行加工成型的制作技术。 1985年法国科学家Duret第一次成功地将CAD/CAM技术应用于口腔领域,从而引 发了口腔义齿医学的一场重大的技术革命。应用CAD/CAM技术制作义齿,极大地缩短 了义齿的制作周期,同时可以制作出生物相融性很好的全陶瓷义齿,受到人们的广泛欢 迎。经过二十多年的发展,在口腔临床固定义齿方面已经开发出多种CAD/CAM系统, 如Cerec(德国)、Procera(瑞典)、DCS(瑞士)、Decim(瑞典)、Digident(德国)、 Cad.esthetics(德国)、CICERO(荷兰)等【4’11】,并且在I临床上得到了广泛应用[12.13】。但这 些义齿加工系统的功能还需要继续改进,而且大多价格昂贵,难以使国内患者接受,不 可能大规模的引进以解决我国的临床需要。 随着CAD/CAM技术的不断完善,CAD/CAM技术必将成为口腔修复加工技术的主 流。因此,研制具有我国自主知识产权的固定义齿CAD/CAM系统势在必行。 为此,沈阳自动化所与沈阳新松维尔康科技有限公司共同合作,开发符合国内消费 水平的义齿CAD/CAM产品,具有重要的理论意义和实际应用价值。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1.2国内外义齿CAD/CAM系统发展现状 1.2.1义齿CAD/CAM系统关键技术 根据口腔修复特点,义齿CAD/CAM系统主要技术包括原始数据获取技术、数据处 理技术和数控加工技术‘141。 图1.1义齿CAD/CAM系统工作流程Figure 1.1 The Workflow DentureCAD/CAM System 1.原始数据获取技术 数据获取是固定义齿CAD/CAM系统的前端技术,主要任务是获取患牙原始数据, 为医生或技师制作修复体提供依据。根据测量方法的不同分为接触式测量【141和非接触式 测量【15】[161两大类。接触式测量主要是机械探针触探模型法,不便于测量而且精度较低, 实际应用较少。非接触式测量包括激光扫描测量法、莫尔条纹法、云纹相移法、数字散 斑相关测量法、投影光栅变形条纹直接分析法等。采用非接触式测量技术可以快速、实 时获取预备体数据,在实际系统装备中得到广泛应用。 2.数据处理技术 数据处理技术是义齿CAD/CAM技术的核心部分,包括自由曲面重构及外形局部调 整等工作,为下一步数控加工做准备。它包括不同人种的标准牙数据库,数据库中的标 准牙模型与患者个体情况有一定的差异,因此需要对牙冠外形的某些部分进行调整。该 部分需要具有合理的人机界面,以方便不具备专业CAD/CAM知识基础的医生及其他人 员使用。 3.数控加工技术 数控加工也是义齿CAD/CAM系统的核心部分,是义齿最终成形的必要手段,也是 CAD/CAM优越性的最终体现【17】。整套义齿CAD/CAM系统的精度最终由数控加工的精 度决定,高精度的义齿制造可以提高加工的成功率,减少医生的后续调整工作,避免患 者多次就诊。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1.2.2国内外研究进展 近年来,CAD/CAM技术的不断发展和新型材料在口腔修复中的应用,使国内外越 来越多的研究机构与企业参与到义齿CAD/CAM产品的开发中,并取得了一定的成果, 使患者体验到高科技所带来的方便快捷。 1.2.2.1国外发展现状 目前,国外市场上共出现十几种固定义齿CAD/CAM系统产品,主要集中在欧美少 数几个国家,部分产品已经相对成熟并且已经应用于临床。 Duret系统【18】于1983年研制成功,是世界上第一套固定义齿CAD/CAM系统。此 系统采用分体式结构,分为激光扫描部分,数据处理部分和数控加工部分。整个系统很 复杂,但只能进行简单的修复体制作。法国Sopha Bioconcept公司对该系统进行改进后 的SOPHA系统【l 5】具有良好的光学印模系统。但在使用过程中,对医生的操作技能要求 较高,没有在实际临床中得到广泛应用。 Cercon系统【19】【201由德国Degussa公司研制,主要工作是对义齿进行数控加工。加 工系统包括两套微型主轴,两把铣刀和一个毛坯定位装夹装置,通过装夹装置的移动进 行粗加工和细加工。得到修复体实物模型后,传统制作义齿的过程为制作蜡型、包埋蜡 型、铸造、磨光、烤瓷等繁琐工序。为了简化此工序,Cercon系统先使用激光扫描仪对 修复体实物进行扫描,获取点云数据,然后由此数据重建曲面并转换为数控加工指令, 对毛坯进行加工。和手工制作相比,该系统大大减少了加工时间,且大幅度提高了修复 体精度。但只取代了部分手工工序,并不具备牙模自动重构和修形等功能。 图1.2德国Cercon系统 Figure 1.2 Germany Cercon System CEREC系统‘211于1986年由瑞士SIRONA公司和德国西门子公司合作推出。该系 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 统包括原始数据获取,数据处理和数控加工技术,能够快速准确地为患者提供修复体, 整个过程可以在30分钟内完成,满足了临床一次性就诊的要求。加工部分主要由两套 微型主轴,两把铣刀,以及毛坯定位装夹装置组成。进给运动分别为上下和前后运动, 冷却系统在加工过程中自动对刀具和毛坯喷水冷却,以改善切削条件。但它有一些缺陷, 受到口腔内空间的限制,照相机不能获取预备体倒凹部分的数据,从而使设计精度降低, 昂贵的价格也限制了其使用范围。 日本GC公司开发了固定义齿设计加工系统GN.I[22|,该系统包括数据获取、数据库、 数据处理和数控加工几个部分,主要针对嵌体和后牙全冠的设计制作。在设计过程中, 需要通过选择参考线的尺寸和指定范围来确定牙齿表面外形轮廓;通过模拟接触,设计 咬合面和近远中接触面,缺少对不同形态面的设计。 图1.3日本GN—I系统 Figure 1.3 Japan GN—I System KAVO EVEREST系统[231是由德国KAVO公司推出的,它包括测量系统、切割研磨 系统、烧结系统三部分。加工系统包括两套主轴和两把铣刀,以及毛坯定位装夹装置, 通过刀具的移动和毛坯定位装夹装置的旋转,对毛坯进行粗加工和修整加工,该系统是 专门根据口腔技工室的工艺技术设计的。使用KAVO EVEREST系统制作嵌体,不需要 进行包埋蜡型、真空铸造等繁琐工序,而且获得的嵌体精度高,可靠性好。但是在修复 过程中,需要预先制备嵌体模型,不能自动建构嵌体模型,无法实现一次就诊。 国外另外一些比较常见的固定义齿CAD/CAM系统还有荷兰的Cicero系统【24J、德国 的DentaCAD系统[25】、美国的Minnesota系统[26】[271等,在此不一一详述。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1.2.2.2国内发展现状 国内对数字化牙齿修复系统的研究起步较晚,目前北京大学口腔医学酣28】和天津医 科大学口腔医学院等一些研究单位在进行相关的研究,已取得一定进展,但在义齿CAD 技术方面的研究与开发与国外还有很大的差距。 由北京大学口腔医学院与北京工业大学共同开发的口腔修复CAD/CAM系统,加工 部分采用国产JDPMS 3.5轴数控铣床,用非接触式三维激光扫描仪获取原始数据,借助 数据库技术建立了标准牙的自由曲面模型,并实现了牙冠三维数据预处理和模型形态变 换调整。但嵌体的嵌入困难,而且系统的用户交互界面复杂,牙科医生或者技师需要掌 握CAD技术才能完成义齿的设计,并且未达到理想的精度,不利于临床应用。 图1.4北京大学义齿CAD/CAM系统 Figure 1.4 Denture CAD/CAM System PeldngUniversity 天津医科大学口腔医学院与天津大学合作开发的固定义齿CAD/CAM系统,也已取 得一定成果。先后建立了标准牙冠数据库口91,完成了单冠和冠桥的设计技术开发,已经 开始进行嵌体设计技术的研究,但还需许多工作才能形成最终的商品化应用系统。 哈尔滨工业大学机电工程学院【301,四川大学口腔医学院【3l】等也对固定义齿 CAD/CAM系统进行了相关研究。 1.3开放式数控系统 数控加工系统是义齿CAD/CAM系统的一个重要组成部分,它关系到能否以高精度 加工出前面环节所设计出的义齿产品。本文的主要研究内容是为义齿CAD/CAM系统搭 建数控加工所需的硬件平台以及软件平台,因此以下对开放式数控系统进行介绍。 1.3.1开放式数控系统概念 传统的数控系统均使用专用计算机,用户不能根据自己的需求对数控系统软硬件进 东北大学硕士学位论文第一章绪论 行自由修改,各数控系统生产厂家的产品软硬件兼容性差,数控系统功能固定,人机界 面不够灵活,这些缺点使传统数控系统的发展受到了限制。 对于开放式数控系统,IEEE(国际电气电子工程师协会)是这样定义的:“An open system provides capabilities enableproperly implemented applications platformsfrom multiple vendors,interoperate othersystems application,and present aconsistent style ofinteraction user.”根据此定义,开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构。它具备互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点,具 有定义了标准协议的通讯系统,使得各个功能模块能通过应用程序接口API(Application Program Interface)来相互交换信息并相互操作;同时,系统还应具备一个实时的配置系 统,使得各个功能模块在系统运行中能够被灵活地配置。 根据IEEE标准提出的开放式数控系统定义,开放式数控系统具有以下基本特征【3刁: (1)可互换性,构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制, 可根据功能、可靠性、性能要求相互替换,不影响系统整体的协调运行。 (2)可伸缩性,CNC系统的功能、规模可以灵活设置,方便修改。控制系统的大小 (硬件或软件模块),可根据具体应用增减。 (3)可移植性,系统的功能软件与设备无关,各种功能模块运行于不同的控制系统 内,即能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 (4)可扩展性,CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到NC系统中, 形成自己的专用系统,功能的增减只需功能模块的装卸。 (5)可互换性,通过标准化接口,通信和交互机制,使不同功能模块能以标准的应 用程序接口运行于系统平台之上,并获得平等的相互操作能力,协调工作。 1.3.2几种典型的开放式数控系统 目前国际上最具影响力的开放式数控系统项目是美国的OMAC计划、欧洲自 OSACA计划以及日本的OSEC计划,这三个计划的发展现状基本上代表了国外开放隹 数控的发展现状【33】。 (1)美国的OMAC计划:为增强产品竞争力,美国的通用、福特和克莱斯勒三大} 车公司于1994年启动OMAC(Open Modular architecture Controllers)计划。该计划实现i API接口层的标准化,用户可以根据自己的需求进行二次设计开发。同时利用实时数{ 库,实现了数据的高效化与便捷化,实用价值较高。缩短了产品的开发周期,并使产t 东北大学硕士学位论文第一章绪论 竞争力得到大幅提升。 (2)欧盟OSACA计划:OSACA(Open System Architecture AutomationSystems)计划于1 990年由欧共体22家控制器开发商、机床生产商等联合提 出。该计划分三个阶段:第一阶段完成了OSACA的规范和应用指南的制定;第二阶段 主要开发了系统平台的标准、通用的软件模块和通用的OSACA平台;第三阶段的使命 是推广OSACA思想及前两个阶段的技术成果,使之成为自动化领域的国际标准。 (3)日本OSEC计划:日本OSEC(OfIen System Environment controller)计划于1994年由东芝机器厂及三菱电子等6家日本公司联合提出。OSEC的开放性指系统能满 足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用要求和应用先进控制算法及基于PC的 标准化人机界面的要求。 上面三个计划分别相应提出了三个不同的标准化软件模块。目前,在世界范围内还 没有形成统一标准的硬件和软件平台以及标准的用户界面【34】。 1.3.3开放式数控系统体系结构 开放式数控系统主要包括硬件系统的开放性和软件系统的开放性。目前,开放式数 控系统有以下3种实现途径[35】: (1)PC嵌入NC型开放式数控系统:把PC主板插入传统的CNC机器中,提供键 盘使用户能把PC和CNC联系在一起,从而提高了人机界面的功能。CNC主要完成坐 标轴运动控制等实时控制,PC板完成运行非实时控制,主要起到辅助编程、分析、监 控、编制工艺等作用。它的PC部分界面开放,但它的NC部分仍然是传统的数控系统, 用户无法介入控制系统的核心。 (2)基于软件芯片的开放式数控系统:它的CNC软件通过一定的标准和规范,把 数控系统的功能进行封装,将数控软件设计成具有稳定、通用的标准接口的可重用软件 芯片,每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块的功能;而硬件部分仅是计算机与 伺服驱动器和外部I/0之间的标准化通用接口。这种结构存在着操作系统实时性、操作 标准统一性和系统稳定性的问题。 (3)NC嵌入PC型开放式数控系统:把运动控制板NC插入PC机的标准插槽中作 实时控制用,而PC机主要作非实时控制。这种运动控制板通常使用高速DSP作为CPU, 具有很强的运动控制和PLC控制能力,它本身就是一个数控系统,可以单独使用。它 们开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所需的控制系统。这种开放式 东北大学硕士学位论文第一章绪论 结构灵活性好、功能稳定,可共享计算机的丰富资源。 由以上分析可知,NC嵌入PC型开放式数控系统具有明显优势,可以充分利用运 动控制卡与计算机的双重资源,是开放式数控系统的主流发展方向。 1。4本文研究内容 本文主要研究内容如下: 第二章义齿加工数控系统硬件平台设计。采用PMAC可编程多轴运动控制器作为 下位机,与上位机工控机组成NC嵌入PC型开放式数控系统。对PMAC运动控制器的 特性作深入分析,并进行伺服控制系统与电气控制系统的设计。 第三章义齿加工数控系统上、下位机软件开发。软件开发主要包括设置运动控制器 各基本变量,在下位机中编写运动控制程序与PLC程序,在上位机开发人机交互界面, 对数控系统各轴电机进行控制并对运动程序的执行进行实时监测。 第四章由离散点云数据进行牙齿曲面重建。利用多层双三次均匀B样条曲面逼近 (MBA)算法对离散点云数据进行拟合,在保证逼近精度的条件下快速对牙齿点云数据进 行曲面重建,并对逼近误差进行分析。 东北大学硕士学位论文 第二章数控系统硬件平台研究 第二章基于可编程多轴控制器的数控系统 硬件平台研究 硬件平台是义齿加工数控系统各项功能顺利实现的基础。在对数控系统硬件平台进 行设计时需要同时考虑到总体功能的完整性和各部分功能的可靠性与协调性,根据开放 式数控系统的设计标准合理规划硬件系统结构。本章分别介绍了义齿加工数控系统的核 心一PMAC运动控制器、伺服控制系统和电气控制系统等方面。 2.1数控系统硬件设计原则 根据开放性数控系统的要求,其硬件设计原则如下【36】: (1)可互操作性 数控系统各模块相互协作共同完成工作,实现可互操作的关键是总线式设计。数控 系统中,开放型总线有ISA(PC/104),STD,VME,PCI及USB等。 (2)模块化、可扩展性 开放式数控系统各组件采用模块化设计,且要求所设计的控制系统功能也可方便地 进行扩展。 (3)尽可能利用PC硬件技术 PC具有计算速度快,硬件标准化的特点,是实现开放式数控系统最现实的途径。 因此,构建PC.Based数控系统时应尽可能地利用PC硬件技术。 (4)层次化设计 在数控系统中,若直接应用PC完成伺服驱动、PLC控制等功能,PC的处理速度将 会降低,也会影响系统的性能。因此,应采用层次化的思想,构建多CPU数控系统。 其中,PC完成非实时任务;另一CPU完成运动控制、PLC等实时任务。 (5)高可靠性 在恶劣的环境及工作条件下,要求控制系统也能工作,也就是要求系统具有高可靠 性,在设计中应尽量采用具有较高可靠性的各核心部件。 本系统将会遵循上述原则,选用相关资源,搭建合理的硬件平台。 东北大学硕士学位论文 第二章数控系统硬件平台研究 2.2 PMAC运动控制器 PMAC(Programmable Multi.Axis Controller)可编程多轴控制器是美国Delta Tau Data System公司开发的基于PC的开放式运动控制产品,是目前世界上最先进、计算速度最 快的运动控制器之一。它使用Motorola的DSP56002作为CPU,可以同时控制1_8轴 的复杂运动,而且可以与其它15块PMAC卡级联,实现128轴的完全同步运动,集主 机通信、运动程序、PLC程序等基本数控功能于一体,提供了前所未有的高性价比【3 7I。 PMAC运动控制卡具有独立内存和独立运算能力,可以作为计算机单独使用,或者 通过串口、总线两种方式与主计算机并行工作。它可以自动对任务进行优先等级判断, 从而进行实时多任务处理,这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编 程器的负担,提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。 2.2.1 PMAC卡的开放性 PMAC遵循开放式系统体系结构标准,是基于PC机平台的开放式运动控制器,其 开放性表现为硬件开放性和软件开放性。 2.2.1.1 PMAC硬件开放性 (1)与各种伺服系统的配对:PMAC同时提供数字和模拟两种伺服接口,能与步 进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机等多种电机连接,构成数控系统的驱 动部分。针对不同电机提供相应的脉冲宽度调制(PWM)控制、正弦波输出控制、速度或 力矩控制、脉冲加方向即脉冲频率调制(PFM)控制等控制信号。在实际工程中,交流伺 服电机与脉冲加方向控制的应用比较广泛。 (2)与各种检测元件的匹配:PMAC可以和常用的各种机床检测元件进行匹配, 如测速发电机、光电编码器、光栅、旋转编码器等,可以接受各种检测元件的反馈信息。 (3)与PC机的通讯方式:PMAC可以通过多种方式与与上位PC机进行通讯。 通讯方式主要包括总线(BUS)通讯、串口(RS232或RS422)通讯与MACRO光缆通讯等, 其中总线通讯包括ISA总线、PCI总线、VEM总线、PC/104总线与以太网总线(需DPRAM 附件)。PMAC具有独立内存与独立计算能力,也可脱离上位机PC机单独运行,在无主 机介入的情况下独立完成实时多任务控制。 (4)多种可选附件(Accessory):PMAC有多达百余种附件可供选择,如ACC-27、 ACC.35A、ACC.8S、ACC.49等,通过这些附件,用户可以根据需求分别实现I/O扩展. 东北大学硕士学位论文第二章数控系统硬件平台研究 I/O光电隔离、手轮功能、轴扩展等多种功能。 2.2.1.2 PMAC软件开放性 (1)数控系统功能选择的开放性:PMAC卡包含I、M、P、Q四种变量,各变量 个数均为1024个。可以通过各I变量对电机、坐标系、编码器进行自定义;通过各M 变量读取并设置运动控制器内存,对各电机、坐标系、编码器的状态进行实时监控。 (2)数控指令的开放性:PMAC自身提供直线、圆弧、样条曲线等插补指令,用 户还可以根据指令系统的编写标准自定义G、M、T等指令代码,而这些指令代码的含 义在传统数控系统中是固化的,不可改变。 (3)人机界面开放性:PMAC提供Pcomm32、PEWIN32、PTALKDT等软件来实 现人机界面交互。Pcomm32动态链接库可以实现PMAC与上位机的通讯,PEWIN32软 件可在上位机实现简单的变量设置及运动监测与控制,PTALKDT以ActiveX控件的形 式存在。在上述软件包的基础上,用户可以使用VB、VC等工具在Linux、Windows等 平台上开发自己的控制程序和人机界面。 2.2.2 PMAC运动控制器的结构及基本功能 2.2.2.1 PMAC运动控制器结构 本控制系统选用的运动控制器型号为PMAC2 PCI Lite,它是一块四轴接口卡,其 CPU为DSP56001,输出由DSP.GATE f-j阵列控制,由各种插槽和硬件模块组成。 图2.1 PMAC2结构图 Figure 2.1 The Configuration PMAC2.11. 东北大学硕士学位论文 第二章数控系统硬件平台研究 其中,JI(ANALOG)为模拟量输入口,可接受16路0.5V的模拟量信号; J2(MULTIPLEXER)为多端口I/O扩展口,可提供8in/80ut供用户使用,也可连接ACC34A 等附件;J3(INPUT/OUTPUT)为通用I/O接口,此接口可提供16in/160ut输入及输出点, 这32点I/O可由用户自行定义为输入或者输出,也可自定义它们的极性;J4(MACRO) 为MACRO光缆接口,用于与具有光缆接口的驱动器和I/O板使用;J5(SERIAL)为串行 数据接口,支持RS232与RS422两种标准,可以与计算机进行串行通信;J6(DISPLAY) 为显示器连接口,可以借显示器以显示运动的过程;J7(HANDWHEEL)为手轮编码器接 口,可接受两路手轮或编码器信号,并且不占用电机的编码器通道;J8(COMPARE)为 位置比较相等的输出信号接口;J9.J12(MACHINE PORT 1.4)为1.8轴电机的输入/输出 接口。 2.2.2,2 PMAC运动控制器主要功能 PMAC集主机通讯、PLC程序、运动程序等多种数控功能于一体,其主要功能如下: (1)执行运动程序 PMAC最主要的任务是按照程序行顺序地执行运动程序。执行运动程序时,PMAC 一次执行程序的一条指令,执行该运动命令的所有计算,从而为该运动做好准备。PMAC 总是工作在实际运动之前,并根据需要提前混合即将执行的运动。 (2)执行PLC程序 运动程序的顺序特性使PMAC能很好地执行一系列的运动并与其它坐标系的运动 相协调,但是对于那些异步于运动的先后次序来执行的程序,运动程序就不再适用。对 于这些类型的任务,PMAC提供给用户编写“PLC程序’’的能力。PLC的命名是可编程 逻辑控制器,因为它们以一种相似的方式工作,以处理器允许的时间尽可能快的扫描 PLC程序。PLC适用于某些异步于运动程序的运动过程。 (3)伺服环更新 伺服环更新对于PMAC的用户是看不到的,是由PMAC卡自动执行的任务对于每 一轴电机,PMAC都以一个固有的频率(通常是2KHz)对其进行伺服更新。伺服更新时, 先根据运动程序或别的运动命令得到要求的位置增量,然后将得到的位置增量同反馈传 感器读回的实际位置相比较,最后在两者差的基础上发出一个输出命令使此差值变小, 如此反复,直到此差值令人满意为止。 (4)与上位机通讯 PMAC可以在任何时间与主机通信,甚至是在一个运动序列的中间。PMAC接受命

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