一種基于PMAC開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)

摘要：該開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)以PMAC可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器為核心，以Windows操作系統(tǒng)為軟件平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)其硬件結(jié)構(gòu)和軟件體系進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為無(wú)負(fù)載試驗(yàn)臺(tái)，具有高度的開(kāi)放性，由三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制，滿(mǎn)足了高等學(xué)校機(jī)電傳動(dòng)控制與數(shù)控技術(shù)教學(xué)實(shí)際需要?？梢允箤W(xué)生在教師指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)改變數(shù)控系統(tǒng)的控制功能和結(jié)構(gòu)特征，完善學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性的教學(xué)模式。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式數(shù)控平臺(tái) PMAC運(yùn)動(dòng)控制器 PC機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（b）-0247-02

為了順應(yīng)數(shù)控技術(shù)在高等學(xué)校機(jī)電傳動(dòng)控制與數(shù)控技術(shù)教學(xué)實(shí)際需要出發(fā)，建立了一個(gè)基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)控教學(xué)平臺(tái)，讓學(xué)生從系統(tǒng)規(guī)劃的高度和應(yīng)用開(kāi)發(fā)的層面來(lái)實(shí)施機(jī)械工程及自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)能力素質(zhì)培養(yǎng)的目標(biāo)。利用數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放的特性，根據(jù)不同的教學(xué)實(shí)驗(yàn)階段和不同的培養(yǎng)模式的要求，搭建相適應(yīng)的軟硬件平臺(tái)，以適應(yīng)本科教學(xué)和研究生教學(xué)的實(shí)際需要。因此，基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)的研究勢(shì)在必行。

1 數(shù)控教學(xué)平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)控教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的工作原理

基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)采用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡片，配上PC微機(jī)，并結(jié)合數(shù)控銑鉆床中本來(lái)就有的步進(jìn)電機(jī)等主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備，構(gòu)成一個(gè)具有三軸聯(lián)動(dòng)功能的開(kāi)放式數(shù)控平臺(tái)。實(shí)現(xiàn)NC代碼編輯、編譯、加工刀軌和實(shí)時(shí)三維運(yùn)行控制的開(kāi)放式數(shù)控銑鉆系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的工作流程如圖1所示，順序由PC、PMAC和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)三部分完成整個(gè)數(shù)控過(guò)程。

系統(tǒng)工作時(shí)，PC接收的各種輸入信號(hào)主要包括：操作面板和機(jī)床上的控制按鈕、選擇開(kāi)關(guān)等信號(hào)，各軸行程開(kāi)關(guān)、機(jī)械零點(diǎn)開(kāi)關(guān)等信號(hào)，機(jī)床電器動(dòng)作、報(bào)警等信號(hào)。發(fā)出各種輸出信號(hào)主要包括：指示燈信號(hào)，控制繼電器、接觸器等動(dòng)作信號(hào)，伺服模塊的速度信號(hào)等。這些信號(hào)經(jīng)過(guò)I/O接口送至對(duì)應(yīng)的繼電器，以此控制相應(yīng)的電器。

1.2 硬件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件部分提出了基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)方案。由以下三部分構(gòu)成：（1）一塊PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡。 （2）一臺(tái)控制機(jī)（PC）機(jī)：該控制系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)卡ISA總線，能方便嵌入PMAC卡。（3）機(jī)械部分、電路部分及驅(qū)動(dòng)裝置等。

考慮到該數(shù)控教學(xué)平臺(tái)開(kāi)放性很強(qiáng)，要適應(yīng)很多種類(lèi)的硬件操作平臺(tái)，接收各種檢測(cè)反饋元件的信號(hào)，系統(tǒng)的核心選用PMAC運(yùn)動(dòng)控制器。床X、Y、Z三軸聯(lián)動(dòng)，以及機(jī)床信號(hào)和控制面板開(kāi)關(guān)量的實(shí)時(shí)控制等任務(wù)。工控機(jī)（IPC）部分使用的是且安裝有Windows系統(tǒng)的PC機(jī)。能夠控制數(shù)控系統(tǒng)的下位機(jī)，通過(guò)104總線的方式完成與上位機(jī)（即PC機(jī)）的通訊。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的由脈沖分配器控制。

1.3 軟件體系設(shè)計(jì)

數(shù)控系統(tǒng)的軟件采用模塊化沒(méi)計(jì)，采用高級(jí)語(yǔ)言VC++ 6.0編寫(xiě)，通過(guò)PMAC提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)管理實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)程序。系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)人機(jī)界面、上下位機(jī)通信程序和PLC程序等幾部分。軟件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。上位機(jī)人機(jī)界面為用戶(hù)提供一個(gè)系統(tǒng)操作界面，在此界面下，系統(tǒng)的各功能模塊以菜單和對(duì)話框的形式被調(diào)用。PLC控制程序用于機(jī)床系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量的邏輯控制。動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)PComm32提供函數(shù)同底層的虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，然后由虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序直接和PMAC交換數(shù)據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用方法

根據(jù)不同的教學(xué)實(shí)驗(yàn)階段和不同的教學(xué)目標(biāo)，搭建相應(yīng)的軟硬件平臺(tái)。對(duì)處于原理性熟悉階段的教學(xué)活動(dòng)，學(xué)生可只保留系統(tǒng)組成中體系規(guī)劃部分；對(duì)處于技能性培訓(xùn)階段的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，可增加某些典型產(chǎn)品的仿真操作系統(tǒng)。結(jié)合教學(xué)平臺(tái)的開(kāi)放特性，可以為學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握數(shù)控編程提供更大的空間。采用以上新的教學(xué)模式和方法，可以使學(xué)生掌握較深入的數(shù)控技術(shù)知識(shí)技能。通過(guò)一個(gè)階段教學(xué)，學(xué)生的創(chuàng)新能力得到極大提高，學(xué)習(xí)熱情和主動(dòng)性明顯好轉(zhuǎn)。同時(shí)積極利用學(xué)院現(xiàn)有設(shè)備，也是對(duì)學(xué)院設(shè)備的二次開(kāi)發(fā)利用，提高了設(shè)備的利用率，對(duì)本科和研究生教學(xué)有著積極的意義。

2.2 應(yīng)用實(shí)例

通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行如下簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)，了解PMAC的開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)的軟硬件構(gòu)成、特點(diǎn)及軟數(shù)控功能模塊的劃分。通過(guò)編制數(shù)控加工程序，對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行仿真，加深對(duì)數(shù)控系統(tǒng)基本原理的理解，了解并體會(huì)數(shù)控裝置內(nèi)部信息流的處理過(guò)程：（1）了解數(shù)控機(jī)床的組成及功能。（2）接通電源，啟動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行手動(dòng)“回零、點(diǎn)動(dòng)、步進(jìn)”等操作。（3）用MDI功能控制機(jī)床運(yùn)行（程序指令：G91 X-10 Y-10 Z-20），觀察程序軌跡及機(jī)床坐標(biāo)變化。（4）在數(shù)控教學(xué)系統(tǒng)中輸入程序，進(jìn)行程序校驗(yàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

該開(kāi)放式數(shù)控教學(xué)平臺(tái)的軟、硬件模塊化控制思想具有可擴(kuò)展、可重構(gòu)功能，是實(shí)現(xiàn)高速、高精度、高效的現(xiàn)代加工制造系統(tǒng)的重要組成部分，其軟、硬件模塊化控制思想具有可擴(kuò)展、可重構(gòu)功能，具有廣泛的工程實(shí)踐價(jià)值，值得推廣使用?？梢允箤W(xué)生在教師指導(dǎo)下設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)改變數(shù)控系統(tǒng)的控制功能和結(jié)構(gòu)特征，完善學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)造性的教學(xué)模式，對(duì)本科和研究生教學(xué)有著積極的意義。但由于學(xué)生對(duì)數(shù)控系統(tǒng)沒(méi)有深入的學(xué)習(xí)，對(duì)該教學(xué)平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)不能深入的了解，未能達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的。

參考文獻(xiàn)

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