基于MCT运动控制器的快速成型机数控系统研究 - 文章

基于MCT运动控制器的快速成型机数控系统研究

作者：清华大学魏大忠徐健吴任东

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摘要：数控系统的合理性和可靠性是保证机床加工精度和稳定性的前提，快速成形是一种基于离散/堆积成型的快速制造工艺，对数控系统体系结构和软件有着特殊的要求。剖析了快速成形的工艺特点，提出以国产新型MCT运动控制器为控制系统核心、工业控制机为系统支撑单元的双CPU开放式数控系统，并介绍了该数控系统的功能和硬件、软件实现方法。通过该数控系统在快速成形机上的应用证明，该系统满足了快速成形技术对数控系统的要求。

关键词：MCT；数控系统；快速成型机

1　前言

快速成型技术是当今制造业的一种全新敏捷制造技术，集激光、机械、CAD/CAM、CNC技术于一体，采用离散/堆积成型的快速制造工艺，使计算机中的几何模型直接转化为三维立体原型。这种技术克服了传统加工工艺的缺陷，为制造业的发展开创了新的道路。因此，快速成型技术在世界范围内发展相当迅速。

快速成形技术是一种离散/堆积的加工技术，其控制系统具有以下主要特点：

1)三维CAD模型及其数据处理，系统要具有大数据量STL(StereoLithography)文件网络传输、STL文件切片、STL文件剖分与拼接以及网格划分自适应等功能；

2)加工速度快，加工进给速度30m/min以上

3)STL文件切片得到的平面轮廓信息是由微小线段组成，要求控制系统具有高速高精度插补和轮廓控制。因此必须对快速成形控制系统的体系结构和软件设计加以分析和研究。

2　控制系统结构

模块开放式数控系统是当今数控系统的发展方向。多CPU开放式数控系统实现的主要途径是数控系统的PC化，PC化有三种途径：1)在PC机上添加数控模块；2)在数控系统上添加PC模块；3)以软件文件的形式来管理数控程序，其中把CNC模块插入PC机中是PC化的一种主要方式。由于快速成形数控系统涉及到复杂的三维切片处理、用户信息处理、数据加工友好的用户界面，要求主控机强大的处理能力。所以在研制快速成型数控系统的过程中，下位机采用了国产MCT运动控制器，上位机采用工控机这样的两级结构，并进行了模块化的硬件设计和基于ｗinｄoｗs环境下的多线程软件开发，研制的快速成型数控系统易扩展、速度快、运行可靠、容错能力强。

2.1　MCT系列运动控制器介绍

MCT系列运动控制器是深圳摩信科技有限公司的产品，控制器CPU采用美国TITMS320C 3140MHz DSP。它可以通过ISA或PCI标准总线或USＢ高速接口与主控机相连接，可以提供2～8轴的高速、高精度伺服控制，每轴的伺服刷新周期为10μs，主控机可以采用任何PC系列微机。

2.2　数控系统硬件结构和工作原理

由以上分析可知，快速成形机的数控系统是一个两极控制系统：第一级采用MCT8000F4四轴运动控制器，构成数控系统的控制中心，负责完成各运动轴的开闭环控制、隔离开关量输入/输出、模拟量输入/输出、高精度位置计数、温度控制接口，受管理级计算机传送的加工数据、并向管理级计算机反馈控制信息。第二级采用工业控制机(IPC)，负责整个CNC系统的集中管理，负责动态仿真、实时切片、键盘管理、信息处理、参数设置和显示，并向下一级发送数据和控制命令。

工控机上的CPU和MCT控制器上的的TITMS320C31DSP构成主从式双微处理器结构，两个微处理器各自实现相应的功能。数控系统的结构原理图如图1所示。

图1　数控系统结构原理图

Motion数控卡与一般数控卡的区别是下位机程序是开放的，数控系统软件分为下位机软件和上位机软件两部分，需要用户编制底层的下位机程序，下位机软件的主要功能是接受上位机的指令、插补运算、位置控制、速度控制、IO状态控制等实时任务，上位机软件应该具有如下几种功能：接受测高、测温等实时信息输入；加工过程的实时动态仿真；加工参数存储以及掉电保护；动态过程模拟对工作平台；材料处理单元的多种方式控制；接受标准的分层软件以及数控代码生成等数据处理功能；故障诊断、报警功能；与下位机实时数据通讯功能。用户可以根据自己具体的数控要求并结合Motion控制器的特点编写执行效率最优的数控程序。工作时，上位机首先将程序文件下载给下位机(MCT运动控制器)后，下位机自动开始运行。在下位机运行过程中，上位机不能修改下位机程序代码。

在这种上下位机通讯的控制模式下，数控系统的好坏与否的关键在于主机和下位机的数据通讯顺利进行。

MCT运动控制器与主机之间的通讯可以采取两种方式，一种是总线通讯方式，另一种是利用DPRAM进行数据通讯，总线通讯方式是指主机到指定的地址寻找MCT运动控制器，其中指定的地址由MCT上的跳线决定。通过DPRAM通讯是指上下位机在指定的内存单元去读取和更改程序数据。通过DPRAM可以实现在程序的运行过程中，实时读取控制器的运行状态和参数。由于通过DPRAM进行数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以所需的时间少的多，响应的速度也就快得多。Motion数控卡在地址60000H处有128Ｋ字的零等待状态SRAM，数控程序主要通过共享该内存而交换数据。具体来说，上位机通过共享内存传递数据，下位机程序读取共享内存的数据来执行运动。所以这个共享内存是分成两个区：程序区和数据区。程序区用来存放下位机程序，而数据区才是真正的共享内存，即数据交换区。它们之间的大小可以通过下位机程序产生.cmｄ文件自由分配。其中PRAM为程序区标示，SRAM0为数据区标示，org为起始地址，leg为内存长度。用户可以更改org和leg后面的数值来分配程序区和数据区。因此，基于Motion数控卡的控制软件结构就与大多数数控系统的结构有所不同。

/ Sectional locationin to memory /
MEMORY
{
ROM：org=0ｘ0len=0ｘ1000 / INTERNAL4KROM /
VECTORS：org=0ｘ808fcllen=0ｘ3f / VECTORSINSRAM /
RAM0：org=0ｘ809800len=0ｘ400 / RAMBlock0 /
RAM1：org=0ｘ809c00len=0ｘ3cl / RAMBLOCK1 /
PRAM：org=0ｘ61000len=0ｘ10000 / EXTERNALRAMforPROG /
SRAM0：org=0ｘ71000len=0ｘf000 / EXTERNALRAMforDATA /
SRAM1：org=0ｘ80000len=0ｘ80000 / StaticRAM1 /
}
/ SPECIFＹTHESECTIONSALLOCATIOnINTOMEMO RＹ /
图2　.cmｄ文件内存分配定义

3　软件结构

从上论述可知，上位机程序是通过共享内存与下位机程序交换数据，数控软件的结构如图3所示。

图3　MEM200-D控制软件结构图

3.1　数据通讯结构

要顺利高效的传递数据就要定义合理的数据传输的形式。Motion数控卡从地址6000H开始有128Ｋ零等待SRAM。由于下位机程序需要占用一部分内存，所以128Ｋ内存被分配成3块子内存(如图4)：程序区、数据区1和数据区2。将数据区分为两个区的目的是一个区作为加工数据使用时，另一个可以与上位机交换数据，提高效率。

图4　128ＫSRAM分配示意图

一般来说，MEM工艺的路径扫描形式有四种：轮廓、网格、支撑和空程。对于其他的数控系统比如PMAC数控系统或AT6400数控系统，可以把同一层数据(包括轮廓、网格、支撑、空程、速度设置、送丝以及其它工艺信息)生成一个统一的数据文件，把这个下载到数控系统，由数控系统编译和完成工艺动作。而对于Motion数控系统来说，上位机传递给数控系统的是数据，如果把它们混杂在一块是很难处理的。

为了解决这个问题，引入“完整路径”的概念。一条“完整路径”的概念就是Motion数控卡完成一个数据内存扫描的连续数据。它并不区分轮廓、网格、支撑和空程，而把它们统一处理成一条条的“路径”，每条路径通过双缓存的方式存储到数据区1和数据区2。

图5　上位机多线程控制框图

如图5，轮廓环P1-P2-P3-P4-P5-P6-P7-P8-P1、轮廓环P9-P10-P11-P12-P9、网格S1-S2-S3-S4-S5-S7-S9-S11、网格S6-S8和网格S10-S12-S13-S14分别为单独的一条“完整路径”。定义一条“完整路径”的方法是：对于轮廓，一个轮廓环是一条完整的路径；对于网格，连续扫描的网格是一条路径，当需要停止送丝，空程到一条网格时，即开始下一条完整路径；对于支撑，与网格相同。

一条“完整的路径”就是上位机程序的通讯数据包。MEM工艺的分层数据被处理成一条条“完整路径”，每条“完整路径”即通讯数据包，它们被上位机程序以双缓存的方式发送到数据1和数据2，下位机控制程序由于共享数据区1和数据区2，从而完成整个造型过程。

3.2　上位机软件的多线程控制方案

根据快速成形工艺的特点，上位机软件应该具有如下几种功能：接受测高、测温等实时信息输入；加工过程的实时动态仿真；加工参数存储以及掉电保护；动态过程模拟对工作平台；材料处理单元的多种方式控制；接受标准的分层软件以及数控代码生成等数据处理功能；故障诊断、报警功能；与下位机实时数据通讯功能等。将上位机的各种控制功能有序的组织起来，使其能够高效协调工作，是一个数控系统软件设计中的一个难点。本数控系统设计中，用到了ｗinｄoｗs的多线程技术。

线程是ｗindows操作系统的基本调度单元，可以将各控制模块置于独立的线程中。同时，各模块按照任务的紧迫程度，可以分成两大部分，一个是实时控制部分，比如实时监控模块，一个是非实时性控制部分，比如参数设定模块。对于实时控制的模块，放置在操作系统的内核中，作为内核线程运行，对于非实时的控制模块，放在操作系统子系统中，作为应用程序某一进程的一个线程来运行，这些模块的响应需要经过ｗinｄoｗs的消息排队，响应的速度会满一些，但是非实时的控制模块主要的起一些辅助的控制作用，所以仍能满足控制要求。

在上位机软件控制系统的各个模块开发好以后，按照各模块的控制要求的紧迫程度进行优先级的规划，然后开发一个基于系统定时器的模块，对整个系统的各个模块进行调度，从而实现整个系统的协调运行，上位机软件的多线程结构如图6所示。

图6　上位机多线程控制框图

4　结束语

快速成形机数控系统的合理性和可靠性直接影响快速成形的精度和稳定性。上述数控系统以通用工业控制机为支撑平台，采用功能强大的运动控制器MCT承担插补计算、位置控制、速度控制等实时任务，实践证明，以工控机为系统支撑单元，MCT运动控制器为控制系统核心的数控系统，满足了快速成型技术对控制系统的要求。

利用该数控系统制造的典型零件如图7所示。

图7　用制造的的典型零件原型

[参考文献]
[1]深圳市摩信科技有限公司.MCT8000F4/8100F4/8200F4系列运动控制器硬件使用手册.2001
[2]深圳市摩信科技有限公司.MCT8000F4/8100F4/8200F4系列运动控制器软件使用手册.2001

作者简介：魏大忠(1977-)，男，清华大学机械工程系博士研究生。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (2/2/2005)


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