基于PMAC的开放式数控教学平台的硬件设计
摘要：目前部分职业院校数控技术实训教学，较少从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。本课题开发了一个针对于数控技术应用开发领域一体化数控实验平台，即 IPC（工业控制计算机）机+运动控制器结构的开放式数控系统，运用系统开放的特性，实现数控技术新的教学模式。重点研究了数控系统硬件结构，各部分组成、选型及系统硬件的连接。
关键词：PMAC， 开放式， 数控系统硬件
1 引言
在现代制造业,数控系统是装备制造业的核心技术，对制造业提高加工质量和效率有着重要的意义。目前数控技术正在发生重大变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。这就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路，这就产生了开放结构的数控系统。
本课题正是顺应数控技术的重大变革，及职业院校数控技术教学实际需要出发，建立了一个基于PMAC的开放式数控教学平台，采用模块化的设计思想开发了一个集成的应用、设计数控教学平台，来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。利用数控系统开放的特性，根据不同的教学实验阶段和不同的培养模式的要求，搭建相适应的软硬件平台。
2 开放式数控系统
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：
(1)“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统；(2)纯PC型开放式数控系统
(3)IPC（工业控制计算机）机+运动控制器结构的开放式数控系统：把运动控制器插入PC机的标准插槽中,以通用微机为平台，以IPC机标准插件形式的运动控制器为控制核心，双CPU并行通信，是当前较为理想的开放式数控系统，本数控教学平台即是该种结构，运动控制器采用PMAC运动控制器，即IPC十PMAC(Programmable Multi—Axes Controller)的开放式数控系统。以Windows操作系统作为数控系统软件的运行平台，采用VB6.0作为开发工具,利用VB语言与PMAC动态链接库及PMAC的执行软件开发应用软件，可实现模块化的软硬件体系结构，实现软硬件的开放性。系统功能可方便二次扩展，控制精度高，开发周期短。
3 PMAC2A PC-104运动控制器
PMAC称为可编程多轴控制器(program multiple axis controller )，是由美国deltatau公司于1990年推出的PC平台上的运动控制器。PMAC2A PC-104是 PMAC板卡级系列产品，是为嵌入式控制系统而开发使用的运动控制器，有较全面的功能和更方便的扩展性。
3.1 PMAC2A-PC/104控制器硬件结构
PMAC2A-PC/104控制器的硬件结构如图1所示
J1 (JANA)：模拟量输入口，此接口可接受16路0～5V的模拟量信号。
J2 (JTHW)：多端口I/O扩展口，可连接ACC34A等附件，另外此接口可提供8In/8OUT点供用户使用。
J3 (JI/O)：通用I/O接口，此接口可提供16in/16out输入及输出点，这32点I/O可由用户自行定义是输入还是输出，以及他们的极性。
J4(JMACRO)：MACRO 光缆接口，用于与具有光缆接口的驱动器和I/O板使用。
图1 PMAC2A-PC/104控制器的结构J
5 (JRS232 JRS422)：串行数据接口。
J6 (JDISP)：显示器连接口，可与ACC12系列的附件相连。
J7 (JHW)：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 (JEQU)：位置比较相等的输出信号接口。
J9～J12（JMACH1～4）：1-8电机的输入/输出接口。
4 控制系统硬件结构
本课题PMAC2A／PC104运动控制卡，通过 PC104-ISA 转接卡插入工控机ISA总线插槽连接。IPC机与PMAC运动控制器之间通信通过ISA总线实现；PMAC和电动机的位置、速度等状态之间交换信息则通过DPRAM实现，通过双端口RAM（DPRAM）进行的数据存取不需要经过通讯口发送命令和等待响应，所以需要的时间少，响应的速度快。PMAC卡快速和精确计算能力转化成为高精度和快速运动轨迹计算和控制实现轴运动控制、PLC程序运行等实时任务，IPC（工业控制机）机完成诸如系统的初始化、参数的输入、加工程序的编辑、系统管理等非实时性任务，实现双CPU并行处理的开放式数控系统。I/0 端口完成诸如电源开关、行程开关、回零开关等各种开关量信号的输入/输出等实时任务。DTC-8B转接板（标准应采用ACC8S，考虑价格因素采用国产DTC-8B转接板），主要将PMAC卡上JMACH口与伺服驱动器相连接，传送PMAC卡上JMACH口的连接信号，主要起接线扩展的作用。本系统硬件结构如图2所示。
本系统硬件结构的特点：软、硬件具有较强开放性，能方便实现数控系统二次开发，功能扩展、裁减，体现开放式数控系统的优势。所开发的控制软、硬件采用模块化思想，具有可扩展、可重构功能。学生在数控系统应用基础上，可以在教师指导下设计实现改变数控系统的控制功能和结构特征，完善学生知识结构，实现创造性的教学模式。
图2 数控系统的硬件结构图
5 基于PMAC开放式数控教学系统的构成
本实验台为三轴数控实验教学平台（即数控铣床数控系统），为无负载试验台。三坐标联动控制，X、Y、Z向电机轴上安装编码器，实现半闭环控制。行程为 X 方向 250mm，Y 方向 500mm，Z 方向 250mm。
系统硬件主要有以下几部分构成:
(1)一块PMAC2A-PC104运动控制卡。
(2)一台工业控制机(IPC)机：本控制系统采用联想工控机，型号：IPC610H，CPU奔腾4主频2.0GHz， 256M内存，80G硬盘，集成显卡网卡。具有标准长卡 ISA 总线，能方便嵌入 PMAC 卡。
(3)伺服驱动装置 采用日本松下公司的伺服驱动，型号：MBDDT2210，配套的伺服电机型号：MSMD042P1U。检测装置：伺服电机内置5 线制增量式编码器，2500p/r（分辨率：10000）。
(4)主轴驱动装置 通用交流电动机，变频器采用松下型号：BFV00072GK。
6 控制系统硬件连线
在此仅以X轴（1号电机）为例说明其连接方法，其它Y、Z轴的连接方法与此类似。
6.1 PMAC2A-PC104与IPC连接
PMAC-PC104卡通过 PC104-ISA 转接卡插入工控机(IPC)ISA总线连接，数字电路从总线上获得到+5V电源。
6.2 PMAC2A-PC104与系统连接
PMAC与系统的连线是通过两根扁平电缆接在PMAC的JMACH接口上和DTC-8B（相当于转接板）上。JMACH包括四个通道的I/O：模拟输出，增量编码器输入，相关的输入和输出捕捉信号，电源的连接，这四个通道将被1—4个电机使用。DTC-8B接线板为25针D型端子与伺服驱动器连接。DTC－8B有4个接口一样的通道可接4个驱动器，接口图如图3所示。
6.3 连接增量编码器
本系统采用松下伺服驱动器，编码器连接路线是，编码器的输出口连接至伺服驱动器X6接口，伺服驱动器再连接至DTC-8B（转接板）实现。伺服驱动器DTC-8B（转接板）的连接采用6芯的双绞屏蔽线的各颜色芯分别焊在25针“D”型接头的相应针上。
6.4 连接驱动器
系统不需要PMAC为电机进行换向，使用PMAC通道1的单端控制，把DAC1接在放大器的控制输入上， PMAC的AGND仍然接在放大器的控制信号返回线上。把DAC1/针悬空，不要让它接地。驱动器由200VAC电源供电，电源的火线接在放大器的L1，电源的零线接在放大器的L3。
6.5 辅助连接
(1)限位信号（+LIMn和-LIMn） 图3 DTC－8B接口图
PMAC为每个电机提供了两个输入作为行程开关控制。在电机动作时他们 必须为低电平，以允许电机移动（从光电隔离器的发光二极管上取电流）。这就需要一个常闭的行程开关。这些输入是有方向性的；它们只能停止一个方向的移动。注意：行程控制方向的极性与与人们通常想到的相反，正方向的行程开关应接在-LIM输入上，而负方向的行程开关应接在+LIM输入上，如果编码器输入的方向被改变了，那么行程开关的接线也应一同被改变。
安装限位开关时，把-LIM1输入与正行程方向的负极性接在PMAC的AGND上。为了使数字电路的标志与模拟电路相隔离，应把限位开关的负极性接在地线上。
(2)放大器使能信号（AENAX/DIRN）
放大器有一个使能/禁能的输入来控制放大器。PMAC的AENA线就是为此设置的。可以用该信号打开或关掉放大器（接在使能线上）。AENA/DIR是一个集电极开路输出，需要一个
数控系统总体连线示意图如图4所示
图4 数控系统总体连线示意图
上拉电阻提高到15V。信号的极性由跳线E17控制。缺省值为低电平（导通）时有效。
(3)回零信号（HMFLn）
一个回零开关和接在该针上（HMFL1为针55）与模拟地之间（AGND），由总线供电，接在数字地上（GND）上。开关可以是常开或常闭的；打开时为高（1）。回零信号的极性可由编码器I变量2和3控制。
参考文献：
[1] 苏伟.基于PMAC的开放式数控教学平台的研究.天津大学,2005
[2] 赵保亚.基于PMAC开放式数控系统及其应用.煤矿机械.2007年 5月 第28卷第5期
[3] PMAC 用户手册.北京钧义志成技术有限责任公司,2003
[4] 多轴运动控制器及配套产品介绍.北京艾玛特科技有限公司.2006
[5] PMAC培训讲义.苏州钧信科技有限责任公司,2003
[6] 上海松可机电有限公司.松下Minas A4 系列AC 伺服驱动器.操作手册
The Design on the Open PMAC-basedNumerical Control Teaching Platform Hardware
Pan Ming
Jiangsu Maritime Institute Jiangsu Nanjing, China 211170
Abstract: Currently，practical training of the CNC technology in some vocational training institutions focuses on cultivating students’ skills in CNC programming and CNC machine operation, while, less attention are paid to implementing objectives in CNC technology students’ ability and quality from the perspective of systematical planning, application and development. Therefore, an integrated CNC experimental platform in the field of numerical integration has been designed, that is, IPC (industrially controlled computer) machine + motion controller, the system of open CNC system, using the characteristics of the system---open, to achieve a new teaching mode in numerically controlled technology. The paper emphasizes hardware structure in the numerical control system, the various hardware components and hardware connections.
Key words: PMAC, open style, the numerical control system hardware
