基于UMAC的通用层次式控制系统研究

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为了满足特殊加工需求，通常需要自主研制相关的专用装备。在研的金刚石飞切机床、基于微能脉冲的电火花加工机床、超精密光学镜面离子束抛光装备、金刚石刀具超精密研抛装置等自研专用装备的控制系统都采用通用 PCUMAC可编程运动控制器构成的开放式数控系统，具有开发空间大、适应性强、成本低等显著优点 。但是目前自研专用装备控制系统基本上都是自成体系，从零开始，研发周期长，重用性低，难以维护。由于不同专用装备控制系统都具有类似的系统架构和功能，为提高专用装备控制系统软件的重用性，缩短研发周期，降低控制系统软件的升级、维护成本，需要对基于 UMAC的控制系统开展基础性的研究。

2基于 UMAC的控制系统二次开发UMAC是国外某公司生产的-种基于DSP的可编程多轴运动控制器 ，支持各种高级语言，它将-些底层的控制函数封装后以链接库的形式提供给用户 ，用户二次开发在-个通用的Pc编程环境下自己调用[51，这种方式要求用户具备较高的 CNC控制程序设计能力。基于 UMAC的控制系统主要由控制硬件和基于控制硬件的控制软件两大部分组成，其中控制硬件-般包括工控机或个人计算机、UMAC运动控制器以及相关接口附件 ，控制软件由布署在工控机或个人计算机中的 UMAC设备驱动软件 、UMAC二次开发接口库函数、以及通用Pc编程环境下用户应用软件系统等三大部分组成 ，具体如图 1所示。

应用软件层硬件接口层硬件驱动层硬件层应用程序 ：软 斗 -- 珐PMAC.DLLl ：氢。-商：：：： ：：：：：：：：：-。

l UMAC T控机或个人计算机 l图 1基于UMAC的控制系统组成Fig.1 Structure of Control System Based Ol UMAC3专用装备控制系统分析3.1专用控制系统领域功能分析专用装备控制系统-般由数控领域通用功能和装备专用控来稿日期：2012-04-12作者简介：唐嗅，(1974-)，女，四川三台，高级工程师，工学硕士，主要研究方向：机电-体化第2期 唐嗅等：基于UMAC的通用层次式控制系统研究 8l制功能等两大部分构成。针对目前专用装备控制系统软件重用性低等问题，对数控领域通用功能进行分析，数控领域通用功能是实现-个基本数控系统所必须具备的人机交互、控制核心和逻辑控制等系统功能，主要包括：手动控制、自动控制、MDI控制、回参考点、程序管理、参数管理、状态监测、系统管理、运动控制、轴控制和逻辑控制等，专用装备控制系统功能分解，如图2所示。

图形界面显示与管理控制系统领域功能通用控制功能 l l专用功能人机交互 J J 控制核心 J J逻辑控制控制面板状态显示与管理键盘和鼠标的操作与管理其它I/0的操作与管理运动控制管理MDI模式回参考点模式运动控制轴控制运动控制逻辑轴控制逻辑轴控制逻辑图2专用装备控制系统功能Fig.2 Function of Special Equipment Control System3.2专用控制系统软件架构分析专用装备控制系统软件原有的开发模式，如图3所示。应用软件开发通过直接调用 UMAC开放式运动控制器提供的用户二次开发动态链接库 Pcomm32.DLL，应用软件中的控制逻辑、人机界面直接通过硬件驱动接口API与具体的硬件 (如运动控制器)进行交互，人机界面HMI软件设计开发与具体的运动控制器紧密耦合，当硬件(如运动控制器)改变时，整个应用软件必须从零重新开发[7。即使采用相同的硬件，由于不同专用装备控制系统软件的人机交互接口各异，人机交互 HMI与硬件驱动接口API直接交互，相同的功能拈也不能直接重用，还是需要重新开发，导致相同功能拈重复开发和研发周期长等问题。

图3专用控制系统软件体系架构Fig.3 Architecture of Speeia/Control System Software4通用控制系统软件平台构建通过分析专用控制系统的通用共性功能，构建了专用装备的通用控制系统平台，如图4所示。在基础硬件构成上增加了机床控制面板 MCP，为通用软件系统实现实时任务与非实时任务的分离奠定基矗根据软件系统与硬件交互的不同实时f生需求把软件系统分解为系统管理软件和和PLC逻辑控制软件两大部分。

图4通用控制系统平台组成Fig.4 Structure of Universal Control System5层次式软件架构设计基于所建立的通用控制系统平台，如图4所示。针对目前专用装备控制系统软件架构中存在的不足，建立了基于UMAC的通用控制系统软件分层体系架构，如图5所示。把软件系统分为硬件抽象接口层、控制逻辑层和人机界面层。硬件抽象接口层对控制逻辑层和人机界面层提供通用的抽象接口，人机界面层不与具体的硬件驱动接口API直接进行交互，而是通过对硬件抽象接口层的实例化对象与具体的控制硬件进行交互∝制逻辑与硬件结合紧密的功能拈，又分为控制逻辑层和人机界面层，控制逻辑层通过独立的机床控制面板 MCP和相应的控制逻辑 PLC程序实现，人机界面层根据 MCP的状态实时显示，进-步降低人机界面层与控制逻辑的耦合程度。

人机界面层 - --- 程 程序 睿 l作界面l 嚣作界面l l显示I l 编理掘 3 - ..3.：l手动控l l自动控l l故障l 制逻辑I 1制逻辑 诊断控制逻辑层 - 盟耦△ 硬件抽象接口层例化对象 实例化对象硬件驱动接口API 硬件驱动接口API强耦合 强耦合运动控制器 1 运动控制器 2早 府 - M控CP制.程.P序LC I- - -I. - - . . . - - -图5通用控制系统软件分层架构Fig.5 Layered Architecture of Universal Control System Software5.1硬件抽象接口层设计针对控制器硬件接El各异的问题，建立硬件接口抽象层对具体的硬件接口进行二次封装，屏蔽了具体的接口形式差异。当软件系统 基础硬件系统..， -82 机 械 设计 与制 造No.2Feb.20l3硬件拈更换时，只需要对硬件接口抽象层进行扩展，创建相应的实例化对象以及进行相关的配置，不需要对整个软件系统进行重新开发，通用控制系统软件就可以直接重用。

5-2控制逻辑层设计控制逻辑层由机床控制面板 MCP和 PLC逻辑控制软件两部分组成。机床控制面板 MCP的布局采用分组设计模式，-部分为基础功能，-部分为可扩展功能。基础功能是实现数控机床操作必备的通用功能，扩展功能是专用装备所特有的功能，当该通用控制系统用于专用装备时可以根据专用系统的具体需求进行扩展。基簇制功能由嵌入在运动控制器中的 PLC逻辑控制软件实现 ，可扩展功能的功能定义与控制逻辑实现由独立的 PLC逻辑控制器实现∝制面板 MCP功能分组，如图6所示。

伺服电控制圆圆操作方式选择回 团 圈 圜 回 圈 手动控制与轴选圃 主轴控制囤 圆 圈 圈 圉 自动运行控制回 回 回 图 6控制面板功能分组Fig.6 Control Panel Function Grouping5.3 HMl层设计5.3.1 HMI框架设计HMI层是人机交互接口，是控制系统中必备的功能实现，其基本功能是接收外部数据和命令输人，显示系统的工作数据和运行状态[81。人机交互层框架采用 MDI多文档多视图架构 ，它规定了应用程序的体系结构，阐明了整个设计、协作类之间的依赖关系、责任分配和控制流程。

5.3.2可配置 HMI模板设计HMI拈是控制系统开发过程中最繁杂的步骤，而且针对不同的控制对象，HMI经常需要进行改动，建立可配置的HMI模板I·01，则可以使专用装备的HMI设计实现过程得到极大的简化。

建立 HMI模板的关键是将图形表示层和执行代码层有机的分离，并能通过映射机制建立起松散的连接，使得它们之间可以建立多点对多点的对应关系。每个拈通过软件数据结构建立了-批核心数据参数来表征 HMI的基本特征，这些核心参数被存放到数据库或文件中，通过外部的数据更新便具备了不同的外观和与之相对应的代码实体。

5.3.3可配置位置状 态信息监测拈设计不同专用装备虽然都有位置状态信息监测显示界面，但是由于专用装备用途 、配置等的不同，显示的轴个数、坐标单位、坐标系数、轴标志等都会有差异，为了更好的实现位置状态信息监测拈的重用，位置状态信息监测拈设计为可配置的 DLL模块。把可变部分：轴个数、轴标志、坐标单位、螺距、减速比、编码器线数、译码倍频、轴类型(直线轴、旋转轴)、位置信号地址等写入配置文件，然后根据配置文件动态生成相应的界面。

6应用情况研发的基于UMAC的通用控制系统软件分别应用于金刚石刀具研抛装置和四极杆专用磨床中，两个专用装备的不同配置参数写入配置文件，如表 1所示。所获得的实际位置监测界面，如图7所示。有效的实现了通用位置状态信息监测拈的复用。

表 1位置状态信息监测拈配置参数Tab.1 Configuration Parameter of Position StatUS Module装备类型 轴个数 显示精度 轴标志 显示单位金刚石刀具研抛装置 5四极杆专用磨床 33 XIYIZIA/B mm/mm/mm/deg/deg5 X/TiC mm/mm/deg(a)金刚石刀具研抛界面 (b)四极杆专用磨床界面图 7位置状态监测界面应用效果Fig 7 Location Monitoring Interface Application Effect1 士击 扫i /；口 刀 p口通过对目前专用装备控制系统体系构造特点和共性功能开展深人研究，构建了基于UMAC的通用控制系统平台，建立了层次化的通用控制系统体系架构，并开发了可配置的 HMI通用模块和硬件接口抽象层。研制的基于 UMAC的通用控制系统软件已经成功地应用于金刚石刀具研抛装置和四极杆专用磨床中，有效的缩短了专用装备控制系统软件的研制周期。