Dieser Artikel stellt ein offenes CNC-System mit integriertem PMAC (Programmable Multi-Axis Controller) Mehrachsen-Bewegungsregler vor und erläutert dessen spezifische Anwendung im CNC-System einer automatischen Glasgravurmaschine, einschließlich der Hardware- und Software-Designmodule. 1. Einleitung: Mit steigendem Lebensstandard erfreuen sich gravierte Glasprodukte zunehmender Beliebtheit, wodurch die Prozesse komplexer werden und höhere Präzisionsanforderungen gestellt werden. Derzeit erfolgt die Glasgravur hauptsächlich manuell, was die Sicherstellung der Bearbeitungsqualität erschwert und hohe Kosten verursacht. Daher besteht in China ein sehr großer Markt für CNC-Glasgravurmaschinen. Der Markt für Glasgravurmaschinen wird derzeit von den beiden großen italienischen Unternehmen Bottero und Intermark monopolisiert, deren proprietäre NC-Systeme den Markteintritt für die chinesische Glasmaschinenindustrie erschweren. Um dieser Situation zu begegnen, haben wir eine Glasgravurmaschine mit computergesteuerter numerischer Steuerung (CNC) entwickelt. Dieses System verwendet eine offene PC+PMAC-Mehrachsen-Bewegungsregler-Steuerung. Die PMAC-Bewegungssteuerungskarte wird zur Echtzeitsteuerung in den Standardsteckplatz des PCs eingesetzt, während der PC als Mensch-Maschine-Schnittstelle und Host-Rechner für die Systemverwaltung dient. Durch den modularen Aufbau entsteht eine einheitliche und rekonfigurierbare Systemplattform. Dies erhöht nicht nur die Flexibilität und Anpassungsfähigkeit des CNC-Systems, sondern ermöglicht dank der Offenheit der PMAC-Karte auch die Weiterentwicklung und kontinuierliche Verbesserung der chinesischen Glasbearbeitungstechnologie. Dadurch kann China mit ausländischen Anlagen gleichziehen und diese sogar übertreffen. 2. PMAC-basiertes offenes CNC-System PC-basierte offene CNC-Systeme stellen derzeit die wichtigste Entwicklungsrichtung dar. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Entwicklung und Forschung des zentralen CNC-Systems für eine automatische Glasgravurmaschine. Das System verwendet eine PMAC-Karte zur Mehrachsen-Bewegungssteuerung als zentrale Servoberechnungs- und Steuereinheit, die in einen Standardsteckplatz eines Industrie-PCs eingesetzt wird. In Kombination mit Peripheriegeräten wie Servoverstärkern, Servomotoren, Encodern und Netzteilen bildet sie ein modulares, PMAC-basiertes offenes CNC-System. PMAC-basierte CNC-Systeme zeichnen sich durch kurze Entwicklungszyklen, niedrige Kosten, eine hohe Anzahl an Interpolationsachsen (vier oder mehr) und hohe Steuerungsgenauigkeit aus. In dieser Architektur werden die CNC-Servoberechnung und -steuerung vollständig von der PMAC-Karte durchgeführt, während der PC und verschiedene universelle Schnittstellen die zentrale Steuereinheit des CNC-Systems bilden. Diese Architektur bietet hohe Flexibilität und Offenheit. Für Anwender basiert die zentrale Steuereinheit vollständig auf einem PC-Mikrocomputersystem mit dem Betriebssystem Windows 9x/NT, sodass sie sich sofort zurechtfinden. Die CNC-Software verfügt über eine benutzerfreundliche Oberfläche, die vollständig mit verschiedenen Windows-basierten Anwendungen kompatibel ist und somit den Einstieg erleichtert. Sie beseitigt das monotone, starre und schwer zugängliche Gefühl früherer CNC-Systemoberflächen und ermöglicht freie Anpassung und Erweiterung. Die Servoberechnungen, die Regelung und die Echtzeit-Aufgabenverarbeitung des CNC-Systems werden hingegen vollständig vom PMAC-Mehrachsen-Bewegungscontroller und der speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) durchgeführt, was eine hohe Präzision und Geschwindigkeit gewährleistet. 3 Hardware-Designprinzipien des zentralen CNC-Systems Da das Betriebssystem Windows 9x/NT die Echtzeitanforderungen der CNC-Bearbeitung nicht erfüllt, verwendet das in diesem Beitrag beschriebene CNC-System ein Dual-CPU-Open-CNC-System, bestehend aus einem Host- und einem Slave-Rechner. Der Slave-Rechner ist mit dem PMAC-Bewegungscontroller ausgestattet und übernimmt hauptsächlich Echtzeitaufgaben wie Servosteuerung, Bahnplanung und speicherprogrammierbare Steuerung (SPS). Der Host-Rechner ist ein Industrie-Steuerungsrechner, der hauptsächlich Nicht-Echtzeitaufgaben wie CNC-Programmierung, CNC-Simulation, grafische Interpolation, Verarbeitung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) und Netzwerkfunktionen ausführt. Der Steuerungskern des Host-Rechners bildet das Herzstück des gesamten CNC-Systems. Er kommuniziert über Anwendungsprogrammierschnittstellen (APIs) mit dem Slave-Rechner, indem er verschiedene Variablen und Funktionen aufruft, und koordiniert das gesamte System. Bedienfeld und HMI sind die Hauptkanäle zur Erfassung externer Informationen. Der Steuerungskern speichert die erfassten Informationen in einem Parametersatz, der manuelle Motorsteuerungsparameter, Servoeinstellungsparameter, Koordinatenparameter und Sicherheitsparameter für die Motorbewegung umfasst. Die Kommunikation zwischen Host und untergeordneten Rechnern erfolgt über einen PC-Bus. Der Steuerungskern überträgt Änderungen der Parametersätze über den PC-Bus an das Steuerungsparametermodul des untergeordneten Rechners. Gleichzeitig sendet der untergeordnete Rechner ebenfalls Echtzeit-Systembetriebsstatusinformationen über den PC-Bus an den Host-Rechner und zeigt diese auf dem Benutzerterminal an. Das CNC-System verfügt zudem über ein grafisches Programmiermodul. Benutzer geben lediglich die erforderlichen Werkzeuginformationen über die HMI-Schnittstelle ein, die automatisch in CNC-G-Code umgewandelt werden. Das System verbindet sich über ein Kommunikationsmodul mit einem externen Netzwerk und überträgt den CNC-Code der zu bearbeitenden Werkstücke direkt an das System, wodurch die Netzwerkbearbeitung ermöglicht wird. Der Steuerungskern des Systems kompiliert den per grafischer Programmierung oder Netzwerkübertragung empfangenen CNC-Code in ein von der PMAC-Karte lesbares Bewegungsprogramm und lädt dieses auf den untergeordneten Rechner herunter. Dieser übersetzt den CNC-Code mithilfe eines Trajektoriengenerierungsmoduls in Befehlscodes, die der Bewegung jeder Servoachse entsprechen. Anschließend implementiert das Achsensteuerungsmodul die Servosteuerung. Der Steuerungsalgorithmus kann entweder den von PMAC bereitgestellten Standardalgorithmus oder einen vom Benutzer spezifizierten Algorithmus verwenden und wird über den PC-Bus auf PMAC übertragen. Der untergeordnete Rechner ist über Ein-/Ausgangsports mit externen Sensoren und Aktoren wie Tasten, Schaltern und Kontrollleuchten verbunden. Dank seiner leistungsstarken programmierbaren diskreten Logiksteuerung kann der untergeordnete Rechner analoge und digitale Eingangssignale von Peripheriegeräten in Echtzeit überwachen, Statusausgänge festlegen, Informationen übertragen und Bewegungsparameter überwachen. Seine Steuerungslogik wird vom übergeordneten Rechner im Dateiformat angepasst und bietet somit hohe Flexibilität. Aufgaben mit hohen Echtzeitanforderungen, wie die Verarbeitung von Positionsendsignalen und Referenzsignalen sowie bestimmte Sicherheitsprüfungen des Systems, werden direkt vom untergeordneten Rechner ausgeführt. Der übergeordnete Rechner empfängt lediglich die Informationen zum Abschluss der Verarbeitung, wodurch die Betriebssicherheit des Systems gewährleistet wird. 4. Software-Design des CNC-Steuerungssystems : Die Modularisierung ist die Vorstufe der Systemsoftware-Programmierung. Sie legt fest, aus welchen Modulen das System besteht, die Beziehungen zwischen den Modulen, die unabhängigen Funktionen der Module und die Spezifikationen der Ein- und Ausgabedaten, um Modulkonflikte zu vermeiden. [align=center]Abbildung 1 Softwareaufbau des PMAC-basierten CNC-Systems[/align] Dank der hervorragenden Software-Offenheit von PMAC wird die Entwicklung von CNC-Softwaresystemen erheblich vereinfacht. Die Softwarestruktur des CNC-Systems ist in Abbildung 1 dargestellt und besteht aus einem Hauptsteuermodul und verschiedenen Funktionsmodulen. Das Hauptsteuermodul bietet dem Benutzer eine benutzerfreundliche Systembedienoberfläche. Über diese Oberfläche werden die Funktionsmodule des Systems in Form von Menüs aufgerufen. Die Funktionsmodule des Systems lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: Echtzeit-Steuerungsmodule und Nicht-Echtzeit-Verwaltungsmodule. Echtzeit-Steuerungsmodule sind Softwaremodule, die die aktuellen Bewegungen und Aktionen der Werkzeugmaschine steuern. Nicht-Echtzeit-Verwaltungsmodule können mithilfe eines PC-Mikrocomputers und der von PMAC bereitgestellten Programmiersprachen und Softwaretools implementiert werden. Da die Anforderungen an die Reaktionszeit nicht hoch sind, werden sie vom PC-Mikrocomputer ausgeführt. In den Echtzeit-Steuerungsmodulen stellt PMAC Basisfunktionen bereit, die durch einfache Eingabe oder Auswahl von Parametern direkt aufgerufen werden können. Das Modul zur Interpretation von Bearbeitungsprogrammen kann beispielsweise bestehende PMAC-Interpreter in der PEWIN-Umgebung bearbeiten und debuggen sowie in den Festspeicher des PMAC laden, wo sie während der Bearbeitung automatisch aufgerufen werden. Es kann die vom PMAC bereitgestellten Funktionen für lineare, zirkuläre und Spline-Interpolation direkt auswählen und aufrufen oder eigene C-, M- und T-Codes definieren. Das SPS-Steuerungsprogramm dient der logischen Steuerung der Schaltgrößen des Werkzeugmaschinensystems. Es kann analoge und digitale Eingänge überwachen, Ausgabewerte festlegen, Informationen senden, die Verstärkung ändern und Bewegungen mit extrem hohen Abtastraten stoppen/starten. Dabei wird das SPS-Programm wiederholt mit 5–10 ms oder sogar höheren Taktfrequenzen abgetastet. Das SPS-Programm umfasst die Zuordnung der System-E/A-Ports, die Rückführung von Referenzpunkten, die Aktivierung/Deaktivierung, die Betriebsmodi Automatik, Einzelschritt und Tippbetrieb, die Einstellung der Geschwindigkeit (Eilgang, Inkremental und Multiplikator) sowie Steuerungsroutinen für Kühlung, Schmierung und Spindelmotorstart/-stopp. Das SPS-Programm ist in der von PMAC bereitgestellten Befehlssprache geschrieben und kann direkt ausgeführt oder kompiliert und anschließend ausgeführt werden. 5. Fazit: CNC-Glasgravurmaschinen sind Hightech-Geräte, die CAD/CAM-Technologie, CNC-Technologie, Motorantriebstechnik und Technologie zur Bearbeitung optischer Glasoberflächen integrieren. Diese Arbeit befasst sich hauptsächlich mit dem zentralen Steuerungssystem. Ein offenes CNC-System auf Basis eines PMAC-Bewegungscontrollers wird vorgestellt und in einer automatischen Glasgravurmaschine angewendet. Unter den aktuellen technologischen Bedingungen besitzt dieses Dual-CPU-basierte offene CNC-System mit Ober- und Unterrechner einen hohen praktischen Nutzen.