0 前言

　　目前，各種先進的制造技術得到了飛速的發(fā)展，它們中絕大多數(shù)都需要數(shù)控技術的支持。同時，數(shù)控技術的應用也為制造業(yè)的發(fā)展帶來了深刻的變革。但是，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)逐漸顯示出弱點，即：專用性強、軟件為系統(tǒng)的制造商所擁有，不便于功能擴展和各種應用軟件的支撐和更新，軟件的移植性差，組網(wǎng)通訊能力差。而現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展給CNC系統(tǒng)提出了更高的要求：從完成的功能上看，一方面CNC系統(tǒng)必須適應CIMS的發(fā)展，有一個可以集成不同開發(fā)商提供的軟件并適應連網(wǎng)需要的平臺；另一方面，隨著中小批量生產(chǎn)的趨勢日益增強和數(shù)控系統(tǒng)在更多的行業(yè)中的應用，用戶對CNC系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)多元化，這樣，必須根據(jù)不同的用戶需求，迅速、高效、低成本的構筑面向用戶的控制系統(tǒng)，于是要求CNC系統(tǒng)具有模塊化和可重新配置的特點。從使用角度來看，CNC系統(tǒng)應能應用于各種計算機平臺，并提供統(tǒng)一風格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶操作、維護和更新升級。為了滿足對數(shù)控系統(tǒng)更具柔性、靈活性和通用性的要求，出現(xiàn)了對開放式數(shù)控系統(tǒng)結構的研究。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有軟件開放性和硬件開放性，它能使人們自由地選擇CNC裝置、伺服驅動器、傳感元件和執(zhí)行單元等部件。

　　一般地，開放式數(shù)控系統(tǒng)有以下特點：

　　（1）各種構成要素邏輯上獨立。

　　（2）提供一個標準和規(guī)范，確保不同生產(chǎn)廠商的符合規(guī)范的構成要素能構成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)。

　　（3）數(shù)控系統(tǒng)的拓撲結構可動態(tài)改變。

　?。?）與其它系統(tǒng)或軟件模塊具有互操作性。

　?。?）提供良好一致的人機界面。

　　隨著計算機技術的飛速發(fā)展以及其標準化和開放性，出現(xiàn)了基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計算機的軟硬件資源，可使用通用的高級語言方便地編制程序，用戶可將標準化的外設、應用軟件進行靈活地組合和使用。使用計算機同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡化。

　　基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為以下幾種類型：

　?。?）PC嵌入型CNC：該類型系統(tǒng)是將PC裝入到CNC內(nèi)部，PC與CNC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應迅速，同時，原型CNC系統(tǒng)也可不加修改就得以利用。缺點是不能直接利用通用!"，開放性受到限制，通用PC強大的功能和豐富的軟硬件資源不能得到有效的利用。

　　（2）NC嵌入型PC（NC嵌入PC型）：該類型系統(tǒng)是在通用PC的擴展槽中插入專用的CNC卡（如運動控制卡）組成的。它能夠充分地保證系統(tǒng)性能，軟件的通用性強，并且編程處理靈活，但是，原型CNC資源很難得到利用。

　?。?）全軟件型NC：該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC實現(xiàn)，并通過裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動等進行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。但是，實時處理的實現(xiàn)比較困難，并較難保證系統(tǒng)的性能，同時原型CNC資源難以利用。

2 NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)

　　下面討論NC嵌入PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺，NC與PC間的通訊和系統(tǒng)應用軟件的編制方法。

　?。?）NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)應用平臺作為基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)應用平臺可理解為由開放式運動控制卡+PC機組成。開放式運動控制卡一般采用高速:7! 作為CPU，具有強大的運動控制和邏輯控制能力，并提供一組數(shù)控內(nèi)核$"% 供用戶開發(fā)所需的數(shù)控系統(tǒng)。"!機則通常采用工業(yè)計算機，從而能充分利用其豐富的軟硬件資源。用戶可以選用許多流行的編程軟件，如Delphi、Visual C++、C++ Bulder等。這能大大地改善數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真以及網(wǎng)絡通訊等功能。圖1給出了NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)應用平臺的典型結構。

圖1NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)應用平臺典型結構

　　（6）NC與PC間的通訊

　　從圖1中可以看出，在這個數(shù)控系統(tǒng)平臺上進行應用開發(fā)時，首先要解決的是NC和PC機之間的通訊問題。也就是說NC和PC間應能夠快速和準確地交換數(shù)據(jù)。它們之間的通訊可以由不同的通訊機制實現(xiàn)，常用的方式有：總線通訊和雙口RAM通訊?？偩€通訊采用ISA/PCI總線結構，開放式運動控制卡插入在PC機的總線擴展槽中，使用相應的控制寄存器和協(xié)議建立起PC機和NC之間的通訊，其可以使用查詢方式或中斷方式。雙口CPU通訊則是采用一種特殊的存儲器，該存儲器具有兩個端口，可以分別跟PC機和NC的CPU相連，兩個CPU可互不干擾地對其進行讀寫操作，采用這種通訊方式能明顯提高數(shù)據(jù)交換速度。為了使通訊系統(tǒng)不依賴于具體的通訊機制，對上述的通訊方式進行抽象，得出一致的應用程序接口。確保用戶只需訪問該應用程序接口而不必關心底層的通訊機制就能建立起所需的通訊。

　?。?）應用軟件的編制

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的顯著特征之一是系統(tǒng)的可擴展性，因此在進行系統(tǒng)設計的時候，采用了模塊化的程序設計方法。這樣，將來若對系統(tǒng)某一功能的改進則只需修改相應的模塊而不必重寫整個系統(tǒng)軟件。

3 實例研究

　　本文開發(fā)了一個NC嵌入PC型的開放式數(shù)控系統(tǒng)，用以取代G—CNC6135型數(shù)控車床原有的數(shù)控系統(tǒng)GSK928TA。GSK928TA是由Intel公司的8位單片機（8032）和16位單片機（80C196）組成的雙CPU系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)的通用性差，聯(lián)網(wǎng)通訊功能有限，僅能通過RS232口與微機進行程序傳輸，軟件不對用戶開放，在原有的系統(tǒng)上進行二次開發(fā)非常困難。

　　該實例的硬件平臺為：CPU板卡采用臺灣EVOC公司的IPC-586VDF(C)，內(nèi)置顯卡，支持電子盤，處理器采用Intel Pentium &MMX 233，顯示器為宏基的FP450彩色液晶顯示器，可視面積大，抗干擾性強。運動控制卡選用臺灣ADLink公司的開放式運動控制卡PCI-8134，PCI-8134使用了兩塊專業(yè)集成電路PCL5023，每塊PCL5023控制兩個軸的運動。運動功能如線性加減速、S形加減速、兩軸插補、定位和回零都由PCL5023來硬件實現(xiàn)，使得系統(tǒng)的實時性大大增強。由于復雜的運動控制由專用芯片實現(xiàn)了，PC的CPU就可用來執(zhí)行其他的監(jiān)控任務了。每塊PCI-8134可以同時控制四根軸的運動，它插在PC機的PCI總線擴展槽中。PCI-8134還提供了DOS和Windows下的函數(shù)庫，供開發(fā)應用程序時調(diào)用。系統(tǒng)還使用了兩個全數(shù)字交流伺服驅動器（DA98）和交流伺服電機。I/O接口板采用ADLink公司的64 路（32路輸入，32路輸出）隔離的數(shù)字DIO板PCI-7432。微機上的操作系統(tǒng)為Windows NT4.0，采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具。

　　整個系統(tǒng)平臺的硬件結構如圖6 所示。PCI-8134控制各個軸的運動，PCI-7432控制機床的各種I/O量，同時處理控制面板的輸入，二者通過PCI總線與PC機進行通訊。

圖2 系統(tǒng)硬件平臺

　　在系統(tǒng)設計的時候，考慮到將來的擴展性，采用了模塊化的程序設計方法，將整個系統(tǒng)按功能劃分為以下五個模塊：

　?。?）PLC模塊；　?。?）運動控制模塊；　?。?）顯示模塊；　?。?）屏幕操作模塊；　?。?）網(wǎng)絡通信模塊。

　　系統(tǒng)的軟件結構如圖; 所示W(wǎng)indows NT4.0平臺是一個占先式多任務操作系統(tǒng)，且支持多線程編程技術，線程任務在競爭中獲得CPU分配的時間片，線程的優(yōu)先級越高，得到CPU時間片的機會越大。Win2下線程的優(yōu)先級分成四種，共32級，其中16-31級被稱為實時級，是所有級別中最高的，專門為必須對事件做出迅速響應的線程服務?？梢园褜崟r控制進程按操作的關聯(lián)程度和輕重緩急分解成若干個線程。例如，一個線程響應各種參數(shù)設定，另一個線程更新過程狀態(tài)顯示，而實時采集和控制輸出放在第三個線程中，并將該設置在實時級。緊急控制線程要求系統(tǒng)不論在什么情況下都應立即響應，所以它的優(yōu)先級應該設定為最高。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結構圖

　?。?）PLC模塊

　　PLC模塊用來處理各種輸入輸出I/O量。在系統(tǒng)中的輸入量有鍵盤輸入、機床零點輸入、限位輸入、減速輸入和刀位輸入。輸出量有換刀電機控制、功放、潤滑、冷卻、主軸正轉、主軸反轉和主軸停止。在程序中，PLC模塊作為一個線程，在系統(tǒng)啟動的同時，啟動PLC線程。

　?。?）運動控制模塊

　　運動控制模塊是用來控制刀具實現(xiàn)各種運動的。模塊有連續(xù)移動、步進移動、直線插補運動、圓弧插補運動和回零點運動組成，且在運動中實現(xiàn)速度可調(diào)。PCI-8134, 運動控制卡的函數(shù)庫提供了豐富的運動-#&函數(shù)。

　　在系統(tǒng)中，PCI-8134, 發(fā)送脈沖給交流伺服控制器，由交流伺服控制器控制交流電機從而帶動刀具移動。

　　當有運動命令到來時，系統(tǒng)啟動一個運動線程。

　　（3）顯示模塊

　　數(shù)控系統(tǒng)的各種信息需要通過顯示器及時地反饋給操作者，便于操作者對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視，因此需要單獨建立一個模塊來負責處理數(shù)控系統(tǒng)各種信息的顯示。

　　（4）屏幕操作模塊

　　屏幕操作模塊由參數(shù)設置、直線插補設置、換刀控制和自動控制組成。

　?。?）通訊模塊

　　通訊模塊可以用來向監(jiān)控中心傳送信息或者通過服務器實現(xiàn)遠程制造。

　　實踐表明：以PC機為基礎的由上述軟硬件平臺構成的CNC系統(tǒng)取代原有的數(shù)控系統(tǒng)GSK928TA，不僅完成了原來的各項功能，而且在實時性、用戶界面、二次開發(fā)和聯(lián)網(wǎng)通訊等方面都有顯著的提高。

4 結束語

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術發(fā)展的必然趨勢，其給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商、機床制造商以及用戶都帶來了許多好處。而基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強靈活性，可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術優(yōu)勢，有利于更完美地實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真以及網(wǎng)絡通訊等功能。模塊化的程序設計使系統(tǒng)的通用性和可移植性大大增強，同時也有利于系統(tǒng)日后的功能擴展。