當(dāng)前，開放型、模塊化和集成化已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢。為此，世界各國都在抓緊研究制訂開放式高性能數(shù)控系統(tǒng)平臺的標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)，如美國的NGC、OMAC項(xiàng)目、歐洲的OSACA計劃及日本的OSEC計劃等。與此同時，世界上各大數(shù)控生產(chǎn)廠商也紛紛推出了基于開放式、模塊化和集成化的高性能數(shù)控系統(tǒng)。

　　關(guān)于開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征通常認(rèn)為其包括硬件系統(tǒng)的開放性和軟件系統(tǒng)的開放性，開放的硬件系統(tǒng)由微型機(jī)及模塊化的速度控制單元、位置控制單元和內(nèi)置的PLC構(gòu)成；開放的軟件系統(tǒng)是指數(shù)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計模塊化及模塊間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)有3種實(shí)現(xiàn)途徑：一是PC機(jī) 數(shù)控專用模板；二是PC機(jī) 可編程運(yùn)動控制器；三是純PC機(jī)型。

　　這種基于開放式可編程運(yùn)動控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以通用微機(jī)為平臺，以PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開放式可編程運(yùn)動控制器為核心。通用PC機(jī)負(fù)責(zé)如數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面管理等功能，運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動控制和邏輯控制。這種運(yùn)動控制器以運(yùn)動子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序，以PLC子程序方式實(shí)現(xiàn)機(jī)床邏輯控制，支持用戶的開發(fā)和擴(kuò)展，具有上、下兩級的開放性。美國DeltaTau公司的PMAC（ProgrammableMultiaxesController）是這種運(yùn)動控制器的典型代表，其擁有自身的CPU，同時開放包括通信端口、存儲結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大部分地址空間，具有靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計算機(jī)所有資源等特點(diǎn)。雖然國內(nèi)外許多學(xué)者在基于PMAC運(yùn)動控制器的開放式數(shù)控系統(tǒng)方面作了大量的研究工作，但都還處于研究階段，用于生產(chǎn)或產(chǎn)品化還基本沒有實(shí)現(xiàn)。

1 基于PMAC數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　1.1 PMAC軟件的開放性

　　（1）支持各種高級語言，用戶可以使用VB、VC、Delphi等在Windows軟件平臺上定制用戶專用界面。

　?。?）在數(shù)控語言上對用戶開放，不僅支持用戶直接調(diào)用現(xiàn)有的直線、圓弧、樣條曲線的插補(bǔ)指令，而且還允許用戶自定義G代碼、M代碼、D代碼、S代碼，實(shí)現(xiàn)以往數(shù)控語言所不能完成的功能。

　　（3）提供內(nèi)裝式軟件化的PLC，可以編制64個異步PLC程序，通過一些指針變量，用戶可以按位、按字節(jié)進(jìn)行邏輯控制?！　　。?）可共享PC微機(jī)豐富的各類支撐軟件和工具軟件，方便地與各類網(wǎng)絡(luò)連接，與CAD/CAM系統(tǒng)連接，便于遠(yuǎn)程診斷、網(wǎng)絡(luò)制造和制造系統(tǒng)集成控制的實(shí)現(xiàn)?！　　　?.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　通過CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口，開發(fā)CNC系統(tǒng)的用戶界面可以選用各種能夠調(diào)用Windows動態(tài)鏈接庫的編程語言，如VB、VC、Delphi等，分別編制不同任務(wù)的前端用戶界面程序，具有很大的靈活性和開放性。軟件開發(fā)人員通過CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序接口的統(tǒng)一支持，可以方便地構(gòu)造CNC系統(tǒng)的應(yīng)用軟件，即構(gòu)造前端用戶操作界面。DeltaTau公司提供了Pcomm32應(yīng)用程序通訊驅(qū)動器，它包括了同PMAC通訊的各種方式，而且將其主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝，形成一種可根據(jù)用戶需要而調(diào)用的動態(tài)鏈接庫。

　　通過這些函數(shù)可以完成PMAC與PC機(jī)之間的通訊功能，用戶不用直接對端口進(jìn)行操作就可以完成對PMAC硬件的操作，并且程序設(shè)計靈活、迅速及可移植性好。如OpenPmacDevice（）函數(shù)用于與某一個PMAC設(shè)備建立通訊關(guān)系；PmacGetResponseA（）函數(shù)用于給PMAC發(fā)送指令并返回執(zhí)行結(jié)果，等等。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如所示。

　　2 舉例

　　在硬件系統(tǒng)方面，設(shè)計了一套基于PMAC運(yùn)動控制器的五軸數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，其中3個移動分別由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動，光柵尺和編碼器反饋，兩個轉(zhuǎn)動分別由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿副減速傳動，編碼器反饋。運(yùn)動控制器采用PMACPC104八軸卡，上位機(jī)采用工控機(jī)（IPC），采用RS232串口通訊。數(shù)控系統(tǒng)軟件是在Windows2000操作系統(tǒng)下，以VisualBasic60為開發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，充分利用PMAC的動態(tài)鏈接庫中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。系統(tǒng)軟件主界面如所示。具體實(shí)現(xiàn)的功能包括：人機(jī)接口界面、系統(tǒng)初始化、坐標(biāo)軸選擇、手動控制、坐標(biāo)位置實(shí)時顯示、速度控制及G代碼的編輯、下載等。

　　2.1 系統(tǒng)初始化

　　系統(tǒng)的初始化在系統(tǒng)軟件運(yùn)行過程中完成，主要進(jìn)行PMAC的選擇和參數(shù)預(yù)置等功能。初始化代碼如下：PrivateSubForm_Load（）

　　DeviceNumber=PmacSelect（hWnd）選擇PMAC卡　　If（DeviceNumber<0OrDeviceNumber>7）　　Then　　End　　Else　　return_value=OpenPmacDevice（DeviceNumber）啟動PMAC卡　　If（return_value）　　ThenCallPmacGetResponseA（DeviceNumber，response，255，"100"）初置電機(jī)速度　　CallPmacSendLineA（DeviceNumber，"1j/2j/3j/4j/5j/1hm2hm3hm　4hm　5hm"）電機(jī)(電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計理念)閉環(huán)控制并返回零點(diǎn)　　Else　　End　　End　　If　　EndSub

　　2.2 手動控制

　　手動控制有軸選擇、各軸的點(diǎn)動進(jìn)給、精確定位、回零點(diǎn)和電機(jī)速度控制等功能。軸選擇通過一組單選按鈕OptionButton控件實(shí)現(xiàn)，使用Case語句觸發(fā)各選擇，保證每次只能選擇一個軸，同時在手動控制框下也可以選擇，利用ListBox（或ComboBox）實(shí)現(xiàn)，二者是同步的，實(shí)現(xiàn)相同功能?！　　　?.2 精確定位

　　通過在坐標(biāo)輸入文本框中輸入坐標(biāo)值，控制各軸電機(jī)運(yùn)動的距離為給定坐標(biāo)值，同時利用反饋來比較，保證定位的精度。速度控制是通過改變PMAC的I變量來實(shí)現(xiàn)的。所有手動功能都是通過API函數(shù)PmacGetResponseA（DeviceNumber，response，255，"string"）來實(shí)現(xiàn)，通過改變string給PMAC發(fā)送不同的指令。其中軸選擇的string為n，點(diǎn)動的string為nj 或nj-，精確定位的string為nm172->L：＄082B和nj^兩條語句來實(shí)現(xiàn)?！　　　?.3 坐標(biāo)位置實(shí)時顯示

　　這里利用了Tmier定時器控件，系統(tǒng)的狀態(tài)以及各種參數(shù)變量都存儲在PMAC內(nèi)存中，分別用M變量去指向各狀態(tài)的地址，可通過操作M變量進(jìn)行狀態(tài)的讀取和參數(shù)的寫入以及完成I/O口的控制?！　　　?.4 G代碼的編輯、下載和編譯

　　G代碼就是數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動程序，實(shí)際上也是坐標(biāo)軸的運(yùn)動控制程序，也就是加工程序。PMAC的運(yùn)動程序語言有它自己的特點(diǎn)，采用類似于BASIC的高級語言編程，以調(diào)用子程序的形式支持加工程序的G代碼編程。

　　PMAC的運(yùn)動程序可以通過它的Pwin32終端窗口編寫，程序送到緩沖區(qū)后，可以在終端窗口鍵入mBnR運(yùn)行程序，其中m為坐標(biāo)系號，n為程序號；如果是在文本編輯器中編寫的程序，必須將其下載到PMAC中，然后才能運(yùn)行。由于PMAC內(nèi)存有限，幾百K以上的大程序不能一次下載運(yùn)行，這就要用到循環(huán)運(yùn)動程序緩沖區(qū)。循環(huán)運(yùn)動程序緩沖區(qū)允許在程序執(zhí)行期間對程序進(jìn)行下載，并覆蓋已經(jīng)執(zhí)行的程序行，這就能夠連續(xù)執(zhí)行比PMAC的存儲空間大的程序，并且實(shí)時下載程序行。

　　數(shù)控程序中的G代碼和M、T、D等功能指令由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序和D代碼解釋程序分別進(jìn)行解釋。這4個解釋程序分別以運(yùn)動程序PROG1000、PROG1001、PROG1002和PROG1003的形式存在，在系統(tǒng)調(diào)試時由PMAC可執(zhí)行程序?qū)⑺鼈兿螺d到PMAC的固定內(nèi)存中，在實(shí)際加工中被PMAC自動調(diào)用。主界面中的調(diào)試按鈕即用于實(shí)現(xiàn)這一功能，并在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)錯誤后通知編程者，其程序代碼為：PrivateSubcmdtest_Click（）CallPmacDownloadA（DeviceNumber，0，0，0，CommonDialog1FileName，True，True，1，True）CommonDialog1Filter="LogFile|Log"CommonDialog1FileName=Left（logfile，Len（logfile）-3）　"log"txtresponseLoadFileCommonDialog1FileNametxtresponseSelStart=Len（txtresponseText）cmdrunEnabled=TrueExitSubEndSubPMAC將G、M、T、D代碼作為子程序來調(diào)用，在解釋程序中，可以針對特定的機(jī)床定制代碼。在運(yùn)動程序中遇到G代碼時，將會調(diào)用解釋程序PROG1000，跳轉(zhuǎn)到解釋代碼行，如G17將跳轉(zhuǎn)到PROG1000的N17000行。

　　2.5 PLC功能的實(shí)現(xiàn)

　　PMAC內(nèi)置有PLC控制和編程功能，它是以循環(huán)邏輯順序來執(zhí)行命令，但它的編程方式不是梯形圖編程，而是采用類似于BASIC等高級語言的編程方式，不需要專用編程器，執(zhí)行速度更快。

　　PMAC的內(nèi)置PLC與NC共用CPU，利用CPU的余力來發(fā)揮PLC的功能，所以I/O點(diǎn)數(shù)較少。通過PLC程序可以完全地對PMAC變量和I/O進(jìn)行操作，并且它具有非同步的特性，因此它能有力地協(xié)助運(yùn)動控制程序完成任務(wù)。

3 結(jié)束語

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)（ONC）是目前數(shù)控發(fā)展的趨勢，而PC機(jī) 可編程運(yùn)動控制器型開放式數(shù)控系統(tǒng)是發(fā)展的主流。筆者開發(fā)的基于PMAC的五軸數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺，結(jié)構(gòu)簡單，數(shù)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)一步開發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，達(dá)到了開放式數(shù)控系統(tǒng)的要求。