0 引言

　　1946年誕生了世界上第一臺電子計(jì)算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動(dòng)的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6年后，即1952年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個(gè)世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。數(shù)控(NC)階段(1952～1970年)，即1952年的第一代——電子管；1959年的第二代——晶體管；1965年的第三代——小規(guī)模集成電路。計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(1970年至現(xiàn)在)，即1970年的第四代——小型計(jì)算機(jī)；1974年的第五代——微處理器和1990年的第六代——PC機(jī)(國外稱為PC—Based)。

1 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

　　隨著機(jī)械加工精度和速度的提高，要求NC系統(tǒng)的功能不斷的擴(kuò)大、改進(jìn)和完善，特別是適應(yīng)高速高精度加工的要求產(chǎn)生了高速高精控制系統(tǒng)，包括程序的快速輸入、高速高精插補(bǔ)、控制以及輸出。另外機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡化與改進(jìn)及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來越復(fù)雜。此外，機(jī)械加工的連續(xù)運(yùn)行、協(xié)調(diào)，要求NC系統(tǒng)可靠性不斷提高，加工和信息系統(tǒng)不但可以控制、處理、傳輸、管理而且通過網(wǎng)絡(luò)可以共享。正是由于以上的原因，基于PC—Based的開放性數(shù)控單元開始在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

　　a)成本低：PC是性能不斷提高而價(jià)格不斷下降的工業(yè)產(chǎn)品，以PC為基礎(chǔ)的CNC裝置將直接從中獲益。

　　b)標(biāo)準(zhǔn)化：經(jīng)過20多年的發(fā)展，PC機(jī)的硬件平臺已經(jīng)形成了標(biāo)準(zhǔn)。PC硬件平臺的標(biāo)準(zhǔn)化和互換性都有利于數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)和維修，而且為以PC為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和開放化奠定了基礎(chǔ)。

　　c)可靠性高：PC產(chǎn)品生產(chǎn)批量大，其各種部件都已形成比較完善的標(biāo)準(zhǔn)，這有利于批量生產(chǎn)和產(chǎn)品控制。工業(yè)PC及工控主板等產(chǎn)品可使數(shù)控系統(tǒng)在高可靠性和低成本中找到很好的平衡點(diǎn)。

　　d)軟件資源豐富：PC豐富的軟件資源和開發(fā)工具為數(shù)控軟件的開發(fā)提供了方便，縮短了研制周期，降低了開發(fā)成本，同時(shí)也為CAD／CAM／CIMS集成創(chuàng)造了良好的條件。

　　e)便于聯(lián)網(wǎng)：基于PC平臺的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)瀏覽器可以方便地接入到Internet，為實(shí)現(xiàn)全球制造、虛擬制造、遠(yuǎn)程設(shè)備故障診斷與維護(hù)、共享制造資源奠定了軟硬件基礎(chǔ)。

2 硬件結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)

　　基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有PC連接型NC，PC嵌入型NC、運(yùn)動(dòng)控制器+PC型、全軟件型軟件NC四種類型，根據(jù)4種類型的特點(diǎn)及CK0625車床改造的具體要求，從系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性等角度出發(fā)選擇運(yùn)動(dòng)控制器+PC型方案，利用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺。

　　計(jì)算機(jī)完成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)監(jiān)測、補(bǔ)償運(yùn)算、程序編譯、故障報(bào)警等工作，運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軸的插補(bǔ)運(yùn)算，加工數(shù)據(jù)緩存等底層實(shí)時(shí)控制，完成位置捕獲，開關(guān)量輸入輸出等功能，工控機(jī)和控制卡通過開放的控制函數(shù)鏈接庫完成各種控制任務(wù)。本數(shù)控系統(tǒng)工控機(jī)選用了研華IPC-610型，運(yùn)動(dòng)控制卡則采用的是基于數(shù)字信號處理器(DSP)開發(fā)的固高GT-400-SV卡，變頻器選用的是VFD007M21A的0.75kW臺達(dá)通用型變頻器，電機(jī)(Servomotor)Yaskawa Sgmah-08從A41，驅(qū)動(dòng)器(Servopack)Yaskawa SGDM-08ADA。

　　硬件結(jié)構(gòu)利用工業(yè)PC機(jī)為主體，智能與動(dòng)控制卡插在其PCI標(biāo)準(zhǔn)插槽上，通過PC內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和控制。外接輸入/輸出接口卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、主軸變頻調(diào)速模塊等構(gòu)成硬件總體結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1硬件結(jié)構(gòu)方案

3 軟件結(jié)構(gòu)及工作過程

　　軟件擬采用Windows開發(fā)平臺，用模塊化的設(shè)計(jì)方法，按功能分成若干個(gè)模塊分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)行后由主程序統(tǒng)一管理。通過鍵盤和顯示器進(jìn)行人機(jī)對話，各功能間通過屏幕顯示的功能選擇菜單，按相應(yīng)的鍵來實(shí)現(xiàn)調(diào)用相應(yīng)的程序模塊。軟件系統(tǒng)將完成接收機(jī)床的輸入以及工控機(jī)的輸入，并理解其含義，做出相應(yīng)的輸出，完成數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。

　　系統(tǒng)采用了PC+運(yùn)動(dòng)控制卡結(jié)構(gòu)，PC機(jī)作為上位機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)譯碼、刀具補(bǔ)償、軌跡仿真、故障診斷、幫助等功能，而運(yùn)動(dòng)控制器作為下位機(jī)，可完成插補(bǔ)、速度控制、位置控制等功能，它不需占用PC機(jī)的資源。上下位機(jī)進(jìn)行通訊，上位機(jī)把用戶輸入的加工參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫檢索和后臺運(yùn)算后傳遞給下位機(jī)，下位機(jī)通過對脈沖的頻率和數(shù)量的控制，從而控制運(yùn)動(dòng)的方向、速度與距離，并把實(shí)時(shí)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)返回給上位機(jī)，從而可以在顯示器上動(dòng)態(tài)顯示機(jī)床的運(yùn)動(dòng)情況。工作過程如圖2所示。

圖2 CK0625數(shù)控系統(tǒng)軟件工作過程

4 結(jié)語

　　基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)是對傳統(tǒng)數(shù)控結(jié)構(gòu)的根本突破，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主流和研究熱點(diǎn)，是新一代數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)?；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性，可以充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源和強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)高性能、智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化和新的標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)控系統(tǒng)，無論對控制系統(tǒng)開發(fā)商、機(jī)床廠還是最終用戶均有益處。通過改造，本數(shù)控車床能完成圓柱面、圓錐面、圓弧面、螺紋、溝槽等加工，尺寸誤差控制在±0.01mm以內(nèi)，總體上達(dá)到了改造要求。