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淺析基于PC的開放式數控系統論文
0前言
目前，各種先進的制造技術得到了飛速的發展，它們中絕大多數都需要數控技術的支持。同時，數控技術的應用也為制造業的發展帶來了深刻的變革。但是，隨著計算機技術的迅猛發展，傳統的CNC系統逐漸顯示出弱點，即：專用性強、軟件為系統的制造商所擁有，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，組網通訊能力差。而現代制造業的發展給CNC系統提出了更高的要求：從完成的功能上看，一方面CNC系統必須適應CIMS的發展，有一個可以集成不同開發商提供的軟件并適應連網需要的平臺；另一方面，隨著中小批量生產的趨勢日益增強和數控系統在更多的行業中的應用，用戶對CNC系統的需求呈現多元化，這樣，必須根據不同的用戶需求，迅速、高效、低成本的構筑面向用戶的控制系統，于是要求CNC系統具有模塊化和可重新配置的特點從使用角度來看，CNC系統應能應用于各種計算機平臺，并提供統一風格的用戶交互環境，以便于用戶操作、維護和更新升級、為了滿足對數控系統更具柔性、靈活性和通用性的要求，出現了對開放式數控系統結構的研究。開放式數控系統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、傳感元件和執行單元等部件。
一般地，開放式數控系統有以下特點：
（1）各種構成要素邏輯上獨立。
（2）提供一個標準和規范，確保不同生產廠商的符合規范的構成要素能構成一個完整的數控系統。
（3）數控系統的拓撲結構可動態改變。
（4）與其它系統或軟件模塊具有互操作性。
（5）提供良好一致的人機界面。
隨著計算機技術的飛速發展以及其標準化和開放性，出現了基于PC的開放式數控系統。
1 基于PC的開放式數控系統
基于PC的開放式數控系統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網絡化。
基于PC的開放式數控系統大致可分為以下幾種類型：
（1）PC嵌入型CNC：該類型系統是將PC裝人到CNC內部，PC與CNC之間用專用的總線連接。系統數據傳輸快，響應迅速，同時，原型CNC系統也可不加修改就得以利用:缺點是不能直接利用通用PC，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嵌人型PC（NC嵌人PC型）：該類型系統是在通用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。
（3）全軟件型NC：該類型系統是指 CNC的全部功能均由PC實現，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，實時處理的實現比較困難，并較難保證系統的性能，同時原型CNC資源難以利用。
2 NC嵌入PC型開放式數控系統
下面討論NC嵌入PC的開放式數控系統的軟硬件平臺，NC與PC間的通訊和系統應用軟件的編制方法。
（1）NC嵌入PC型開放式數控系統應用平臺
作為基于PC的開放式數控系統， NC嵌入PC型開故式數控系統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DSP作為CPU，具有強大的運動控制和邏輯控制能力，并提供一組數控內核API供用戶開發所需的數控系統。PC機則通常采用工業計算機。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++Builder等。這能大大地改善數控系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真以及網絡通訊等功能圖。
（2）NC與PC間的通訊
在這個數控系統平臺上進行應用開發時，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據。它們之間的通訊可以由不同的通訊機制實現，常用的方式有：總線通訊和雙口RAM通訊。總線通訊采用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RAM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據交換速度。為了使通訊系統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。
（3）應用軟件的編制
開放式數控系統的顯著特征之一是系統的可擴展性，因此在進行系統設計的時候，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軟件。
3實例研究
本文開發了一個NC嵌入PC型的開放式數控系統，用以取代G-CNC6135型數控車床原有的數控系統GSK928TA。GSK928TA是由Intel公司的8位單片機(8032)和16位單片機(800196)組成的雙CPU系統，該數控系統的通用性差，聯網通訊功能有限，僅能通過RS232口與微機進行程序傳輸，軟件不對用戶開放，在原有的系統上進行二次開發非常困難。
該實例的硬件平臺為：CPU板卡采用臺灣EVOC公司的IPC-586VDF(C)，內置顯長，支持電子盤，處理器采用Intel Pentium & NIMY 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使用了兩塊專業集成電路PCI5023，每塊PCI5023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PCIS023來硬件實現，使得系統的實時性大大增強、由于復雜的運動控制由專用芯片實現了，PC的CPU就可用來執行其他的監控任務了、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。PCl-8134還提供了DOS和Windows下的函數庫，供開發應用程序時調用。系統還使用了兩個全數字交流伺服驅動器(DA98)和交流伺服電機。I/0接口板采用ADLink公司的64路(32路輸人，32路輸出)隔離的數字DIO板PCI-7432。微機上的操作系統為Windows NT4.0，采用Visual C++6.0作為開發工具。
在系統設計的時候，考慮到將來的擴展性，采用了模塊化的程序設計方法，將整個系統按功能劃分為以下五個模塊：
（1）PLC模塊；
（2）運動控制模塊；
（3）顯示模塊；
（4）屏幕操作模塊；
（5）網絡通信模塊。
Windows NT4.0平臺是一個占先式多任務操作系統，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，線程的優先級越高，得到CPU時間片的機會越大。Win32下線程的優先級分成四種，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。可以把實時控制進程按操作的關聯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設定，另一個線程更新過程狀態顯示，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不論在什么情況下都應立即響應，所以它的優先級應該設定為最高。
（1）PLC模塊
PLC模塊用來處理各種輸人輸出1/O量。在系統中的輸入量有鍵盤輸人、機床零點輸人、限位輸人、減速輸人和刀位輸人。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，在系統啟動的同時，啟動PLC線程。
（2）運動控制模塊
運動控制模塊是用來控制刀具實現各種運動的。模塊有連續移動、步進移動、直線插補運動、圓弧插補運動和回零點運動組成，且在運動中實現速度可調PCI-8134運動控制卡的函數庫提供了豐富的運動API函數。
在系統中，PCI-8134發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，系統啟動一個運動線程。
（3）顯示模塊
數控系統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的運行狀態進行監視，因此需要單獨建立一個模塊來負責處理數控系統各種信息的顯示。
（4）屏幕操作模塊
屏幕操作模塊由參數設置、直線插補設置、換刀控制和自動控制組成。
（5）通訊模塊
通訊模塊可以用來向監控中心傳送信息或者通過服務器實現遠程制造。
實踐表明：以PC機為基礎的由上述軟硬件平臺構成的CNC系統取代原有的數控系統GSK928TA，不僅完成了原來的各項功能，而且在實時性、用戶界面、二次開發和聯網通訊等方面都有顯著的提高。
4結束語
開放式數控系統是數控技術發展的必然趨勢，其給數控系統生產商、機床制造商以及用戶都帶來了許多好處。而基于PC的開放式數控系統具有較強靈活性，可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術優勢，有利于更完美地實現數控系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真以及網絡通訊等功能。模塊化的程序設計使系統的通用性和可移植性大大增強，同時也有利于系統日后的功能擴展。
參考文獻
[1]李愛平.NC嵌入PC型開放式數控系統的研究.組合機床與自動化加工技術，2001 (12)
[2]高衛華.開放式數控系統及其伺服驅動的研究.西安交通大學碩士學位論文
[3]GSK928TA車床數控系統使用手冊.廣州數控設備廠
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