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淺析基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)論文
0前言
目前，各種先進(jìn)的制造技術(shù)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(shù)的支持。同時，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)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(jī)技術(shù)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(kuò)展和各種應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(gòu)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(yīng)能應(yīng)用于各種計算機(jī)平臺，并提供統(tǒng)一風(fēng)格的用戶交互環(huán)境，以便于用戶操作、維護(hù)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(jié)構(gòu)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(qū)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(gòu)成要素邏輯上獨立。
�。�2）提供一個標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保不同生產(chǎn)廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能構(gòu)成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)。
�。�3）數(shù)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動態(tài)改變。
�。�4）與其它系統(tǒng)或軟件模塊具有互操作性。
�。�5）提供良好一致的人機(jī)界面。
隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及其標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行靈活地組合和使用使用計算機(jī)同時也便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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：
�。�1）PC嵌入型CNC：該類型系統(tǒng)是將PC裝人到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(yīng)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(tǒng)是在通用PC的擴(kuò)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。
（3）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(jī)上擴(kuò)展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進(jìn)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(yīng)用軟件的編制方法。
（1）NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺
作為基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)， NC嵌入PC型開故式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺可理解為由開放式運動控制卡+PC機(jī)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(shù)控內(nèi)核API供用戶開發(fā)所需的數(shù)控系統(tǒng)。PC機(jī)則通常采用工業(yè)計算機(jī)。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(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真以及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能圖。
�。�2）NC與PC間的通訊
在這個數(shù)控系統(tǒng)平臺上進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)時，首先要解決的是NC和PC機(jī)之間的通訊問題，也就是說NC和PC間應(yīng)能夠快速和準(zhǔn)確地交換數(shù)據(jù)。它們之間的通訊可以由不同的通訊機(jī)制實現(xiàn)，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(jié)構(gòu)，開放式運動控制卡插入在PC機(jī)的總線擴(kuò)展槽中，使用相應(yīng)的控制寄存器和協(xié)議建立起PC機(jī)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(jī)和NC的CPU相連，兩個CPU可互不干擾地對其進(jìn)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(jī)制，對上述的通訊方式進(jìn)行抽象，得出一致的應(yīng)用程序接口。確保用戶只需訪問該應(yīng)用程序接口而不必關(guān)心底層的通訊機(jī)制就能建立起所需的通訊。
�。�3）應(yīng)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(kuò)展性，因此在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計的時候，采用了模塊化的程序設(shè)計方法。這樣，將來若對系統(tǒng)某一功能的改進(jìn)則只需修改相應(yīng)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(jī)(8032)和16位單片機(jī)(800196)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(jī)進(jìn)行程序傳輸，軟件不對用戶開放，在原有的系統(tǒng)上進(jìn)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(yè)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(xiàn)，使得系統(tǒng)的實時性大大增強、由于復(fù)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(wù)了、每塊PCI-8134可以同時控制四根軸的運動，它插在PC機(jī)的PCI總線擴(kuò)展槽中。PCl-8134還提供了DOS和Windows下的函數(shù)庫，供開發(fā)應(yīng)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(qū)動器(DA98)和交流伺服電機(jī)。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(shù)字DIO板PCI-7432。微機(jī)上的操作系統(tǒng)為Windows NT4.0，采用Visual C++6.0作為開發(fā)工具。
在系統(tǒng)設(shè)計的時候，考慮到將來的擴(kuò)展性，采用了模塊化的程序設(shè)計方法，將整個系統(tǒng)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(wǎng)絡(luò)通信模塊。
Windows NT4.0平臺是一個占先式多任務(wù)操作系統(tǒng)，且支持多線程編程技術(shù)，線程任務(wù)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(jī)會越大。Win32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(yīng)的線程服務(wù)。可以把實時控制進(jìn)程按操作的關(guān)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(yīng)各種參數(shù)設(shè)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(shè)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(yīng)立即響應(yīng)，所以它的優(yōu)先級應(yīng)該設(shè)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(tǒng)中的輸入量有鍵盤輸人、機(jī)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(jī)控制、功放、潤滑、冷卻、主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)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。
�。�2）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(jìn)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API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(jī)從而帶動刀具移動。
當(dāng)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(jìn)行監(jiān)視，因此需要單獨建立一個模塊來負(fù)責(zé)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(shè)置、直線插補設(shè)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(jiān)控中心傳送信息或者通過服務(wù)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程制造。
實踐表明：以PC機(jī)為基礎(chǔ)的由上述軟硬件平臺構(gòu)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(jié)束語
開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，其給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商、機(jī)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(jī)豐富的軟硬件資源和強大的技術(shù)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(luò)通訊等功能。模塊化的程序設(shè)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(kuò)展。
參考文獻(xiàn)
[1]李愛平.NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2001 (12)
[2]高衛(wèi)華.開放式數(shù)控系統(tǒng)及其伺服驅(qū)動的研究.西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文
[3]GSK928TA車床數(shù)控系統(tǒng)使用手冊.廣州數(shù)控設(shè)備廠
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