淺析基于PC的開(kāi)放式數控系統論文
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，它們中絕大多數都需要數控技術(shù)的支持。同時(shí)，數控技術(shù)的應用也為制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了深刻的變革。但是，隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，傳統的CNC系統逐漸顯示出弱點(diǎn)，即：專(zhuān)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(wǎng)通訊能力差。而現代制造業(yè)的發(fā)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(fā)展，有一個(gè)可以集成不同開(kāi)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(zhù)中小批量生產(chǎn)的趨勢日益增強和數控系統在更多的行業(yè)中的應用，用戶(hù)對CNC系統的需求呈現多元化，這樣，必須根據不同的用戶(hù)需求，迅速、高效、低成本的構筑面向用戶(hù)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(diǎn)從使用角度來(lái)看，CNC系統應能應用于各種計算機平臺，并提供統一風(fēng)格的用戶(hù)交互環(huán)境，以便于用戶(hù)操作、維護和更新升級、為了滿(mǎn)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(kāi)放式數控系統結構的研究。開(kāi)放式數控系統具有軟件開(kāi)放性和硬件開(kāi)放性，它能使人們自由地選擇CNC裝置、伺服驅動(dòng)器、傳感元件和執行單元等部件。
一般地，開(kāi)放式數控系統有以下特點(diǎn)：
�。�1）各種構成要素邏輯上獨立。
�。�2）提供一個(gè)標準和規范，確保不同生產(chǎn)廠(chǎng)商的符合規范的構成要素能構成一個(gè)完整的數控系統。
�。�3）數控系統的拓撲結構可動(dòng)態(tài)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(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及其標準化和開(kāi)放性，出現了基于PC的開(kāi)放式數控系統。
1 基于PC的開(kāi)放式數控系統
基于PC的開(kāi)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(yǔ)言方便地編制程序，用戶(hù)可將標準化的外設、應用軟件進(jìn)行靈活地組合和使用使用計算機同時(shí)也便于實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化。
基于PC的開(kāi)放式數控系統大致可分為以下幾種類(lèi)型：
�。�1）PC嵌入型CNC：該類(lèi)型系統是將PC裝人到CNC內部，PC與CNC之間用專(zhuān)用的總線(xiàn)連接。系統數據傳輸快，響應迅速，同時(shí)，原型CNC系統也可不加修改就得以利用:缺點(diǎn)是不能直接利用通用PC，開(kāi)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(lèi)型系統是在通用PC的擴展槽中插入專(zhuān)用的CNC卡(如運動(dòng)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(lèi)型系統是指 CNC的全部功能均由PC實(shí)現，并通過(guò)裝在PC機上擴展槽的伺服接口卡對伺服驅動(dòng)等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。但是，實(shí)時(shí)處理的實(shí)現比較困難，并較難保證系統的性能，同時(shí)原型CNC資源難以利用。
2 NC嵌入PC型開(kāi)放式數控系統
下面討論NC嵌入PC的開(kāi)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(kāi)放式數控系統應用平臺
作為基于PC的開(kāi)放式數控系統， NC嵌入PC型開(kāi)故式數控系統應用平臺可理解為由開(kāi)放式運動(dòng)控制卡+PC機組成。開(kāi)放式運動(dòng)控制卡一般采用高速DSP作為CPU，具有強大的運動(dòng)控制和邏輯控制能力，并提供一組數控內核API供用戶(hù)開(kāi)發(fā)所需的數控系統。PC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(hù)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(hù)界面、圖形顯示、動(dòng)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(gè)數控系統平臺上進(jìn)行應用開(kāi)發(fā)時(shí)，首先要解決的是NC和PC機之間的通訊問(wèn)題，也就是說(shuō)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(shí)現，常用的方式有：總線(xiàn)通訊和雙口RAM通訊�？偩�(xiàn)通訊采用ISA/PCI總線(xiàn)結構，開(kāi)放式運動(dòng)控制卡插入在PC機的總線(xiàn)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(xún)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(gè)端口，可以分別跟PC機和NC的CPU相連，兩個(gè)CPU可互不干擾地對其進(jìn)行讀寫(xiě)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(lài)于具體的通訊機制，對上述的通訊方式進(jìn)行抽象，得出一致的應用程序接口。確保用戶(hù)只需訪(fǎng)問(wèn)該應用程序接口而不必關(guān)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(kāi)放式數控系統的顯著(zhù)特征之一是系統的可擴展性，因此在進(jìn)行系統設計的時(shí)候，采用了模塊化的程序設計方法。這樣，將來(lái)若對系統某一功能的改進(jìn)則只需修改相應的模塊而不必重寫(xiě)整個(gè)系統軟件。
3實(shí)例研究
本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)NC嵌入PC型的開(kāi)放式數控系統，用以取代G-CNC6135型數控車(chē)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(lián)網(wǎng)通訊功能有限，僅能通過(guò)RS232口與微機進(jìn)行程序傳輸，軟件不對用戶(hù)開(kāi)放，在原有的系統上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)非常困難。
該實(shí)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(cháng)，支持電子盤(pán)，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(dòng)控制卡選用臺灣ADLink公司的開(kāi)放式運動(dòng)控制卡PCI-8134，PCI-8134使用了兩塊專(zhuān)業(yè)集成電路PCI5023，每塊PCI5023控制兩個(gè)軸的運動(dòng)運動(dòng)功能如線(xiàn)性加減速、S形加減速、兩軸插補、定位和回零都由PCIS023來(lái)硬件實(shí)現，使得系統的實(shí)時(shí)性大大增強、由于復雜的運動(dòng)控制由專(zhuān)用芯片實(shí)現了，PC的CPU就可用來(lái)執行其他的監控任務(wù)了、每塊PCI-8134可以同時(shí)控制四根軸的運動(dòng)，它插在PC機的PCI總線(xiàn)擴展槽中。PCl-8134還提供了DOS和Windows下的函數庫，供開(kāi)發(fā)應用程序時(shí)調用。系統還使用了兩個(gè)全數字交流伺服驅動(dòng)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(kāi)發(fā)工具。
在系統設計的時(shí)候，考慮到將來(lái)的擴展性，采用了模塊化的程序設計方法，將整個(gè)系統按功能劃分為以下五個(gè)模塊：
�。�1）PLC模塊；
�。�2）運動(dòng)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(gè)占先式多任務(wù)操作系統，且支持多線(xiàn)程編程技術(shù)，線(xiàn)程任務(wù)在競爭中獲得CPU分配的時(shí)間片，線(xiàn)程的優(yōu)先級越高，得到CPU時(shí)間片的機會(huì )越大。Win32下線(xiàn)程的優(yōu)先級分成四種，共32級，其中16-31級被稱(chēng)為實(shí)時(shí)級，是所有級別中最高的，專(zhuān)門(mén)為必須對事件做出迅速響應的線(xiàn)程服務(wù)�？梢园褜�(shí)時(shí)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(gè)線(xiàn)程。例如，一個(gè)線(xiàn)程響應各種參數設定，另一個(gè)線(xiàn)程更新過(guò)程狀態(tài)顯示，而實(shí)時(shí)采集和控制輸出放在第三個(gè)線(xiàn)程中，并將該設置在實(shí)時(shí)級。緊急控制線(xiàn)程要求系統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。
�。�1）PLC模塊
PLC模塊用來(lái)處理各種輸人輸出1/O量。在系統中的輸入量有鍵盤(pán)輸人、機床零點(diǎn)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(gè)線(xiàn)程，在系統啟動(dòng)的同時(shí)，啟動(dòng)PLC線(xiàn)程。
�。�2）運動(dòng)控制模塊
運動(dòng)控制模塊是用來(lái)控制刀具實(shí)現各種運動(dòng)的。模塊有連續移動(dòng)、步進(jìn)移動(dòng)、直線(xiàn)插補運動(dòng)、圓弧插補運動(dòng)和回零點(diǎn)運動(dòng)組成，且在運動(dòng)中實(shí)現速度可調PCI-8134運動(dòng)控制卡的函數庫提供了豐富的運動(dòng)API函數。
在系統中，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(dòng)刀具移動(dòng)。
當有運動(dòng)命令到來(lái)時(shí)，系統啟動(dòng)一個(gè)運動(dòng)線(xiàn)程。
�。�3）顯示模塊
數控系統的各種信息需要通過(guò)顯示器及時(shí)地反饋給操作者，便于操作者對整個(gè)系統的運行狀態(tài)進(jìn)行監視，因此需要單獨建立一個(gè)模塊來(lái)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(xiàn)插補設置、換刀控制和自動(dòng)控制組成。
�。�5）通訊模塊
通訊模塊可以用來(lái)向監控中心傳送信息或者通過(guò)服務(wù)器實(shí)現遠程制造。
實(shí)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(lái)的各項功能，而且在實(shí)時(shí)性、用戶(hù)界面、二次開(kāi)發(fā)和聯(lián)網(wǎng)通訊等方面都有顯著(zhù)的提高。
4結束語(yǔ)
開(kāi)放式數控系統是數控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，其給數控系統生產(chǎn)商、機床制造商以及用戶(hù)都帶來(lái)了許多好處。而基于PC的開(kāi)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(shù)優(yōu)勢，有利于更完美地實(shí)現數控系統的用戶(hù)界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真以及網(wǎng)絡(luò )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(shí)也有利于系統日后的功能擴展。
參考文獻
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[2]高衛華.開(kāi)放式數控系統及其伺服驅動(dòng)的研究.西安交通大學(xué)碩士學(xué)位論文
[3]GSK928TA車(chē)床數控系統使用手冊.廣州數控設備廠(chǎng)
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