數(shù)控技術經(jīng)過幾十年的發(fā)展日趨完善,已由最出的硬件數(shù)控(NC)經(jīng)過計算機數(shù)控(CNC),發(fā)展到以微型計算機為基礎的數(shù)控(MNC)、直接數(shù)控(DNC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)等,并朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場全球化的發(fā)展,市場競爭空前激烈,對制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價格低,質量好,而且要求交貨時間短,售后服務好,好要滿足用戶特殊的需要,即要求產(chǎn)品具有個性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng),它越來越不能滿足市場發(fā)展的需要。新的環(huán)境要求CNC進一步向開放式控制系統(tǒng)轉化[1,2]。

1 、開放式數(shù)控系統(tǒng)體系

　　采用專用計算機組成的數(shù)控系統(tǒng),在選用高性能的微處理器構成分布式處理結構時,可以獲得很高的性能,如多軸聯(lián)動高速、高精度控制,很強的補償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產(chǎn)和保密的需要,不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設計其硬件和軟件,這樣設計出來的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機界面、多種實時操作系統(tǒng)、非標準化接口等缺陷。從而導致,一方面,各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差,影響了系統(tǒng)的相互集成;風格不一的操作方式以及專用件的大量使用,給用戶的使用與維護帶了很多不便;另一方面,系統(tǒng)的封閉性阻礙了計算機技術的及時應用,不利于數(shù)控產(chǎn)品技術的進步。顯然,數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應當今制造業(yè)市場的變化和競爭,也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。

　　1.1 開放式分析

　　對于一個開放式數(shù)控系統(tǒng)來說,也應遵循這些基本要求。一個開放的控制系統(tǒng)應具有完全模塊化的結構,模塊之間具有互換性、可擴展性和可移植性,這是一個開放系統(tǒng)的基本特征。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當今的Pc機類似,系統(tǒng)構筑于一個開放的平臺上,具有模塊化結構,允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成,更改或擴展系統(tǒng)的功能,迅速適應不同的應用需求,而且組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商,并且相互兼容。與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比,開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統(tǒng)的結構,以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性,在體系結構上給用戶留有進行二次開發(fā)更多的余地,能夠快速而有效的響應新的加工需求[1,2]。

　　1.2基于PC的開放式體系結構

　　PC以其良好的開放性成為開放式控制系統(tǒng)的基礎,數(shù)控系統(tǒng)PC化已成為必然的趨勢,在開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)時應最大限度利用豐富的PC軟硬件資源,享受PC硬件與軟件發(fā)展的成果,與PC發(fā)展同步?；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有3種:(1)PC嵌入NC型。該類型是把PC嵌入到Nc內(nèi)部,PC與NC之間用專用的總線連接,該系統(tǒng)可以利用原來CNC的豐富資源,同時將PC作為控制器的前端接口,使其具有PC處理的柔性,但不能實現(xiàn)NC內(nèi)核的開放。(2)Nc嵌入PC型。以PC機作為系統(tǒng)的核心,把

　　運動控制卡插入到PC機的擴展槽中完成數(shù)控系統(tǒng)的功能,軟件的通用性好,一般PC機處理各種非實時任務,運動控制卡處理實時任務。(3)軟件型。CNC功能全部由應用軟件來實現(xiàn),具有最好的開放性,但系統(tǒng)的實時性要求處理比較困難,系統(tǒng)開發(fā)難度大。

　　(1) PC嵌入例的開放式數(shù)控系統(tǒng)。I/O接口電路主要完成PC機與外部控制系統(tǒng)接口功能,所設計的電路板要符合PC總線標準,滿足擴展電路的尺寸要求。同時電路的輸出信號集中于一插座,采用并行電纜線輸出。由PC機經(jīng)I/0接口電路輸出的步進脈沖信號CP、方向電平信號MC、復位信號RESET經(jīng)光電耦合送至相序分配專用芯片,產(chǎn)生三相六拍的時序脈沖和半流信號,又通過光電耦合和電壓比較器組成的整形電路整形得到標準的矩形波,送至功放級放大,推動步迸電機運行。

　　(2) NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)由Pc機和運動控制卡構成,這種運動控制卡用高速DSP(數(shù)字信號處理器)或者其他性能比較好的芯片如英國的ARM作為CPU。用戶只需在Windows平臺下利用它開放的函數(shù)庫就可以自行開發(fā)所需的控制系統(tǒng),這樣構造的數(shù)控系統(tǒng)只需根據(jù)被控制的對象要求,在Windows環(huán)境下設計符合用戶操作的人機界面和功能,就可達到運動控制的目的。

　　(3) 軟件CNC。軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng),實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。軟件化數(shù)控系統(tǒng)把運動控制器以應用軟件的形式實現(xiàn),除了支持數(shù)控上層軟件的用戶定制外,其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運動控制策略的用戶定制。

2、 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構

　　開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個分層結構,同時也是模塊化的,每一層都是一個模塊。最低層的是數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件平臺,它包括機床本身,X,Y,Z,C軸驅動器、各種繼電器、伺服電機等。再上一層是控制器硬件平臺,它是一個計算機系統(tǒng),一般采用通用的Pc機硬件結構,還應提供與楓床底層的接口,如數(shù)字I/O、可編程控制器(PLC)、運動控制卡等。這兩層是硬件層。

　　軟件的最低層是操作系統(tǒng),采用Windows 2003。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應用程序接口(API)庫、多任務機制。再上一層是CNC應用軟件,CNC軟件的內(nèi)部結構也是模塊化的。它的核心是模塊化,由它來負責整個系統(tǒng)的諧調(diào)、高效運作。方便的用戶人機界面,代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預處理,產(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行,結果通過設備驅動程序(WDM)操作相應的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關量、機床狀態(tài)等。設備管理等進行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。它應提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡,通過客戶機/服務器(CIS)的形式與遠程的CAD/CAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù);二是和本地機上的其他應用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。

　　這個參考模型充分體現(xiàn)了開放性原則,由于分層次、模塊化的結構,各個層次間采用標準接口,從而使每一模塊都能實現(xiàn)互換,可以由不同的廠商來生產(chǎn),組合起來就是一個高性能性價比的系統(tǒng)。由于PC機的開放性,使控制器硬件和操作系統(tǒng)達到最大限度的互換。而且,CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。

3 、結語

　　本文結合當今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進展,對CNC系統(tǒng)的體系結構特點進行了分析,討論了CNC系統(tǒng)體系結構開放化的基本概念和實行開放的途徑,并在需求分析的基礎上提出了開放體系CNC系統(tǒng)的設計原則和概念模型,最后對數(shù)控體系結構的設計做了比較全面的分析。