PC的开放式数控系统在CK0625系统改造中的应用

0 引言

　　1946年诞生了世界上第一台电子计算机，这表明人类创造了可增强和部分代替脑力劳动的工具。它与人类在农业、工业社会中创造的那些只是增强体力劳动的工具相比，起了质的飞跃，为人类进入信息社会奠定了基础。6年后，即1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。数控(NC)阶段(1952～1970年)，即1952年的第一代——电子管；1959年的第二代——晶体管；1965年的第三代——小规模集成电路。计算机数控(CNC)阶段(1970年至现在)，即1970年的第四代——小型计算机；1974年的第五代——微处理器和1990年的第六代——PC机(国外称为PC—Based)。

1 基于PC的开放式数控系统的特点

　　随着机械加工精度和速度的提高，要求NC系统的功能不断的扩大、改进和完善，特别是适应高速高精度加工的要求产生了高速高精控制系统，包括程序的快速输入、高速高精插补、控制以及输出。另外机械结构的简化与改进及新加工功能的完善，要求NC的软件功能越来越复杂。此外，机械加工的连续运行、协调，要求NC系统可靠性不断提高，加工和信息系统不但可以控制、处理、传输、管理而且通过网络可以共享。正是由于以上的原因，基于PC—Based的开放性数控单元开始在数控领域得到了广泛的应用。基于PC的开放式数控系统具有以下特点：

　　a)成本低：PC是性能不断提高而价格不断下降的工业产品，以PC为基础的CNC装置将直接从中获益。

　　b)标准化：经过20多年的发展，PC机的硬件平台已经形成了标准。PC硬件平台的标准化和互换性都有利于数控系统的开发和维修，而且为以PC为基础的数控系统的标准化、模块化和开放化奠定了基础。

　　c)可靠性高：PC产品生产批量大，其各种部件都已形成比较完善的标准，这有利于批量生产和产品控制。工业PC及工控主板等产品可使数控系统在高可靠性和低成本中找到很好的平衡点。

　　d)软件资源丰富：PC丰富的软件资源和开发工具为数控软件的开发提供了方便，缩短了研制周期，降低了开发成本，同时也为CAD／CAM／CIMS集成创造了良好的条件。

　　e)便于联网：基于PC平台的网络设备和网络浏览器可以方便地接入到Internet，为实现全球制造、虚拟制造、远程设备故障诊断与维护、共享制造资源奠定了软硬件基础。

2 硬件结构与实现

　　基于PC的开放式数控系统有PC连接型NC，PC嵌入型NC、运动控制器+PC型、全软件型软件NC四种类型，根据4种类型的特点及CK0625车床改造的具体要求，从系统的可靠性、实时性、稳定性等角度出发选择运动控制器+PC型方案，利用工业控制计算机+运动控制卡构成开放式数控系统实验平台。

　　计算机完成系统的数据采集、实时监测、补偿运算、程序编译、故障报警等工作，运动控制卡实现运动轴的插补运算，加工数据缓存等底层实时控制，完成位置捕获，开关量输入输出等功能，工控机和控制卡通过开放的控制函数链接库完成各种控制任务。本数控系统工控机选用了研华IPC-610型，运动控制卡则采用的是基于数字信号处理器(DSP)开发的固高GT-400-SV卡，变频器选用的是VFD007M21A的0.75kW台达通用型变频器，电机(Servomotor)Yaskawa Sgmah-08从A41，驱动器(Servopack)Yaskawa SGDM-08ADA。

　　硬件结构利用工业PC机为主体，智能与动控制卡插在其PCI标准插槽上，通过PC内部总线实现数据的交换和控制。外接输入/输出接口卡、伺服电机驱动器、主轴变频调速模块等构成硬件总体结构(图1)。

图1硬件结构方案

3 软件结构及工作过程

　　软件拟采用Windows开发平台，用模块化的设计方法，按功能分成若干个模块分别进行设计，运行后由主程序统一管理。通过键盘和显示器进行人机对话，各功能间通过屏幕显示的功能选择菜单，按相应的键来实现调用相应的程序模块。软件系统将完成接收机床的输入以及工控机的输入，并理解其含义，做出相应的输出，完成数控系统的基本功能。

　　系统采用了PC+运动控制卡结构，PC机作为上位机负责实现译码、刀具补偿、轨迹仿真、故障诊断、帮助等功能，而运动控制器作为下位机，可完成插补、速度控制、位置控制等功能，它不需占用PC机的资源。上下位机进行通讯，上位机把用户输入的加工参数进行数据库检索和后台运算后传递给下位机，下位机通过对脉冲的频率和数量的控制，从而控制运动的方向、速度与距离，并把实时的运动参数返回给上位机，从而可以在显示器上动态显示机床的运动情况。工作过程如图2所示。

图2 CK0625数控系统软件工作过程

4 结语

　　基于PC的开放式数控系统是对传统数控结构的根本突破，是当今数控技术的发展主流和研究热点，是新一代数控系统的关键技术。基于PC的开放式数控系统具有较强的灵活性，可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，开发高性能、智能化、开放式、网络化和新的标准化的数控系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。通过改造，本数控车床能完成圆柱面、圆锥面、圆弧面、螺纹、沟槽等加工，尺寸误差控制在±0.01mm以内，总体上达到了改造要求。