一种高性能开放式软件数控系统开发及其应用

　　自1952 年诞生第一台数控机床，数控机床的发展经历了数字控制(NC) 、计算机数字控制(CNC) 两个阶段。数控系统也从第一代采用电子管起，历经了采用晶体管、小规模集成电路、小型计算机技术到1974年左右发展到采用微处理器的专用NC阶段。90年代初期，数控系统进入基于PC机的阶段。基于PC机的数控系统(CNC)又分为以下几种类型：

　　(1) PC机嵌入NC型

　　在传统的专用NC中简单地嵌入PC技术，NC可以共享一些计算机的软硬件资源，而计算机只参加辅助编程、分析、监控、生产管理和工艺编制等工作。由于这种数控系统的NC部分仍是专用结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系统。

　　(2) NC嵌入PC型

　　这是完全采用PC机为硬件平台的数控系统，运动控制(包括轴控制和机床逻辑控制)功能由配有专用控制芯片的独立的运动控制器完成，通常以PC插件(符合ISA或PCI总线标准)形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。运动控制软件由NC生产厂商设计，用户无法修改。只是NC的上层软件(数控语言解释器/人机界面等)以PC操作系统(例如Windows)为平台，因此这种数控系统只是在上位机层面上实现了开放性。

　　(3) 全软件型

　　这是完全采用PC机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，已经成为新一代CNC的主流。

　　众所周知，目前最常用的Windows 桌面操作系统是多线程、抢先多任务的32 位操作系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速度和加工精度。因此有些数控系统采用原始的DOS 操作系统作为软件平台，可以满足一般的实时性要求。但是，运行在实模式下的16 位单任务的DOS操作系统没有发挥出32位PC机的优势，而且应用程序受640k内存限制，并可直接对硬件操作，系统可靠性也很难保证。而目前市场上基于Windows的实时操作系统(或软件)，如WindowsCE. NET等的价格又比较昂贵，不利于在数控机床行业的普及。本文介绍的香港海德盟数控技术有限公司开发的Hi-800系列基于PC的数控系统引入德国Power Automation(以下简称PA)公司的实时控制内核，弥补了Windows 桌面操作系统实时性差的不足，是一种真正的全软件型开放式数控系统，可广泛应用于各种数控机床、加工中心及一些特殊用途机床的复杂控制中。

　　Hi-800数控系统组成

　　Hi-800系列数控系统是按照工业级标准，应用PC技术制造的高性能CNC。系统采用Windows NT操作系统及PA实时内核(Real Time Kernel)，使用户可以拥有操作方便的窗口式人机界面，同时使得利用硬盘作为NC内存成为可能。而且从简单的串行口到复杂的通信网络都能得到应用。

　　Hi-800数控系统硬件设计

　　由于运动控制和逻辑控制功能都由软件实现，因此Hi-800系列数控系统硬件只有控制器、键盘和显示器、NC操作面板和相应的扩展版卡等部件组成，其外形结构如图1所示。

图1 Hi-800系列数控系统外形结构图

　　主控制器是一台安装了Micrsoft Windows NT 操作系统的工业标准PC机，可以通过PC机主板上标准的插槽和总线连接系统需要的器件，如轴控卡，数字或模拟量输入/输出(I/O)接口、通信网卡等。 Hi-800系统通过PCI总线配置了可控制4个模拟量轴和1个主轴的控制卡；16个数字量输入和输出及5路模拟量输出通道。用户还可以根据需要通过多轴扩展板卡，或I/O扩展模块，实现控制更多轴和更多I/O的功能。与Hi-800主控制器相连接的典型外部设备如图2所示。

图2 CNC控制器外部设备接口

　　Hi-800系列操作系统还配置1个以太网卡(TCP/IP协议)；4个串行通信接口(其中1个可配置为RS-485接口 )；1个并行通信接口和1个USB通信接口，可以灵活地实现网络化控制。还有1个可实现双声道立体声控制的声卡和1个可同时连接TFT和CRT的显示卡。用户还可以根据需要选择其它硬件配置。

　　系统采用10.4″超薄液晶显示器和薄膜按键，更适合于工业现场应用。可在其可视化界面内很专业、很方便的监控和实现各种操作，如：加工过程曲线图形和加工件零件的各种信息；根据用户需要编写的PLC程序、在线监控PLC和CNC信号和在线程序修改等；可以观察加工过程中的机械坐标、程序坐标等一些重要的操作信息。

　　NC操作面板可用于控制系统和程序的起停操作，还可以通过它实现控制对象(如机床)的手动控制，如X、Y、Z轴的手动进给；主轴的正转、反转控制；润滑、冷却系统控制等，便于机床调试。