基于PC的开放式数控系统的研究

0 前言

　　目前，各种先进的制造技术得到了飞速的发展，它们中绝大多数都需要数控技术的支持。同时，数控技术的应用也为制造业的发展带来了深刻的变革。但是，随着计算机技术的迅猛发展，传统的CNC系统逐渐显示出弱点，即：专用性强、软件为系统的制造商所拥有，不便于功能扩展和各种应用软件的支撑和更新，软件的移植性差，组网通讯能力差。而现代制造业的发展给CNC系统提出了更高的要求：从完成的功能上看，一方面CNC系统必须适应CIMS的发展，有一个可以集成不同开发商提供的软件并适应连网需要的平台；另一方面，随着中小批量生产的趋势日益增强和数控系统在更多的行业中的应用，用户对CNC系统的需求呈现多元化，这样，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本的构筑面向用户的控制系统，于是要求CNC系统具有模块化和可重新配置的特点。从使用角度来看，CNC系统应能应用于各种计算机平台，并提供统一风格的用户交互环境，以便于用户操作、维护和更新升级。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和通用性的要求，出现了对开放式数控系统结构的研究。开放式数控系统具有软件开放性和硬件开放性，它能使人们自由地选择CNC装置、伺服驱动器、传感元件和执行单元等部件。

　　一般地，开放式数控系统有以下特点：

　　（1）各种构成要素逻辑上独立。

　　（2）提供一个标准和规范，确保不同生产厂商的符合规范的构成要素能构成一个完整的数控系统。

　　（3）数控系统的拓扑结构可动态改变。

　　（4）与其它系统或软件模块具有互操作性。

　　（5）提供良好一致的人机界面。

　　随着计算机技术的飞速发展以及其标准化和开放性，出现了基于PC的开放式数控系统。

1 基于PC的开放式数控系统

　　基于PC的开放式数控系统能充分地利用计算机的软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编制程序，用户可将标准化的外设、应用软件进行灵活地组合和使用。使用计算机同时也便于实现网络化。

　　基于PC的开放式数控系统大致可分为以下几种类型：

　　（1）PC嵌入型CNC：该类型系统是将PC装入到CNC内部，PC与CNC之间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型CNC系统也可不加修改就得以利用。缺点是不能直接利用通用!"，开放性受到限制，通用PC强大的功能和丰富的软硬件资源不能得到有效的利用。

　　（2）NC嵌入型PC（NC嵌入PC型）：该类型系统是在通用PC的扩展槽中插入专用的CNC卡（如运动控制卡）组成的。它能够充分地保证系统性能，软件的通用性强，并且编程处理灵活，但是，原型CNC资源很难得到利用。

　　（3）全软件型NC：该类型系统是指CNC的全部功能均由PC实现，并通过装在PC机上扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件的通用性好，编程处理灵活。但是，实时处理的实现比较困难，并较难保证系统的性能，同时原型CNC资源难以利用。

2 NC嵌入PC型开放式数控系统

　　下面讨论NC嵌入PC的开放式数控系统的软硬件平台，NC与PC间的通讯和系统应用软件的编制方法。

　　（1）NC嵌入PC型开放式数控系统应用平台作为基于PC的开放式数控系统，NC嵌入PC型开放式数控系统应用平台可理解为由开放式运动控制卡+PC机组成。开放式运动控制卡一般采用高速:7! 作为CPU，具有强大的运动控制和逻辑控制能力，并提供一组数控内核$"% 供用户开发所需的数控系统。"!机则通常采用工业计算机，从而能充分利用其丰富的软硬件资源。用户可以选用许多流行的编程软件，如Delphi、Visual C++、C++ Bulder等。这能大大地改善数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真以及网络通讯等功能。图1给出了NC嵌入PC型开放式数控系统应用平台的典型结构。

图1NC嵌入PC型开放式数控系统应用平台典型结构

　　（6）NC与PC间的通讯

　　从图1中可以看出，在这个数控系统平台上进行应用开发时，首先要解决的是NC和PC机之间的通讯问题。也就是说NC和PC间应能够快速和准确地交换数据。它们之间的通讯可以由不同的通讯机制实现，常用的方式有：总线通讯和双口RAM通讯。总线通讯采用ISA/PCI总线结构，开放式运动控制卡插入在PC机的总线扩展槽中，使用相应的控制寄存器和协议建立起PC机和NC之间的通讯，其可以使用查询方式或中断方式。双口CPU通讯则是采用一种特殊的存储器，该存储器具有两个端口，可以分别跟PC机和NC的CPU相连，两个CPU可互不干扰地对其进行读写操作，采用这种通讯方式能明显提高数据交换速度。为了使通讯系统不依赖于具体的通讯机制，对上述的通讯方式进行抽象，得出一致的应用程序接口。确保用户只需访问该应用程序接口而不必关心底层的通讯机制就能建立起所需的通讯。

　　（3）应用软件的编制

　　开放式数控系统的显著特征之一是系统的可扩展性，因此在进行系统设计的时候，采用了模块化的程序设计方法。这样，将来若对系统某一功能的改进则只需修改相应的模块而不必重写整个系统软件。