开放式数控系统结构技术分析

　　数控技术经过几十年的发展日趋完善,已由最出的硬件数控(NC)经过计算机数控(CNC),发展到以微型计算机为基础的数控(MNC)、直接数控(DNC)和柔性制造系统(FMS)等,并朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展,市场竞争空前激烈,对制造商所生产的产品不但要求价格低,质量好,而且要求交货时间短,售后服务好,好要满足用户特殊的需要,即要求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统,它越来越不能满足市场发展的需要。新的环境要求CNC进一步向开放式控制系统转化[1,2]。

1 、开放式数控系统体系

　　采用专用计算机组成的数控系统,在选用高性能的微处理器构成分布式处理结构时,可以获得很高的性能,如多轴联动高速、高精度控制,很强的补偿功能、图形功能、故障论断功能以及通信功能。但是由于大批量生产和保密的需要,不同的数控系统生产厂家自行设计其硬件和软件,这样设计出来的封闭式专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、五花八门的人机界面、多种实时操作系统、非标准化接口等缺陷。从而导致,一方面,各控制系统之间互联能力差,影响了系统的相互集成;风格不一的操作方式以及专用件的大量使用,给用户的使用与维护带了很多不便;另一方面,系统的封闭性阻碍了计算机技术的及时应用,不利于数控产品技术的进步。显然,数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场的变化和竞争,也不能满足现代化制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需求。

　　1.1 开放式分析

　　对于一个开放式数控系统来说,也应遵循这些基本要求。一个开放的控制系统应具有完全模块化的结构,模块之间具有互换性、可扩展性和可移植性,这是一个开放系统的基本特征。

　　开放式数控系统的目的就是使CNC控制器与当今的Pc机类似,系统构筑于一个开放的平台上,具有模块化结构,允许用户根据需要进行选配和集成,更改或扩展系统的功能,迅速适应不同的应用需求,而且组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商,并且相互兼容。与传统的封闭式专用数控系统相比,开放式数控系统的主要优势在于:建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统的结构,以增强数控系统的功能和性能柔性,在体系结构上给用户留有进行二次开发更多的余地,能够快速而有效的响应新的加工需求[1,2]。

　　1.2基于PC的开放式体系结构

　　PC以其良好的开放性成为开放式控制系统的基础,数控系统PC化已成为必然的趋势,在开发数控系统时应最大限度利用丰富的PC软硬件资源,享受PC硬件与软件发展的成果,与PC发展同步。基于PC的开放式数控系统主要有3种:(1)PC嵌入NC型。该类型是把PC嵌入到Nc内部,PC与NC之间用专用的总线连接,该系统可以利用原来CNC的丰富资源,同时将PC作为控制器的前端接口,使其具有PC处理的柔性,但不能实现NC内核的开放。(2)Nc嵌入PC型。以PC机作为系统的核心,把

　　运动控制卡插入到PC机的扩展槽中完成数控系统的功能,软件的通用性好,一般PC机处理各种非实时任务,运动控制卡处理实时任务。(3)软件型。CNC功能全部由应用软件来实现,具有最好的开放性,但系统的实时性要求处理比较困难,系统开发难度大。

　　(1) PC嵌入例的开放式数控系统。I/O接口电路主要完成PC机与外部控制系统接口功能,所设计的电路板要符合PC总线标准,满足扩展电路的尺寸要求。同时电路的输出信号集中于一插座,采用并行电缆线输出。由PC机经I/0接口电路输出的步进脉冲信号CP、方向电平信号MC、复位信号RESET经光电耦合送至相序分配专用芯片,产生三相六拍的时序脉冲和半流信号,又通过光电耦合和电压比较器组成的整形电路整形得到标准的矩形波,送至功放级放大,推动步迸电机运行。

　　(2) NC嵌入PC型开放式数控系统。NC嵌入PC型开放式数控系统由Pc机和运动控制卡构成,这种运动控制卡用高速DSP(数字信号处理器)或者其他性能比较好的芯片如英国的ARM作为CPU。用户只需在Windows平台下利用它开放的函数库就可以自行开发所需的控制系统,这样构造的数控系统只需根据被控制的对象要求,在Windows环境下设计符合用户操作的人机界面和功能,就可达到运动控制的目的。

　　(3) 软件CNC。软件CNC可以理解为用PC的概念和手段实现CNC的功能。这种CNC装置的主体是PC机,充分利用PC机不断提高的计算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统,实现机床控制中的运动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的形式实现,除了支持数控上层软件的用户定制外,其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略的用户定制。