自1952 年誕生第一臺數(shù)控機(jī)床，數(shù)控機(jī)床的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)字控制(NC) 、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC) 兩個(gè)階段。數(shù)控系統(tǒng)也從第一代采用電子管起，歷經(jīng)了采用晶體管、小規(guī)模集成電路、小型計(jì)算機(jī)技術(shù)到1974年左右發(fā)展到采用微處理器的專用NC階段。90年代初期，數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入基于PC機(jī)的階段。基于PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)(CNC)又分為以下幾種類型：

　　(1) PC機(jī)嵌入NC型

　　在傳統(tǒng)的專用NC中簡單地嵌入PC技術(shù)，NC可以共享一些計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，而計(jì)算機(jī)只參加輔助編程、分析、監(jiān)控、生產(chǎn)管理和工藝編制等工作。由于這種數(shù)控系統(tǒng)的NC部分仍是專用結(jié)構(gòu)，用戶無法進(jìn)入數(shù)控系統(tǒng)的核心，所以屬于初步開放的數(shù)控系統(tǒng)。

　　(2) NC嵌入PC型

　　這是完全采用PC機(jī)為硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)，運(yùn)動控制(包括軸控制和機(jī)床邏輯控制)功能由配有專用控制芯片的獨(dú)立的運(yùn)動控制器完成，通常以PC插件(符合ISA或PCI總線標(biāo)準(zhǔn))形式的硬件或通過網(wǎng)絡(luò)連接的嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動控制軟件由NC生產(chǎn)廠商設(shè)計(jì)，用戶無法修改。只是NC的上層軟件(數(shù)控語言解釋器/人機(jī)界面等)以PC操作系統(tǒng)(例如Windows)為平臺，因此這種數(shù)控系統(tǒng)只是在上位機(jī)層面上實(shí)現(xiàn)了開放性。

　　(3) 全軟件型

　　這是完全采用PC機(jī)軟件控制的一種數(shù)控系統(tǒng)，它把運(yùn)動控制器以應(yīng)用軟件的形式實(shí)現(xiàn)，這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，能夠提供給用戶最大的選擇和靈活性，已經(jīng)成為新一代CNC的主流。

　　眾所周知，目前最常用的Windows 桌面操作系統(tǒng)是多線程、搶先多任務(wù)的32 位操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性比較差。而實(shí)時(shí)控制又是數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，它決定了數(shù)控機(jī)床的加工速度和加工精度。因此有些數(shù)控系統(tǒng)采用原始的DOS 操作系統(tǒng)作為軟件平臺，可以滿足一般的實(shí)時(shí)性要求。但是，運(yùn)行在實(shí)模式下的16 位單任務(wù)的DOS操作系統(tǒng)沒有發(fā)揮出32位PC機(jī)的優(yōu)勢，而且應(yīng)用程序受640k內(nèi)存限制，并可直接對硬件操作，系統(tǒng)可靠性也很難保證。而目前市場上基于Windows的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(或軟件)，如WindowsCE. NET等的價(jià)格又比較昂貴，不利于在數(shù)控機(jī)床行業(yè)的普及。本文介紹的香港海德盟數(shù)控技術(shù)有限公司開發(fā)的Hi-800系列基于PC的數(shù)控系統(tǒng)引入德國Power Automation(以下簡稱PA)公司的實(shí)時(shí)控制內(nèi)核，彌補(bǔ)了Windows 桌面操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性差的不足，是一種真正的全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床、加工中心及一些特殊用途機(jī)床的復(fù)雜控制中。

　　Hi-800數(shù)控系統(tǒng)組成

　　Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)是按照工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用PC技術(shù)制造的高性能CNC。系統(tǒng)采用Windows NT操作系統(tǒng)及PA實(shí)時(shí)內(nèi)核(Real Time Kernel)，使用戶可以擁有操作方便的窗口式人機(jī)界面，同時(shí)使得利用硬盤作為NC內(nèi)存成為可能。而且從簡單的串行口到復(fù)雜的通信網(wǎng)絡(luò)都能得到應(yīng)用。

　　Hi-800數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　由于運(yùn)動控制和邏輯控制功能都由軟件實(shí)現(xiàn)，因此Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)硬件只有控制器、鍵盤和顯示器、NC操作面板和相應(yīng)的擴(kuò)展版卡等部件組成，其外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)外形結(jié)構(gòu)圖

　　主控制器是一臺安裝了Micrsoft Windows NT 操作系統(tǒng)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)，可以通過PC機(jī)主板上標(biāo)準(zhǔn)的插槽和總線連接系統(tǒng)需要的器件，如軸控卡，數(shù)字或模擬量輸入/輸出(I/O)接口、通信網(wǎng)卡等。 Hi-800系統(tǒng)通過PCI總線配置了可控制4個(gè)模擬量軸和1個(gè)主軸的控制卡；16個(gè)數(shù)字量輸入和輸出及5路模擬量輸出通道。用戶還可以根據(jù)需要通過多軸擴(kuò)展板卡，或I/O擴(kuò)展模塊，實(shí)現(xiàn)控制更多軸和更多I/O的功能。與Hi-800主控制器相連接的典型外部設(shè)備如圖2所示。

圖2 CNC控制器外部設(shè)備接口

　　Hi-800系列操作系統(tǒng)還配置1個(gè)以太網(wǎng)卡(TCP/IP協(xié)議)；4個(gè)串行通信接口(其中1個(gè)可配置為RS-485接口 )；1個(gè)并行通信接口和1個(gè)USB通信接口，可以靈活地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化控制。還有1個(gè)可實(shí)現(xiàn)雙聲道立體聲控制的聲卡和1個(gè)可同時(shí)連接TFT和CRT的顯示卡。用戶還可以根據(jù)需要選擇其它硬件配置。

　　系統(tǒng)采用10.4″超薄液晶顯示器和薄膜按鍵，更適合于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。可在其可視化界面內(nèi)很專業(yè)、很方便的監(jiān)控和實(shí)現(xiàn)各種操作，如：加工過程曲線圖形和加工件零件的各種信息；根據(jù)用戶需要編寫的PLC程序、在線監(jiān)控PLC和CNC信號和在線程序修改等；可以觀察加工過程中的機(jī)械坐標(biāo)、程序坐標(biāo)等一些重要的操作信息。

　　NC操作面板可用于控制系統(tǒng)和程序的起停操作，還可以通過它實(shí)現(xiàn)控制對象(如機(jī)床)的手動控制，如X、Y、Z軸的手動進(jìn)給；主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制；潤滑、冷卻系統(tǒng)控制等，便于機(jī)床調(diào)試。

　　系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　Hi-800數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。由于系統(tǒng)內(nèi)嵌PA的NT實(shí)時(shí)內(nèi)核，因此，對實(shí)時(shí)性要求比較高的運(yùn)動控制任務(wù)和邏輯控制任務(wù)都由CNC軟件和軟件PLC完成，并直接控制相關(guān)的硬件設(shè)備，也可以滿足數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的要求。而其他對實(shí)時(shí)性要求不高的任務(wù)，如人機(jī)接口(HMI)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)等需要由PC機(jī)實(shí)現(xiàn)的任務(wù)，仍由Windows NT操作系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

圖3 Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　PA的NT實(shí)時(shí)內(nèi)核使數(shù)控系統(tǒng)可以以固定的時(shí)間間隔執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)，而且在執(zhí)行實(shí)時(shí)任務(wù)時(shí)，禁止其他非實(shí)時(shí)任務(wù)的執(zhí)行，并能夠直接獲得系統(tǒng)相關(guān)的硬件資源。只有在沒有實(shí)時(shí)任務(wù)需要執(zhí)行時(shí)，Windows NT才能獲得CPU資源，去執(zhí)行基于NT系統(tǒng)的應(yīng)用程序。

　　系統(tǒng)CNC軟件包含與運(yùn)動控制有關(guān)的所有功能，如對用戶的NC程序進(jìn)行編譯、解釋代碼；運(yùn)動軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算；軸的位置環(huán)控制及與軟件PLC和外部設(shè)備的通信等。

　　CNC編譯器(CNC Interpreter)

　　CNC編譯器的主要任務(wù)是對用戶的NC程序進(jìn)行解釋，并將其轉(zhuǎn)換為伺服任務(wù)中的插補(bǔ)器能夠識別的格式。此外，編譯器還具有下列功能：

　　控制CNC操作模式；　　系統(tǒng)診斷；　　與伺服系統(tǒng)進(jìn)行信息交換；　　向MMI傳送信息，用于顯示；　　與PLC進(jìn)行二進(jìn)制I/O數(shù)據(jù)交換；　　加工過程的偏移量設(shè)置和路徑修正。

　　CNC插補(bǔ)器(CNC interpolator)

　　插補(bǔ)器是CNC的執(zhí)行單元，CNC的下列功能都與插補(bǔ)任務(wù)有關(guān)：

　　路徑插補(bǔ)；　　軸插補(bǔ)，包括線性、樣條、圓弧、螺旋線插補(bǔ)，還具有鏡像、并行隨動軸功能；　　位置軸控制；　　診斷與監(jiān)控管理；　　與位置任務(wù)的通信連接；　　從CNC-PLC讀取輸入信號；　　向PLC傳送BCD碼信號；　　實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換 (極坐標(biāo)，5軸)；　　實(shí)時(shí)自校正，包括間隙補(bǔ)償、齒隙誤差補(bǔ)償、零漂補(bǔ)償?shù)龋弧　≌艺鹗幤鳎弧　≈鬏S輸出；　　從 FIFO寄存器中讀取新的程序段；　　快速輸出數(shù)字量信號。

　　CNC位置閉環(huán)控制(CNC Position Loop)

　　位置任務(wù)用于實(shí)現(xiàn)軸的位置控制功能，所有CNC和PLC的實(shí)時(shí)任務(wù)都是由與控制軸有關(guān)的硬件定時(shí)中斷控制的，每次中斷都執(zhí)行一次位置任務(wù)，主要完成下列操作：

　　從門陣列或sercos接口讀取位置值；　　檢測編碼器信號(模擬軸)；　　更新機(jī)床位置；　　計(jì)算機(jī)床位置誤差值；　　根據(jù)機(jī)床位置計(jì)算相應(yīng)的內(nèi)部位置；　　計(jì)算命令位置值與實(shí)際機(jī)械位置的偏差；　　計(jì)算對應(yīng)的位置控制的輸出值；　　輸出到D/A轉(zhuǎn)換器(模擬量控制軸)；　　輸出到sercos接口(sercos控制軸)。

　　Hi-800內(nèi)置的高速軟PLC符合IEC-1131-3標(biāo)準(zhǔn)，用戶可以使用梯形圖、功能程序段、指令表、流程圖及結(jié)構(gòu)文本等多種PLC語言編程，完成各種復(fù)雜的機(jī)床邏輯控制。系統(tǒng)還內(nèi)置機(jī)床參數(shù)編輯器和邏輯分析儀(非常有用的調(diào)試工具)，使得機(jī)床控制系統(tǒng)的安裝、調(diào)試和保養(yǎng)非常簡便。

　　作為基于PC的開放式CNC系統(tǒng)，Hi800允許用戶以安全可靠的方式集成第三方專業(yè)技術(shù)及專用軟件(例如各種CAM軟件)。系統(tǒng)控制功能均由軟件實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)機(jī)床類型及不同的應(yīng)用開放相應(yīng)功能模塊，提供給用戶最大的選擇和靈活性。

　　Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)的性能及特點(diǎn)

　　系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)如附表所示：　　附表 系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)

　　Hi-800系統(tǒng)獨(dú)特的軟硬件結(jié)構(gòu)，使其具有下列特點(diǎn)：

　　開放性

　　Hi-800系統(tǒng)充分利用了Windows NT操作系統(tǒng)的開放性特點(diǎn)，允許在同一個(gè)系統(tǒng)上集成CNC及其它應(yīng)用軟件。此外，還額外提供了一系列開放式軟件工具。如循環(huán)編譯工具(Compile Cycles)允許用戶定制自己的特殊加工功能，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜機(jī)床控制；可視化界面使用戶可以在原有MMI的基礎(chǔ)上定制專用人機(jī)界面；虛擬人機(jī)界面VMI功能可以根據(jù)用戶需求定制全新人機(jī)界面。

　　高速度

　　Hi-800的“自適應(yīng)預(yù)讀功能”可以在實(shí)時(shí)情況下，預(yù)處理幾百個(gè)NC程序段，并且可以根據(jù)相應(yīng)的進(jìn)給速率自動調(diào)整加、減速控制。自適應(yīng)預(yù)讀功能速度變化曲線如圖4所示，圖中橫坐標(biāo)是NC程序段，縱坐標(biāo)F表示執(zhí)行速度。用藍(lán)色曲線表示的G08沒有預(yù)讀功能，因此每個(gè)程序段都要執(zhí)行加速和減速操作；而紅色曲線表示的G09的速度是連續(xù)變化的，這樣不僅增強(qiáng)了機(jī)床的效率，也提高了加工工件的表面光潔度。

圖4 自適應(yīng)預(yù)讀功能速度變化曲線對比

　　系統(tǒng)的“曲率優(yōu)化功能”，可以使大量連續(xù)微小線段加工達(dá)到最佳效果，更好地保證加工過程的快速性、連續(xù)性和平穩(wěn)性。同時(shí)快速的PA實(shí)時(shí)內(nèi)核能夠完成各種實(shí)時(shí)操作，滿足快速性要求。

　　高精度

　　系統(tǒng)采用“自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)”，可以在實(shí)時(shí)狀態(tài)下根除伺服滯后并且抑制由速度變化導(dǎo)致的共振干擾。能夠自動為每根軸選擇最佳參數(shù)，然后在運(yùn)行過程中補(bǔ)償這些參數(shù)。精確停止插補(bǔ)功能及拐角平滑處理功能，能有效防止拐角處發(fā)生過切現(xiàn)象，可以獲得良好的加工精度。

　　海量NC內(nèi)存

　　基于PC的Hi-800系統(tǒng)利用硬盤存儲加工程序，實(shí)現(xiàn)海量NC內(nèi)存(大于10GB)，大大縮短了NC程序讀取時(shí)間，使得機(jī)床的加工效率成倍提高。

　　良好的人機(jī)界面

　　操作人員可以通過功能鍵選擇六種不同的操作模式，菜單式操作簡單易學(xué)。

　　網(wǎng)絡(luò)化控制

　　數(shù)控系統(tǒng)直接配置通用網(wǎng)絡(luò)接口，使其具有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能，容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制，及分散化網(wǎng)絡(luò)加工，使現(xiàn)代化管理成為可能。

　　應(yīng)用案例

　　建立在先進(jìn)的Windows操作系統(tǒng)平臺上的Hi-800數(shù)控系統(tǒng)具備柔性、開放性和不斷擴(kuò)展的特性。通過簡單的系統(tǒng)參數(shù)及功能設(shè)定，便可實(shí)現(xiàn)各種先進(jìn)的控制技術(shù)，滿足復(fù)雜加工和幾乎所有應(yīng)用，如各種高速高精度車、銑、雕、磨、線切割及激光加工設(shè)備；復(fù)雜加工中心；5軸聯(lián)動機(jī)床等。為用戶提供一流的專家解決方案。

　　高速雕銑機(jī)的控制

　　如：Hi-800所獨(dú)有的曲率優(yōu)化功能，能對連續(xù)小線段加工軌跡進(jìn)行平滑處理，進(jìn)一步提高加工快速性，并獲得更好的表面光潔度。自適應(yīng)預(yù)讀功能夠根據(jù)進(jìn)給速度和加工軌跡處理加減速，避免小線段頻繁加減速，保證加工速度穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)快速加工。特別適用于高速雕銑機(jī)的控制。

　　激光切割機(jī)的控制

　　Hi-800系統(tǒng)還能夠根據(jù)加工距離、加工時(shí)間的變化對激光能量進(jìn)行控制。距離調(diào)整功能可以控制激光頭(Z方向)與加工表面保持恒定距離。對于三維切割，可以保證切割的平整性，避免過切現(xiàn)象。非常適用于激光切割機(jī)的控制應(yīng)用。

　　CNC仿真軟件在教學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

　　Hi-800的開放性和離線版本CNC仿真軟件使其為教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用提供了安全和方便性。仿真軟件可以安裝在任何1臺裝有Windows NT/2000的個(gè)人計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，無需額外硬件支持。而且離線CNC操作界面和實(shí)際應(yīng)用操作界面完全相同，可以在計(jì)算機(jī)上學(xué)習(xí)系統(tǒng)基本操作，熟悉NC編程指令，模擬運(yùn)行加工程序。另外，Hi-800系統(tǒng)豐富全面的控制功能和卓越的性能，可以使學(xué)生更多地了解數(shù)控領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)和發(fā)展方向。

　　由于基于PC技術(shù)，Hi800數(shù)控系統(tǒng)可以直接連接投影儀等設(shè)備，方便教師進(jìn)行教學(xué)演示。

結(jié)語

　　與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比， 軟件數(shù)控系統(tǒng)可以充分利用Windows平臺和CNC的開放式軟件工具開發(fā)所需的各種功能，使用戶可以靈活的組態(tài)CNC功能模塊，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)。以滿足普通機(jī)床、加工中心及各種特殊類型機(jī)床的復(fù)雜控制。這種實(shí)現(xiàn)形式上的變革使得系統(tǒng)可以更方便、更廣泛地應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的先進(jìn)成果，大幅度提升數(shù)控系統(tǒng)的控制性能，簡化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度，縮短研發(fā)周期；大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的伸縮性和可擴(kuò)展性。因此，軟件數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比，最有很強(qiáng)的生命力。