數控技術經過幾十年的發展日趨完善,已由最出的硬件數控(NC)經過計算機數控(CNC),發展到以微型計算機為基礎的數控(MNC)、直接數控(DNC)和柔性制造系統(FMS)等,并朝著更高的水平發展。但隨著市場全球化的發展,市場競爭空前激烈,對制造商所生產的產品不但要求價格低,質量好,而且要求交貨時間短,售后服務好,好要滿足用戶特殊的需要,即要求產品具有個性化。而傳統的數控系統是一種專用封閉式系統,它越來越不能滿足市場發展的需要。新的環境要求CNC進一步向開放式控制系統轉化[1,2]。

1 、開放式數控系統體系

　　采用專用計算機組成的數控系統,在選用高性能的微處理器構成分布式處理結構時,可以獲得很高的性能,如多軸聯動高速、高精度控制,很強的補償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產和保密的需要,不同的數控系統生產廠家自行設計其硬件和軟件,這樣設計出來的封閉式專用系統具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機界面、多種實時操作系統、非標準化接口等缺陷。從而導致,一方面,各控制系統之間互聯能力差,影響了系統的相互集成;風格不一的操作方式以及專用件的大量使用,給用戶的使用與維護帶了很多不便;另一方面,系統的封閉性阻礙了計算機技術的及時應用,不利于數控產品技術的進步。顯然,數控系統的這一現狀已不能適應當今制造業市場的變化和競爭,也不能滿足現代化制造業向信息化、敏捷制造模式發展的需求。

　　1.1 開放式分析

　　對于一個開放式數控系統來說,也應遵循這些基本要求。一個開放的控制系統應具有完全模塊化的結構,模塊之間具有互換性、可擴展性和可移植性,這是一個開放系統的基本特征。

　　開放式數控系統的目的就是使CNC控制器與當今的Pc機類似,系統構筑于一個開放的平臺上,具有模塊化結構,允許用戶根據需要進行選配和集成,更改或擴展系統的功能,迅速適應不同的應用需求,而且組成系統的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商,并且相互兼容。與傳統的封閉式專用數控系統相比,開放式數控系統的主要優勢在于:建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統的結構,以增強數控系統的功能和性能柔性,在體系結構上給用戶留有進行二次開發更多的余地,能夠快速而有效的響應新的加工需求[1,2]。

　　1.2基于PC的開放式體系結構

　　PC以其良好的開放性成為開放式控制系統的基礎,數控系統PC化已成為必然的趨勢,在開發數控系統時應最大限度利用豐富的PC軟硬件資源,享受PC硬件與軟件發展的成果,與PC發展同步。基于PC的開放式數控系統主要有3種:(1)PC嵌入NC型。該類型是把PC嵌入到Nc內部,PC與NC之間用專用的總線連接,該系統可以利用原來CNC的豐富資源,同時將PC作為控制器的前端接口,使其具有PC處理的柔性,但不能實現NC內核的開放。(2)Nc嵌入PC型。以PC機作為系統的核心,把

　　運動控制卡插入到PC機的擴展槽中完成數控系統的功能,軟件的通用性好,一般PC機處理各種非實時任務,運動控制卡處理實時任務。(3)軟件型。CNC功能全部由應用軟件來實現,具有最好的開放性,但系統的實時性要求處理比較困難,系統開發難度大。

　　(1) PC嵌入例的開放式數控系統。I/O接口電路主要完成PC機與外部控制系統接口功能,所設計的電路板要符合PC總線標準,滿足擴展電路的尺寸要求。同時電路的輸出信號集中于一插座,采用并行電纜線輸出。由PC機經I/0接口電路輸出的步進脈沖信號CP、方向電平信號MC、復位信號RESET經光電耦合送至相序分配專用芯片,產生三相六拍的時序脈沖和半流信號,又通過光電耦合和電壓比較器組成的整形電路整形得到標準的矩形波,送至功放級放大,推動步迸電機運行。

　　(2) NC嵌入PC型開放式數控系統。NC嵌入PC型開放式數控系統由Pc機和運動控制卡構成,這種運動控制卡用高速DSP(數字信號處理器)或者其他性能比較好的芯片如英國的ARM作為CPU。用戶只需在Windows平臺下利用它開放的函數庫就可以自行開發所需的控制系統,這樣構造的數控系統只需根據被控制的對象要求,在Windows環境下設計符合用戶操作的人機界面和功能,就可達到運動控制的目的。

　　(3) 軟件CNC。軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實現CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優化的操作系統,實現機床控制中的運動軌跡控制和開關量的邏輯控制。軟件化數控系統把運動控制器以應用軟件的形式實現,除了支持數控上層軟件的用戶定制外,其更深入的開放性還體現在支持運動控制策略的用戶定制。

2、 基于PC的開放式數控系統的體系結構

　　開放式體系結構數控系統的參考模型是一個分層結構,同時也是模塊化的,每一層都是一個模塊。最低層的是數控機床系統的硬件平臺,它包括機床本身,X,Y,Z,C軸驅動器、各種繼電器、伺服電機等。再上一層是控制器硬件平臺,它是一個計算機系統,一般采用通用的Pc機硬件結構,還應提供與楓床底層的接口,如數字I/O、可編程控制器(PLC)、運動控制卡等。這兩層是硬件層。

　　軟件的最低層是操作系統,采用Windows 2003。這些操作系統提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應用程序接口(API)庫、多任務機制。再上一層是CNC應用軟件,CNC軟件的內部結構也是模塊化的。它的核心是模塊化,由它來負責整個系統的諧調、高效運作。方便的用戶人機界面,代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預處理,產生相應的數據結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執行,結果通過設備驅動程序(WDM)操作相應的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關量、機床狀態等。設備管理等進行檢測、監控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統接口、專家系統接口、數據庫系統接口等。它應提供兩種形式的連接:一是網絡,通過客戶機/服務器(CIS)的形式與遠程的CAD/CAM系統、MIS系統等交換數據;二是和本地機上的其他應用程序間交換數據。接口功能將有利于CNC系統和其它系統的連接和集成。

　　這個參考模型充分體現了開放性原則,由于分層次、模塊化的結構,各個層次間采用標準接口,從而使每一模塊都能實現互換,可以由不同的廠商來生產,組合起來就是一個高性能性價比的系統。由于PC機的開放性,使控制器硬件和操作系統達到最大限度的互換。而且,CNC系統提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內部信息。

3 、結語

　　本文結合當今CNC系統發展的新進展,對CNC系統的體系結構特點進行了分析,討論了CNC系統體系結構開放化的基本概念和實行開放的途徑,并在需求分析的基礎上提出了開放體系CNC系統的設計原則和概念模型,最后對數控體系結構的設計做了比較全面的分析。