0 引言

　　1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農業、工業社會中創造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。6年后，即1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數控機床。從此，傳統機床產生了質的變化。近半個世紀以來，數控系統經歷了兩個階段和六代的發展。數控(NC)階段(1952～1970年)，即1952年的第一代——電子管；1959年的第二代——晶體管；1965年的第三代——小規模集成電路。計算機數控(CNC)階段(1970年至現在)，即1970年的第四代——小型計算機；1974年的第五代——微處理器和1990年的第六代——PC機(國外稱為PC—Based)。

1 基于PC的開放式數控系統的特點

　　隨著機械加工精度和速度的提高，要求NC系統的功能不斷的擴大、改進和完善，特別是適應高速高精度加工的要求產生了高速高精控制系統，包括程序的快速輸入、高速高精插補、控制以及輸出。另外機械結構的簡化與改進及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來越復雜。此外，機械加工的連續運行、協調，要求NC系統可靠性不斷提高，加工和信息系統不但可以控制、處理、傳輸、管理而且通過網絡可以共享。正是由于以上的原因，基于PC—Based的開放性數控單元開始在數控領域得到了廣泛的應用。基于PC的開放式數控系統具有以下特點：

　　a)成本低：PC是性能不斷提高而價格不斷下降的工業產品，以PC為基礎的CNC裝置將直接從中獲益。

　　b)標準化：經過20多年的發展，PC機的硬件平臺已經形成了標準。PC硬件平臺的標準化和互換性都有利于數控系統的開發和維修，而且為以PC為基礎的數控系統的標準化、模塊化和開放化奠定了基礎。

　　c)可靠性高：PC產品生產批量大，其各種部件都已形成比較完善的標準，這有利于批量生產和產品控制。工業PC及工控主板等產品可使數控系統在高可靠性和低成本中找到很好的平衡點。

　　d)軟件資源豐富：PC豐富的軟件資源和開發工具為數控軟件的開發提供了方便，縮短了研制周期，降低了開發成本，同時也為CAD／CAM／CIMS集成創造了良好的條件。

　　e)便于聯網：基于PC平臺的網絡設備和網絡瀏覽器可以方便地接入到Internet，為實現全球制造、虛擬制造、遠程設備故障診斷與維護、共享制造資源奠定了軟硬件基礎。

2 硬件結構與實現

　　基于PC的開放式數控系統有PC連接型NC，PC嵌入型NC、運動控制器+PC型、全軟件型軟件NC四種類型，根據4種類型的特點及CK0625車床改造的具體要求，從系統的可靠性、實時性、穩定性等角度出發選擇運動控制器+PC型方案，利用工業控制計算機+運動控制卡構成開放式數控系統實驗平臺。

　　計算機完成系統的數據采集、實時監測、補償運算、程序編譯、故障報警等工作，運動控制卡實現運動軸的插補運算，加工數據緩存等底層實時控制，完成位置捕獲，開關量輸入輸出等功能，工控機和控制卡通過開放的控制函數鏈接庫完成各種控制任務。本數控系統工控機選用了研華IPC-610型，運動控制卡則采用的是基于數字信號處理器(DSP)開發的固高GT-400-SV卡，變頻器選用的是VFD007M21A的0.75kW臺達通用型變頻器，電機(Servomotor)Yaskawa Sgmah-08從A41，驅動器(Servopack)Yaskawa SGDM-08ADA。

　　硬件結構利用工業PC機為主體，智能與動控制卡插在其PCI標準插槽上，通過PC內部總線實現數據的交換和控制。外接輸入/輸出接口卡、伺服電機驅動器、主軸變頻調速模塊等構成硬件總體結構(圖1)。

圖1硬件結構方案

3 軟件結構及工作過程

　　軟件擬采用Windows開發平臺，用模塊化的設計方法，按功能分成若干個模塊分別進行設計，運行后由主程序統一管理。通過鍵盤和顯示器進行人機對話，各功能間通過屏幕顯示的功能選擇菜單，按相應的鍵來實現調用相應的程序模塊。軟件系統將完成接收機床的輸入以及工控機的輸入，并理解其含義，做出相應的輸出，完成數控系統的基本功能。

　　系統采用了PC+運動控制卡結構，PC機作為上位機負責實現譯碼、刀具補償、軌跡仿真、故障診斷、幫助等功能，而運動控制器作為下位機，可完成插補、速度控制、位置控制等功能，它不需占用PC機的資源。上下位機進行通訊，上位機把用戶輸入的加工參數進行數據庫檢索和后臺運算后傳遞給下位機，下位機通過對脈沖的頻率和數量的控制，從而控制運動的方向、速度與距離，并把實時的運動參數返回給上位機，從而可以在顯示器上動態顯示機床的運動情況。工作過程如圖2所示。

圖2 CK0625數控系統軟件工作過程

4 結語

　　基于PC的開放式數控系統是對傳統數控結構的根本突破，是當今數控技術的發展主流和研究熱點，是新一代數控系統的關鍵技術。基于PC的開放式數控系統具有較強的靈活性，可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術優勢，開發高性能、智能化、開放式、網絡化和新的標準化的數控系統，無論對控制系統開發商、機床廠還是最終用戶均有益處。通過改造，本數控車床能完成圓柱面、圓錐面、圓弧面、螺紋、溝槽等加工，尺寸誤差控制在±0.01mm以內，總體上達到了改造要求。