1 前言

　　數(shù)控系統(tǒng)按照控制裝置來劃分，主要有硬件數(shù)控系統(tǒng)和軟件數(shù)控系統(tǒng)。硬件數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均有硬件電路來實現(xiàn)，如第一、二代NC 系統(tǒng);而數(shù)控系統(tǒng)的部分或全部功能采用軟件來實現(xiàn)后就成為了軟件數(shù)控，如第三、四代CNC 或MNC 系統(tǒng)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全軟件數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)的主流。

　　數(shù)控系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩個部分組成。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對獨(dú)立、彼此封閉。

　　隨著數(shù)控系統(tǒng)的功能越來越復(fù)雜，以及用戶要求定制和裁剪數(shù)控系統(tǒng)功能的呼聲越來越高，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)越來越暴露其本質(zhì)的缺陷：一方面，各控制系統(tǒng)間互連、互操作性差影響了整個系統(tǒng)的集成、維護(hù)和功能擴(kuò)展，各廠家不同數(shù)控系統(tǒng)風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但導(dǎo)致用戶培訓(xùn)成本的增加，還給數(shù)控設(shè)備的最終用戶帶來諸多不便;另一方面，數(shù)控系統(tǒng)的封閉性造成數(shù)控設(shè)備制造商對系統(tǒng)制造商的過度依賴，不利于將整臺設(shè)備的其他控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的技術(shù)工藝集成為一個完整、無縫的控制系統(tǒng)，并形成自己的產(chǎn)品，導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)投資大、周期長、更新?lián)Q代慢，不利于產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。

　　自上世紀(jì)90 年代以來，計算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)的開放化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為世界各國數(shù)控廠商開展競爭的重點(diǎn)領(lǐng)域。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)都采用模塊化結(jié)構(gòu)，在軟件和硬件上均可靈活配置，即可通過修改硬件的基本配置或改變軟件各層面的控制，并且允許第三方來開發(fā)或集成新的軟硬件，為新技術(shù)的產(chǎn)生提供了強(qiáng)大的發(fā)展基礎(chǔ)。因此，一個開放的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該在系統(tǒng)平臺上滿足可擴(kuò)展性、可移植性、互換性和互操作性等要求。

2 基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺

　　系統(tǒng)平臺包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。

　　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的不同，開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺主要有：PC 嵌入NC、NC 嵌入PC、純PC 型等三種結(jié)構(gòu)形式。這里選取PC 機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)接口的運(yùn)動控制卡作為系統(tǒng)的硬件平臺，選取Windows 操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，搭建基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺，這是因為：

　　(1)PC 技術(shù)不斷發(fā)展，基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展的空間。自1981 年IBM 正式推出PC 機(jī)到現(xiàn)在，PC 機(jī)發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是64 位PC 機(jī)出現(xiàn)后，PC 機(jī)的處理速度、存儲量及各種功能均得到了顯著提升，并且PC 機(jī)的功能仍在不斷加強(qiáng)和升級。由于PC 的向下兼容性，為基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)可以隨著PC 技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。(2)PC 機(jī)是一種基于總線的具有開放式體系結(jié)構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng)，易于標(biāo)準(zhǔn)化、普及化。

　　PC 機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及基于總線的開放式體系結(jié)構(gòu)，使基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成為可能。PCbased開放式數(shù)控系統(tǒng)在硬件上以PC 機(jī)為基礎(chǔ)，為用戶提供通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺，摒棄了原有的基于專用計算機(jī)的封閉式體系結(jié)構(gòu);在軟件上，以Windows 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)為用戶提供軟件平臺，基于Windows 操作系統(tǒng)的CNC 系統(tǒng)軟件具有更大的柔性和良好的可移植性和可擴(kuò)展性;同時基于Windows 的PC 機(jī)在圖形、圖像和視頻方面的處理能力大大加強(qiáng)，為數(shù)控系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)支持。因此，使用通用PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)完全有能力在性能上趕上或超過專用數(shù)控系統(tǒng)，便于數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

　　該數(shù)控平臺可分為三個層次：硬件層、系統(tǒng)軟件層、應(yīng)用軟件層。

　　硬件層中的各種硬件通過標(biāo)準(zhǔn)的通用的系統(tǒng)總線(如PCI)連接在一起，通過通用總線用戶可以方便的加入購買的第三方硬件或自己的硬件。PC 的通訊聯(lián)網(wǎng)、電子郵件、語音、視頻等多種功能都是通過附加擴(kuò)展卡的形式來實現(xiàn)的。對于數(shù)控專用硬件，也可以通過附加卡的形式插入到總線插槽中。應(yīng)用軟件層則是通過操作系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嵤τ布Y源的使用和控制。這種開放架構(gòu)的系統(tǒng)平臺允許數(shù)控系統(tǒng)完成諸如開放式數(shù)據(jù)庫連接、目標(biāo)的連接和嵌入、動態(tài)數(shù)據(jù)交換和動態(tài)連接等。并且在這個平臺上可以運(yùn)行其它應(yīng)用軟件如CAD/CAM、PDM、ERP 等。3 開放式數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分

　　3.1 系統(tǒng)功能的劃分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的功能包括系統(tǒng)必備的基本功能和選擇功能。基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能，如軸控制功能(主軸功能、進(jìn)給功能)、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、程序預(yù)處理功能、任務(wù)調(diào)度與協(xié)調(diào)管理功能、人機(jī)交互功能、補(bǔ)償功能、自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。

　　3.2 系統(tǒng)任務(wù)的劃分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)是一個多任務(wù)實時操作系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)任務(wù)主要劃分為輔助管理和加工控制兩大任務(wù)。加工控制任務(wù)是直接與NC 程序運(yùn)行相關(guān)的任務(wù)，包括譯碼、刀補(bǔ)、插補(bǔ)計算、速度控制、位置控制等;輔助管理任務(wù)包括數(shù)據(jù)輸入輸出管理、I/O 處理、顯示和診斷等。

　　數(shù)控系統(tǒng)的各項任務(wù)必須協(xié)調(diào)，管理與控制的某些任務(wù)必須同步?；赑C 的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，Windows 操作系統(tǒng)是一個多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多個線程同時運(yùn)行，在線程的內(nèi)部使用基于消息傳遞機(jī)制的任務(wù)管理[7]。因此，研究Windows 環(huán)境下數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)劃分機(jī)制及數(shù)控系統(tǒng)各任務(wù)的屬性和相互關(guān)系，將為多任務(wù)并行處理提供依據(jù)。

　　3.3 多任務(wù)并行處理機(jī)制數(shù)控系統(tǒng)中，管理和控制的某些任務(wù)必須同步進(jìn)行，而一旦發(fā)生突發(fā)事件，系統(tǒng)必須迅速作出反應(yīng)。為了提高運(yùn)算速度和PC資源的利用率，這就需要引入多任務(wù)并行處理機(jī)制和實時中斷處理。

4 PC-based 開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

　　PC-based 開放式數(shù)控系統(tǒng)是將專用模板(運(yùn)動控制及I/O卡)插到通用的PC 機(jī)種構(gòu)成的單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。其中，PC 機(jī)主要完成數(shù)控系統(tǒng)中實時性較弱的任務(wù)并對全系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，而實時性較強(qiáng)的任務(wù)則由運(yùn)動控制卡及各種I/O 處理單元來完成。

　　CPU 主板、顯卡、網(wǎng)卡等構(gòu)成PC 的基本配置，其外設(shè)有磁盤、光驅(qū)、顯示器等，運(yùn)動控制卡是完成多軸伺服控制和I/O 控制的核心，它采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計，能為用戶提供一個自定義的實時操作環(huán)境，通過各種運(yùn)動控制函數(shù)，便于數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計。

5 PC-based 開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

　　數(shù)控系統(tǒng)的基本功能是由各種功能子程序?qū)崿F(xiàn)的，主要有加工過程的協(xié)調(diào)控制、狀態(tài)參數(shù)的顯示、工藝參數(shù)設(shè)置和修改、程序文件管理以及故障診斷報警等功能模塊。采用模塊化設(shè)計思想，按照功能分割法將整個軟件劃分為多個功能相對獨(dú)立的軟件模塊，便于系統(tǒng)的開發(fā)維護(hù)和功能擴(kuò)展。

　　(1)人機(jī)界面模塊：加工狀態(tài)信息的顯示、故障診斷及報警信息的顯示，系統(tǒng)管理接口等。(2)文件管理模塊：工藝參數(shù)及程序文件管理。

　　(3)參數(shù)設(shè)置模塊：各種參數(shù)的設(shè)置、修改及備份。

　　(4)數(shù)據(jù)處理模塊：NC 代碼解釋、主軸速度處理等。

　　(5)任務(wù)協(xié)調(diào)模塊：控制系統(tǒng)在各方式下的執(zhí)行流程，協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　(6)運(yùn)動控制模塊：發(fā)送脈沖指令，控制主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度，協(xié)助運(yùn)動控制卡完成對運(yùn)動細(xì)節(jié)的控制。

　　為便于系統(tǒng)的升級維護(hù)和功能模塊的改動，實現(xiàn)系統(tǒng)模塊的可更換性和可擴(kuò)展性，各模塊之間需通過標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)通信。

6 結(jié)論

　　本文對PC-based 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計開發(fā)思路進(jìn)行了論述，對于探索開放式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實意義。

　　由于PC 的開放式體系結(jié)構(gòu)，隨著PC 技術(shù)及運(yùn)動控制卡技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建PC-based 開放式數(shù)控系統(tǒng)十分便利，并具有諸多優(yōu)勢。通過搭建基于“PC+運(yùn)動控制板卡”式的開放式數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮我國的軟件技術(shù)優(yōu)勢，可以提高我國數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)能力，并逐漸擺脫對國外專用數(shù)控系統(tǒng)的依賴，創(chuàng)立自主知識版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。