張書誠

(安徽職業(yè)技術學院機械工程系，安徽合肥230011)

0 引言

開放式數控系統(tǒng)是建立在一個開放的平臺上，實現(xiàn)開放性、互換性、可移植性和擴展性，具有模塊化的結構，允許用戶根據需要進行選配、集成和更改或擴展系統(tǒng)的功能，迅速適應不同的應用要求．

目前，市場上的大多數控加工系統(tǒng)仍是封閉式的，各廠家的系統(tǒng)之間缺乏兼容性和互換性;軟硬件不具備可移植性和互操作性;若無相應的開發(fā)工具和環(huán)境，用戶無法把自己的或第三方的思想或產品融入到系統(tǒng)中去[1]．

本文根據開放式數控系統(tǒng)規(guī)范從硬件結構和控制軟件等方面對正在使用中的數控機床的軟硬件系統(tǒng)進行了重新設計，旨在建立一個開放式數控加工平臺，為開放式數控系統(tǒng)體系的建立和實現(xiàn)做一些探索．

1 數控機床原有的硬件結構與控制系統(tǒng)

實驗用數控機床是一臺CAK6140VA車床．該機床由兩個交流伺服電機驅動工作臺Z軸和X軸方向移動，電機上裝有旋轉編碼器，可以檢測電機的角位移，反饋相應的AC伺服單元與給定的目標位移進行比較，伺服單元再按誤差減小的方向向電機發(fā)出脈沖，從而使工作臺完成給定的任務．數控車床的結構框圖如圖1所示[2]．

該機床控制系統(tǒng)為GSK928TA數控系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用8位單片微機(8032)和16位單片微機(80C196)組成雙CPU系統(tǒng)，分別進行數控系統(tǒng)的管理、人機交互、輸入輸出、數據預處理和插補運算．X軸和Z軸驅動裝置采用DA98系列全數字交流伺服驅動器，X軸和Z軸電機為STZ系列三相交流永磁同步伺服電機[3]．系統(tǒng)原理圖如圖2所示．

2 開放式數控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

由于原數控系統(tǒng)是建立在單片機基礎上的專用數控系統(tǒng)，通用性差，支持的軟硬件資源極為有限;代碼不對用戶開放，不利于系統(tǒng)功能的擴展和二次開發(fā);聯(lián)網通訊能力很弱，不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)對CAD/CAM，F(xiàn)MS和CIMS的需要．針對以上問題，我們設計了一個開放式數控系統(tǒng)平臺，用開放式數控加工系統(tǒng)取代原機床數控系統(tǒng)．

2．1 開放式數控系統(tǒng)硬件結構

開放式數控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，我們采用“PC+運動控制卡”的型式，就是將PC與NC融合到一起，使PC成為數控的核心，利用運動控制卡和數字量輸入/輸出卡構建的數控系統(tǒng)．CPU板卡選擇EVOC公司的IPC－586VDF(C)，該卡內置顯卡，并支持電子盤;為了處理數控系統(tǒng)的各種數字I/O量，運動控制卡選用Ad link公司的開放式運動控制卡PCI－8134和 PCI－7432卡，PCI－7432提供了64路隔離I/O(32路輸入，32路輸出)通道，并提供了中斷觸發(fā)功能;機箱選擇IPC－6808型號機箱，符合工業(yè)現(xiàn)場的要求;顯示器選用宏基公司的FP450彩色液晶顯示器，可視面積大，且抗干擾性能強．開放式數控系統(tǒng)的硬件結構如圖3所示．

數控車床的主傳動系統(tǒng)和進給傳動系統(tǒng)是數字控制的直接對象，與加工工件的最終位置精度和輪廓精度等密切相關[4]．因此，對數控機床的機械傳動結構也進行了相應的改造．

圖1 數控車床CAK6140VA的結構框圖

圖2 GSK928TA數控系統(tǒng)原理圖

2．2 開放式數控系統(tǒng)軟件模塊化設計

Windows NT是通用操作系統(tǒng)，大多數的機械設計造型軟件(如UG，Solidworks等)都支持，而這些造型軟件己經擁有了由設計模型產生數控代碼的功能．這樣可以很方便地將設計生成的數控代碼應用于數控系統(tǒng)中，不需要進行跨系統(tǒng)操作和文本的轉換，設計人員可以節(jié)約大量時間．而且Windows系統(tǒng)本身就支持網絡和多媒體，便于搭建基于網絡的數控系統(tǒng)[5]．我們選擇Windows NT為操作系統(tǒng)．

系統(tǒng)控制軟件的編寫，我們使用與Windows無縫連接的Microsoft Visual C++編程．軟件編寫按照面向對象編程的模塊化軟件開發(fā)，使用VC自帶的控件實現(xiàn)可視控制，控件的安排依照數控系統(tǒng)的操作面板的形式，熟練使用原數控系統(tǒng)的操作人員完全可以按照原來的習慣對新系統(tǒng)進行操作．控制軟件的主要程序模塊如圖4所示[6]．

3 開放式數控加工系統(tǒng)特性分析

開放式數控加工系統(tǒng)的硬件采用“PC+運動控制卡”的結構，軟件采用Windows NT操作平臺和模塊化的軟件設計思想，從系統(tǒng)的軟硬件上對數控車床的性能進行了提升．開放式數控加工系統(tǒng)是以PC為基礎，由于PC的通用化和標準化，在其擴展槽中可以方便地插入多種總線接口的板卡(如運動控制卡，DI/DO卡和網卡等)，這樣在硬件結構上便可很容易地擴展數控系統(tǒng)的控制模塊．

圖3 開放式數控系統(tǒng)硬件結構

開放式數控加工系統(tǒng)采用的操作系統(tǒng)是Windows NT，具有良好的圖形用戶界面，支持多種網絡通信協(xié)議，能實現(xiàn)強大的網絡功能，并支持多種高級開發(fā)語言，可以大大縮短應用軟件的開發(fā)周期．另外，開放式數控加工系統(tǒng)采用分層、模塊化的軟件設計思想，這樣開發(fā)數控系統(tǒng)或應用軟件，各個功能模塊便可以獨立地運行和維護，系統(tǒng)的升級、二次開發(fā)和最終用戶特定功能的追加都變得比較容易，使得系統(tǒng)可以方便地集成應用來自不同廠商的第三方軟件．

4 結語

本設計將一臺數控車床的加工系統(tǒng)改造成為開放式數控加工系統(tǒng)，其結構為“PC+運動控制卡”形式，屬于典型的NC嵌入PC型數控系統(tǒng)體系結構，采用Windows NT操作系統(tǒng)，可以充分地利用PC機豐富的軟硬件資源和第三方軟件模塊．系統(tǒng)對用戶完全開放，模塊化的程序設計思想使用戶可以方便地對系統(tǒng)進行二次開發(fā)，以擴展系統(tǒng)功能或者追加一些個性化的軟件模塊．整個數控加工系統(tǒng)平

臺的搭建和控制軟件的開發(fā)，調試通過，運行正常．

圖4 開放式數控系統(tǒng)軟件模塊框圖

[1] 劉方鑫．數據庫原理與技術[M]．北京:電子工業(yè)出版社，2002:6－9．

[2] 王宇晗，康亮，吳祖育．面向用戶的可配置開放式數控系統(tǒng)的研究[J]．機床與液壓，2000(5):36 －41．

[3] 張書誠．開放式開放式數控系統(tǒng)研究[D]．合肥:合肥工業(yè)大學，2008．

[4] 楊宏，李斌．開放式數控機床培訓系統(tǒng)開發(fā)平臺的研究[J]．機床與液壓，2003(2):56－58．

[5] 常曉玲，沙杰，劉戰(zhàn)術．開放式數控系統(tǒng)PMAC軟件的模塊化結構與開發(fā)方法[J]．制造技術與機床，2003(9):41－43．

[6] 袁曉明．基于組件技術的開放式數控系統(tǒng)研究與開發(fā)[D]．南京:江蘇大學，2007．