開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)分析

摘要:數(shù)控技術(shù)的廣泛使用，給機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。目前，我國數(shù)控系統(tǒng)存在諸多問題，而開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠有利于促進(jìn)我國數(shù)控發(fā)展，本文主要就開放式數(shù)控系統(tǒng)體系相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞:數(shù)控教學(xué)，開放式，體系結(jié)構(gòu)，數(shù)控控制

數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展日趨完善，已由最出的硬件數(shù)控(NC)經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)，發(fā)展到以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)控(MNC)、直接數(shù)控(DNC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)等，并朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場全球化的發(fā)展，市場競爭空前激烈，對(duì)制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價(jià)格低，質(zhì)量好，而且要求交貨時(shí)間短，售后服務(wù)好，好要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個(gè)性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來越不能滿足市場發(fā)展的需要。新的環(huán)境要求CNC進(jìn)一步向開放式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化[1，2]。

1 、開放式數(shù)控系統(tǒng)體系

采用專用計(jì)算機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)，在選用高性能的微處理器構(gòu)成分布式處理結(jié)構(gòu)時(shí)，可以獲得很高的性能，如多軸聯(lián)動(dòng)高速、高精度控制，很強(qiáng)的補(bǔ)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(chǎn)和保密的需要，不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計(jì)其硬件和軟件，這樣設(shè)計(jì)出來的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機(jī)界面、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)化接口等缺陷。從而導(dǎo)致，一方面，各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成;風(fēng)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(hù)帶了很多不便;另一方面，系統(tǒng)的封閉性阻礙了計(jì)算機(jī)技術(shù)的及時(shí)應(yīng)用，不利于數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步。顯然，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場的變化和競爭，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。

1.1 開放式分析

對(duì)于一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，也應(yīng)遵循這些基本要求。一個(gè)開放的控制系統(tǒng)應(yīng)具有完全模塊化的結(jié)構(gòu)，模塊之間具有互換性、可擴(kuò)展性和可移植性，這是一個(gè)開放系統(tǒng)的基本特征。

開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當(dāng)今的Pc機(jī)類似，系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開放的平臺(tái)上，具有模塊化結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，而且組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商，并且相互兼容。與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于:建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性，在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應(yīng)新的加工需求[1，2]。

1.2基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)

PC以其良好的開放性成為開放式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，數(shù)控系統(tǒng)PC化已成為必然的趨勢(shì)，在開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)應(yīng)最大限度利用豐富的PC軟硬件資源，享受PC硬件與軟件發(fā)展的成果，與PC發(fā)展同步?；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有3種:(1)PC嵌入NC型。該類型是把PC嵌入到Nc內(nèi)部，PC與NC之間用專用的總線連接，該系統(tǒng)可以利用原來CNC的豐富資源，同時(shí)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(shí)現(xiàn)NC內(nèi)核的開放。(2)Nc嵌入PC型。以PC機(jī)作為系統(tǒng)的核心，把

運(yùn)動(dòng)控制卡插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中完成數(shù)控系統(tǒng)的功能，軟件的通用性好，一般PC機(jī)處理各種非實(shí)時(shí)任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制卡處理實(shí)時(shí)任務(wù)。(3)軟件型。CNC功能全部由應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)，具有最好的開放性，但系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求處理比較困難，系統(tǒng)開發(fā)難度大。

(1) PC嵌入例的開放式數(shù)控系統(tǒng)。I/O接口電路主要完成PC機(jī)與外部控制系統(tǒng)接口功能，所設(shè)計(jì)的電路板要符合PC總線標(biāo)準(zhǔn)，滿足擴(kuò)展電路的尺寸要求。同時(shí)電路的輸出信號(hào)集中于一插座，采用并行電纜線輸出。由PC機(jī)經(jīng)I/0接口電路輸出的步進(jìn)脈沖信號(hào)CP、方向電平信號(hào)MC、復(fù)位信號(hào)RESET經(jīng)光電耦合送至相序分配專用芯片，產(chǎn)生三相六拍的時(shí)序脈沖和半流信號(hào)，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(biāo)準(zhǔn)的矩形波，送至功放級(jí)放大，推動(dòng)步迸電機(jī)運(yùn)行。

(2) NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)由Pc機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成，這種運(yùn)動(dòng)控制卡用高速DSP(數(shù)字信號(hào)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(tái)下利用它開放的函數(shù)庫就可以自行開發(fā)所需的控制系統(tǒng)，這樣構(gòu)造的數(shù)控系統(tǒng)只需根據(jù)被控制的對(duì)象要求，在Windows環(huán)境下設(shè)計(jì)符合用戶操作的人機(jī)界面和功能，就可達(dá)到運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機(jī)，充分利用PC機(jī)不斷提高的計(jì)算速度、不斷擴(kuò)大的存儲(chǔ)量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制中的運(yùn)動(dòng)軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。軟件化數(shù)控系統(tǒng)把運(yùn)動(dòng)控制器以應(yīng)用軟件的形式實(shí)現(xiàn)，除了支持?jǐn)?shù)控上層軟件的用戶定制外，其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運(yùn)動(dòng)控制策略的用戶定制。

2、 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是模塊化的，每一層都是一個(gè)模塊。最低層的是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，它包括機(jī)床本身，X，Y，Z，C軸驅(qū)動(dòng)器、各種繼電器、伺服電機(jī)等。再上一層是控制器硬件平臺(tái)，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般采用通用的Pc機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與楓床底層的接口，如數(shù)字I/O、可編程控制器(PLC)、運(yùn)動(dòng)控制卡等。這兩層是硬件層。

軟件的最低層是操作系統(tǒng)，采用Windows 2003。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應(yīng)用程序接口(API)庫、多任務(wù)機(jī)制。再上一層是CNC應(yīng)用軟件，CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的諧調(diào)、高效運(yùn)作。方便的用戶人機(jī)界面，代碼處理模塊對(duì)NC程序進(jìn)行解釋和預(yù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補(bǔ)運(yùn)算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結(jié)果通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序(WDM)操作相應(yīng)的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關(guān)量、機(jī)床狀態(tài)等。設(shè)備管理等進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。它應(yīng)提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡(luò)，通過客戶機(jī)/服務(wù)器(CIS)的形式與遠(yuǎn)程的CAD/CAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù);二是和本地機(jī)上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。

這個(gè)參考模型充分體現(xiàn)了開放性原則，由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使每一模塊都能實(shí)現(xiàn)互換，可以由不同的廠商來生產(chǎn)，組合起來就是一個(gè)高性能性價(jià)比的系統(tǒng)。由于PC機(jī)的開放性，使控制器硬件和操作系統(tǒng)達(dá)到最大限度的互換。而且，CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。

3 、結(jié)語

本文結(jié)合當(dāng)今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進(jìn)展，對(duì)CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，討論了CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開放化的基本概念和實(shí)行開放的途徑，并在需求分析的基礎(chǔ)上提出了開放體系CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則和概念模型，最后對(duì)數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)做了比較全面的分析。

參考文獻(xiàn):

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