基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)①

張書誠

(安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，安徽合肥230011)

0 引言

開放式數(shù)控系統(tǒng)是建立在一個(gè)開放的平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)開放性、互換性、可移植性和擴(kuò)展性，具有模塊化的結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配、集成和更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用要求．

目前，市場上的大多數(shù)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(yīng)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(chǎn)品融入到系統(tǒng)中去[1]．

本文根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范從硬件結(jié)構(gòu)和控制軟件等方面對正在使用中的數(shù)控機(jī)床的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，旨在建立一個(gè)開放式數(shù)控加工平臺(tái)，為開放式數(shù)控系統(tǒng)體系的建立和實(shí)現(xiàn)做一些探索．

1 數(shù)控機(jī)床原有的硬件結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)用數(shù)控機(jī)床是一臺(tái)CAK6140VA車床．該機(jī)床由兩個(gè)交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)Z軸和X軸方向移動(dòng)，電機(jī)上裝有旋轉(zhuǎn)編碼器，可以檢測電機(jī)的角位移，反饋相應(yīng)的AC伺服單元與給定的目標(biāo)位移進(jìn)行比較，伺服單元再按誤差減小的方向向電機(jī)發(fā)出脈沖，從而使工作臺(tái)完成給定的任務(wù)．?dāng)?shù)控車床的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示[2]．

該機(jī)床控制系統(tǒng)為GSK928TA數(shù)控系統(tǒng)．該系統(tǒng)采用8位單片微機(jī)(8032)和16位單片微機(jī)(80C196)組成雙CPU系統(tǒng)，分別進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的管理、人機(jī)交互、輸入輸出、數(shù)據(jù)預(yù)處理和插補(bǔ)運(yùn)算．X軸和Z軸驅(qū)動(dòng)裝置采用DA98系列全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)器，X軸和Z軸電機(jī)為STZ系列三相交流永磁同步伺服電機(jī)[3]．系統(tǒng)原理圖如圖2所示．

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

由于原數(shù)控系統(tǒng)是建立在單片機(jī)基礎(chǔ)上的專用數(shù)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(kuò)展和二次開發(fā);聯(lián)網(wǎng)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(shè)計(jì)了一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，用開放式數(shù)控加工系統(tǒng)取代原機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)．

2．1 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)，我們采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的型式，就是將PC與NC融合到一起，使PC成為數(shù)控的核心，利用運(yùn)動(dòng)控制卡和數(shù)字量輸入/輸出卡構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)．CPU板卡選擇EVOC公司的IPC－586VDF(C)，該卡內(nèi)置顯卡，并支持電子盤;為了處理數(shù)控系統(tǒng)的各種數(shù)字I/O量，運(yùn)動(dòng)控制卡選用Ad link公司的開放式運(yùn)動(dòng)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(jī)箱選擇IPC－6808型號機(jī)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(qiáng)．開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示．

數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)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(guān)[4]．因此，對數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了相應(yīng)的改造．

圖1 數(shù)控車床CAK6140VA的結(jié)構(gòu)框圖

圖2 GSK928TA數(shù)控系統(tǒng)原理圖

2．2 開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)

Windows NT是通用操作系統(tǒng)，大多數(shù)的機(jī)械設(shè)計(jì)造型軟件(如UG，Solidworks等)都支持，而這些造型軟件己經(jīng)擁有了由設(shè)計(jì)模型產(chǎn)生數(shù)控代碼的功能．這樣可以很方便地將設(shè)計(jì)生成的數(shù)控代碼應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)中，不需要進(jìn)行跨系統(tǒng)操作和文本的轉(zhuǎn)換，設(shè)計(jì)人員可以節(jié)約大量時(shí)間．而且Windows系統(tǒng)本身就支持網(wǎng)絡(luò)和多媒體，便于搭建基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)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?qū)ο缶幊痰哪K化軟件開發(fā)，使用VC自帶的控件實(shí)現(xiàn)可視控制，控件的安排依照數(shù)控系統(tǒng)的操作面板的形式，熟練使用原數(shù)控系統(tǒng)的操作人員完全可以按照原來的習(xí)慣對新系統(tǒng)進(jìn)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(shù)控加工系統(tǒng)特性分析

開放式數(shù)控加工系統(tǒng)的硬件采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的結(jié)構(gòu)，軟件采用Windows NT操作平臺(tái)和模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，從系統(tǒng)的軟硬件上對數(shù)控車床的性能進(jìn)行了提升．開放式數(shù)控加工系統(tǒng)是以PC為基礎(chǔ)，由于PC的通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，在其擴(kuò)展槽中可以方便地插入多種總線接口的板卡(如運(yùn)動(dòng)控制卡，DI/DO卡和網(wǎng)卡等)，這樣在硬件結(jié)構(gòu)上便可很容易地?cái)U(kuò)展數(shù)控系統(tǒng)的控制模塊．

圖3 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

開放式數(shù)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(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，并支持多種高級開發(fā)語言，可以大大縮短應(yīng)用軟件的開發(fā)周期．另外，開放式數(shù)控加工系統(tǒng)采用分層、模塊化的軟件設(shè)計(jì)思想，這樣開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)或應(yīng)用軟件，各個(gè)功能模塊便可以獨(dú)立地運(yùn)行和維護(hù)，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(yīng)用來自不同廠商的第三方軟件．

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)將一臺(tái)數(shù)控車床的加工系統(tǒng)改造成為開放式數(shù)控加工系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)為“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”形式，屬于典型的NC嵌入PC型數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，采用Windows NT操作系統(tǒng)，可以充分地利用PC機(jī)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(shè)計(jì)思想使用戶可以方便地對系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)，以擴(kuò)展系統(tǒng)功能或者追加一些個(gè)性化的軟件模塊．整個(gè)數(shù)控加工系統(tǒng)平

臺(tái)的搭建和控制軟件的開發(fā)，調(diào)試通過，運(yùn)行正常．

圖4 開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊框圖

[1] 劉方鑫．?dāng)?shù)據(jù)庫原理與技術(shù)[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(shù)控系統(tǒng)的研究[J]．機(jī)床與液壓，2000(5):36 －41．

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

[4] 楊宏，李斌．開放式數(shù)控機(jī)床培訓(xùn)系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)的研究[J]．機(jī)床與液壓，2003(2):56－58．

[5] 常曉玲，沙杰，劉戰(zhàn)術(shù)．開放式數(shù)控系統(tǒng)PMAC軟件的模塊化結(jié)構(gòu)與開發(fā)方法[J]．制造技術(shù)與機(jī)床，2003(9):41－43．

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