基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺研究

黎川林，馬伏花

（1.廣州市今明科技有限公司，廣東廣州 510663；2.廣西民族大學，廣西南寧 530006）

數(shù)控系統(tǒng)平臺技術是制造業(yè)前沿技術之一，基于PC機的開放式數(shù)控系統(tǒng)技術在網(wǎng)絡化、開放式數(shù)控系統(tǒng)實用化、工程化方面具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢[1[，能夠適應當前FMC/FMS制造環(huán)境和網(wǎng)絡化制造的需要。

1 硬件平臺技術研究

國內外對開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結構有很多規(guī)范性的研究和應用，結合產業(yè)化的行業(yè)發(fā)展和市場需求，基于PC體系結構的硬件平臺，系統(tǒng)內部采用數(shù)字量標準接口或現(xiàn)場總線連接各功能部件，外部采用網(wǎng)絡化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業(yè)Intranet集成，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡化。

硬件核心——工業(yè)PC機采用高性能PC104總線，與臺式計算機兼容，采用酷睿處理器，集成硬盤接口、U盤接口、雙向并行口、RS232串行口、鍵盤口、鼠標口、VGA接口內存條插槽和網(wǎng)絡接口。采用10.4寸液晶顯示屏（分辨率為800×600），128 MB Flash ROM（可擴至256 MB）程序斷電存儲，128 MB（可擴至256 MB）加工緩沖區(qū)，配備硬盤和U盤，可裝載和存儲大量加工程序，具有巨量程序加工能力，利用以太網(wǎng)、RS232等接口，輕松實現(xiàn)機床聯(lián)網(wǎng)。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

主板采用雙FPGA設計，一個FPGA芯片負責控制開關量接口電路，MCP、MPI鍵盤接口電路，主軸接口電路，脈沖量伺服驅動裝置接口電路；另一個FPGA芯片負責控制脈沖量伺服驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。工業(yè)PC機通過PC104總線控制FPGA芯片。系統(tǒng)主板與PC機采用層疊結構，減小數(shù)控系統(tǒng)的體積。該硬件平臺充分利用FPGA芯片可靈活搭配的特性，無需改變硬件電路，即可構造基于PC機的開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)，能夠有效降低成本，并提升系統(tǒng)性能，為產業(yè)化提供較好的解決方案。

2 軟件平臺技術研究

采用DOS通用操作系統(tǒng)加實時擴展作為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺，對開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)的各種拓撲結構進行抽象和統(tǒng)一，通過對數(shù)控軟件的標準化和規(guī)范化研究，運用面向對象的機制將數(shù)控系統(tǒng)功能進行封裝，成為具有穩(wěn)定、通用接口的可重用軟件芯片，采用組件對象模型，運動控制器等核心組件支持用戶定制如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺

實時多任務API為系統(tǒng)提供實時開發(fā)環(huán)境，應用中與實時相關的模塊通過這一接口與數(shù)控系統(tǒng)的實時多任務調度模塊連接。通過實時多任務API，數(shù)控系統(tǒng)的實時應用程序與硬件是完全隔離的，可以針對不同應用的二次開發(fā)，只修改應用程序層軟件，而不需要對硬件進行設計改變，提高硬件的獨立性，從而提高系統(tǒng)的開放性[2]。利用應用平臺與應用程序的各種API，還可實現(xiàn)對系統(tǒng)功能的快速擴展[3]，因此，系統(tǒng)的二次開發(fā)就不需要了解數(shù)控系統(tǒng)內部具體細節(jié)，只需要利用相應的API就可完成，提供了數(shù)控系統(tǒng)開放性的軟件基礎。

軟件的菜單系統(tǒng)采用面向對象的消息傳遞機制，軟件對數(shù)控代碼文件的處理采用磁盤交換技術。軟件包含的模塊有：面向對象的消息響應表、字符串的顯示類、通用三維按鈕類、通用對話框類、基于消息響應的菜單類、基于磁盤交換技術的大數(shù)組類、全屏幕編輯器、數(shù)控參數(shù)顯示與編輯模塊、數(shù)控軌跡三維仿真顯示[4]、MDI模塊、PLC狀態(tài)顯示、刀庫刀具表顯示與編輯、數(shù)控系統(tǒng)運行狀態(tài)顯示。

3 數(shù)控系統(tǒng)平臺研究結論

基于工程化、產業(yè)化數(shù)控系統(tǒng)的研究目標，采用基于PC機制硬件平臺，使數(shù)控系統(tǒng)具有較好的開放性，在充分利用PC機的軟硬件技術、資源的基礎上，減少基本硬件組件的重復開發(fā)消耗，使數(shù)控系統(tǒng)平臺的可靠性得到較好保證[5]；易于提高數(shù)控系統(tǒng)硬件的可靠性和產業(yè)化；統(tǒng)一的硬件平臺能提高相同硬件生產數(shù)量，降低硬件生產成本，提高硬件質量，增強數(shù)控系統(tǒng)的一致性。

采用基于PC機制硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)，便于實現(xiàn)開放式、網(wǎng)絡化，數(shù)控系統(tǒng)的控制功能增加方便，升級速度加快；通過網(wǎng)絡化實現(xiàn)生產管理和生產效率的提升；開放式的系統(tǒng)為售后技術服務提供便利，網(wǎng)絡化控制還可以實現(xiàn)遠程故障診斷。

［1］吳智恒，徐旋波.數(shù)控機床技術發(fā)展趨勢［J］.機電工程技術，2004（9）：7-8，11.

［2］張志燕，李斌，朱國力，等.基于PC＋NC的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺的研究與應用［J］.機械與電子，2005（5）：6-8.

［3］賀超，唐厚軍.基于Linux的嵌入式開放性數(shù)控系統(tǒng)平臺的設計與開發(fā)［J］.電工技術，2009（9）：31-33.

［4］顏國林.基于Windows網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)［J］.長春大學學報，2013（12）：1541-1545.

［5］黃祖廣，張承瑞，趙欽志，等.數(shù)控系統(tǒng)功能安全標準綜述［J］.制造技術與機床，2013（8）：163-166.