基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究

摘 要：本文首先對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)目前的應(yīng)用現(xiàn)狀及其開放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀和其特征和意義進(jìn)行了闡述，并在此基礎(chǔ)上列舉PC數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與開放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)以及全軟件式數(shù)控系統(tǒng)等進(jìn)行了介紹，最后分析了開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）；開放式數(shù)控系統(tǒng)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；運(yùn)動(dòng)控制；接口；軟件化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.09.141

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分。然而，市面上用于生產(chǎn)加工的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的軟硬件設(shè)置大部分是為某一領(lǐng)域單獨(dú)設(shè)置的系統(tǒng)，在其他領(lǐng)域中是不能使用的，各個(gè)系統(tǒng)間的軟件信息交流和編寫方式也不盡相同，這就造就了各個(gè)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家控制系統(tǒng)的獨(dú)立自主、互不相容。隨著機(jī)床先進(jìn)控制系統(tǒng)和高度發(fā)展的制造業(yè)，各個(gè)行業(yè)之間加深了相互交流溝通，現(xiàn)有的數(shù)控控制系統(tǒng)則顯得相對(duì)單一，不能滿足現(xiàn)有的社會(huì)需求。在當(dāng)今制造業(yè)競爭日益激烈的今天，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)向信息化和快捷制造的方向發(fā)展。目前，由于中國工業(yè)化進(jìn)程加快，數(shù)控系統(tǒng)正發(fā)生翻天覆地的變化，已由傳統(tǒng)的單一、互不相容向開放合同用方向發(fā)展。

1 開放式CNC系統(tǒng)

目前，開放式CNC系統(tǒng)的研究取得一系列可喜的成果，由于科技的不斷創(chuàng)新與進(jìn)步，數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用已不單單局限于生產(chǎn)制造業(yè)，很多行業(yè)都有所涉獵，處在遍地開花的可喜形式中。盡管開放式數(shù)控系同種類繁多，但行內(nèi)對(duì)于開放式CNC系統(tǒng)有自己的定義方式，一般滿足以下特點(diǎn)即可判定為開放式CNC系統(tǒng)：

（1）可互操作性：各種功能模塊通過接口技術(shù)和通訊技術(shù)及性相互交流，在搭建的人機(jī)操作平臺(tái)上能夠以通用接口形式進(jìn)行通訊并獲得平等的操作權(quán)利。（2）可移植性：CNC系統(tǒng)的設(shè)備與功能軟件是相互獨(dú)立的，沒有必然聯(lián)系，也就是說系統(tǒng)的功能如主軸的控制，刀具的進(jìn)給速度都是用通用編程語言編寫的，適用于不同廠家生產(chǎn)的機(jī)床上，并通過通用接口技術(shù)進(jìn)行再不能機(jī)床上運(yùn)行。（3）靈活設(shè)置：可以靈活設(shè)置數(shù)控系統(tǒng)的功能和規(guī)模，使其易于修改，即可以添加更強(qiáng)大的硬件或軟件，又可以根據(jù)需求適當(dāng)減少其功能，以適應(yīng)低端用戶需求。（4）兼容性：構(gòu)成CNC系統(tǒng)的硬件模塊區(qū)別于傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)，在兼容性上進(jìn)行創(chuàng)新，不再單單為特定的企業(yè)定制，而是支持多單位多語言的編程控制并進(jìn)行無縫切換，在此基礎(chǔ)上不影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

近幾年，隨著有中國工業(yè)支柱制成的制造業(yè)的迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)的單一、互不相容的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足制造業(yè)對(duì)產(chǎn)品的生產(chǎn)需求，越來越多的企業(yè)開始研發(fā)便于行業(yè)交流的通用式數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，開放式數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生了。開放式的數(shù)控系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床單獨(dú)設(shè)置的操作系統(tǒng)，而采用了互聯(lián)網(wǎng)通用的Windows操作系統(tǒng)。高度一致的語言編程和通訊方式及流暢的人機(jī)界面感受是開放式數(shù)控系統(tǒng)很快被制造業(yè)所接受。

醉著工業(yè)計(jì)算機(jī)激活素的不斷發(fā)展和制造業(yè)的不斷創(chuàng)新形勢下，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越穩(wěn)定，同時(shí)制造原下料價(jià)格的會(huì)斷也導(dǎo)致了配備開放式CNC系統(tǒng)的機(jī)床采購價(jià)格大為降低。其優(yōu)越的操作性能和低廉的價(jià)格已經(jīng)使其在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中占據(jù)主流位置。

1.2 基于PC機(jī)與可編程控制器相融合的CNC系統(tǒng)

與工業(yè)PLC控制系統(tǒng)相類似，這種控制系統(tǒng)通過單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)控制器編寫相關(guān)程序用以對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)以及邏輯的控制，運(yùn)動(dòng)控制器常常采用工業(yè)計(jì)算機(jī)插槽插件得以實(shí)現(xiàn)。數(shù)控的編輯模塊以工業(yè)計(jì)算機(jī)為依托，軟件采用WINDOWS操作系統(tǒng)，并在功能上進(jìn)行擴(kuò)展、兼容。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了軟件的兼容性以及運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性，這是當(dāng)代數(shù)控的標(biāo)志性配置。

1.3 全軟件譜寫式CNC系統(tǒng)

軟件譜寫式CNC系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的主軸控制以及機(jī)床的邏輯控制上采用了基于軟件編寫的運(yùn)動(dòng)控制模塊。他不但容納了數(shù)控程序的編寫以及和諧的人機(jī)界面控制還支持基于實(shí)時(shí)控制算法的體驗(yàn)功能。與外界通訊主要采用工業(yè)總線模式，這種通訊模式與工業(yè)PLC通訊模式相類似，是目前的比較先進(jìn)的操作模式。

2 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

當(dāng)前，針對(duì)開放式CNC系統(tǒng)研究總結(jié)出以下幾種形式：

第一種被稱為衍生模式，具體表現(xiàn)為依托工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的NC+PC模式， 將控制機(jī)器硬件模塊前端接口應(yīng)用PC技術(shù)。具體的操作方式是再創(chuàng)痛的操作系統(tǒng)中嵌入一個(gè)通用計(jì)算機(jī)模塊，是新的操作系統(tǒng)具備個(gè)人PC機(jī)的運(yùn)算特點(diǎn)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是沒有改變原操作系統(tǒng)，通過對(duì)部分編寫器部分進(jìn)行插補(bǔ)、伺服控制以及幾口技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

第二種被稱為嵌入模式，具體表現(xiàn)為依托工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的NC控制卡+PC機(jī)。工業(yè)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)核心技術(shù)，通過在工業(yè)計(jì)算的的拓展槽中嵌入NC控制卡以實(shí)現(xiàn)其完備的數(shù)控加工功能[4]。組成系統(tǒng)后一般由工業(yè)計(jì)算機(jī)處理線下任務(wù)，由插入的NC控制卡完成實(shí)時(shí)任務(wù)的處理。

第三種被稱為擴(kuò)展模式，具體表現(xiàn)為依托工業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)的CNC接口板+PC機(jī)。工業(yè)計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)核心技術(shù)，通過在不需要改造的工業(yè)計(jì)算的拓展槽中嵌入CNC接口板以實(shí)現(xiàn)其完備的數(shù)控加工功能。新的操作系統(tǒng)具備個(gè)人PC機(jī)的運(yùn)算特點(diǎn)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是即能完成接口前端的非實(shí)時(shí)任務(wù)又能通過對(duì)部分編寫器部分進(jìn)行插補(bǔ)、伺服控制以及幾口技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

3 Windows系列操作平臺(tái)

開放式CNC系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)和全新人機(jī)界面后，系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)流暢，人機(jī)界面和諧，操作簡單，兼容性得到大大提升。系統(tǒng)的兼容性決定了系統(tǒng)的適應(yīng)性，軟硬件的升級(jí)使得系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境更為豐富；開放式系統(tǒng)引進(jìn)了適應(yīng)性極強(qiáng)的控制技術(shù)，可根據(jù)通訊編程需要自動(dòng)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，使系統(tǒng)時(shí)刻運(yùn)轉(zhuǎn)在最佳狀態(tài)；采用Windows操作系統(tǒng)可以與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，保證系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)時(shí)通訊更新相關(guān)資源。

4 結(jié)論

開放式CNC系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉單一式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為必然。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步開放式CNC系統(tǒng)在制造業(yè)的應(yīng)用越來越普及。開放式CNC系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)明顯，相同的編程代碼加深了各個(gè)領(lǐng)域智造信息的交流溝通。滿足了系統(tǒng)柔性制造技術(shù)的提出，為未來生產(chǎn)出高品質(zhì)集成產(chǎn)品奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1]游有鵬，董偉杰，張曉峰等.開放式數(shù)控系統(tǒng)-新一代NC的主流[J].航空制造術(shù)，1999（05）：35-49

[2]郭艷玲，趙萬生，董本志等.數(shù)控發(fā)展的趨勢[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000（09）：148-150.

作者簡介：郭勝德，男，山東壽光人，研究生，研究方向：數(shù)控。

指導(dǎo)教師：蔡漢明