1 前言

　　數(shù)控系統(tǒng)按照控制裝置來(lái)劃分，主要有硬件數(shù)控系統(tǒng)和軟件數(shù)控系統(tǒng)。硬件數(shù)控系統(tǒng)的所有功能均有硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如第一、二代NC 系統(tǒng);而數(shù)控系統(tǒng)的部分或全部功能采用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)后就成為了軟件數(shù)控，如第三、四代CNC 或MNC 系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全軟件數(shù)控系統(tǒng)將成為數(shù)控系統(tǒng)的主流。

　　數(shù)控系統(tǒng)一般由硬件和軟件兩個(gè)部分組成。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)中，硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立、彼此封閉。

　　隨著數(shù)控系統(tǒng)的功能越來(lái)越復(fù)雜，以及用戶要求定制和裁剪數(shù)控系統(tǒng)功能的呼聲越來(lái)越高，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)越來(lái)越暴露其本質(zhì)的缺陷：一方面，各控制系統(tǒng)間互連、互操作性差影響了整個(gè)系統(tǒng)的集成、維護(hù)和功能擴(kuò)展，各廠家不同數(shù)控系統(tǒng)風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但導(dǎo)致用戶培訓(xùn)成本的增加，還給數(shù)控設(shè)備的最終用戶帶來(lái)諸多不便;另一方面，數(shù)控系統(tǒng)的封閉性造成數(shù)控設(shè)備制造商對(duì)系統(tǒng)制造商的過(guò)度依賴，不利于將整臺(tái)設(shè)備的其他控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的技術(shù)工藝集成為一個(gè)完整、無(wú)縫的控制系統(tǒng)，并形成自己的產(chǎn)品，導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)發(fā)投資大、周期長(zhǎng)、更新?lián)Q代慢，不利于產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。

　　自上世紀(jì)90 年代以來(lái)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的飛速發(fā)展為數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放化奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已成為世界各國(guó)數(shù)控廠商開(kāi)展競(jìng)爭(zhēng)的重點(diǎn)領(lǐng)域。

　　開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)都采用模塊化結(jié)構(gòu)，在軟件和硬件上均可靈活配置，即可通過(guò)修改硬件的基本配置或改變軟件各層面的控制，并且允許第三方來(lái)開(kāi)發(fā)或集成新的軟硬件，為新技術(shù)的產(chǎn)生提供了強(qiáng)大的發(fā)展基礎(chǔ)。因此，一個(gè)開(kāi)放的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該在系統(tǒng)平臺(tái)上滿足可擴(kuò)展性、可移植性、互換性和互操作性等要求。

2 基于PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)

　　系統(tǒng)平臺(tái)包括系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件。

　　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)的不同，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)主要有：PC 嵌入NC、NC 嵌入PC、純PC 型等三種結(jié)構(gòu)形式。這里選取PC 機(jī)及標(biāo)準(zhǔn)接口的運(yùn)動(dòng)控制卡作為系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，選取Windows 操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，搭建基于PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，這是因?yàn)椋?/span>

　　(1)PC 技術(shù)不斷發(fā)展，基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)具有可持續(xù)發(fā)展的空間。自1981 年IBM 正式推出PC 機(jī)到現(xiàn)在，PC 機(jī)發(fā)生了翻天覆地的變化，特別是64 位PC 機(jī)出現(xiàn)后，PC 機(jī)的處理速度、存儲(chǔ)量及各種功能均得到了顯著提升，并且PC 機(jī)的功能仍在不斷加強(qiáng)和升級(jí)。由于PC 的向下兼容性，為基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)可以隨著PC 技術(shù)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。(2)PC 機(jī)是一種基于總線的具有開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，易于標(biāo)準(zhǔn)化、普及化。

　　PC 機(jī)軟硬件結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化以及基于總線的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，使基于PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)成為可能。PCbased開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在硬件上以PC 機(jī)為基礎(chǔ)，為用戶提供通用的、標(biāo)準(zhǔn)化的硬件平臺(tái)，摒棄了原有的基于專用計(jì)算機(jī)的封閉式體系結(jié)構(gòu);在軟件上，以Windows 操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)為用戶提供軟件平臺(tái)，基于Windows 操作系統(tǒng)的CNC 系統(tǒng)軟件具有更大的柔性和良好的可移植性和可擴(kuò)展性;同時(shí)基于Windows 的PC 機(jī)在圖形、圖像和視頻方面的處理能力大大加強(qiáng)，為數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)支持。因此，使用通用PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)完全有能力在性能上趕上或超過(guò)專用數(shù)控系統(tǒng)，便于數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化。

　　該數(shù)控平臺(tái)可分為三個(gè)層次：硬件層、系統(tǒng)軟件層、應(yīng)用軟件層。

　　硬件層中的各種硬件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通用的系統(tǒng)總線(如PCI)連接在一起，通過(guò)通用總線用戶可以方便的加入購(gòu)買(mǎi)的第三方硬件或自己的硬件。PC 的通訊聯(lián)網(wǎng)、電子郵件、語(yǔ)音、視頻等多種功能都是通過(guò)附加擴(kuò)展卡的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于數(shù)控專用硬件，也可以通過(guò)附加卡的形式插入到總線插槽中。應(yīng)用軟件層則是通過(guò)操作系統(tǒng)和相關(guān)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嵤?duì)硬件資源的使用和控制。這種開(kāi)放架構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái)允許數(shù)控系統(tǒng)完成諸如開(kāi)放式數(shù)據(jù)庫(kù)連接、目標(biāo)的連接和嵌入、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換和動(dòng)態(tài)連接等。并且在這個(gè)平臺(tái)上可以運(yùn)行其它應(yīng)用軟件如CAD/CAM、PDM、ERP 等。3 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分

　　3.1 系統(tǒng)功能的劃分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)的功能包括系統(tǒng)必備的基本功能和選擇功能?；竟δ苁菙?shù)控系統(tǒng)必備的功能，如軸控制功能(主軸功能、進(jìn)給功能)、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、程序預(yù)處理功能、任務(wù)調(diào)度與協(xié)調(diào)管理功能、人機(jī)交互功能、補(bǔ)償功能、自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能。

　　3.2 系統(tǒng)任務(wù)的劃分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[6]。系統(tǒng)任務(wù)主要?jiǎng)澐譃檩o助管理和加工控制兩大任務(wù)。加工控制任務(wù)是直接與NC 程序運(yùn)行相關(guān)的任務(wù)，包括譯碼、刀補(bǔ)、插補(bǔ)計(jì)算、速度控制、位置控制等;輔助管理任務(wù)包括數(shù)據(jù)輸入輸出管理、I/O 處理、顯示和診斷等。

　　數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)任務(wù)必須協(xié)調(diào)，管理與控制的某些任務(wù)必須同步?；赑C 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，Windows 操作系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)操作系統(tǒng)，它允許多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，在線程的內(nèi)部使用基于消息傳遞機(jī)制的任務(wù)管理[7]。因此，研究Windows 環(huán)境下數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)劃分機(jī)制及數(shù)控系統(tǒng)各任務(wù)的屬性和相互關(guān)系，將為多任務(wù)并行處理提供依據(jù)。

　　3.3 多任務(wù)并行處理機(jī)制數(shù)控系統(tǒng)中，管理和控制的某些任務(wù)必須同步進(jìn)行，而一旦發(fā)生突發(fā)事件，系統(tǒng)必須迅速作出反應(yīng)。為了提高運(yùn)算速度和PC資源的利用率，這就需要引入多任務(wù)并行處理機(jī)制和實(shí)時(shí)中斷處理。

4 PC-based 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

　　PC-based 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是將專用模板(運(yùn)動(dòng)控制及I/O卡)插到通用的PC 機(jī)種構(gòu)成的單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。其中，PC 機(jī)主要完成數(shù)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性較弱的任務(wù)并對(duì)全系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，而實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的任務(wù)則由運(yùn)動(dòng)控制卡及各種I/O 處理單元來(lái)完成。

　　CPU 主板、顯卡、網(wǎng)卡等構(gòu)成PC 的基本配置，其外設(shè)有磁盤(pán)、光驅(qū)、顯示器等，運(yùn)動(dòng)控制卡是完成多軸伺服控制和I/O 控制的核心，它采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能為用戶提供一個(gè)自定義的實(shí)時(shí)操作環(huán)境，通過(guò)各種運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，便于數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。

5 PC-based 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)的基本功能是由各種功能子程序?qū)崿F(xiàn)的，主要有加工過(guò)程的協(xié)調(diào)控制、狀態(tài)參數(shù)的顯示、工藝參數(shù)設(shè)置和修改、程序文件管理以及故障診斷報(bào)警等功能模塊。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，按照功能分割法將整個(gè)軟件劃分為多個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立的軟件模塊，便于系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)維護(hù)和功能擴(kuò)展。

　　(1)人機(jī)界面模塊：加工狀態(tài)信息的顯示、故障診斷及報(bào)警信息的顯示，系統(tǒng)管理接口等。(2)文件管理模塊：工藝參數(shù)及程序文件管理。

　　(3)參數(shù)設(shè)置模塊：各種參數(shù)的設(shè)置、修改及備份。

　　(4)數(shù)據(jù)處理模塊：NC 代碼解釋、主軸速度處理等。

　　(5)任務(wù)協(xié)調(diào)模塊：控制系統(tǒng)在各方式下的執(zhí)行流程，協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

　　(6)運(yùn)動(dòng)控制模塊：發(fā)送脈沖指令，控制主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給速度，協(xié)助運(yùn)動(dòng)控制卡完成對(duì)運(yùn)動(dòng)細(xì)節(jié)的控制。

　　為便于系統(tǒng)的升級(jí)維護(hù)和功能模塊的改動(dòng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊的可更換性和可擴(kuò)展性，各模塊之間需通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)通信。

6 結(jié)論

　　本文對(duì)PC-based 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)思路進(jìn)行了論述，對(duì)于探索開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

　　由于PC 的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)，隨著PC 技術(shù)及運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)的飛速發(fā)展，構(gòu)建PC-based 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)十分便利，并具有諸多優(yōu)勢(shì)。通過(guò)搭建基于“PC+運(yùn)動(dòng)控制板卡”式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，充分發(fā)揮我國(guó)的軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可以提高我國(guó)數(shù)控系統(tǒng)的自主研發(fā)能力，并逐漸擺脫對(duì)國(guó)外專用數(shù)控系統(tǒng)的依賴，創(chuàng)立自主知識(shí)版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)。