摘要:在現(xiàn)代裝備制造業(yè)繁榮發(fā)展的過程中，裝備的功能和性能都取決于數(shù)控加工這一關(guān)鍵技術(shù)．在開放式數(shù)控系統(tǒng)上，以PMAC為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，分別對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與開發(fā)進(jìn)行了探討，構(gòu)建了比較完善的開放式數(shù)控系統(tǒng)．

在當(dāng)前的市場上，數(shù)控系統(tǒng)中的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)基本都是專用的，兼容性非常差，在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的過程中，缺點(diǎn)逐漸暴露出來．基于此，以PMAC為基礎(chǔ)，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化與開發(fā)，進(jìn)而構(gòu)建出比較完善的開放式數(shù)控系統(tǒng)．

1、基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)總體概述

在進(jìn)行開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)途徑是首先需要考慮的問題，對(duì)于開放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，要充分的考慮該系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)、開發(fā)的成本、開發(fā)的難度等因素，最終選擇出恰當(dāng)?shù)膶?shí)現(xiàn)方式，基于這些方面的因素，本文中采用的形式為IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器．所謂IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器形式，是指在IPC的基礎(chǔ)上，將可編程運(yùn)動(dòng)控制器嵌入進(jìn)去［1］．實(shí)際上，此種系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)為IPC，而核心性的部件為可編程運(yùn)動(dòng)控制器，這種形式的開放式數(shù)控系統(tǒng)所具備的擴(kuò)展性是非常好的，當(dāng)用戶需要進(jìn)行

再次開發(fā)時(shí)，該形式完全支持．此系統(tǒng)的開放性有兩級(jí)，一個(gè)是上級(jí)，另一個(gè)是下級(jí)．除了具備成本低的優(yōu)點(diǎn)之外，對(duì)于用戶自定義的軟件，在系統(tǒng)中能夠比較好的運(yùn)行，與傳統(tǒng)的CNC相比，該系統(tǒng)界面所具備的友好性更優(yōu)．

2、硬件模塊開發(fā)

2．1總體結(jié)構(gòu)

基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行開發(fā)時(shí)，PMAC型號(hào)的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)．在本文研究開發(fā)的系統(tǒng)中，選擇的運(yùn)動(dòng)控制卡為PMACC2A－PC104型，這個(gè)型號(hào)的運(yùn)動(dòng)控制卡屬于板卡級(jí)產(chǎn)品，比較適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中．控制卡具備十分緊湊的結(jié)構(gòu)，在使用的過程中成本比較少，具備比較高的經(jīng)濟(jì)性［2］．

根據(jù)上面的闡述可知，本文中開發(fā)的基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式為IPC+可編程運(yùn)動(dòng)控制器，此可編程運(yùn)動(dòng)控制器選擇的就是PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡．由此，開放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)形式為IPC+PMAC，在開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)中，選擇的IPC為上位機(jī)，主要的職責(zé)就是完成非實(shí)時(shí)性的任務(wù)，比如系統(tǒng)管理等，對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)的資源，合理的進(jìn)行分配，在傳遞信息時(shí)，速度非常快．運(yùn)動(dòng)控制卡的主要任務(wù)是進(jìn)行控制，控制的對(duì)象為運(yùn)動(dòng)軸，具備極強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)，還擔(dān)負(fù)采集的職責(zé)，各軸的測量信息都在采集的范圍之內(nèi)．I/O卡的主要功能是輸入和輸出，當(dāng)各種開關(guān)量信號(hào)需要進(jìn)行輸入或輸出時(shí)，I/O卡就開始工作，其所完成的也是實(shí)時(shí)性的任務(wù)．

圖1IPC+PMAC總體結(jié)構(gòu)圖

2．2工控機(jī)

工控機(jī)是指工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，在工業(yè)環(huán)境中，其運(yùn)行具備較高的可靠性，與傳感器等裝備能夠?qū)崿F(xiàn)直接連接，從而有效地完成測控任務(wù)．無論是生產(chǎn)現(xiàn)場還是機(jī)械設(shè)備的組成部分，工控機(jī)都可以實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用，在生產(chǎn)現(xiàn)場，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制任務(wù)，而當(dāng)工控機(jī)作為機(jī)械設(shè)備的組成部分時(shí)，主要的就是完成控制任務(wù)［3］．工控機(jī)的性能非常的穩(wěn)定，在運(yùn)算時(shí)，具備很快的速度．除此之外，工控機(jī)還具備兩大優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)是可靠性高，另一個(gè)是具備較高的環(huán)境適應(yīng)能力．基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)在開發(fā)的過程中，模擬的是工業(yè)環(huán)境，因此系統(tǒng)中選擇的工控機(jī)型號(hào)為PLK－450，此種型號(hào)的工控機(jī)在嵌入PMAC卡時(shí)，便捷性非常好．另外，工控機(jī)所配備的接口為USB型，即使PMAC卡與工控機(jī)之間的安裝形式分裝，通信也能夠有效的保證．

2．3主基板

在開放式數(shù)控系統(tǒng)中，需要對(duì)5個(gè)軸進(jìn)行控制，而PMACC2A－PC104在進(jìn)行控制時(shí)，可以同時(shí)對(duì)4個(gè)軸進(jìn)行控制，這就需要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行擴(kuò)展．在數(shù)控系統(tǒng)中，主卡為此型號(hào)的運(yùn)動(dòng)控制卡，隨后添加一個(gè)副卡，副卡選擇的是ACC－1P軸擴(kuò)展板，此擴(kuò)展板同樣具備4個(gè)通道．由此一來，數(shù)控系統(tǒng)中所具備的軸數(shù)就增加為8個(gè)．

2．4I/O板

對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)來說，除了要執(zhí)行運(yùn)動(dòng)程序之外，還需要執(zhí)行邏輯控制程序．通常來說，原點(diǎn)、限位、主軸功能等都是數(shù)控系統(tǒng)中需要處理的邏輯變量，在對(duì)這些邏輯變量進(jìn)行處理時(shí)，多是由可編程邏輯控制器來進(jìn)行．在開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，原點(diǎn)和限位的處理可以由主卡來進(jìn)行，而其他的邏輯處理則需要利用I/O板來實(shí)現(xiàn)，并且要對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的實(shí)現(xiàn)也是由擴(kuò)展板來實(shí)現(xiàn)，型號(hào)為ACC－2P．

3、軟件結(jié)構(gòu)開發(fā)

3．1軟件開發(fā)核心技術(shù)

在開放式數(shù)控系統(tǒng)中，軟件是十分重要的組成部分，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能有著重要的影響．在進(jìn)行控制系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)，要注意以下四個(gè)方面的技術(shù)問題:第一，合理的選擇軟件開發(fā)平臺(tái)．軟件開發(fā)需要通過相應(yīng)的開發(fā)平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行控制系統(tǒng)的軟件開發(fā)平臺(tái)搭建時(shí)，平臺(tái)除了要具備軟件開發(fā)的功能之外，還需要蘊(yùn)含十分豐富的開發(fā)資源，以便于二次開發(fā)或后續(xù)使用的實(shí)現(xiàn)．在進(jìn)行基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)時(shí)，以Windows2000為操作平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā)，同時(shí)，開發(fā)資源來源于PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫［5］;第二，插補(bǔ)算法的確定．當(dāng)前，在控制機(jī)床軌跡時(shí)，采用的插補(bǔ)策略為粗插補(bǔ)和精插補(bǔ)結(jié)合的方式，然而在進(jìn)行插補(bǔ)的過程中，受到采樣頻率的制約，在一些中低速場合中，此種方法具備很好的插補(bǔ)效果，但是如果是高速高精度場合，此種插補(bǔ)策略無法滿足要求．基于此，在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，選擇的插補(bǔ)算法為高速高精度，這在PMAC具備的功能中可以很好的實(shí)現(xiàn);第三，注重軟件伺服控制的性能．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的主要目的是對(duì)數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制，在實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的過程中，最終的部分就是伺服控制，通過伺服控制的功能，使得數(shù)控加工過程中，精度和速度都能夠滿足加工的要求．因此，在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，就必須要十分注重軟件伺服控制的性能，在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡中，所提供的算法為數(shù)字PID伺服控制，由此一來，伺服控制所具備的性能就非常的優(yōu)良;第四，保證軟件開發(fā)的可靠性及效率．?dāng)?shù)控系統(tǒng)中的軟件所承擔(dān)的任務(wù)是比較多的，在軟件設(shè)計(jì)的過程中，必須要保證軟件具備完成這些任務(wù)的功能，由此導(dǎo)致軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)的復(fù)雜性比較高，為了保證軟件開發(fā)具備較高的可靠性，同時(shí)在保證性能的基礎(chǔ)上盡量地縮短開發(fā)周期，就需要采用恰當(dāng)?shù)拈_發(fā)語言．在PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫中，能夠?qū)崿F(xiàn)高級(jí)語言開發(fā)的支持．因此，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用的設(shè)計(jì)方法為模塊化程序設(shè)計(jì)，進(jìn)而不但滿足了可靠性及高效率的要求，而且在軟件使用的過程中，維護(hù)非常的簡單［6］．

3．2數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

具體說來，開放式數(shù)控系統(tǒng)在進(jìn)行軟件開發(fā)時(shí)，主要包含兩個(gè)部分，一部分是PMAC實(shí)時(shí)控制軟件，另一個(gè)部分是系統(tǒng)管理軟件．對(duì)于PMAC實(shí)時(shí)控制軟件，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開放性是必須要充分考慮的因素，不同的用戶具備不同的功能需求，開發(fā)出來的PMAC實(shí)時(shí)控制軟件要支持用戶增加軟件功能模塊;而對(duì)于系統(tǒng)管理軟件來說，所承擔(dān)的功能并不具備實(shí)時(shí)性，比如系統(tǒng)初始化、故障診斷、系統(tǒng)進(jìn)程管理等．軟件開發(fā)的進(jìn)行需要以系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為依據(jù)．首先，分析系統(tǒng)的需求功能;其次，根據(jù)系統(tǒng)功能，對(duì)軟件所承擔(dān)的功能進(jìn)行有效地劃分;最后，以Windows2000操作平臺(tái)以及開發(fā)資源為基礎(chǔ)，完成軟件開發(fā)［7］．

開放式數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件具備開放性的特征，主要包含五個(gè)層次，這五個(gè)層次的不同功能形成了控制軟件的體系結(jié)構(gòu)，見圖2．開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)最關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是在操作系統(tǒng)的選擇上，因?yàn)樗且粋€(gè)實(shí)時(shí)的多任務(wù)控制系統(tǒng)，也只有這樣，才能確保數(shù)控系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性．

控制軟件的開發(fā)在Windows2000平臺(tái)上進(jìn)行，采用的開發(fā)語言為VB語言，在數(shù)控系統(tǒng)中，大部分的任務(wù)都是實(shí)時(shí)性任務(wù)．因此，PMAC與IPC之間通信的建立、故障診斷、參數(shù)輸入等都是軟件開發(fā)過程中的重點(diǎn)．在PMAC運(yùn)動(dòng)控制器中，包含軟件包Pcomm32，此軟件包具備較強(qiáng)的開放性，同時(shí)，其中還包含ActiveX通信空間，當(dāng)IPC與PMAC通信時(shí)，只需通過這兩項(xiàng)功能就可以有效地實(shí)現(xiàn)通信．由此一來，通信設(shè)計(jì)中比較繁瑣的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)就可以直接省略，提升了軟件開發(fā)的效率．除了開放性之外，利用VB語言開發(fā)出來的軟件具備的可移植性也非常好．通過Windows2000與VB語言的有效結(jié)合，再加上編程時(shí)采用面向?qū)ο蠓?，保證了軟件開發(fā)的可靠性．同時(shí)，PMAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫中具備豐富的開發(fā)資源，促使軟件開發(fā)的順利實(shí)現(xiàn)，也保證了軟件基本功能的實(shí)現(xiàn)．

圖2控制軟件的體系結(jié)構(gòu)

4、結(jié)論

數(shù)控技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用促進(jìn)了現(xiàn)代裝備制造業(yè)的繁榮發(fā)展，在應(yīng)用數(shù)控技術(shù)的過程中，需要通過數(shù)控系統(tǒng)來對(duì)其進(jìn)行控制，以便于保證數(shù)控加工的速度及精度．原有的數(shù)控系統(tǒng)所具備的開放性不足，為了改善這個(gè)問題，在PMAC的基礎(chǔ)上，開發(fā)了開放式的數(shù)控系統(tǒng)．在明確系統(tǒng)的總體框架之后，通過相應(yīng)的硬件模塊開發(fā)與軟件結(jié)構(gòu)開發(fā)，不僅保證了數(shù)控系統(tǒng)的開放性，同時(shí)提升了數(shù)控系統(tǒng)的性能，有效地實(shí)現(xiàn)了控制，最終推進(jìn)了現(xiàn)代裝備制造業(yè)長久的發(fā)展．

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