前言：由于計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及其標(biāo)準(zhǔn)化和開放性，推動了數(shù)控技術(shù)的更新?lián)Q代，許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，即基于PC的模塊化、可重構(gòu)、可擴充的數(shù)控系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞：三軸連動、 數(shù)控系統(tǒng) 、PC 基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為四種類型 : PC連接CNC型 該類型系統(tǒng)是用通用的串行線將現(xiàn)有的原型CNC與PC相連而組成的。該系統(tǒng)容易實現(xiàn)，原型的CNC幾乎可以不加修改地進行利用。也可使用通用的軟件，但是其原型CNC不能實現(xiàn)開放化，并且系統(tǒng)的通訊、響應(yīng)速度慢。 PC嵌入CNC型 該類型系統(tǒng)是將PC裝入到CNC內(nèi)部，PC與CNC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時 ，原型CNC系統(tǒng)也可不加修改就可以利用，但是不能直接地利用通用PC，開放性受到限制。 NC嵌入PC型 該類型系統(tǒng)是在通用PC的擴展槽中插入專用的CNC卡組成的。它能夠充分地保證系統(tǒng)性能，軟件的通用性強，并且編程處理靈活。 全軟件型NC 該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC進行處理，并通過裝在PC的擴展槽的伺服接口卡對伺服驅(qū)動等進行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。但是，實時處理的實現(xiàn)比較困難，并較難保證系統(tǒng)的性能，同時原型CNC資源難以利用。 本系統(tǒng)著眼于經(jīng)濟型數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設(shè)計，選擇NC嵌入PC型進行開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)研究。以PC機+運動控制器為控制系統(tǒng)核心，系統(tǒng)的控制軸數(shù)為4軸，聯(lián)動軸數(shù)為3軸，驅(qū)動元件為步進電動機。本系統(tǒng)在Windows環(huán)境下用C++語言實現(xiàn)，軟件的設(shè)計采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法。 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 運動控制器的選擇 運動控制器，就是利用高性能微處理器（如DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個電機的多軸協(xié)調(diào)控制，具體就是將實現(xiàn)運動控制的底層軟件和硬件集成在一起，使其具有電機控制所需的各種速度、位置控制功能。這些功能能通過計算機方便地調(diào)用。本系統(tǒng)采用以DSP運動控制專用芯片MCX314為核心的運動控制器。MCX314芯片是日本NOVA電子有限公司研制的DSP運動控制專用芯片，性能優(yōu)良，接口簡單，編程方便，工作可靠，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床、機器人等領(lǐng)域的運動控制。 芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口，通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控，實現(xiàn)直線、圓弧、位元3種模式的軌跡插補，輸出脈沖頻率達4MHz。每軸都有伺服反饋輸入端、4個輸入點和8個輸出點，能獨立地設(shè)置為恒速、線性或S曲線加/減速控制方式，并有2個32位的邏輯、實際位置計數(shù)器和狀態(tài)比較寄存器。MCX314芯片主要功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。 I/O接口設(shè)計 以MCX314芯片為核心的運動控制器通過ISA總線實現(xiàn)PC機與運動器之間的信息傳遞，每個軸分別由脈沖輸出信號、通用輸出信號、方向限制信號、停止信號和編碼器輸入信號構(gòu)成數(shù)字接口。脈沖輸出接口直接與步進電機連接，控制電機運動;編碼器輸入接口接收來自電機上編碼器的反饋數(shù)據(jù)，實現(xiàn)半閉環(huán)控制。運動控制器占用16個連續(xù)的ISA總線I/O地址空間，分別用于數(shù)據(jù)的讀寫、指令寫以及狀態(tài)寄存器的讀寫。硬件組成如圖2所示。 2.3 系統(tǒng)硬件工作原理 1臺PC機、標(biāo)準(zhǔn)鍵盤、鼠標(biāo)器和CRT彩色顯示器組成。PC機作為整個系統(tǒng)的主控制器，實現(xiàn)人機界面管理、NC文件編輯和預(yù)處理及加工監(jiān)控等功能。NC文件的手工編輯和操作指令的輸入由標(biāo)準(zhǔn)鍵盤完成，而CRT彩色顯示器則用于顯示人機界面實現(xiàn)加工過程的二維軌跡動態(tài)顯示。運動控制器以MCX314芯片為核心，以8位數(shù)據(jù)對MCX314芯片進行控制。MCX314的時鐘頻率由外部設(shè)定。本系統(tǒng)選用MCX314默認(rèn)的16MHz頻率作為時鐘信號。ISA的數(shù)據(jù)線經(jīng)雙向驅(qū)動與MCX314的數(shù)據(jù)線相連接，由MCX314內(nèi)部決定其數(shù)據(jù)具體送往哪一個寄存器。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 軟件平臺-的選擇 Windows具有操作界面友好、程序開發(fā)相對容易、開發(fā)程序可移植性好等優(yōu)點，同時具有高精度的實時響應(yīng)特性和搶占式多任務(wù)調(diào)度機制，因此在Windows下開發(fā)實時多任務(wù)系統(tǒng)具有天然的優(yōu)勢。Windows有兩個有利于數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的特點:首先，提供高精度的實時響應(yīng)。這種實時功能是基于中斷的，不需要與硬件打交道，而且可同時使用多個實時事例。實時響應(yīng)的精度很高，完全能滿足數(shù)控技術(shù)的要求。其次，支持多線程。線程是32位操作系統(tǒng)的主要特點，它具有一系列的優(yōu)點。對數(shù)控系統(tǒng)來說，最有用的特征是它支持搶占式的多任務(wù)機制，實時響應(yīng)速度高，而各線程之間互不干擾。便于功能的擴充與剪裁。在Windows下實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)，可充分利用這兩個優(yōu)點。因此，Windows操作平臺是一個首選的軟件平臺。 編程語言平臺的選擇 編程語言與軟件開發(fā)效率、運行效率密切相關(guān)，本系統(tǒng)采用 C++語言，運行在Borland C++ Builder環(huán)境中。C ++ Builder是一個面向?qū)ο蟮目梢暬幊唐脚_，應(yīng)用于3 2位Windows應(yīng)用程序的快速開發(fā)。在C + + Builder中編程，可以實現(xiàn)用最小的代碼開銷編寫出高效率的Windows應(yīng)用程序。 軟件結(jié)構(gòu)實現(xiàn) 系統(tǒng)軟件分為兩部分:一部分是主控模塊，分為參數(shù)配置、程序、加工、手動、顯示、圖形等模塊；另一部分是以MCX314芯片為核心的運動控制器部分。主控模塊與MCX314通信，讀取其寄存器的狀態(tài)值，并根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)，向MCX314發(fā)送相關(guān)的控制指令，兩部分密切相聯(lián)。系統(tǒng)啟動后，將根據(jù)系統(tǒng)的配置文件中的設(shè)置，加載配置文件。然后啟動系統(tǒng)的主控模塊，與MCX314進行通信，讀取芯片的寄存器參數(shù)，并將相關(guān)的值傳輸?shù)斤@示模塊中。 調(diào)用程序模塊:進行數(shù)控加工程序段的編輯或文件的傳輸。 調(diào)用加工模塊:可以對選中的數(shù)控程序進行譯碼，然后將譯碼后的指令傳輸給MCX314，由MCX314運動控制器發(fā)出相應(yīng)的脈沖指令，控制各軸電機的動作。 調(diào)用手動控制模塊:系統(tǒng)處于手動狀態(tài)，按下各軸的手動控制鍵，MCX314運動控制器將向相應(yīng)軸的電機發(fā)送脈沖指令，使其動作。 調(diào)用圖形模塊:用于在加工程序前，校驗加工程序是否符合圖紙要求，調(diào)用此功能，將在屏幕上模擬加工出當(dāng)前程序的加工圖形，同時，在加工過程中，調(diào)用此功能模塊，將以圖形化的形式顯示刀具的運行軌跡。 運動控制器軟件設(shè)計 系統(tǒng)使用C++ Builder對MCX314的指令系統(tǒng)進行了重新的封裝，通過主控程序與該封裝后的運動控制器程序的通信，實現(xiàn)預(yù)期的動作。利用C++ Builder對其進行封裝，該程序模塊具有很好的開放性，程序模塊分為define.h、mcxfunc.c和mcx314.c等三部分。 為了描述和編程方便，根據(jù)運動控制器電路及MCX314寄存器和指令系統(tǒng)的功能含義，定義了相關(guān)的變量到define.h文件中。程序中根據(jù)狀態(tài)寄存器的各位的意義分為軸的運動狀態(tài)位、軸的停止?fàn)顟B(tài)位、軸的出錯狀態(tài)位、中斷源標(biāo)志位等四類，分別用于對讀寫的代碼作出定義。例如: //軸的中斷源標(biāo)識位 #define STA_INT_PLS 0x01 //pulse #define STA_INT_PGCM 0x02 //P>=C- #define STA_INT_PLCM 0x04 //P=C+ #define STA_INT_CEND 0x20 //C-END #define STA_INT_CSTA 0x40 //C-STA #define STA_INT_DEND 0x80 //D-END 對MCX314運動控制器的功能封裝，實現(xiàn)了三軸聯(lián)動的功能，并且能夠通過調(diào)用軟件提供的直線、圓弧插補函數(shù)，對各運動軸的狀態(tài)讀取，實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的運動控制功能;同時提供的工作模式函數(shù)，可以實現(xiàn)自動與手動的切換;軟件提供的通用輸入輸出功能可以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)對機床的切削液、自動刀架和電動夾具的控制，可以取代傳統(tǒng)數(shù)控機床的PLC控制部分，節(jié)省硬件成本。 主控模塊設(shè)計 系統(tǒng)的主控模塊主要負(fù)責(zé)調(diào)度各功能模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化、參數(shù)的管理、數(shù)控程序的編輯、手動功能實現(xiàn)、加工狀態(tài)的顯示和與MCX314進行通訊等功能。系統(tǒng)啟動的時候，調(diào)用參數(shù)配置模塊，實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化。同時，在系統(tǒng)運行時，用戶可以隨時調(diào)用參數(shù)管理，對相關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)進行修改。系統(tǒng)初始化結(jié)束后，將進入顯示模塊，對數(shù)控系統(tǒng)各項功能進行實時顯示，并對指令作出相應(yīng)的動作。在本系統(tǒng)中，我們利用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤，對其部分鍵進行了功能定義，如F7定義為加工模塊的調(diào)用、F8為程序模塊的調(diào)用、F9為圖形仿真模塊、F10為顯示位置模塊、F11為手動模式和F12為參數(shù)設(shè)置模塊。同時，又定義F1～F6為各功能模塊的子功能的切換鍵。原理框圖如圖3所示。

[IMG=系統(tǒng)主控模塊框圖]/uploadpic/THESIS/2007/12/20071214112523558823.jpg[/IMG]

圖3 系統(tǒng)主控模塊框圖

人機界面的開放 用戶界面作為人機接口起著重要作用。良好的用戶界面能夠方便地處理各種經(jīng)常進行的交互對話，并且操作簡便，提高效率。 系統(tǒng)的顯示界面 顯示當(dāng)前機床的運行狀態(tài)，如機床的指令位置（即邏輯位置）、實際位置、進給速度及切削液開關(guān)等。在系統(tǒng)運行過程中，可以通過按動位置（鍵盤設(shè)定為F10）即可進入該功能。其運行界面如圖4所示:

[IMG=顯示界面]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121411253192691B.jpg[/IMG]

圖4 顯示界面

用戶輸入輸出界面 該模塊實現(xiàn)用戶的輸入、系統(tǒng)的輸出。用戶輸入的主要功能是讓用戶輸入數(shù)控代碼，發(fā)出控制命令，進行系統(tǒng)的參數(shù)配置。用戶輸入的代碼采用ISO標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼。圖5所示為用戶程序輸入、編輯的界面圖形:

[IMG=編輯界面]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121411254082721A.jpg[/IMG]

圖5 編輯界面

系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置界面 用于設(shè)置系統(tǒng)與機床相關(guān)的參數(shù)，如機床的機械行程、最大進給速度、是否有編碼器、是否啟用軟限位及軟限位的數(shù)值和X軸方向編程方式（直徑編程還是半徑編程）等，通過設(shè)置這些數(shù)值并將這些數(shù)值存儲到相關(guān)的配置文件，系統(tǒng)可以在初始化的時候調(diào)用上一次保存的配置。在操作中，如果相關(guān)的參數(shù)有了改變，則可以即時調(diào)用初始化程序作出改變。 系統(tǒng)的仿真加工界面 本系統(tǒng)建立了線程TrdGraphic，利用編譯器提供的TCanvas類為基類建立了一系列的圖形類，如CShap（建立加工工件的圖形）、CTool（加工刀具的圖形）等。圖形仿真時，讀取數(shù)控加工程序并在屏幕上繪出刀具及工件的二維仿真加工圖形，用戶可以將圖形放大、縮小觀看加工的細(xì)節(jié)。

[IMG=參數(shù)設(shè)置界面]/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121411254838260B.jpg[/IMG]

圖6 參數(shù)設(shè)置界面

[IMG=仿真加工界面]/uploadpic/THESIS/2007/12/20071214112553300426.jpg[/IMG]

圖7 仿真加工界面

結(jié)束語 本數(shù)控系統(tǒng)控制功能較強，可實現(xiàn)三軸聯(lián)動控制功能，能夠進行三軸直線插補和任意兩軸的圓弧插補;具有友好的人機界面。采用Windows風(fēng)格界面，用戶不需要進行特別的培訓(xùn)即可很快的進行NC文件編輯與處理，實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的主控模塊、顯示、自動加工、手動、參數(shù)設(shè)置、仿真和程序編輯等功能。 開放式數(shù)控系統(tǒng)以其極大的優(yōu)越性，已經(jīng)成為未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。采用PC機總線結(jié)構(gòu)和模塊功能，可以為軟件開發(fā)和功能擴展提供優(yōu)良平臺，使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向大大發(fā)展。