基于PC機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)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(xué)，廣西南寧 530006）

數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)技術(shù)是制造業(yè)前沿技術(shù)之一，基于PC機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)用化、工程化方面具有明顯的發(fā)展優(yōu)勢(shì)[1[，能夠適應(yīng)當(dāng)前FMC/FMS制造環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)化制造的需要。

1 硬件平臺(tái)技術(shù)研究

國(guó)內(nèi)外對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)有很多規(guī)范性的研究和應(yīng)用，結(jié)合產(chǎn)業(yè)化的行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)需求，基于PC體系結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)，系統(tǒng)內(nèi)部采用數(shù)字量標(biāo)準(zhǔn)接口或現(xiàn)場(chǎng)總線連接各功能部件，外部采用網(wǎng)絡(luò)化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業(yè)Intranet集成，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

硬件核心——工業(yè)PC機(jī)采用高性能PC104總線，與臺(tái)式計(jì)算機(jī)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(biāo)口、VGA接口內(nèi)存條插槽和網(wǎng)絡(luò)接口。采用10.4寸液晶顯示屏（分辨率為800×600），128 MB Flash ROM（可擴(kuò)至256 MB）程序斷電存儲(chǔ)，128 MB（可擴(kuò)至256 MB）加工緩沖區(qū)，配備硬盤和U盤，可裝載和存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)機(jī)床聯(lián)網(wǎng)。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

主板采用雙FPGA設(shè)計(jì)，一個(gè)FPGA芯片負(fù)責(zé)控制開(kāi)關(guān)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(qū)動(dòng)裝置接口電路；另一個(gè)FPGA芯片負(fù)責(zé)控制脈沖量伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路，模擬量伺服驅(qū)動(dòng)裝置接口電路。工業(yè)PC機(jī)通過(guò)PC104總線控制FPGA芯片。系統(tǒng)主板與PC機(jī)采用層疊結(jié)構(gòu)，減小數(shù)控系統(tǒng)的體積。該硬件平臺(tái)充分利用FPGA芯片可靈活搭配的特性，無(wú)需改變硬件電路，即可構(gòu)造基于PC機(jī)的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，能夠有效降低成本，并提升系統(tǒng)性能，為產(chǎn)業(yè)化提供較好的解決方案。

2 軟件平臺(tái)技術(shù)研究

采用DOS通用操作系統(tǒng)加實(shí)時(shí)擴(kuò)展作為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，對(duì)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象和統(tǒng)一，通過(guò)對(duì)數(shù)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化研究，運(yùn)用面向?qū)ο蟮臋C(jī)制將數(shù)控系統(tǒng)功能進(jìn)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(duì)象模型，運(yùn)動(dòng)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(tái)

實(shí)時(shí)多任務(wù)API為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境，應(yīng)用中與實(shí)時(shí)相關(guān)的模塊通過(guò)這一接口與數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度模塊連接。通過(guò)實(shí)時(shí)多任務(wù)API，數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用程序與硬件是完全隔離的，可以針對(duì)不同應(yīng)用的二次開(kāi)發(fā)，只修改應(yīng)用程序?qū)榆浖恍枰獙?duì)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)改變，提高硬件的獨(dú)立性，從而提高系統(tǒng)的開(kāi)放性[2]。利用應(yīng)用平臺(tái)與應(yīng)用程序的各種API，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能的快速擴(kuò)展[3]，因此，系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)就不需要了解數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部具體細(xì)節(jié)，只需要利用相應(yīng)的API就可完成，提供了數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放性的軟件基礎(chǔ)。

軟件的菜單系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮南鬟f機(jī)制，軟件對(duì)數(shù)控代碼文件的處理采用磁盤交換技術(shù)。軟件包含的模塊有：面向?qū)ο蟮南㈨憫?yīng)表、字符串的顯示類、通用三維按鈕類、通用對(duì)話框類、基于消息響應(yīng)的菜單類、基于磁盤交換技術(shù)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(kù)刀具表顯示與編輯、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示。

3 數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)研究結(jié)論

基于工程化、產(chǎn)業(yè)化數(shù)控系統(tǒng)的研究目標(biāo)，采用基于PC機(jī)制硬件平臺(tái)，使數(shù)控系統(tǒng)具有較好的開(kāi)放性，在充分利用PC機(jī)的軟硬件技術(shù)、資源的基礎(chǔ)上，減少基本硬件組件的重復(fù)開(kāi)發(fā)消耗，使數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)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(chǎn)業(yè)化；統(tǒng)一的硬件平臺(tái)能提高相同硬件生產(chǎn)數(shù)量，降低硬件生產(chǎn)成本，提高硬件質(zhì)量，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的一致性。

采用基于PC機(jī)制硬件平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)，便于實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)控系統(tǒng)的控制功能增加方便，升級(jí)速度加快；通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理和生產(chǎn)效率的提升；開(kāi)放式的系統(tǒng)為售后技術(shù)服務(wù)提供便利，網(wǎng)絡(luò)化控制還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程故障診斷。

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

［2］張志燕，李斌，朱國(guó)力，等.基于PC＋NC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的研究與應(yīng)用［J］.機(jī)械與電子，2005（5）：6-8.

［3］賀超，唐厚軍.基于Linux的嵌入式開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)［J］.電工技術(shù)，2009（9）：31-33.

［4］顏國(guó)林.基于Windows網(wǎng)絡(luò)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，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(biāo)準(zhǔn)綜述［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013（8）：163-166.