基于PC機的開放式數控系統平臺研究

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，廣西南寧 530006）

數控系統平臺技術是制造業前沿技術之一，基于PC機的開放式數控系統技術在網絡化、開放式數控系統實用化、工程化方面具有明顯的發展優勢[1[，能夠適應當前FMC/FMS制造環境和網絡化制造的需要。

1 硬件平臺技術研究

國內外對開放式數控系統的硬件體系結構有很多規范性的研究和應用，結合產業化的行業發展和市場需求，基于PC體系結構的硬件平臺，系統內部采用數字量標準接口或現場總線連接各功能部件，外部采用網絡化的連接方式，可與CAD/CAM、FMC/FMS和企業Intranet集成，實現數控系統的網絡化。

硬件核心——工業PC機采用高性能PC104總線，與臺式計算機兼容，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、鼠標口、VGA接口內存條插槽和網絡接口。采用10.4寸液晶顯示屏（分辨率為800×600），128 MB Flash ROM（可擴至256 MB）程序斷電存儲，128 MB（可擴至256 MB）加工緩沖區，配備硬盤和U盤，可裝載和存儲大量加工程序，具有巨量程序加工能力，利用以太網、RS232等接口，輕松實現機床聯網。

圖1 數控系統硬件平臺

主板采用雙FPGA設計，一個FPGA芯片負責控制開關量接口電路，MCP、MPI鍵盤接口電路，主軸接口電路，脈沖量伺服驅動裝置接口電路；另一個FPGA芯片負責控制脈沖量伺服驅動裝置接口電路，模擬量伺服驅動裝置接口電路。工業PC機通過PC104總線控制FPGA芯片。系統主板與PC機采用層疊結構，減小數控系統的體積。該硬件平臺充分利用FPGA芯片可靈活搭配的特性，無需改變硬件電路，即可構造基于PC機的開放式體系結構數控系統，能夠有效降低成本，并提升系統性能，為產業化提供較好的解決方案。

2 軟件平臺技術研究

采用DOS通用操作系統加實時擴展作為數控系統的軟件平臺，對開放式體系結構數控系統的各種拓撲結構進行抽象和統一，通過對數控軟件的標準化和規范化研究，運用面向對象的機制將數控系統功能進行封裝，成為具有穩定、通用接口的可重用軟件芯片，采用組件對象模型，運動控制器等核心組件支持用戶定制如圖2所示。

圖2 數控系統軟件平臺

實時多任務API為系統提供實時開發環境，應用中與實時相關的模塊通過這一接口與數控系統的實時多任務調度模塊連接。通過實時多任務API，數控系統的實時應用程序與硬件是完全隔離的，可以針對不同應用的二次開發，只修改應用程序層軟件，而不需要對硬件進行設計改變，提高硬件的獨立性，從而提高系統的開放性[2]。利用應用平臺與應用程序的各種API，還可實現對系統功能的快速擴展[3]，因此，系統的二次開發就不需要了解數控系統內部具體細節，只需要利用相應的API就可完成，提供了數控系統開放性的軟件基礎。

軟件的菜單系統采用面向對象的消息傳遞機制，軟件對數控代碼文件的處理采用磁盤交換技術。軟件包含的模塊有：面向對象的消息響應表、字符串的顯示類、通用三維按鈕類、通用對話框類、基于消息響應的菜單類、基于磁盤交換技術的大數組類、全屏幕編輯器、數控參數顯示與編輯模塊、數控軌跡三維仿真顯示[4]、MDI模塊、PLC狀態顯示、刀庫刀具表顯示與編輯、數控系統運行狀態顯示。

3 數控系統平臺研究結論

基于工程化、產業化數控系統的研究目標，采用基于PC機制硬件平臺，使數控系統具有較好的開放性，在充分利用PC機的軟硬件技術、資源的基礎上，減少基本硬件組件的重復開發消耗，使數控系統平臺的可靠性得到較好保證[5]；易于提高數控系統硬件的可靠性和產業化；統一的硬件平臺能提高相同硬件生產數量，降低硬件生產成本，提高硬件質量，增強數控系統的一致性。

采用基于PC機制硬件平臺的數控系統，便于實現開放式、網絡化，數控系統的控制功能增加方便，升級速度加快；通過網絡化實現生產管理和生產效率的提升；開放式的系統為售后技術服務提供便利，網絡化控制還可以實現遠程故障診斷。

［1］吳智恒，徐旋波.數控機床技術發展趨勢［J］.機電工程技術，2004（9）：7-8，11.

［2］張志燕，李斌，朱國力，等.基于PC＋NC的開放式數控系統平臺的研究與應用［J］.機械與電子，2005（5）：6-8.

［3］賀超，唐厚軍.基于Linux的嵌入式開放性數控系統平臺的設計與開發［J］.電工技術，2009（9）：31-33.

［4］顏國林.基于Windows網絡數控系統的設計與實現［J］.長春大學學報，2013（12）：1541-1545.

［5］黃祖廣，張承瑞，趙欽志，等.數控系統功能安全標準綜述［J］.制造技術與機床，2013（8）：163-166.