基于PC的开放式数控系统及实现分析
2020-6-18 来源：山西大同大学机电工程学院 作者：王舒玮
摘要：伴随着我国社会经济的不断进步与发展，计算机技术的发展与应用已经越来越广泛，数控系统也发生了崭新的变化。为此通过对基于PC开放式数控系统的各种实现方法进行详细而深入的分析，并重点对Windows环境下的面向对象方式的开发方法进行相关研究，由此进行开放式 PC 系统的开发方案设计，希望能够为相关领域的工作人员提供可参考的借鉴。
关键词：PC；开放式；数控系统
1、 PC嵌入CNC模式的实现路径
1.1 PC内嵌入CNC
PC 内嵌入 CNC 所指的是在 CNC 内安装 PC 板，PC 板和CNC 间利用专用的总线进行连接。这种形式重点给相对比较大规模 CNC 生产控制器的厂家所普遍使用，它所存在的优点是，原始类型的
CNC基本上不需要实施任何的改动就可以直接使用，并且其对于数据的传送速度也是非常的快、系统的所做出的响应速度也很快。当然其也存在不足的地方，其最大的不足就是其无法直接的使用或通用
PC、受开放的限制。
1.2 CNC内嵌入PC
CNC 内嵌入 PC 所指的是，把运动控制板与所有的 CNC 单元全部插到PC的扩展槽内。PC在对非实时的数据进行处理的时候，实时数据的控制都是由 CNC 单元和运动控制板来完成的。这一模式的最大优点是可以有效确保系统的性能，软件其自身特有的通用性也是非常强大的，并且同时针对编程来说也是非常灵活的。其所存在缺限的地方是，CNC资源的原型很难被良好的利用，系统的稳固性仍需更深一步的研究。
2、 CNC嵌入PC模式在Windows下的实现
2.1 系统的设计
为了达到开放性的这一功能，在系统建模阶段，一定要对以 PC 为基础的 CNC 系统工作原理进行各模块结构的深入分析，之后再通过面向对象技术，来把各模块设置成各个对象，然后再进行汇总与分析。
2.1.1用户的输入与输出界面
用户的输入其着重指的是用户对于数控的相关指令代码和所发出的指令进行输入，或是对系统进行配置等。系统数据指令输出其重点任务是对实时的仿真及显示现时加工的状态等进行合理的管控。
2.1.2 CNC的任务协调及通信模块
此模块被明确为整个系统结构的内核，实现各模块之间的互相通信与协调工作的根本保障。一方面对界面和控制层的相应信息实施互换，另外一方面还负责系统中各个子模块的任务协调，并且同时还实时的对 I/O 卡传送数据或是对数据进行采集。
2.2 系统的实现
在通用的Windows操作系统下，用强大功能的编程语言来完成的。
2.2.1支持多线路
线程是属于32位的操作系统，其本身存在很多的优点。对于数控这一系统而言，对其最有效的特点是其强力支持抢占的多任务机制，可台实时的适应高速度，同时各线程之间也互不相干扰，对于功能的增减和扩展非常的有利。
2.2.2能够对高精度形成实时的响应
这一种实时性的功能不需要各程序员及相应硬件给予支持，并且还同时能应用多个实时的信息数据。实时响应其精度非常的高，完全可以满足数控的相应要求。在Windows 系统的基础上达成数控系统，对这两方面的优点我们要有效的加以利用。一是系统本身的构成是由界面、内核两个模块所构建形成的。在实施编程期间，这两类模块所对应的Windows 系统中两个进程。而各功能中的各子模块是内核进程的不同线程。它们全都是由内核辅助其分别启动的，并对数控的代码完成解释和插补的相关任务，最后在通过位控的线程来把信号发送出去，以驱动环节来对机床实施控制并完成加工。二是要重点考虑到各个子模块加工处于同步工作状态，且实时的要求不同，所以在协调与调度的时候，可以运用以下的方法来进行：首先，实时性在插补与位控线程中的要求是非常高的，其任务整个过程的周期是 4ms；其次，仿真中对于实时性的规定相对偏低一些，其任务过程的周期是 80ms；最后，计算解释的精准实时性，主要以实现插补标准为基础。随后进入编程期间可以为线程设置优先级。
2.3 技术研究
在NC软件当中，对实时性的处理非常困难，这点也是常用操作系统当中组成数控系统的重点。因为Windows系统本身就属于一类弱实时的操作系统，针对实时性任务来说，Windows系统程序初始任务的调度机制是无法完成的，只能以别的方式来实现。
Windows 系统程序中的 System.drv 供给了时钟函数。这些函数主要作用是用来辅助系统程序中时钟回调函数的有效安装，系统程序的时钟避开Windows系统中的消息工具，其过程更似于人们在
DOS 环境下安装系统时钟的中断程序。但系统程序中的时钟，其频率为每秒 18.2 次，而数控的系统通常得需以毫秒来进行控制，因此说其实时性非常的不好。需要注意，一定要把此多媒体程序中的定时回调函数视为中断代码，因为其都是由中断服务系统来直接进行调用的。回调函数要刻于指定的、不能轻易移动的、也废弃不了的环节中，所以，一定要在动态的连接库当中来完成。如以上的方法都无法达到精度的高标准，就需考虑硬件的直接编程。此方法是通过计算机的外挂定时器，把闲置的硬件的中断信号传给它，对设备的驱动程序进行编写，以此来对定时实施控制，对中断服务作出反馈及响应。这种编程其在实际实施时是非常复杂的，但却能使定时的精度达到小于1ms。
3 、结语
从当下的分析结果来看，基于 PC 开放式的数控系统的分析及实现正处在起步阶段，还有很多的问题需要我们在具体的实践当中解决。但因为PC的开放化、网络化优点，及PC技术和文化的持续进步，将会带给开放式PC更好的发展。
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