开放式数控系统在实践中的应用探究
2018-6-12 来源：西安职业技术学院机电工程系 作者：王利峰；代美泉 李俊
摘要：随着计算机及网络技术的不断发展，数控系统的结构形式也在不断的变化，系统控制结构也出现多样化，不同结构的开放式数控系统的应用也各有特点。通过查阅开放式数控系统的文献资料，对开放式数控系统的定义、结构及特点进行了研究，结合开放式系统的发展现状，在实践中应用。
关键词：开放式；数控系统；应用；
1、数控系统“开放”的主要原因
1.1 市场的客观需要
在现代的智能制造生产中，市场上机床设备的种类繁多，但大多数机床和系统生产厂家设计和生产的数控机床是功能性的数控机床，其硬件结构比较传统，控制过程比较单一，面向的用户也受到限制。而实际使用者需要数控机床生产厂家根据自己的生产需求进行设计和定制数控机床，来满足自己的生产要求。在这种市场需求下，就要求数控机床要改变传统的结构形式，具备一定的“开放性”，使用户可以根据自己的生产需求可以自行扩展、调整和修改数控系统的功能，以满足市场要求.
1.2 机床和系统制造商的共同推动作用
目前在市场上见到的数控机床，大部分在生产制造过程中，机床和数控系统是分开生产的。数控系统生产企业在不断地丰富自己系统的功能，而机床制造商也在不断的更新自己的产品。机床厂家向数控系统制造商购买不同型号和功能的数控系统来组成不同类型和规格的数控机床，然后推向市场。而在实际使用中，数控机床的功能不能完全满足用户需求，加之数控机床价格比较昂贵，系统功能结构不能随意更改，所以系统和机床的“开放”就尤为重要。
2、 数控系统对于“开放”的定义
由于开放式数控系统目前处于研究阶段，国内外对于数控系统的“开放性”尚未形成统一的定义。凡是可以在多个平台上使用，具有一定的交互界面，并且符合系统应用规范，能够在多个系统间相互操作的控制系统，可以说明这个系统具有“开放性”。其实质就是改变传统数控机床的硬件结构形式，在通用的 PC 上通过软件程序来实现对机床运动部件的控制。
3、 开放式数控系统的结构
数控系统结构的“开放”可以从硬件和软件开放，也可以从用户界面到控制结构全面开放，利用计算机的软硬件及网络资源，使用高级语言编制驱动程序，实现开放性。目前开放式数控系统的主要结构有两种：①PC+CNC 主板：把一块通用 PC 主板嵌入到传统的 CNC 机床中，PC 主板主要实时运行非控制功能，CNC 主要运行实现以坐标轴为主的实时控制功能。②PC+专用运动控制器：把专用运动控制卡插入计算机标准插槽中作实时控制用，而 PC 机主要用作处理非实时控制功能。其中第二种结构，能充分发挥其计算机处理速度快，具有人机接口好的功能特点，也成为目前国内开放式数控系统应用的主流结构。
4 、开放式数控系统的基本特征
4.1 模块化
采用分布式控制形式，系统功能模块化和体系结构模块化的控制结构。其中系统功能模块化是用户根据自己的使用要求选择不同的系统功能，体系结构模块化是使用者可以改变控制系统的硬件结构形式。其结构是可移植和直观的。
4.2 标准化
所谓的“开放”是在一定标准规范下进行的开放，并不是随意无限制的开放。标准化的前提是应具有模块化，不同的系统生产厂家必须在其满足标准化的前提下才能够对其产品及结构形式进行开放。
4.3 可重构性
数控系统既然要“开放”，就应当允许用户可以进行第二次设计开发。用户可以根据需要方便地实现界面的设计、硬件结构更改、参数的设置等，以便满足一个系统多种功能用途。
4.4 网络化
现代的开放性数控系统是以网络化通讯和资源共享作为手段，通过设备的联网功能来实现系统的开放性。
5 、开放式系统在实践中的应用
5.1 PC+运动控制器的结构连接
NC 系统的硬件是 CNC 系统工作的前提。数控系统硬件结构的开放性主要体现在其开放的硬件结构设计的技术细节和结构参数，同时结构的可扩展性也更为重要，即可以允许使用者按照一定的标准自行设计、选购和更改原有系统的硬件结构，并以此为前提进行二次开发，而且在其开发的过程中也更为便捷。
PC+运动控制器的硬件结构主要有 PC 机、专用运动控制器、伺服驱动器、伺服电机等组成。其中运动控制器，是利用高性能微处理器及大规模可编程器件实现多个电机的多轴协调控制，将实现运动控制的底层软件和硬件集成在一起，使其具有电机控制所需的各种速度、位置控制功能。目前开放式运动控制器主要有美国 Delta Tau 公司生产的 PMAC 系列运动控制器、美国 Dali 公司的 DNIC 系列运动控制器、深圳固高科技有限公司的 GT 系列运动控制器等。为了使用更为方便，考虑到通用性和系统软硬件的兼容性问题，结合不同运动控制器的本身特点，选用“PC+运动控制器”的开放式数控系统结构形式。由于通用 PC机的硬件性能配置能够完全满足数控系统的使用，所以选择什么类型的专用运动控制器就显得尤为重要。在实践中，选用深圳固高公司生产的 GT-400-SV 专用运动控制器作为控制核心，如图 1 控制系统连接图所示，把运动控制卡放入到 PC 标准插槽中，完成对开放式数控系统的硬件结构连接。通过高级编程语言指令驱动伺服电机的执行机构，实现预定的运动目标。
GT-400-SV 运动控制器的特点：GT-400-SV 运动控制器是一款基于 PCI 总线的运动控制器，主要用于控制步进电机和伺服系统。它通过 DSP 和 FPGA 进行运动规划，支持点位控制和连续轨迹控制，可以输出脉冲或模拟量指令。GT-400-SV 运动控制器可以自由设定加减速、S 型曲线平滑等参数，协助用户设计出最适合机械结构的运动规划。通过 GT-400-SV 运动控制器提供的 VC、VB、C#、Labview 等开发环境下的库文件，用户可以轻松实现对控制器的编程，构建自动化控制系统。
图 1采用运动控制器组成的控制系统连接图
5.2 开放式系统控制过程
PC 机向运动控制器发出操作命令，运动控制器根据控制系统反馈回的信息，直接进行实时的运动操作，并控制伺服驱动器。控制器控制电动机的过程为：打开运动控制卡并初始化，设置运动参数，执行运动控制程序，显示运动状态，检测运动状态是否正确、关闭运动控制卡。通过如图 2 所示的控制过程流程图，可以直观地看到整个开放式数控系统控制的全过程。
图 2 控制过程流程图
6、 结论
随着数控技术的发展，开放式数控技术涉及更为广泛，开放性数控系统必然会成为一个重要的发展方向，开放性数控系统的结构也将实现多元化，面向的使用对象也更加开放化，通过对开放式数控系统的体系结构、系统硬件结构设计和控制原理等方面进行探讨，更加速了开放式数控系统的发展和应用研究。
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