一種高性能、開放式軟件數(shù)控系統(tǒng)及其應用

自1952 年誕生第一臺數(shù)控機床，數(shù)控機床的發(fā)展經(jīng)歷了數(shù)字控制（NC）、計算機數(shù)字控制（CNC）兩個階段。數(shù)控系統(tǒng)也從第一代采用電子管起，歷經(jīng)了采用晶體管、小規(guī)模集成電路、小型計算機技術到1974年左右發(fā)展到采用微處理器的專用NC階段。90年代初期，數(shù)控系統(tǒng)進入基于PC機的階段。基于PC機的數(shù)控系統(tǒng)（CNC）又分為以下幾種類型：

（1） PC機嵌入NC型

在傳統(tǒng)的專用NC中簡單地嵌入PC技術，NC可以共享一些計算機的軟硬件資源，而計算機只參加輔助編程、分析、監(jiān)控、生產管理和工藝編制等工作。由于這種數(shù)控系統(tǒng)的NC部分仍是專用結構，用戶無法進入數(shù)控系統(tǒng)的核心，所以屬于初步開放的數(shù)控系統(tǒng)。

（2） NC嵌入PC型

這是完全采用PC機為硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)，運動控制（包括軸控制和機床邏輯控制）功能由配有專用控制芯片的獨立的運動控制器完成，通常以PC插件（符合ISA或PCI總線標準）形式的硬件或通過網(wǎng)絡連接的嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。運動控制軟件由NC生產廠商設計，用戶無法修改。只是NC的上層軟件（數(shù)控語言解釋器/人機界面等）以PC操作系統(tǒng)（例如Windows）為平臺，因此這種數(shù)控系統(tǒng)只是在上位機層面上實現(xiàn)了開放性。

（3） 全軟件型

這是完全采用PC機軟件控制的一種數(shù)控系統(tǒng)，它把運動控制器以應用軟件的形式實現(xiàn)，這是一種最新開放體系結構的數(shù)控系統(tǒng)，能夠提供給用戶最大的選擇和靈活性，已經(jīng)成為新一代CNC的主流。

眾所周知，目前最常用的Windows桌面操作系統(tǒng)是多線程、搶先多任務的32位操作系統(tǒng)，實時性比較差。而實時控制又是數(shù)控系統(tǒng)的關鍵所在，它決定了數(shù)控機床的加工速度和加工精度。因此有些數(shù)控系統(tǒng)采用原始的DOS操作系統(tǒng)作為軟件平臺，可以滿足一般的實時性要求。但是，運行在實模式下的16 位單任務的DOS操作系統(tǒng)沒有發(fā)揮出32位PC機的優(yōu)勢，而且應用程序受640k內存限制，并可直接對硬件操作，系統(tǒng)可靠性也很難保證。而目前市場上基于Windows的實時操作系統(tǒng)（或軟件），如WindowsCE. NET等的價格又比較昂貴，不利于在數(shù)控機床行業(yè)的普及。本文介紹的香港海德盟數(shù)控技術有限公司開發(fā)的Hi-800系列基于PC的數(shù)控系統(tǒng)引入德國Power Automation（以下簡稱PA）公司的實時控制內核，彌補了Windows桌面操作系統(tǒng)實時性差的不足，是一種真正的全軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)，可廣泛應用于各種數(shù)控機床、加工中心及一些特殊用途機床的復雜控制中。

Hi-800數(shù)控系統(tǒng)組成

Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)是按照工業(yè)級標準，應用PC技術制造的高性能CNC。系統(tǒng)采用Windows NT操作系統(tǒng)及PA實時內核（Real Time Kernel），使用戶可以擁有操作方便的窗口式人機界面，同時使得利用硬盤作為NC內存成為可能。而且從簡單的串行口到復雜的通信網(wǎng)絡都能得到應用。

Hi-800數(shù)控系統(tǒng)硬件設計

由于運動控制和邏輯控制功能都由軟件實現(xiàn)，因此Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)硬件只有控制器、鍵盤和顯示器、NC操作面板和相應的擴展版卡等部件組成，其外形結構如圖1所示。

主控制器是一臺安裝了Micrsoft Windows NT操作系統(tǒng)的工業(yè)標準PC機，可以通過PC機主板上標準的插槽和總線連接系統(tǒng)需要的器件，如軸控卡，數(shù)字或模擬量輸入/輸出（I/O）接口、通信網(wǎng)卡等。 Hi-800系統(tǒng)通過PCI總線配置了可控制4個模擬量軸和1個主軸的控制卡；16個數(shù)字量輸入和輸出及5路模擬量輸出通道。用戶還可以根據(jù)需要通過多軸擴展板卡，或I/O擴展模塊，實現(xiàn)控制更多軸和更多I/O的功能。與Hi-800主控制器相連接的典型外部設備如圖2所示。

Hi-800系列操作系統(tǒng)還配置1個以太網(wǎng)卡（TCP/IP協(xié)議）；4個串行通信接口（其中1個可配置為RS-485接口 ）；1個并行通信接口和1個USB通信接口，可以靈活地實現(xiàn)網(wǎng)絡化控制。還有1個可實現(xiàn)雙聲道立體聲控制的聲卡和1個可同時連接TFT和CRT的顯示卡。用戶還可以根據(jù)需要選擇其它硬件配置。

系統(tǒng)采用10.4″超薄液晶顯示器和薄膜按鍵，更適合于工業(yè)現(xiàn)場應用。可在其可視化界面內很專業(yè)、很方便的監(jiān)控和實現(xiàn)各種操作，如：加工過程曲線圖形和加工件零件的各種信息；根據(jù)用戶需要編寫的PLC程序、在線監(jiān)控PLC和CNC信號和在線程序修改等；可以觀察加工過程中的機械坐標、程序坐標等一些重要的操作信息。

NC操作面板可用于控制系統(tǒng)和程序的起停操作，還可以通過它實現(xiàn)控制對象（如機床）的手動控制，如X、Y、Z軸的手動進給；主軸的正轉、反轉控制；潤滑、冷卻系統(tǒng)控制等，便于機床調試。

系統(tǒng)軟件結構

Hi-800數(shù)控系統(tǒng)的軟件結構如圖3所示。由于系統(tǒng)內嵌PA的NT實時內核，因此，對實時性要求比較高的運動控制任務和邏輯控制任務都由CNC軟件和軟件PLC完成，并直接控制相關的硬件設備，也可以滿足數(shù)控系統(tǒng)實時控制的要求。而其他對實時性要求不高的任務，如人機接口（HMI）、計算機輔助制造（CAM）等需要由PC機實現(xiàn)的任務，仍由Windows NT操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。

PA的NT實時內核使數(shù)控系統(tǒng)可以以固定的時間間隔執(zhí)行實時任務，而且在執(zhí)行實時任務時，禁止其他非實時任務的執(zhí)行，并能夠直接獲得系統(tǒng)相關的硬件資源。只有在沒有實時任務需要執(zhí)行時，Windows NT才能獲得CPU資源，去執(zhí)行基于NT系統(tǒng)的應用程序。

系統(tǒng)CNC軟件包含與運動控制有關的所有功能，如對用戶的NC程序進行編譯、解釋代碼；運動軌跡的插補運算；軸的位置環(huán)控制及與軟件PLC和外部設備的通信等。

CNC編譯器（CNC Interpreter）

CNC編譯器的主要任務是對用戶的NC程序進行解釋，并將其轉換為伺服任務中的插補器能夠識別的格式。此外，編譯器還具有下列功能：

控制CNC操作模式；

系統(tǒng)診斷；

與伺服系統(tǒng)進行信息交換；

向MMI傳送信息，用于顯示；

與PLC進行二進制I/O數(shù)據(jù)交換；

加工過程的偏移量設置和路徑修正。

CNC插補器（CNC interpolator）

插補器是CNC的執(zhí)行單元，CNC的下列功能都與插補任務有關：

路徑插補；

軸插補，包括線性、樣條、圓弧、螺旋線插補，還具有鏡像、并行隨動軸功能；

位置軸控制；

診斷與監(jiān)控管理；

與位置任務的通信連接；

從CNC-PLC讀取輸入信號；

向PLC傳送BCD碼信號；

實時轉換（極坐標，5軸）；

實時自校正，包括間隙補償、齒隙誤差補償、零漂補償?shù)龋?

正弦震蕩器；

主軸輸出；

從 FIFO寄存器中讀取新的程序段；

快速輸出數(shù)字量信號。

CNC位置閉環(huán)控制（CNC Position Loop）

位置任務用于實現(xiàn)軸的位置控制功能，所有CNC和PLC的實時任務都是由與控制軸有關的硬件定時中斷控制的，每次中斷都執(zhí)行一次位置任務，主要完成下列操作：

從門陣列或sercos接口讀取位置值；

檢測編碼器信號（模擬軸）；

更新機床位置；

計算機床位置誤差值；

根據(jù)機床位置計算相應的內部位置；

計算命令位置值與實際機械位置的偏差；

計算對應的位置控制的輸出值；

輸出到D/A轉換器（模擬量控制軸）；

輸出到sercos接口（sercos控制軸）。

Hi-800內置的高速軟PLC符合IEC-1131-3標準，用戶可以使用梯形圖、功能程序段、指令表、流程圖及結構文本等多種PLC語言編程，完成各種復雜的機床邏輯控制。系統(tǒng)還內置機床參數(shù)編輯器和邏輯分析儀（非常有用的調試工具），使得機床控制系統(tǒng)的安裝、調試和保養(yǎng)非常簡便。

作為基于PC的開放式CNC系統(tǒng)，Hi800允許用戶以安全可靠的方式集成第三方專業(yè)技術及專用軟件（例如各種CAM軟件）。系統(tǒng)控制功能均由軟件實現(xiàn)，可以根據(jù)機床類型及不同的應用開放相應功能模塊，提供給用戶最大的選擇和靈活性。

Hi-800系列數(shù)控系統(tǒng)的性能及特點

系統(tǒng)的主要性能指標如附表所示：

系統(tǒng)的“曲率優(yōu)化功能”，可以使大量連續(xù)微小線段加工達到最佳效果，更好地保證加工過程的快速性、連續(xù)性和平穩(wěn)性。同時快速的PA實時內核能夠完成各種實時操作，滿足快速性要求。

高精度

系統(tǒng)采用“自適應調節(jié)技術”，可以在實時狀態(tài)下根除伺服滯后并且抑制由速度變化導致的共振干擾。能夠自動為每根軸選擇最佳參數(shù)，然后在運行過程中補償這些參數(shù)。精確停止插補功能及拐角平滑處理功能，能有效防止拐角處發(fā)生過切現(xiàn)象，可以獲得良好的加工精度。

海量NC內存

基于PC的Hi-800系統(tǒng)利用硬盤存儲加工程序，實現(xiàn)海量NC內存（大于10GB），大大縮短了NC程序讀取時間，使得機床的加工效率成倍提高。

良好的人機界面

操作人員可以通過功能鍵選擇六種不同的操作模式，菜單式操作簡單易學。

網(wǎng)絡化控制

數(shù)控系統(tǒng)直接配置通用網(wǎng)絡接口，使其具有強大的網(wǎng)絡通信功能，容易實現(xiàn)遠程監(jiān)視和控制，及分散化網(wǎng)絡加工，使現(xiàn)代化管理成為可能。

應用案例

建立在先進的Windows操作系統(tǒng)平臺上的Hi-800數(shù)控系統(tǒng)具備柔性、開放性和不斷擴展的特性。通過簡單的系統(tǒng)參數(shù)及功能設定，便可實現(xiàn)各種先進的控制技術，滿足復雜加工和幾乎所有應用，如各種高速高精度車、銑、雕、磨、線切割及激光加工設備；復雜加工中心；5軸聯(lián)動機床等。為用戶提供一流的專家解決方案。

高速雕銑機的控制

如：Hi-800所獨有的曲率優(yōu)化功能，能對連續(xù)小線段加工軌跡進行平滑處理，進一步提高加工快速性，并獲得更好的表面光潔度。自適應預讀功能夠根據(jù)進給速度和加工軌跡處理加減速，避免小線段頻繁加減速，保證加工速度穩(wěn)定，實現(xiàn)快速加工。特別適用于高速雕銑機的控制。

激光切割機的控制

Hi-800系統(tǒng)還能夠根據(jù)加工距離、加工時間的變化對激光能量進行控制。距離調整功能可以控制激光頭（Z方向）與加工表面保持恒定距離。對于三維切割，可以保證切割的平整性，避免過切現(xiàn)象。非常適用于激光切割機的控制應用。

CNC仿真軟件在教學領域的應用

Hi-800的開放性和離線版本CNC仿真軟件使其為教學領域應用提供了安全和方便性。仿真軟件可以安裝在任何1臺裝有Windows NT/2000的個人計算機上運行，無需額外硬件支持。而且離線CNC操作界面和實際應用操作界面完全相同，可以在計算機上學習系統(tǒng)基本操作，熟悉NC編程指令，模擬運行加工程序。另外，Hi-800系統(tǒng)豐富全面的控制功能和卓越的性能，可以使學生更多地了解數(shù)控領域的先進技術和發(fā)展方向。

由于基于PC技術，Hi800數(shù)控系統(tǒng)可以直接連接投影儀等設備，方便教師進行教學演示。

結語

與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)相比， 軟件數(shù)控系統(tǒng)可以充分利用Windows平臺和CNC的開放式軟件工具開發(fā)所需的各種功能，使用戶可以靈活的組態(tài)CNC功能模塊，構成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)。以滿足普通機床、加工中心及各種特殊類型機床的復雜控制。這種實現(xiàn)形式上的變革使得系統(tǒng)可以更方便、更廣泛地應用計算機技術的先進成果，大幅度提升數(shù)控系統(tǒng)的控制性能，簡化系統(tǒng)實現(xiàn)難度，縮短研發(fā)周期；大大增強了系統(tǒng)的伸縮性和可擴展性。因此，軟件數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價格比，最有很強的生命力。