一种高性能、开放式软件数控系统及其应用

自1952 年诞生第一台数控机床，数控机床的发展经历了数字控制（NC）、计算机数字控制（CNC）两个阶段。数控系统也从第一代采用电子管起，历经了采用晶体管、小规模集成电路、小型计算机技术到1974年左右发展到采用微处理器的专用NC阶段。90年代初期，数控系统进入基于PC机的阶段。基于PC机的数控系统（CNC）又分为以下几种类型：

    （1） PC机嵌入NC型

    在传统的专用NC中简单地嵌入PC技术，NC可以共享一些计算机的软硬件资源，而计算机只参加辅助编程、分析、监控、生产管理和工艺编制等工作。由于这种数控系统的NC部分仍是专用结构，用户无法进入数控系统的核心，所以属于初步开放的数控系统。

    （2） NC嵌入PC型

    这是完全采用PC机为硬件平台的数控系统，运动控制（包括轴控制和机床逻辑控制）功能由配有专用控制芯片的独立的运动控制器完成，通常以PC插件（符合ISA或PCI总线标准）形式的硬件或通过网络连接的嵌入式系统实现。运动控制软件由NC生产厂商设计，用户无法修改。只是NC的上层软件（数控语言解释器/人机界面等）以PC操作系统（例如Windows）为平台，因此这种数控系统只是在上位机层面上实现了开放性。

    （3） 全软件型

    这是完全采用PC机软件控制的一种数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户最大的选择和灵活性，已经成为新一代CNC的主流。

    众所周知，目前最常用的Windows桌面操作系统是多线程、抢先多任务的32位操作系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速度和加工精度。因此有些数控系统采用原始的DOS操作系统作为软件平台，可以满足一般的实时性要求。但是，运行在实模式下的16 位单任务的DOS操作系统没有发挥出32位PC机的优势，而且应用程序受640k内存限制，并可直接对硬件操作，系统可靠性也很难保证。而目前市场上基于Windows的实时操作系统（或软件），如WindowsCE. NET等的价格又比较昂贵，不利于在数控机床行业的普及。本文介绍的香港海德盟数控技术有限公司开发的Hi-800系列基于PC的数控系统引入德国Power Automation（以下简称PA）公司的实时控制内核，弥补了Windows桌面操作系统实时性差的不足，是一种真正的全软件型开放式数控系统，可广泛应用于各种数控机床、加工中心及一些特殊用途机床的复杂控制中。

    Hi-800数控系统组成

    Hi-800系列数控系统是按照工业级标准，应用PC技术制造的高性能CNC。系统采用Windows NT操作系统及PA实时内核（Real Time Kernel），使用户可以拥有操作方便的窗口式人机界面，同时使得利用硬盘作为NC内存成为可能。而且从简单的串行口到复杂的通信网络都能得到应用。

    Hi-800数控系统硬件设计

    由于运动控制和逻辑控制功能都由软件实现，因此Hi-800系列数控系统硬件只有控制器、键盘和显示器、NC操作面板和相应的扩展版卡等部件组成，其外形结构如图1所示。

  

图1 Hi-800系列数控系统外形结构图
      主控制器是一台安装了Micrsoft Windows NT操作系统的工业标准PC机，可以通过PC机主板上标准的插槽和总线连接系统需要的器件，如轴控卡，数字或模拟量输入/输出（I/O）接口、通信网卡等。 Hi-800系统通过PCI总线配置了可控制4个模拟量轴和1个主轴的控制卡；16个数字量输入和输出及5路模拟量输出通道。用户还可以根据需要通过多轴扩展板卡，或I/O扩展模块，实现控制更多轴和更多I/O的功能。与Hi-800主控制器相连接的典型外部设备如图2所示。

  

图2 CNC控制器外部设备接口
      Hi-800系列操作系统还配置1个以太网卡（TCP/IP协议）；4个串行通信接口（其中1个可配置为RS-485接口 ）；1个并行通信接口和1个USB通信接口，可以灵活地实现网络化控制。还有1个可实现双声道立体声控制的声卡和1个可同时连接TFT和CRT的显示卡。用户还可以根据需要选择其它硬件配置。

    系统采用10.4″超薄液晶显示器和薄膜按键，更适合于工业现场应用。可在其可视化界面内很专业、很方便的监控和实现各种操作，如：加工过程曲线图形和加工件零件的各种信息；根据用户需要编写的PLC程序、在线监控PLC和CNC信号和在线程序修改等；可以观察加工过程中的机械坐标、程序坐标等一些重要的操作信息。

    NC操作面板可用于控制系统和程序的起停操作，还可以通过它实现控制对象（如机床）的手动控制，如X、Y、Z轴的手动进给；主轴的正转、反转控制；润滑、冷却系统控制等，便于机床调试。

系统软件结构     Hi-800数控系统的软件结构如图3所示。由于系统内嵌PA的NT实时内核，因此，对实时性要求比较高的运动控制任务和逻辑控制任务都由CNC软件和软件PLC完成，并直接控制相关的硬件设备，也可以满足数控系统实时控制的要求。而其他对实时性要求不高的任务，如人机接口（HMI）、计算机辅助制造（CAM）等需要由PC机实现的任务，仍由Windows NT操作系统来实现。    图3 Hi-800系列数控系统软件结构       PA的NT实时内核使数控系统可以以固定的时间间隔执行实时任务，而且在执行实时任务时，禁止其他非实时任务的执行，并能够直接获得系统相关的硬件资源。只有在没有实时任务需要执行时，Windows NT才能获得CPU资源，去执行基于NT系统的应用程序。     系统CNC软件包含与运动控制有关的所有功能，如对用户的NC程序进行编译、解释代码；运动轨迹的插补运算；轴的位置环控制及与软件PLC和外部设备的通信等。     CNC编译器（CNC Interpreter）     CNC编译器的主要任务是对用户的NC程序进行解释，并将其转换为伺服任务中的插补器能够识别的格式。此外，编译器还具有下列功能：     控制CNC操作模式；     系统诊断；     与伺服系统进行信息交换；     向MMI传送信息，用于显示；     与PLC进行二进制I/O数据交换；     加工过程的偏移量设置和路径修正。     CNC插补器（CNC interpolator）     插补器是CNC的执行单元，CNC的下列功能都与插补任务有关：     路径插补；     轴插补，包括线性、样条、圆弧、螺旋线插补，还具有镜像、并行随动轴功能；     位置轴控制；     诊断与监控管理；     与位置任务的通信连接；     从CNC-PLC读取输入信号；     向PLC传送BCD码信号；     实时转换（极坐标，5轴）；     实时自校正，包括间隙补偿、齿隙误差补偿、零漂补偿等；     正弦震荡器；     主轴输出；     从 FIFO寄存器中读取新的程序段；     快速输出数字量信号。     CNC位置闭环控制（CNC Position Loop）     位置任务用于实现轴的位置控制功能，所有CNC和PLC的实时任务都是由与控制轴有关的硬件定时中断控制的，每次中断都执行一次位置任务，主要完成下列操作：     从门阵列或sercos接口读取位置值；     检测编码器信号（模拟轴）；     更新机床位置；     计算机床位置误差值；     根据机床位置计算相应的内部位置；     计算命令位置值与实际机械位置的偏差；     计算对应的位置控制的输出值；     输出到D/A转换器（模拟量控制轴）；     输出到sercos接口（sercos控制轴）。     Hi-800内置的高速软PLC符合IEC-1131-3标准，用户可以使用梯形图、功能程序段、指令表、流程图及结构文本等多种PLC语言编程，完成各种复杂的机床逻辑控制。系统还内置机床参数编辑器和逻辑分析仪（非常有用的调试工具），使得机床控制系统的安装、调试和保养非常简便。     作为基于PC的开放式CNC系统，Hi800允许用户以安全可靠的方式集成第三方专业技术及专用软件（例如各种CAM软件）。系统控制功能均由软件实现，可以根据机床类型及不同的应用开放相应功能模块，提供给用户最大的选择和灵活性。