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開放式數控係統在實踐中的應用探（tàn）究

2018-6-12 來源：西安職業技術學院機（jī）電工程係作者：王利峰；代美泉（quán）李俊

摘要：隨著計算機及網絡技術的不斷（duàn）發展，數（shù）控係統的結構形（xíng）式也（yě）在（zài）不斷的變化，係統控製（zhì）結構也（yě）出現多樣化，不同結構的開放式數控係統的應用也各有特點。通過查閱開放（fàng）式數控係統的文獻（xiàn）資料，對（duì）開放式數控係統的定義、結構（gòu）及特（tè）點進行了研究（jiū），結合開放式係統的發展現狀（zhuàng），在實踐中應（yīng）用。

關鍵詞：開放式；數控係統；應用；

1、數控（kòng）係統“開放”的主要原因

1.1 市場的客觀需要

在現代的智能製造生產（chǎn）中，市場上機床設備的種類繁多，但大多數機床和係統生產廠（chǎng）家設計和生產的（de）數控機床是功（gōng）能性的數控機床，其硬件結構比較傳統，控製過程比較單一，麵向的用戶也受（shòu）到限製。而實際（jì）使用者需要數控機（jī）床生產廠家根據自己的生產需求進行設計和定製數控機床，來滿足自己的生產要求。在這種市場（chǎng）需求下，就要求數控（kòng）機床要改變傳統的結構形式，具備一定的“開放性”，使用戶可以根據自己的生產需求可以（yǐ）自行擴展（zhǎn）、調整和修（xiū）改（gǎi）數控係統的功能，以（yǐ）滿足市場要求.

1.2 機床（chuáng）和係統製造商的共同推動作（zuò）用（yòng）

目前在市場上見到的數控機床，大部分在生產製造過（guò）程中，機床和數控係統是分開（kāi）生產的。數控係統生產企業在不斷地豐富自己係統的功能，而機（jī）床製造商也在不斷的更新自（zì）己的產品。機床廠家向（xiàng）數控係統製造商購買（mǎi）不同型號和功能的（de）數控係統來（lái）組成不同（tóng）類型和規格的數控機床，然後推向市（shì）場。而在實（shí）際使用中，數控機床的功（gōng）能不能完全滿足用戶需求，加之數控機床價格比較昂貴，係統功能結（jié）構不能隨意更改，所以係統和機床的“開放”就尤為重要。

2、數控係統對於“開放”的定義

由於開放式數控係統目前處於研究（jiū）階段，國內（nèi）外對於數控係統的“開放性”尚未形成統一的定義。凡是可以在多個平台上使用，具有一定的交互界麵，並且符合係統應用規範，能夠在多（duō）個係統間相互操作的（de）控製係統，可以說明這個（gè）係（xì）統具有“開（kāi）放性”。其實質就是改變傳統數（shù）控機床的硬件結構形（xíng）式，在通（tōng）用的 PC 上通過軟件程序來實現對機床運動部件的控製。

3、開（kāi）放式數控係統的結構

數控係統結構的（de）“開放”可以從硬件和軟（ruǎn）件開放，也可以（yǐ）從用戶界麵到控製結構（gòu）全麵開（kāi）放，利用（yòng）計（jì）算機（jī）的軟硬件及網絡資源，使用高級語言編（biān）製驅動（dòng）程序，實現開放性。目前開放式數控係統的主要結構（gòu）有兩種：①PC+CNC 主（zhǔ）板：把一塊通用 PC 主板嵌入到傳統的 CNC 機床中，PC 主板主要實時運行非（fēi）控（kòng）製功能，CNC 主要（yào）運行實現以坐（zuò）標軸為主的實時控製功能。②PC+專用（yòng）運動控製器（qì）：把專用運動控製卡插入計算機標準插槽中（zhōng）作實時控製用，而 PC 機主要用作處理非實時控製功能。其中第二種結構，能充（chōng）分發揮其計算機處（chù）理速度快，具有人機接口好的功能特點，也成（chéng）為目前國（guó）內開放式數控係統應用的主（zhǔ）流結（jié）構。

4 、開放式數控係統的基本特（tè）征

4.1 模塊化（huà）

采用分布式控（kòng）製形式，係統功能模塊化和體係結構（gòu）模塊（kuài）化的控製結構（gòu）。其中係（xì）統功能模塊化是用戶根據自己的使用要求選擇不同的係統功能，體係結（jié）構模（mó）塊化是使（shǐ）用者可以改變控製係統的硬件結構形式。其（qí）結構是可移植和直觀的。

4.2 標準化

所謂的“開放”是在一定標準規範下進行的（de）開放（fàng），並不是隨意無限製的開放。標準化的前提是應具有模塊化，不同的係統生產廠家必須在其滿足標準（zhǔn）化的前提下才能夠（gòu）對其產品及結構形式進行開放。

4.3 可（kě）重構性（xìng）

數控係統既然要“開放”，就應當允許用戶可以進（jìn）行第二次設計開發。用戶可以根據需（xū）要（yào）方便地實現界麵的設計（jì）、硬件結（jié）構更改、參數的設置等，以便滿（mǎn）足一個係（xì）統（tǒng）多種功能用途。

4.4 網絡化

現代的開放性數控係統是以網絡（luò）化通訊和資源（yuán）共享作為手（shǒu）段，通過設備（bèi）的聯網（wǎng）功能來實現係統的開放（fàng）性（xìng）。

5 、開放式係統在實踐中的應用

5.1 PC+運動控製器的結構連接

NC 係統的硬件是 CNC 係統工作的前提。數控係統硬件結構的開放性主要體現在其開放的硬件結構設計的技術細節和結構參數，同時結構（gòu）的可擴展性也更（gèng）為重要，即可以允許使用者按照一定的標（biāo）準自行設計（jì）、選購和更改原有係統的硬件結構，並以此為前提進行二次開發，而且在其開發的過程中也更為便捷。

PC+運動控製器（qì）的硬件結（jié）構主要有 PC 機、專用運動控製器、伺服驅動器（qì）、伺服電機等組成（chéng）。其中運動控製器，是利用高性能微處理器及大規模可編程器件實現多個電機的多軸協（xié）調控製，將實（shí）現運動（dòng）控製的底（dǐ）層軟件和硬件集成在一起，使其具有電（diàn）機控製所需的各種速度、位置（zhì）控製功能。目前開放（fàng）式運動控製器主要有美國 Delta Tau 公司生產（chǎn）的 PMAC 係列運動控製器、美國 Dali 公司（sī）的（de） DNIC 係列運動控製器、深圳固高科技有限公（gōng）司的 GT 係列運（yùn）動（dòng）控製器等。為了使用更為方便，考慮到通用性和係統軟硬件的兼容性問題，結合不同運動控製器的本身特點，選用“PC+運動控製器”的開放式數控係統結構形式。由於通（tōng）用 PC機的硬（yìng）件性能配置能夠完全滿足數控係統的使用，所以選擇什麽類型的專用運動控製器就顯得尤為重要。在實踐中，選用深圳固高公司生產的 GT-400-SV 專用運動控製器作為（wéi）控製核心，如圖 1 控製係統連接圖所示，把運動控製卡放入（rù）到 PC 標準插槽中（zhōng），完成（chéng）對開放式數控係（xì）統的硬件結構連接。通過高（gāo）級編程語（yǔ）言指令驅動伺服電機的執行機構，實現預定的運動目標。

GT-400-SV 運動（dòng）控製器的特點：GT-400-SV 運動控製器是一款基於（yú） PCI 總線的運動控製器，主要用於控製步進電機（jī）和伺（sì）服係統。它（tā）通過 DSP 和 FPGA 進行（háng）運動規劃，支持點位控製和連續軌跡控製（zhì），可以輸出脈衝或模擬量指（zhǐ）令。GT-400-SV 運動控製器可以自由設定加減速、S 型曲線平滑（huá）等參數，協（xié）助用（yòng）戶設計出最適合機械結構的運動（dòng）規（guī）劃。通過 GT-400-SV 運動控製器提（tí）供的 VC、VB、C#、Labview 等開發環境下的庫文件，用戶可以輕鬆實（shí）現（xiàn）對控製器的編程，構建自動化控製（zhì）係（xì）統。

圖（tú） 1采（cǎi）用運動（dòng）控製器組成的控製係統連接圖（tú）

5.2 開放式係統控製過（guò）程

PC 機向運動控製器（qì）發出操作命令，運動控製器根據控製係統反饋回的信息（xī），直接進（jìn）行實時的運（yùn）動操作（zuò），並控製伺服驅（qū）動器。控製器控製電動機（jī）的過程為：打開運動控製卡（kǎ）並初（chū）始化，設置運動參（cān）數，執行運動控製程序，顯示運動（dòng）狀態，檢測運動狀態是否正確、關（guān）閉運（yùn）動（dòng）控製卡。通過如圖 2 所示的控製過程流程圖，可（kě）以直（zhí）觀地看到（dào）整（zhěng）個開（kāi）放式（shì）數控係統控製的全過程。

圖 2 控製過程流（liú）程圖

6、結論

隨著數控技術的發展，開放式數控技術涉及更為廣（guǎng）泛，開放性數控係統必然會成為一個重要的（de）發展方向，開放性數控係統的結構也將實（shí）現多元化，麵向的使（shǐ）用對象也更加開放化，通過對開放式數控（kòng）係（xì）統的體係結構、係統（tǒng）硬件結構設計和控製原理等方麵進行探（tàn）討，更加速了開放式數控係統的發展和應用研（yán）究。

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