1 概述
从MIT开宣布第一台三轴铣床数控体系判现在的四1多年中，数控体系的规划办法阅历了巨大的改变。特别是近I一年来，跟着计算机技能的迅猛开展，数控体系从全体结构到具体规划，从软件规划到硬件规划，都与前期的数控体系有了很大不同。一前期的数控体系出十功率的考虑，许多功用选用硬件电路完结，专用性很强，可保护性、可扩展性比较差二另一方而，通用计算机的运算速度随时刻以指数规则不断进步，现在一台微机的运算才干现已到达或超过了前期的小型机，并且，通用型微机运用广泛，有完善和敞开的标准，有很多外IIII硬件设备和丰厚的软件资源的支撑。凭借微机进行数控体系的开发能够到达事半功倍的作用，因而成为现在数控范畴的世界趋势。
五轴联动数控体系联动轴数比较多，一起义触及到两个反转运动，插补算法复余，并且其各组成部分，如伺服驱动单儿、方位反应单元、差错补偿、电气操控、机床机械结构等在不同的运用场合有不同的特色，在体系全体规划时对此应有充沛的考虑。现在，大都数控体系不能满意这种多样性的需求，对不同的运用场合，就得选用不同类型的数控体系，这必然添加开发与保护费用。研讨敞开式数控体系及其功用部件，就能够依据用户需求，比较简单地对整个数控体系进行从头组合，以进步体系的可移植性、可伸缩性、可保护性和兼容性。
2 数控体系硬件的敞开化规划
2.1 硬件规划的一般准则
传统数控体系的硬件规区分为两个门户:选用专用芯片的大板结构与总线式体系结构。人板结构对用户而言是一个关闭的体系，功用的扩展与体系保护都受到约束。总线式结构有必定的灵活性，但因为这种总线由出产)一自己确认，缺少一起的行业标准，不同)一商的产品之间不具有互换性，所以，这种规划办法已不习惯现代制造业的需求。另一方而，跟着计算机技能的开展，微机的速度与}一儿年前比较是大相径庭。在这种局势一「的软硬件规划中，人们重视的要点呈现了由功率向互换性、可保护性搬运。受其影响，在数控体系的规划进程中，由大板结构或专用总线向标准总线、可重组的单儿模块开展成为世界趋势。
硬件规划的敞开化首要体现在总线标准上。敞开化的数控体系是由多种模块构成的，模块经过标准的总线连成一个全体。总线的挑选应当满意三个要求:庄技能上有必定的先进性，能够满意数控体系各种功用模块对信息交互的需求。线标准彻底敞开，且在世界上得到广泛认可运用，而不是由某个厂商自己界说运用的某种特别总线标准。睡其有高度的牢靠性。
挑选了适宜的总线标准后，才干进行各功用模块的规划。在数控体系中，首要的功用模块有;运动轴方位操控模块、电气操控模块、机床操作而板及数控而板接口模块、通讯模块、显现模块等。功用模块应当能够从头配置，避免不同模块I/O端口地址及中止类型发生冲突口
2.2 五轴联动数控系统的硬件规划
在五轴联动数控系统开发进程中，咱们挑选工控机作为规划的根底。工控机木身契合多种工业标准，是一种敞开化的计算机体系，与常用的微机有杰出的兼容性，有很多的软硬件的支撑。现在工控机底板插槽总线类型首要有两种:ISA总线工业标准总线)和PCT总线(外围设备接口)。ISA总线的数据传输速率比较低，但已能满意数控体系的需求。一起，高总线速率会对各功用模块的硬件提出更高的要求。因而，咱们选用TSA总线作为一切模块规划的根底。
由十五轴联动插补算法杂乱，有很多浮点运算，对实时性要求又较高，咱们选用Pentium166 CPU完结插补运算。别的，体系中各个坐标轴还需具有方位操控功用，方位操控实时性很强，且操控轴数比较多，该使命与插补共用一个CPU会导致数控体系主机担负太重，实时性不易确保，并且毛病危险过于会集，较好做法是何根轴选用一个独立的CPU进行操控，选用层次式体系结构构成体系。依据方位操控CPU与主机交互信息办法的不同，分为两种结构见图1。第一种结构把方位操控板直接插到土控机底板的ISA插槽中，在这种状况下，主机与多个位控板之间直接进行信息传输，因为位控板CPU速度低，数据通讯阶段会糟蹋主机CPU资源，操控轴数越多，主机CPU的功率就越低。此外，主机还需采纳办法来确保多个位控板在时刻上的精确同步。因而，咱们挑选了第二种结构。第二种结构选用独自的通讯机完结主机与位控板之间的信息传递。通讯机一方而经过双口存储器与主机之间进行信息交流，另一方而经过自建的部分总线与位控板进行信息交流。双口存储器容量为2kb,‘己一起也起数据缓冲器的作用。这种计划大人减少了主机用于信息交流的CPU时刻。
图1分布式多CPU数控体系的两种结构
通讯机在体系中起着承上启下的作用。它接纳Pentium 166插补得出的各坐标轴方位指令，经过并行口把这些指令分发给位控板。别的，通讯机还供给对数控而板按键及指不灯的办理功用。通讯机的规划见图2a图中的仿ISA总线，供给了通讯机与位控板之间传输信息的通道。这时的“仿TSA总线，，是依据位控板及常用操控插卜的需求而规划的，‘已重建了标准ISA总线的部分信号，包含:I/O操作所需的各种信号线、中止信号线、安排妥当操控、电源线等。依照“仿ISA总线”规划的位控板与标准的ISA总线彻底兼容口这样做有两个优点:在体系开发阶段，通讯机与位控板的规划和调试作业可凭借微机各自独自完结，两者之间无先后依靠联系:在操控轴数较少的体系中，能够选用图1中的第一种结构，把位控板自接插到工控机的底板上，方便地完结对体系的重组。
在设汁进程中，在通讯机与位控板之间，找们曾米用f翻足义的专用总线。专用总线功率高，但依据专用总线规划的位控板与_土控机不兼容，互换性较差，开发,试与保护都比较费事。为此，咱们对这一部分进行从头规划，走敞开化路途，选用“仿ISA总线”向标准总线接近，收到了杰出的作用。
3 数控体系软件的敞开化规划
敞开化数控体系的软件规划首要需求挑选适宜的操作体系和软件开发工具。现在常用的操作体系如005, Windows 3.1, Windows 95, Windaw5 NT等均被运用到数控体系中。DOS木质上是一种单使命操作体系，在DOS下的多使命只能经过中止技能来完结。数控体系各软件功用模块一般不能一起履行，若要一起履行，需自行解决模块之间的调度问题。但DOS的规划很小，人们对DOS的了解比较多，在DOS上开发运用程度相对简单口Windows3.1 是一种非抢先多使命操作体系，可一起完结多个使命。其缺点在十某个使命，如使命A得到CPU资源时，其’言使命是否能顺畅履行完结取决于A是否能及时处理完其木次事情，因而实时性没有确保。Windows 95和Windows NT都是功用优异的抢先式3}位多使命操作体系，操作介而杰出，就功用而言，合适数控体系的需求。但在工业场合运用，其稳定性有待证明。综台考虑的成果，咱们挑选了DOS操作体系。与此相应，咱们挑选Turbo C++ 3.0作为软件开发工具。
软件规划:作业分为三个部分:主机软件、通讯机软件和方位操控卡软件。制定完善的通讯协议是其首要问题。为了确保牢靠传输数据，通讯机构件选用分时处理的办法别离完结与主机及位控卜的信息传输。其时刻上的同步联系见图3。时刻片的区分及三部分之间的同步联系由通讯机进行操控。第一时刻片开端时，通讯机向主机及位控卡宣布同步信号，告诉主机向双口RAM中写入新的数据，一起使位控卡开端方位操控运算口第二个时刻片内，通讯机从双口RAM中取出方位指令，分发给各个位控卡，一起从各位控卡收集实践方位数据，写入双口RAM。
主机软件首要由NC程序修正模块、手动操作、电气操控模块、通讯模块、主动加工、机床参数调整、体系定位、螺矩补偿等功用模块构成。一卜而以电气操控模块为例阐明软件模块的敞开化规划办法。
电气操控是一切机床必不可少的一部分。在数控机床中，其完结办法有三种:外装式PLC,嵌入式PLC和虚拟PLC。市场上现有的各种PLC一般具有通讯功用，能够经过通讯接口与数控体系构成一个全体，这种电气操控办法称为外装式PLC;此外，也能够规划一个智能型I/O接口，经过总线_直接与数控体系构成一休，卡上带有CPU，完结开关逻辑运算与操控，这种办法为嵌入式完结。也能够_篙接使用数控体系主机CPU周期性地进行逻辑运算，合作一般的开关量I/O卡完结对电气开关的操控，这种办法称为虚拟PLC。
假如选用惯例的程序规划办法，对十以上三种电气操控办法，就得规划不同的软件接口，数控体系软件主体就会直接触及到电气操控的完结办法及其细节，一旦操控办法发生改变，将不得不对软件进行人工修正二这样编写出的软件通用性较差，难以习惯意料之外的改变。为了添加软件与硬件之间的彼此独立性，咱们运用而向方针技能对体系进行了敞开化规划。
明显，不管哪一种操控办法，其方针都是相同的。经仔细剖析，咱们找出了三者之间的一起点，由此得出一抽象类CPlc,供给了数控机床电气操控一切的外部特征，为数控体系主体软件供给了齐备的音讯处理函数，数控体系中其‘自部分只需向PLC方针发送音讯(message)就可使电气开关做出相应的动作。该部分不触及电气操作进程中的细节。
在抽象类CPlc的根底上，针对三种办法别离界说了派生类CExernalPic, CEmbedPlc和CVirtual Plc，在这些类中，完结音讯的解说及硬件的操作。依照这种规划思维得到的电气操控部分软件具有图4所示的结构口由图中能够看出，这种规划办法在数控体系主体软件与电气操控硬件之间加入了抽象类层次，使其彼此依靠性削弱，成为相对独立的两部分口运用这种办法得到的数控体系软件具有与设备无关的特征。当有新的硬件设备呈现时，只需在原抽象类上派生出新的方针类，依照一起的标准对音讯进行解说，操作硬件做出相应的动作即可，无需对软件其‘言部分做任何修正，大人进步了软件规划的功率，实践_匕在对音讯的数据结构及其含义做出清晰的标准后，其它任何人都能够参照该标准规划出新的电气操控硬件及相应的驱动程序，集成入体系中二这也是软件敞开化规划的首要意图。
上而以PLC为例阐明晰数控体系软件敞开化规划的思维。咱们依照这种思路完结了数控体系的软件规划。虽然在开发初期重复做了屡次剖析评论，但在体系结构确认后，软硬件开发仍是比较顺畅的。从开发进程和联机调试状况来看，敞开化规划能够有用缩短软件的开发周期，进步数控体系软件的质量。
