基于PC的开放式数控系统

这种系统的基本结构为 ＣＮＣ＋ＰＣ 主板，即把一块 ＰＣ 主板插入传统的 ＣＮＣ 控制器中。ＣＮＣ 控制器完成 插补、位置控制、ＰＬＣ 时序逻辑控制等实时控制任务。 ＰＣ 板完成一些非实时控制的任务如网络通讯等，作为 用户与控制器的人机接口平台，利用 ＰＣ 板可以享用 到 ＰＣ 机丰富的软件资源。典型系统有 ＦＡＮＵＣ１８ｉ、１６ｉ 系统、ＳＩＥＭＥＮＳ８４０ 系统、Ｎｕｍ１０６０ 系统、ＡＢ９／３６０ 系 统。这种体系结构的数控系统虽然也具有一定的开放 性，但由于它的 ＮＣ 部分依然是传统的数控系统，其体 系结构仍然是封闭的。用户并不能够介入到数控系统 的核心。这类数控系统的结构复杂、功能强大但价格 昂贵。
（５）可移植性 不同的应用模块可以运行在不 同供应商提供的系统平台上，并且系统的软件平台可 以运行于不同类型不同性能的硬件平台上，以适应不 同层次的要求。
（６）可缩放性 控制系统中模块的数量与实现 可以根据具体的应用而增减，且不影响其控制功能。
１．２ 基于 ＰＣ 的开放式数控系统产生背景 开放式数控系统是对传统封闭式数控系统的巨 大挑战，但从它提出以后的十多年里，虽然投入了大 量的人力物力，由于它的庞大复杂，技术难度大，至今 仍没有在市场上占据重要份额，而与此同时，通用 ＰＣ 机得到迅速发展，其性能和可靠性不断增强，而价格 持续下降，ＩＢＭ／ＰＣ 体系结构已成为越来越多微型机的 标准，应用面也越来越广，众所周知，ＰＣ 机本身的插卡 式机构是一个开放式体系结构，ＩＢＭ／ＰＣ 机的发展过程 充分体现了开放式结构的成功。在这种情况下，人们 开始考虑利用已经存在的 ＰＣ 机的丰富的软硬件资源 迅速形成开放式数控系统的扩展设计方法。美国 Ａｍｐｒｏ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ 公司的 Ｐｉｃｋ ｌｅｈｒｂａｕｒｎ 提出了“利 用 ＰＣ 体系结构设计新一代嵌入式系统”，将嵌入式和 开放式结合在一起，可较好地解决在 ＰＣ 机基础上设 计数控系统的问题，日本的 ＯＳＥＣ 计划就采用了 ＰＣ 加控制卡的结构。德国 ＩＢＨ、美国 ＡＩ、日本朋立公司等 也相继开发了基于 ＰＣ 的数控系统，而我国开发的 ４ 个基本数控系统尽管出发点不同，采用不同的技术途 径，但都是利用通用 ＰＣ 机扩展设计的开放式结构系 统。 １．３ 开放式数控系统典型结构 目前基于 ＰＣ 的开放式数控系统主要有三种结构 的实现形式。 １．３．１ ＰＣ 嵌入 ＮＣ 结构的开放式数控系统
作者简介：王睿鹏（１９７７－ ），男，助理工程师，从事 ＣＡＤ／ＣＡＭ 及数控机床编程与操作。
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满足控制的功能要求。 （３）互操作性 采用标准化的接口、通讯和交互
模型，模块之间能够相互协作，容易实现与其它设备 的互连。
（４）可扩展及可互换性 用户可以在其基础上 进行功能的扩展；而且功能相似、接口相同的模块可 以互相替换。
间和电子商务，实现异地 ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＮＣ 的网络制造。
２．４ ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统具有灵活的编程方
式，既可以采用传统的 Ｇ 代码进行手工程序编制，也
可以运用 ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 提供的人机对话编程模式，
还可以由上位机用 ＣＡＤ／ＣＡＭ 软件生成的加工程序代
码通过网络传输到数控系统，更甚至可以在数控系统
适应实时性要求。近年来随着数控系统 ＰＣ 化的发展，
利用局域网连接，采用 ＭＡＰ（制造自动化协议）协议进
行数控系统互连逐渐成为新的发展方向。由于计算机
局域网络的数据传送速度极快（约为 １０～１００ｍｂ／ｓ 以
上，而 ＤＮＣ 接口的速度约为 ９．６ｋｂ／ｓ），对于复杂零件
的大容量程序的传送速度非常快捷、可靠。而且可以
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基于 ＰＣ 的开放式数控系统
王睿鹏
（银川起重机器总厂，宁夏 银川 ７５００１１）
摘 要 介绍了开放式数控系统与基于 ＰＣ 开放式数控系统的产生背景，基于 ＰＣ 开放式数控系统的特点， 实现基于 ＰＣ 开放式数控系统的三种体系结构。介绍了典型的基于 ＰＣ 开放式数控系统 ＭＡＺＡＴＲ ＯＬ ６４０ 数控系统的结构特点。
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种结构的优点是编辑处理灵活、软件通用性强、数控 系统容易升级。与前几种数控系统相比，全软件型开 放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命 力。其典型产品有美国 ＭＤＳＩ 公司的 Ｏｐｅｎ ＣＮＣ、德国 Ｐｏｗｅｒ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ 公司的 ＰＡ ８００ＮＴ 等。
２ 典型的基于 Ｐ Ｃ 的开放式数控系统— —— ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０
ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统是日本 ＭＡＺＫ 公司与 日本三菱公司合作开发的基于 ＰＣ 的开放式数控系统 （图 １），其结构和功能特点为。
２．１ ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统属于 ＮＣ 嵌 入 ＰＣ 结构的开放式数控系统。工业 ＰＣ 机以高性能、高速度 的 ６４ 位 ＲＩＳＣ 结构 ＣＰＵ 为核心，运行于 Ｗｉｎｄｏｗｓ ９５ 操作系统平台，配备丰富的函数库，供用户在 Ｗｉｎｄｏｗｓ 平台下自行构造所需的数控系统。工业 ＰＣ 机内嵌三 菱公司 ＭＥＬＤＡＳＭＡＧＩＣ ６４ ＮＣ 控制卡，它以高速 ＤＳＰ 为核心，具有很强的运动控制和 ＰＬＣ 控制能力。此 ＮＣ 控制卡采用开放体系结构，本身即可独立构成数控系 统。
１．３．２ ＮＣ 嵌入 ＰＣ 结构的开放式数控系统 数控系统中的 ＰＣ 将实现用户接口、文件管理以 及通信等功能而将数控系统的实时控制功能由运动控 制卡来实现，运动控制卡可以通过标准的 ＩＳＡ 接口或 ＰＣＩ 接口插入到 ＰＣ 机的主板上。运动控制卡通常选用 高速 ＤＳＰ 作为 ＣＰＵ，具有很强的运动控制和 ＰＬＣ 控制 能力，它本身就是一个数控系统，可以单独使用，用以 完成机床的运动控制和时序逻辑控制。运动控制卡开 放的函数库供用户在 Ｗｉｎｄｏｗｓ 平台下自行开发构造 所需的控制系统。目前这种结构的开放式数控系统已 经成为开放式数控系统的主流结构，应用十分广泛，如 美国 Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ 公司用 ＰＭＡＣ 多轴运动控制卡构造的 ＰＭＡＣ－ ＮＣ 数控系统，日本 ＭＡＺＡＫ 公司用三菱电机的 ＭＥＬＤＡＳＭＡＧＩＣ ６４ 构造的 ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统 等。 １．３．３ 全软件型开放式数控系统 全软件型开放式数控系统是一种最新的开放式体 系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活 性。它的 ＣＮＣ 软件全部装在 ＰＣ 机中，而硬件部分仅 仅是 ＰＣ 机与伺服驱动和外部 Ｉ／Ｏ 之间的接口板卡。在 这种数控系统中，ＰＣ 机不仅能够完成文件管理、人机 接口、网络通信等非实时任务，同时在实时操作系统的 管理下，还可以以软件控制的方式完成插补运算、伺服 进给控制以及 ＰＬＣ 控制等实时性任务。用户可以在 Ｗｉｎｄｏｗｓ ＮＴ 平台上，利用开放的 ＣＮＣ 内核，开发所 需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统。这
２．２ ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统为 ＣＩＭＳ 的信息集 成提供了强有力的支持。ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统与 系统外的其他控制系统或外部上位机计算机以网络 连接，通过网络实现对设备的远程控制和无人化操 作、远程加工程序传输、远程诊断和远程维修服务以 提高机床生产率。生产管理部门通过企业内部网 （Ｉｎｔｒａｎｅｔ） 和 ＭＡＺＡＫ 生产中心管理软件（ＭＡＺＡＫ Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ），可以随时监测生产现场情况并进 行 最 优 调 度 ； 利 用 生 产 中 心 管 理 软 件 和 ＭＡＺＡＫ －２０－
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ＣＡＭＷＡＲＥ 软件可将 ＣＡＤ 图形文件转变为加工程序
代码、刀具清单、工艺卡片和加工图样等，实施并行工
程以缩短产品生产周期。ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统还
具有其它多种管理功能，如刀具和夹具管理、刀具寿命
管理、系统故障记录和系统工作记录等。
２．３ ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统具有强大的网络功
实现数据的双向通信，ＣＮＣ 不仅可以接受加工程序、
刀具数据等信息，还可以向上位机传输每一天，每一周
内的加工零件数、运转状况数据、主轴负荷、每种工件
的加工实绩等信息。在新的制造模式下，通过数控系
统的上网，还可满足未来制造企业在企业动态联盟过
程中和制造系统重组过程中，通过网络对外发布或者
允许外部了解自己的制造能力，甚至组成网上虚拟车
能。它可以提供 ＤＮＣ 与局域网两种通信方式，以满足
不同层次的需求。数控系统的网络互联主要采用 ＤＮＣ
或者局域网方式构架。基本 ＤＮＣ 功能仅向下传送 ＮＣ
代码，狭义 ＤＮＣ 功能可以上下双向传送 ＮＣ 代码，广
义 ＤＮＣ 功能除上下传送 ＮＣ 代码外，还具有远程控
制、远程监控与诊断等功能。ＤＮＣ 通信速度较慢，难以
上使用运行于 ｗｉｎｄｏｗｓ 操作系统的的 ＣＡＭ 软件，将从
网络上传送来的 ＣＡＤ 图形文件生成加工代码 （有利
于 ＰＤＭ／ＣＮＣ 的集成）。而且由于基于 ＰＣ 平台的 ＣＮＣ
具有较大的内存和外存空间，其资源可共享到计算机
网络上，因此，每台配 ＭＡＺＡＴＲＯＬ ６４０ 数控系统存储
关键词 ＣＩＭＳ ＦＭＳ 开放式数控系统 ＣＮＣ ＭＡＺＡＴＲ ＯＬ ６４０
随着世界贸易一体化进程的加剧，市场竞争变的 越来越激烈。竞争推动着整个社会的飞速发展，各种 先进制造技术亦得到了飞速的发展。机械制造自动化 模式从过去的刚性自动化生产线、ＣＮＣ 机床发展到当 前的柔性制造系统 （ＦＭＳ）、计算机集成制造系统 （ＣＩＭＳ）以及敏捷制造模式。标志着机械制造自动化 水平进入了一个崭新的柔性自动化、集成化以及全球 制造的先进阶段。这些先进的制造技术与理念都离不 开数控技术的大ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ支持。而传统的数控系统由于受当 时计算机发展水平的制约，通用计算机系统的性能不 能满足其要求，数控系统制造厂家必须专门设计硬件 系统和软件系统，加上没有统一的规范和标准，大多 数数控系统的体系结构是封闭的。这就给不同使用状 况下灵活配置数控装置的功能和用户界面带来了很 大的困难。在很大程度上也制约了 ＦＭＳ 和 ＣＩＭＳ 等先 进制造技术的发展。人们逐渐认识到专用 ＣＮＣ 系统所 带来的弊病，迫切需要具有配置灵活、功能扩展简便、 基于统一规范和易于实现统一管理的开放式数控系 统。１９８１ 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控 制系统的依赖性，美国空军在 “下一代控制器（Ｎｅｘｔ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，简称 ＮＧＣ）计划”中首先提出 开放体系结构的控制器的概念。并把它定义为“在竞 争环境中允许多个制造商销售可相互交换和相互操 作的模块”。同时制定了“开放系统体系结构标准规
范（ＳＯＳＡＳ）”其后有许多相关的研究计划在世界各 国相继启动，其中影响最大的有美国的 ＯＭＡＣ、欧洲的 ＯＳＡＣＡ 和日本的 ＯＳＥＣ 等计划。在我国也已经开发了 具有自主版权的 ４ 个开放式数控系统— ——华中 Ｉ 型、 中华 Ｉ 型、航天 Ｉ 型、蓝天 Ｉ 型，并初步形成了各自的系 统。本文将就开放式数控系统的特点、基于 ＰＣ 开放式 数控系统的体系结构展开论述并介绍 ＶＴＣ－ １６Ａ 立式 加 工 中 心 配 备 的 基 于 ＰＣ 的 开 放 式 数 控 系 统 ＭＡＺＡＴＲＯＬ６４０ 的特点。
１ 基于 Ｐ Ｃ 的开放式数控系统
１．１ 开放式数控系统的特点 ＩＥＥＥ（国际电气电子工程师协会）定义开放式数 控系统为“符合系统规范的应用，可以运行在多个销 售商的不同平台上，可以与其它的系统应用互操作，并 且具有一致风格的用户界面”。开放式数控系统研究 的主要目的就是要解决变化复杂的需求与控制系统专 一固定的框架之间的矛盾。一个完全开放的数控系统 应该是以分布控制为原则，采用系统、子系统和模块方 式进行分级式控制，总的来说这种结构的系统具有以 下的特点。 （１）开放性 提供标准化环境的基础平台，允许 开发商的不同软、硬件模块介入。 （２）模块化 数控系统的构成要素是模块化的， 各模块之间的接口是标准化的，具有即插既用的功能，