基于PC—BASED的新一代数控系统

“PC+运动控制卡”式数控系统将是开放式数控系统的一个里程碑。这种系统支持运动控制策略的用户定制，体现了一种核心级的开放思想，从这种系统开始，数控系统将进入“完全开放”时代。 
    1952年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台三坐标数控铣床，控制部分由数以千计的电子管组成，其插补装置采用脉冲乘法器。这台机床的研制成功标志着NC技术的开创和机床制造业的一个新的时代的到来。

    从第一台数控铣床后，随着电子组件技术，计算机技术，以及伺服技术的发展，现代的CNC系统在功能、性能、稳定性，以及处理速度方面已经得到了大大改善。数控系统作为数控机床控制的核心部分，对数控技术的发展起着极大的推动作用。它的发展大致以下几个过程：


图1 数控系统发展过程

    随着机械加工精度和速度的提高，要求NC系统的功能不断的扩大、改进和完善，特别是适应高速高精度加工的要求产生了高速高精控制系统，包括程序的快速输入、高速高精插补、控制以及输出。另外机械结构的简化与改进及新加工功能的完善，要求NC的软件功能越来越复杂。还有，机械加工的连续运行、协调，要求NC系统可靠性不断提高，加工和信息系统不但可以控制、处理、传输、管理而且通过网络可以共享。正是由于以上的原因，基于PC —baseD的开放性数控单元开始在数控领域得到了广泛的应用。

    1、开放性数控系统

    开放性系统结构的定义为：在竞争的环境中允许多个制造商可以相互交换和相互操作的模块。机床制造商可以在开放系统的平台上增加一定的硬件和软件构成自己的控制系统。目前比较流行的开放式数控主要有两种结构：1、CNC+PC主板：把一块PC主板插入传统的CNC机器中，PC板主要运行非实时控制，CNC主要运行以坐标轴为主的实时控制。2、PC+专业运动控制卡：把运动控制卡插入计算机标准插槽中做作实时控制用，而PC 机主要用作处理非实时控制。尤其是方案2，能充分发挥其计算机处理速度快，人机接口友好的特点，越来越受到机床制造商的欢迎，成为近年来国内开放式数控发展的主流。 

    2、开放性数控系统的硬件结构

    下面以步进机电公司自主研制开发的MPC01运动控制卡为例，介绍“PC+专业运动控制卡”这种结构模式的开放式数控系统。该系统采用主从式控制结构：其中PC机负责人机交互接口的管理和控制系统的实时监控等方面的工作（例如系统状态的显示、控制指令的发送等等）；下位机选用步进机电公司MPC01系列运动控制卡，用来完成控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降的处理、原点和限位等信号的检测等等。工控机的CPU及MPC01控制卡上的专用运动控制芯片构成了“PC+MPC01”的双CPU的硬件结构，DOS或Windows作为操作系统。

    2.1 MPC01系列运动控制卡的控制方式及特点

    步进机电有限公司（step-servo Co.,Ltd）是一家以技术为依托的专业运动控制公司。是目前国内运动控制卡的主要生产厂家之一，MPC01系列运动卡采用进口专用芯片，集成度高，稳定可靠；同时配备了内容丰富，功能强大的运动函数库，可在C/C++或VB等环境下调用，它和计算机之间以总线方式进行通讯。而且由于它采用了VXD虚拟驱动技术，很好的利用了Windows底层的中断调用，从而可以进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编程的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。

    2.2 控制系统的控制结构

    控制系统以基于工业PC的MPC01为核心，采用松下数字交流伺服系统构成一个开放式的数控系统。利用MPC01 的多轴运动控制功能，将交流伺服系统与DMC的脉冲输出通道相连，实现电机的转速信号的输出。同时也可接受光电编码器的反馈信号的采样，以达到实现全闭环控制。另外通过DMC的DB15接口，可以接收机床上一些与运动控制有关的IO量的输入。如检测机床原点、限位等开关的信号。

    运动控制卡必须与PC机进行通讯才能完成机床的控制任务，通过PC机的外设可实现加工程序的输入、编辑、参数的设置、机床运行的实时状态等等。另外借助PC的图形数据处理的强大功能，可以很容易的实现系统的DNC功能。


图2 控制系统框图

    3、开放性数控系统的软件构成


图3 开放性数控系统的软件构成

    本系统充分发挥了PC机软件资源丰富和处理数据速度快的优点，吸收了CAD/CAM的特点，在利用造型软件生成零件图后，将图形的DXF格式文件转化为加工G代码。然后将G代码解释为板卡的运动控制函数，最后通过调用MPC01运动函数库内的插补运动函数，达到实现机床控制的目的。

    4、结束语

    “PC+运动控制卡”式数控系统将是开放式数控系统的一个里程碑。这种系统支持运动控制策略的用户定制，体现了一种核心级的开放思想，从这种系统开始，数控系统将进入“完全开放”时代。