基于PC机的开放式数控系统平台研究

黎川林，马伏花

（1.广州市今明科技有限公司，广东广州 510663；2.广西民族大学，广西南宁 530006）

数控系统平台技术是制造业前沿技术之一，基于PC机的开放式数控系统技术在网络化、开放式数控系统实用化、工程化方面具有明显的发展优势[1[，能够适应当前FMC/FMS制造环境和网络化制造的需要。

1 硬件平台技术研究

国内外对开放式数控系统的硬件体系结构有很多规范性的研究和应用，结合产业化的行业发展和市场需求，基于PC体系结构的硬件平台，系统内部采用数字量标准接口或现场总线连接各功能部件，外部采用网络化的连接方式，可与CAD/CAM、FMC/FMS和企业Intranet集成，实现数控系统的网络化。

硬件核心——工业PC机采用高性能PC104总线，与台式计算机兼容，采用酷睿处理器，集成硬盘接口、U盘接口、双向并行口、RS232串行口、键盘口、鼠标口、VGA接口内存条插槽和网络接口。采用10.4寸液晶显示屏（分辨率为800×600），128 MB Flash ROM（可扩至256 MB）程序断电存储，128 MB（可扩至256 MB）加工缓冲区，配备硬盘和U盘，可装载和存储大量加工程序，具有巨量程序加工能力，利用以太网、RS232等接口，轻松实现机床联网。

图1 数控系统硬件平台

主板采用双FPGA设计，一个FPGA芯片负责控制开关量接口电路，MCP、MPI键盘接口电路，主轴接口电路，脉冲量伺服驱动装置接口电路；另一个FPGA芯片负责控制脉冲量伺服驱动装置接口电路，模拟量伺服驱动装置接口电路。工业PC机通过PC104总线控制FPGA芯片。系统主板与PC机采用层叠结构，减小数控系统的体积。该硬件平台充分利用FPGA芯片可灵活搭配的特性，无需改变硬件电路，即可构造基于PC机的开放式体系结构数控系统，能够有效降低成本，并提升系统性能，为产业化提供较好的解决方案。

2 软件平台技术研究

采用DOS通用操作系统加实时扩展作为数控系统的软件平台，对开放式体系结构数控系统的各种拓扑结构进行抽象和统一，通过对数控软件的标准化和规范化研究，运用面向对象的机制将数控系统功能进行封装，成为具有稳定、通用接口的可重用软件芯片，采用组件对象模型，运动控制器等核心组件支持用户定制如图2所示。

图2 数控系统软件平台

实时多任务API为系统提供实时开发环境，应用中与实时相关的模块通过这一接口与数控系统的实时多任务调度模块连接。通过实时多任务API，数控系统的实时应用程序与硬件是完全隔离的，可以针对不同应用的二次开发，只修改应用程序层软件，而不需要对硬件进行设计改变，提高硬件的独立性，从而提高系统的开放性[2]。利用应用平台与应用程序的各种API，还可实现对系统功能的快速扩展[3]，因此，系统的二次开发就不需要了解数控系统内部具体细节，只需要利用相应的API就可完成，提供了数控系统开放性的软件基础。

软件的菜单系统采用面向对象的消息传递机制，软件对数控代码文件的处理采用磁盘交换技术。软件包含的模块有：面向对象的消息响应表、字符串的显示类、通用三维按钮类、通用对话框类、基于消息响应的菜单类、基于磁盘交换技术的大数组类、全屏幕编辑器、数控参数显示与编辑模块、数控轨迹三维仿真显示[4]、MDI模块、PLC状态显示、刀库刀具表显示与编辑、数控系统运行状态显示。

3 数控系统平台研究结论

基于工程化、产业化数控系统的研究目标，采用基于PC机制硬件平台，使数控系统具有较好的开放性，在充分利用PC机的软硬件技术、资源的基础上，减少基本硬件组件的重复开发消耗，使数控系统平台的可靠性得到较好保证[5]；易于提高数控系统硬件的可靠性和产业化；统一的硬件平台能提高相同硬件生产数量，降低硬件生产成本，提高硬件质量，增强数控系统的一致性。

采用基于PC机制硬件平台的数控系统，便于实现开放式、网络化，数控系统的控制功能增加方便，升级速度加快；通过网络化实现生产管理和生产效率的提升；开放式的系统为售后技术服务提供便利，网络化控制还可以实现远程故障诊断。

［1］吴智恒，徐旋波.数控机床技术发展趋势［J］.机电工程技术，2004（9）：7-8，11.

［2］张志燕，李斌，朱国力，等.基于PC＋NC的开放式数控系统平台的研究与应用［J］.机械与电子，2005（5）：6-8.

［3］贺超，唐厚军.基于Linux的嵌入式开放性数控系统平台的设计与开发［J］.电工技术，2009（9）：31-33.

［4］颜国林.基于Windows网络数控系统的设计与实现［J］.长春大学学报，2013（12）：1541-1545.

［5］黄祖广，张承瑞，赵钦志，等.数控系统功能安全标准综述［J］.制造技术与机床，2013（8）：163-166.