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数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程第八讲一、备课教案适用专业机械设计制造及其自动化讲次第八讲上课时间 年 月 日 节教学内容提纲及要求第二章 计算机数控系统第五节 经济型数控系统的构成一、经济型数控系统概述了解经济型数控系统的硬件组成及各部分的功能；了解经济型数控系统的软硬件组成及工作过程；经济型数控系统精度的影响因素及提高措施二、经济型数控系统的硬件组成三、经济型数控系统的软件组成四、精度的影响因素及提高措施第六节 基于PC的开放式数控系统一、开放式数控系统概述了解开放式数控系统的概念及其体系结构 二、基于PC的开放式数控系统的体系结构重点经济型数控系统的软件组成及工作过程；开放式数控系统的概念及其体系结构。教学实施手段效果记录课堂讲授课堂讨论现场示教小结讲评难点经济型数控系统软件的工作过程；开放式数控系统的体系结构。其 它教具CAI，黑板推荐参考书陈德道主编.数控技术及应用.北京:国防工业出版社,2009董玉红主编.机床数控技术.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2003教学后记二、讲稿第二节 计算机数控系统第五节 经济型数控系统的构成一、经济型数控系统概述经济型数控系统，是相对标准型数控系统而言。在不同的国家和不同的时期含义是不同的。其目的是根据实际机床的使用要求，合理地简化系统，以降低产品成本。在我国，把由单片机和步进电动机组成的数控系统和其它功能简单、价格低的系统称为经济型数控系统。目前，我国经济型 CNC 多数是以 8 位或 16 位单片机或者以 8 位或 16 位微处理器（简称 MPU）为主构成的系统，进给驱动采用步进电动机，控制轴数为 23 轴，联动 2 轴。经济型 CNC 是根据国内需要自行开发的。主要用于功能简单的车、铣、钻、冲床等的控制，并大量用于旧机床改造。它是属于低档数控系统的一种，在我国这类数控系统有一定批量的生产。经济型数控系统功能适当，价格低廉，特别适合中小企业对原有机床进行数控化、自动化技术改造，以提高生产效率。目前，我国经济型数控系统发展迅速，已研制了数十种经济型数控系统，应用较为普遍的是华中 I 型。二、数控系统的硬件组成任何一个微机控制系统都由硬件和软件组成，硬件是软件运行的基础，而配置了软件的硬件才是具有控制功能的系统。构成经济型 CNC 的基本硬件由 MPU、存储器、输入/输出 (I/O )接口电路组成。这里主要介绍用 MCS-51 系列单片机构成的经济型数控系统。单片计算机是在一片芯片上集成了 CPU、 ROM/RAM/EPROM/E2PROM、定时器/计数器及各种 I/O 接口等构成了一个完整的数字处理系统。单片机的主要特点是抗干扰性强， 可靠性高，速度快，指令系统效率高，体积小，性能价格比高。近年来，国外一些主要半导体制造厂相继生产了各种 8 位、16 位单片机。其中以 Inte1 公司的 MCS 系列单片机最为著名，目前已推出 MCS-48、MCS-51、MCS-96 三个系列。MCS -48 和 MCS-51 系列为 8 位单片机，MCS-96 系列为 16 位单片机。在国内的经济型数控系统中多数使用 MCS-51 系列单片机。1. MCS-51 系列单片机的基本特性MCS-51 系列包含三个产品：8031、 8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有些差异。即内部不含 ROM 的 8031、内部含 ROM 的 8051 和内部含 EPROM 的 8751。通常所说的 MCS-51 单片机是该系列的简称。 MCS-51 系列单片机的基本特性如下 ( 以 8051 为例)： CPU 为 8 位； 片内有时钟振荡器；具有 4KB ROM 和 128RAM；具有 21 个特殊功能寄存器；具有 4 个 8 位 I/O 端口，32 根 I/O 线；具有 16 根地址线 ( 与 I/O 线共用 )，可直接寻址 64KB(64KB 外部程序存储器，64KB 外部数据存储器)； 具有两个 16 位定时 / 计数器；（8）可有 5 个中断源，两级优先权的向量中断结构；具有一个全双工串行 I/O口； 具有位寻址能力，适于逻辑运算。2.MCS-51 单片机常用系统扩展芯片（1) 程序存储器 (ROM)主要是紫外线擦抹的可编程只读存储器EPROM。通常采用标准芯片，如 2716(2KB 8)、2732(4KB 8)、 2764(8KB 8)、27128(16KB 8 )、 27256(32KB 8) 和 27512(64KB 8)。（2） 数据存储器 (RAM)1) 静态 RAM 无需刷新，但功耗大成本高。目前常用的静态 RAM 是 6116(2KB 8 )和6264(8KB 8) 和 62256(32KB 8) 等；2）动态 RAM 功耗小、成本低，但需刷新。常用的动态 RAM 有 2164A （ 64KB 1) 和41464(64KB 4)。一般控制系统多采用静态 RAM 。（3）I/O 扩展集成芯片 I/O 扩展芯片可分为两种类型。1) 专用 I/O 扩展芯片 这类芯片专用于扩展 I/O 口，如 8255。8255 是一种常用的 8 位并行输入/输出接口芯片，使用方便灵活，通用性强。8255 内部具有三个可编程选择其工作方式的通道 A、B 和 C，用于与外围设备接口。其中，通道 C 可在 “方式”字控制下分成两个 4 位通道，分别与数据通道 A 和 B 配合输出控制信号（包括外设选通信号和中断申请信号）和输入外设状态信号。通道 C 具有按位置位/复位功能。三种工作方式为：方式0基本输入/输出；方式 1选通的输入/输出；方式 2双向数据传送 ( 只有通道 A 可工作在此方 式)。2 ）I/O 扩展复合芯片 这类芯片除能扩展 I/O 口外，还能通过它再扩展其它外围功能电路，如 8155。 8155 内部有256 字节的静态 RAM，两个 8 位并行 I/O 口（PA 口和 PB 口）和 一个 6 位并行 I/O 口（PC 口）。其中两个 8 位并行 I/O 口可工作于基本输入输出方式或选通输入输出方式。PC 口可编程为输入或输出或作为 PA 口和 PB 口的控制信号线。8155 设置有一个 14 位二进制减法定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数。8155 具有多路转换的地址和数据总线，即地址/数据总线复用。（4） 其它功能芯片 MCS-51 还可使用下列具有各种专用功能的外围芯片：可编程中断控制器 8259、可编程键盘/显示控制器 8279、可编程通用定时器 8253、可编程通信控制器 8251 等。图2-44 8031组成的CNC系统3. 单片机构成的经济型数控装置硬件框图用 8031 单片机组成 CNC 系统，其数控装置硬件框图如图 2-44 所示。该系统按模块化设计，它主要由主控制系统板、CRT 控制板、键盘操作板和存储控制板等组成。若采用 LED 显示，LED 控制板、键盘操作板可由一块键盘/显示操作板代替，经济型数控系统常采用这种形式。系统主控制板以 8031 为控制器，板上包含内存为 816KB的RAM （供用户输入和调试加工程序用)；内存为 16KB 的 EPROM。由图 2-44 可知，系统中的 RAM 与 EPROM 及编程 I/O 扩展芯片的数据线和低 8 位地址线在 8031 地址锁存信号输出端 ALE 及地址锁存器控制下，公用一组 8031 的 8 位总线 (PO口)，而高 8 位地址及片选信号，则由 8031 的另一组 8 位总线（P2 口）结合译码器提供。因 8031 的外部 ROM 由 PSEN 信号选通，外部 RAM 和扩展 I/O 端口由 W/R 信号选通，所以 RAM 与 EPROM 的地址可以重复。8031 的 P1 口输出环形分配脉冲信号（软件环形分配）或输出控制指令经环形分配器输出的环形分配脉冲信号（硬件环形分配），经光电隔离和驱动放大电路驱动步进电动机 8031 的 P3 口在其第二功能情况下，可完成回转刀架、主轴脉冲发生器（光电编码器）信号及外部中断控制等工作。可编程的 I/O 扩展芯片在监控程序控制下扫描键盘（或键盘 /LED 数码显示控制板），并输出组合逻辑信号，以控制主轴电动机的速度转换。CRT 控制系统是以视频控制器为主芯片的扩展电路。其中还包括有 8KB 的静态 RAM （存放被显示的字形和图形，称显示存储器）、 8KB 的 EPROM（存放汉字，同计数器组成“字符发生器”）、锁存器及其他缓冲器和逻辑电路。三、数控系统的软件组成数控软件是一系列能完成各种功能的程序的集合。软件和硬件的结合，形成一个具有特定功能的计算机控制系统，使该系统能够完成零件程序的输入、编辑、译码、数据计算、插补和伺服控制等工作。经济型数控系统软件主要包括监控与操作软件、插补计算软件、步进电动机控制软件、误差补偿软件等。（一)监控与操作程序监控与操作程序用来实现人机对话、系统监控、指挥整个系统软件协调工作等。它包括系统的初始化、命令处理循环、零件加工程序的输入、零件加工程序的编辑修改、指令分析与执行、系统自检等。1系统的初始化开机或人工复位后，数控系统要进行必要的初始化处理。例如，设置系统硬件，包括中央处理器（CPU）或微处理器（MPU）及其可编程 I/O 芯片的工作状态；设置中断方式；对系统变量赋于初值；初始化输出端口的内容以使机床处于正确的初始工作状态以及系统硬件部件的自检。初始化程序框图如图 2-45所示。图2-45 初始化程序框图2命令处理循环在完成初始化工作以后，程序进入命令处理循环。在这个循环过程中，程序扫描键盘或操作面板输入的操作命令，对命令进行识别分析，然后，根据识别分析的结图2-46 键盘扫描中断方式程序框图 图2-47 8279键盘处理程序框图果转向相应的处理程序模块。经济型数控一般采用两种键盘处理方式 , 一种是键盘扫描中断方式，其程序框图如图 2-46所示； 一种是采用专用可编程键盘显示芯片 8279 管理方式，其程序框图如图 2-47 所示。3零件加工程序的输入程序经济型数控系统零件加工程序通常是通过键盘逐段输入的。输人的数据经数据处理程序将输入的十进制数与指令转换为 BCD 码存于规定的缓冲区，即源程序区。输入程序的任务是将输入的源程序顺序读入并根据字地址把有关的数据送至指定的存储单元，同时将坐标值 BCD 码转换成二进制数码（即十翻二处理）。以后的解释工作就是以这些存储单元的内容为依据的。目前，一般加工程序都是按字地址程序格式编制的。由于每个程序段的功能字（如 G 、 M 、F 、S 、T 等）和尺寸字（如 X 、Y 、Z 、U 、V 、W 、I 、J 、K 等）的主要数据按固定格式顺序存放，所以不要保留字符。输入程序中应设置一个地址指针。每读完一个程序段，必须把当前指针压人堆栈，以备下段程序读入时使用。输入程序框图如图 2-48 所示。图2-49 编辑修改程序框图 图2-48 零件加工程序的输入程序框图4零件加工程序的编辑修改程序编辑修改程序可看作为一个键盘命令处理程序。它与键盘输入通常成为一体，既可用来从键盘输入新的零件加工程序，也可用来对已输入的零件加工程序进行编辑和修改。当按下检索命令键或在系统开关预置编辑方式下进入编辑修改程序，进入编辑修改状态后，检索需编辑修改的程序，对该程序中的指令和数据进行必要的删除或插入等编辑修改工作。编辑修改程序框图如图 2-49 所示。5指令分析和执行 数控系统要对输入指令进行识别，识别指令功能并执行相应操作。如 M 辅助功能主要涉及主轴启停、切削液的开关、工件松卡等动作以及控制加工暂停和加工结束；S功能是主轴转速功能，控制主轴的转速；T 功能是刀具功能 , 控制换刀等动作；G 准备功能，规定着各种运 动方式。G功能种类很多 , 处理较复杂。 G 功能分析程序 通常采用中断矢量法。中断矢量法就是经过 G功能分析后，将相应的 G 功能处理子程序的地址写入中断程序矢量的单元中，在加工过程中由速度处理程序设置的定时时钟发出中断信号，每中断一次，相应的G功能作为中断服务程序就执行一次。 G功能分析程序框图如图 2-50所示。图2-50 G功能分析程序框图6系统诊断程序该程序检测 CNC 系统各个硬件功能的正确性，指示可能存在故障的位置和性质，辅助维修人员确定故障部件，缩短系统维修时间，提高系统的可靠性。不同的数控系统，其诊断功能和诊断程序可能差别很大，但诊断原理基本是相同的，就是用软件对数控系统中某一环节或某一预设状态进行检验，发现非正常情况， 给出错误信息。下面介绍常用的诊断程序。(1) 定时/计数器的诊断 数控系统中，定时/计数器往往是必不可少的，如经济型数控系统对步进电动机的控制，多数采用定时中断功能。由于定时/计数器的定时功能诊断不需外部条件，而计数功能的诊断需从外部引入脉冲源，所以，一般诊断程序只诊断其定时功能。定时功能诊断的基本方法是：让被诊断的计数器工作，如能正常送出，就可诊断为基本无故障。(2) 中断功能的诊断CNC 系统往往有多个中断源，实际中不可能对每个中断进行诊断，一般选一个中断最频繁的中断源进行诊断。其基本方法是：先打开中断，并在中断子程序中进行一段操作通知诊断程序，则可根据此操作是否发生来判断中断是否发生；再关闭该中断源， 看中断是否还能发生。这样可判断中断是否正常。(3)ROM 区的诊断 利用累加和的方法来诊断固化在 ROM 区的系统控制程序的故障。在控制程序固化到 ROM 中时，将控制程序的每个字节累加（不考虑高字节进位），得出“累加和”（一个字节），将累加和取补后也固化到 ROM 中。诊断时，若累加和为零，则说明 ROM 完好，否则认为有错。此时，系统便停止工作，并给出报警信号和出错内容。(4 )RAM 区的诊断开机时，对每个要检查的单元先写入一个常数，如 55H，并读出检查是否是55H，若是，再对每个单元写入 AAH，然后，读出检查是否是 AAH，这两个检查中若有一个不对，则表明 RAM 区有错。写入 55H 和 AAH 是通过逻辑 0 和 1 对每位进行检查。(5) 键盘诊断 经济型数控系统多数采用键盘方式输人零件加工程序或控制指令，若有一键失灵，将导致操作者元法对数控系统进行控制或进行程序输入。所以键盘诊断是很重要的，其基本方法是：在系统键盘管理程序中加入使按键发声子程序，当有键按下时，发出标识声音，每当按下键时若听到该标识声，表明无故障，否则键出故障。（二）步进电动机控制软件微机控制步进电动机的驱动系统，不仅可用程序代替可变频率脉冲源和环形分配器等硬件，还很容易用程序实现步进电动机升降速控制等功能。1. 软件环形分配用软件完成环形分配的优点是线路简单，成本低，可以灵活地改变步进电动机的控制方案，而驱动功率放大功能仍由硬件完成。图 2-51为单片机直接带动三相步进电动机的接口方式。单片机凹的低三位为输出位，分别控制步进电动机 U 、 V 、 W 三相绕组通断。用软件进行环形分配，就是用软件改变 P1 口低三位的输出值，来控制二相绕组的通电顺序和方式。 如单三拍方式通电顺序为 U V W U ，所以只需依次向 P1 口输出如下控制字： 0 0 1(OlH ) U 相通电0 1 0(02H ) V 相通电1 0 0(04H) W 相通电同时，在两控制字间应加人软件延时来保证一定的时间间隔，以此控制步进电动机速度。假如要求时间间隔为 lms控制步进电动机三相三拍正转的程序框图。如图 2-52 所示。如要控制步进电动机反转，只需将输出的控制字按 U W V U 通电顺序输出即可。2. 微机控制步进电动机的升降速方法 生产实际中，要求步进电动机不仅运转快，而且要求能快速起动、停止。但由于步进电动图2-51 软件环形分配器步进电动机控制 图2-52 三相三拍正转程序框图机本身特性的限制，如果起动时脉冲频率较高，步进电动机转子在最初一些节拍不能转够相应的转角，则产生“丢步”，严重时步进电动机根本不会启动，而停止转动时会产生“过冲”。原因是步进电动机的响应频率比较低，限制了步进电动机的最高启动频率。因此，微机应能对步进电动机的脉冲频率进行升降频控制，使脉冲频率开始时较低，步进电动机不“丢步”地启动，然后逐渐升高到较高的连续运行频率。同理， 在要求停止转动时，为防止“过冲”，使脉冲频率逐渐降到零。微机实现升降频控制，可采用均匀地改变步进脉冲间隔的方法，进行升降速控制。如步进电动机以 400Hz 的频率起动，要求从第 20 个脉冲开始进入 1500Hz 恒速运行，以 10s 延时为基础，可求出：起动时每个脉冲周期： s/40025010s， 时间常数 =250；恒速时每个脉冲周期: s/15006610s， 时间常数 =66；起动过程中相邻脉冲周期差：(250-66)/2O910s， 变化间隔 =9 。 计算结果表明，起动时第一个脉冲周期为 25010s，以后每个脉冲周期减少 9 10s。在第 20 个脉冲后，脉冲周期可减少到 66010s，对应脉冲频率约为 150OHz。根据以上分析可编制具体的加减速程序。综上所述，微机对步进电动机的控制，也就是控制步进脉冲的个数和步进脉冲的间隔，而其间隔又可转化为某基准延时子程序的循环次数。因此，可以方便地用软件来控制步进电动机的运行，实现步进电动机不丢步地快速起动、停止。（三）数控机床误差及其软件补偿数控机床的加工误差是必然存在的，但只要对引起加工误差的各个环节的定量关系清楚，就可以在编程中正确地引人修正量，调整进给脉冲，达到减少和消除部分误差的作用，这就是误差的软件偿。 1. 编程误差 编程误差由三部分组成：（1）逼近误差逼近误差是用近似计算法逼近零件轮廓时产生的误差（又称一次逼近误差），它出现在用直线或圆弧去逼近零件轮廓的情况。即用近似方程式拟合列表曲线时，方程式所表示的形状与零件原始轮廓之间存在的差值。(2) 插补误差它表示插补加工出的线段（例如直线、圆弧等）与理论线段的误差，这项误差与数控系统的插补功能即插补算法及某些参数有关。(3) 圆整误差编制零件加工程序时，要根据设计图样的几何尺寸要求，将尺寸参数转换成控制脉冲数，转换计算的最小单位是脉冲当量。这种零件几何参数计算时圆整到一个脉冲当量而引起的误差称为圆整误差。圆整误差的大小决定于脉冲当量。一般不会超过脉冲当量的一半。编程误差一般情况下取零件加工允许误差的 0.l0.15 倍。为减小编程误差，可以通过减小插补间隙或增加机床分辨率来达到，一般不需要专门的软件补偿。2. 间隙误差 数控机床机械传动部件间存在一定的问隙，由此产生的加工误差称为间隙误差。机械传动间隙通常有：丝杠轴承轴向间隙；丝杠螺母副之间的传动间隙；联轴节的扭转间隙；齿轮传动的齿侧间隙等。间隙对误差的影响，主要是在运动换向时发生。其软件补偿处理的过程是：先将各个间隙值变换成指令脉冲数 M，然后在零件加工程序中判别进给方向的指令转向后， 给出 M 个额外的进给指令脉冲，再执行正常的程序。这样的补偿处理方法，对于点位和轮廓控制都适用。但对于大型机床，其间隙大小随工件的重量或间隙的位置改变而改变，这时就会出现补偿不完全的情况。四、经济型数控机床影响定位精度的因素和提高定位精度的措施1. 影响定位精度的因素 机床的定位精度受到机床电气或机械装置以及机床使用过程中的负载变化、振动、热变形等因素的影响，其中主要影响因素有：(1)步进电动机的误差1）步进电动机的步距角误差；2）步进电动机的动态误差，步进电动机单步运行时有明显的振荡，产生 20%30% 步距角的超调量；3）步进电动机的起停误差，在步进电动机起动和停止的过渡过程中，电动机的转动滞后于控制脉冲而产生的误差；4）步进电动机失步产生的误差。（2）机械传动部分的误差1) 齿轮副或同步带传动副的传动误差及传动间隙；2) 滚珠丝杠螺母副的传动误差及传动间隙；3）导轨副的误差；4) 机械传动部件的受力变形；5) 机械进给部件的热变形。以上各种因素中，某些固定不变的或按确定规律变化的因素引起的定位误差属于系统性误差，如丝杠的螺距误差、导轨的形位误差等。某些因素引起的定位误差属于随机性误差，如摩擦力变动的影响、轴承游隙的变化量以及接触变形等。传动系统中的各种间隙、传动件的弹性变形量等，则综合形成反向运动时的失动量。2. 提高系统定位精度的措施减小随机性误差比较困难，一般只能通过全面提高进给传动系统各部分的精度和配合质量，增强刚度，以及减少摩擦系数并使摩擦系数稳定不变来改善。对于系统性误差则比较容易采取措施减小或消除。而且，系统性误差所占比重较大，有时甚至占总误差的 90%，因此应首先减少系统性误差。通常采用以下两种方法：1) 从产生误差的根源上采取措施减小或消除定位误差 在许多情况下，可以根据误差的变化规律分析找出产生误差的根源，然后采取对应措施进行减小或消除。如由于轴的安装偏心、齿轮的制造和安装产生的齿轮传动误差，就可采取有效措施减小或消除。图2-53 定位误差补偿点的确定2）采用误差补偿的方法提高定位精度 在 CNC 机床上可采用软件方式进行定位误差补偿。其方法是，相对机床绝对原点 （机床零点）实测出机床坐标轴的定位误差曲线，如图 2- 53 所示。将该曲线以单位补偿脉冲当量进行分割，各分割点为目标补偿点。将补偿点的位置数据列成表存入计算机，当运动部件移动经过补偿点时，补偿相应脉冲。在定位误差为正处，进行减脉冲补偿，而在定位脉冲为负处进行加脉冲补偿。经这样补偿后，坐标轴全长上定位误差不大于 2 个补偿脉冲当量，即士 1 个补偿脉冲当量。第六节 基于PC的开放式数控系统为了适应现代化生产系统进步和发展的要求，克服封闭式数控系统所暴露出来的弊端，人们提出了数控系统开放化的要求。由于PC已经成为微型计算机的事实标准，其开放的体系结构和丰富的软硬件资源，成为现代开放式数控系统的重要基础。本节主要介绍基于PC的开放式数控系统的特点、硬软件体系结构、工作原理和典型实例。一、开放式数控系统概述（一）、开放式数控系统1、开放式数控系统的提出 数控系统按体系结构可分为封闭式和开放式两类。传统数控系统采用封闭式的体系结构，即便是计算机数控系统（CNC），其CNC装置也是采用专用计算机系统为基础。虽然选用高性能微处理器构成分布式处理结构，可以获得高性能（如多轴联动的高速高精度控制）、强大补偿功能、图形功能、故障诊断功能以及通信功能等。但由于技术保密和降低成本等原因，各数控系统生产厂商通常自己设计数控系统的硬件和软件体系结构，不同厂商设计制造的封闭式数控系统的软硬件模块、编程语言、人-机界面都不相同，世界各大数控厂商在数控系统硬件结构、实时操作系统、数据通信接口和通信协议等方面实施技术垄断、市场垄断、甚至技术服务垄断，数控系统用户无法对购买的数控系统进行功能扩展、系统维护以及升级换代，数控系统的维护、维修以及人员培训等全部依赖于世界各大制造厂商。 虽然世界各大数控系统制造商的封闭式数控系统性能可靠、稳定，且目前仍然占据制造业大部分市场。但随着计算机技术的不断进步，通用计算机硬软件的优势愈加明显，与分布式系统的上述弊端和各大数控制造商的垄断行为形成鲜明的对照。 计算机网络技术的发展，使计算机集成制造（CIM）的实现形式从以大型计算机和大规模数据库为中心的集中型，向一个人计算机为主的小型计算机相互联结、配置成网络的分散型发展。这一变化不仅拥有技术上的优势，而且更符合实际生产的需要。此外生产系统的开放也对数控系统提出“开放”的要求，在“分散网络化制造系统模型”下，以数控机床为代表的底层制造设备将成为网络中的一个节点，要求数控系统能方便的接入网络，并且能独立自主的完成一定的任务。具有这些特性的制造设备将分为“分散网络化制造系统模型”中的节点或模块。实现上述现代生产系统的目标，要求数控系统能够与PC兼容或至少能方便的连入网络；还要求数控系统能充分利用第三方的软件实现CAD/CAM集成或其它功能。因此，现代生产系统的进步和发展也提出了制造设备开放性的要求。 为了解决封闭式数控系统日益明显的弊端，以适应生产系统进步和发展的要求，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向规范化、标准化的方向发展，采用开放式体系结构数控系统的问题。著名的有美国1994年提出的下一代控制器（Next Generation Controller, NGC）计划，欧洲和日本在20世纪90年代初提出自动控制系统的开放式结构(Open System Architecture for Control within Automation Systems, OSACA)计划和控制器开放系统环境(Open System Environment for Controller , OSEC) 计划等。2、开放式数控系统的主要优点 开放体系结构数控系统的本质特征是开放性，其含义是数控系统的开发可以在统一的平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁功能模块，形成系列化，并将用户的特殊运用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性、可控制即可互换性、可伸缩性、互操作性等一系列特点，与传统封闭式数控系统相比有如下优点。 （1）面向未来开放 由于软硬件接口遵循公认标准，扩展或升级的软硬件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容。这意味着系统地开发费用将大大降低，系统性能可以持续改善，可靠性可不断提高，产品生命周期将大大延长。 （2）应用软件移植性好 开放式数控系统的应用软件与底层软硬件的支撑无关，便于多方位软件设计人员针对相同被控对象，在不同的运行环境下并行开放应用软件，可采用软件工程方法，实现软件的模块化和复用，从而有效地解决数控系统应用软件的产业化，以加快应用软件的开发。 （3）网络集成便捷 开放式数控系统采用标准总线和通信网络协议，可接入计算机网络，作为网络加工中的加工设备和通信站点，便于制造网络集成。 （4）人机界面友好 开放式数控系统采用通用型人机界面，符合人机工程学的要求，操作方便、易于观察、交互性好。 （5）编程语言标准化 开放式数控系统采用统一性、标准化数控加工编程语言，可以根本上解决封闭式数控系统编程指令不统一的问题，可大大减少编程劳动。 （6）系统灵活性强 开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展或裁减系统，用户可以从低级控制器开始，逐步扩充系统的功能，提高系统的性能。用户也可在系统中融入自己的技术诀窍，创造出具有自己特色的产品。 （7）可减少产品的品种 开放式数控系统通用性强，便于批量生产，可有效的保证系统的可靠性，并降低制造成本，增强市场竞争力。（二）、基于PC的开放式数控系统1、基于PC的开发式数控系统产生的背景 数控系统的设计可采用全新设计与扩展设计两种途径。全新设计指从系统体系结构设计着手，独立提出系统设计的技术规范，并依据独立技术规范，进行硬件系统和软件系统的设计。美国的NGC计划、OMAC计划及欧共体的OSACA计划，都采用了全新设计的方案。全新设计的技术难度大，必须有大量的研发资金的支持，开发时间较长。NGC计划试图对工业应用提供功能和服务性的定义，最终以开发体系结构标准规范和：“设计人员指南”一起，提供开发符合NGC规范产品所需要的信息，并引发出NGC的标准化成果。但NGC计划过于庞大，实用化产品开发并不快；OSACA计划建立了OSACA规范，并将此标准作为系统平台开发标准，建立了通用软件模块和通用OSACA系统平台，并建立了五轴制造系统环境，用以调试、验证和扩展。OSACA计划试图将OSACA规范作为自动化领域的通用国际标准，其研究范围涵盖了整个自动化领域，包容性大，适应性强，但研究开发工作量非常大，目前还处于整体构思、分布实施阶段，短期内很难实现对大部分操作平台的支持。总之，开放式数控系统是对封闭式数控系统的巨大挑战，但从它提出后十年里，虽然西方各工业发达国家投入了大量的人力和物力，但由于研究计划庞大、所涉及的关系复杂、技术难度大等原因，至今仍没有在市场上占据重要的份额。 在全新设计开放式数控系统进展缓慢时，通用PC的技术性能则迅速提升，应软件资源日益丰富，工业PC的可靠性也在不断增强，而价格在持续下降。PC体系结构已成为事实上的微型计算机标准，应用面越来越广。由于PC插卡式结构，为构造开放式体系结构数控系统搭建了理想的平台，因此，人们很快将目光转向PC扩展设计方面，即以工业PC硬件体系结构和实时操作系统为基础，扩展相应的板卡和数控应用软件，构成基于PC的开放式数控系统。20世纪90年代，Ampro Computer 公司策略发展部行政副总裁Pick Lehrbaum首先提出“利用PC体系结构，涉及新一代嵌入式开放式数控系统”。不久，Software Development System的James S. Challenger又提出“Windows和嵌入式计算机技术的融合”，主张利用现有PC的软硬件规范设计新一代数控系统。德国的IBH、美国的AI、日本朋立公司等相继开发了基于PC的数控系统。基于PC扩展设计开放式数控系统思路的提出，极大地推动了开放式数控系统的进步与发展。基于PC体系结构和软硬件规范，设计新一代开放式数控系统成为数控系统开放的重要途径，也是迄今为止的最佳选择。2、基于PC构建开放式数控系统的方法 通用PC的标准化程度高，软硬件资源丰富，适应性强，是构建开放式数控系统的理想平台。基于PC平台构建开放式数控系统，需要根据开放式数控系统的特殊要求，从硬件和软件两个方面对PC进行相应的改造，扩充数控系统专用的板卡和应用软件等。 主要包括如下内容。（1）实时处理能力扩充 开放式数控系统属于实时多任务计算机控制系统，其中计算机系统必须具备实时控制和多任务处理能力，即硬件中断能力强，操作系统任务切换时间短，具有支持实时相应的特性。而普通PC的硬件系统配置和DOS或Windows操作系统都不能满足数控系统实时性的要求，在基于DOS或Windows操作系统的数控系统中，必须扩充操作系统的实时处理能力，如增加线程或实时多任务调度，还需对硬件进行相应的改造。（2）适应工业运行环境 数控系统的运行环境属于工业运行环境，计算机系统的可靠性、电磁兼容性、抗震性和耐高温性等性能指标应能够适应工业运行环境的要求。因此，基于PC的开放式数控系统一般采用工业PC（IPC）或各种与PC兼容的嵌入式工业控制计算机，并采用箱式结构，增强散热和防尘的性能，还需对工业PC的通用模板进行力学特性改造和加固。（3）延长生命周期 普通PC和工业PC（IPC）更新换代很快，加上不同的厂家、不同型号的CPU主板的性能有一定的差异，会给数控系统的集成带来一定的困难。延长数控系统生命周期的最好办法就是加大对用户的开放程度，使数控系统集成商和用户自己能够对数控系统的硬件和软件进行升级。例如，美国Data Tau公司的PMAC-NC运动控制板卡向不同用户提供不同程度的开放，对一般用户，只提供PMAC-NC配置软件，支持用户自行配置控制轴数，联动轴数、伺服参数和I/O表；对高级用户，Data Tau公司提供动态链接库（DLL），可供用户使用VC+、VB等开发工具自行开发菜单和基本操作界面；对控制装备OEM厂商，Data Tau公司提供关于PMAC-NC的全部C+代码。Data Tau公司的开放式解决方案，可以保证数控系统的集成商不断吸收世界上各种新技术，与时俱进地开发先进的数控系统。二、基于PC的开放式数控系统体系结构（一）、基于PC的数控系统类型 基于PC的开放式数控系统目前可分为专用数控加PC前端的复合型、CN嵌入PC型和全软件型3种典型结构。1、专用数控系统加PC前端的复合型结构这种结构的数控系统将PC作为NC的部件嵌入在数控系统中，用内部总线相连接，PC和NC连接在一起构成前后台结构，可形成多处理器数控系统。它的NC部分仍然是传统的数控系统，用户无法介入数控系统的核心，但可利用PC丰富的软件资源，满足开放性的要求。这类数控系统的优点是原来的CNC不必改动，既保持了原来数控系统的强大的功能，又具有数据传送速度快、系统相应时间短的特点。其缺点是不能充分发挥PC的潜力，开发性受到一定限制，系统造价无法降低。这类数控系统或者提供PC前端接口，或者将PC母板直接嵌入CNC中。这种结构的数控系统主要出于知名的数控系统制造商，原因是这些制造商不愿放弃已经成型的CNC制造技术，而又需要PC的柔性和开放性，于是采用的一种折中的解决方案。随着计算机技术的不断发展，硬件的标准化和成本的不断降低，这种开放式数控系统结构很可能只是一个过渡。采用这种开放式结构的数控系统的代表产品有FANUC18i、FANUC16i系统、Siemens840D 系统、NUM1060系统及AB9/360系统。2、NC嵌入PC型结构（基于运动控制器的开放式数控系统） 这种结构的数控系统是在通用PC扩展槽中插入运动控制板或整个CNC单元（包括嵌入式PLC）。PC 将实现用户接口、文件管理以及通信等非实时部分的功能，实时控制（机床的运动控制和开关量控制等）由插入PC扩展槽中的CNC单元或运动控制板来承担。这种开放式数控系统是目前是较为先进的。但是该系统的CNC核心部分运动控制和伺服控制仍是依赖于专用运动控制卡，还未达到整个产品的硬件通用化。 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控制功能，它本身就是一个数控系统，可以单独使用，它的开放的函数库供用户在Windows平台下自行开发构造所需的数控系统。目前这种控制卡被广泛地应用于构造开放式数控系统。如美国Data Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMACNC数控系统，日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL 640 数控系统等。3、全软件型结构 全软件型结构CNC又称为纯PC型开放式数控系统。这种结构的开放式数控系统的特点是CNC系统的全部或大部分功能均由PC承担，并通过装在PC扩展槽中的驱动接口卡对伺服驱动进行控制。在PC中采用实时的操作系统或对操作系统进行实时功能扩展，由PC完成数控系统中所有的实时任务和非实时任务，如编译、插补和PLC等。这是一种理想的开放式数控系统，CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口，能提供给用户最大的选择性和灵活性。（二） NC嵌入PC结构的开放式数控系统“NC嵌入PC结构”的开放式数控系统也可称为“基于运动控制器”的开放式数控系统。目前运动控制器种类很多，但应用最广的运动控制器当属PMAC运动控制卡。下面将以PMAC运动控制器为代表，阐述“NC嵌入PC结构”的开放式数控系统的硬件和软件体系结构。1PMAC多轴运动控制器可编程序多轴控制器（Programmable Multi-Axis controller, PMAC）是美国Delta Tau 公司1990年推出的基于工业PC和Windows操作系统的多轴、多通道开放式运动控制器，也是目前世界上功能最强的运动控制器之一。PMAC采用先进的运动控制技术和Windows平台，满足用户在运动控制各个领域中的应用需求。已在机器人、数控机床、造纸和木材加工机械、各种装配线、食品加工机械、印刷包装等机电一体化设备上得到广泛应用。 PMAC实际上是一台完整的计算机系统，而且是一台实时多任务计算机系统，它可以自动进行任务优先级判别，并按优先级别高低调度并执行任务，从而大大减轻了主机任务切换和执行实时控制任务两方面的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。PMAC的硬件以Motorola56001 (20/30MHz) 24bit定点数字信号处理器（Digital Signal Porcessor, DPS）为核心，并全面拓展了DPS的强大功能。PMAC运动控制器作为嵌入在数控系统中的一个高性能伺服运动控制器，可通过灵活的高级语言，实现对18个轴的实时伺服控制。通过多卡连接方式还可控制多大128个轴的运动。PMAC既可独立工作，也可按主机的命令工作，主机传送给它的命令为字符串形式，PMAC与主机通信既可通过串行口，也可通过总线方式进行，通过总线方式通信时，可将中断引入主机，便于数控系统主机实施灵活有效的实时多任务调度管理。2基于运动控制器的开放式数控系统硬件结构及工作原理数控系统采用“NC嵌入PC”结构的开放式结构，在工业控制机（IPC）平台基础上，以PMAC运动控制器作为系统的核心处理器，工控机上的CPU与PMAC的CPU（DPS560001/DPS560002）构成主、从式双微处理器机构。为了实现PMAC多轴运动控制的功能，还需在PMAC板上扩展相应的I/O板、伺服运动单元、伺服电动机、编码器等，最终形成一个完整的数控系统。数控系统除PMAC运动控制器外，大部分硬件结构框图如图2-54所示。图2-54 NC嵌入PC数控系统硬件结构（1） PMAC运动控制器的控制功能 在图2-55所示系统中，PMAC主要完成插补运算、位置控制、刀补、速度处理和PLC等实时控制任务；工控机则主要实现系统的功能管理管理，同时具有充足的支持软件来改善CNC系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通信等非实时控制功能。（2） PMAC运动控制器与主机之间的通信 PMAC运动控制器与主机之间通过ISA总线通信。当主机与PMAC运动控制器进行通信时，主机就到预先指定的地址去寻找PMAC运动控制器，该地址由PMAC板上的E跳线决定，用户可以根据需要重新设置E跳线，从而改变PMAC在主机中所占用的地址，控制器与伺服电动机的运行状态、电动机的位置、速度、跟随误差等数据则直接通过ISA总线实现信息交换。（3） PMAC内置PLC功能 PLC信号的输入/输出由I/O接口板来实现。在整个数控系统中，送入PLC的信号主要有：控制面板和机床上的按钮开关、选择开关等信号；各运动轴的行程开关、机械零点开关等信号；机床电器动作、限位、报警等信号；强电控制柜中接触器、气动开关接触等信号以及各伺服模块工作状态信号等，这些信号通过光电隔离后经I/O接口送入PMAC进行处理。光电隔离能有效地将计算机数字量通道与外部模拟量通道隔离开来，大大地减轻了外部因素的干扰。图2-54 NC嵌入PC数控系统软件结构PLC的输出信号主要有：指示灯信号、控制继电器、接触器等动作信号；伺服模块的驱动使能和速度使能信号等。这些信号通过PMAC智能I/O口送到相应的控制器上来控制相应电器工作。利用PMAC提供的后台PLC可以很方便地实现上述功能，当前台运动程序有序地运行时，PMAC运行控制器可以在后台运行多达32个异步PLC程序，这些PLC程序可以提高采样速率，监视模拟输入和数字输入、设定输出值、发送信息、监视运动参数、改变增益值以及命令运动停止/启动，还可以对PMAC运动控制器发送命令，完成一些可编程序逻辑控制器（PLC）的功能，利用这些功能不仅可以简化硬件系统设计、节省硬件开支，而且还方便用户使用PLC进行程序设计。2基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构基于运动控制器的开放式数控系统的软件结构主要是由实时控制软件和系统管理软件来构成。实时控制软件的设计充分考虑了软件的开放性，用户可以在PMAC已经集成的基本模块的基础上根据自己的需要增加软件的功能模块。系统管理软件主要由用户自己开发，来实现所有的非实时控制部分的功能。系统管理软件最基本的应该是实现系统初始化、故障诊断、参数输入及加工程序编辑、系统进程管理和双CPU通信功能，在这些基本功能的基础上可以再增加网络控制、动态仿真等高级功能。系统的软件结构（参考结构）如图2-54所示。（1）PMAC实时控制软件 PMAC实时控制软件包括插补模块、伺服驱动模块、PLC监视模块、加工程序解释模块、数据采集及输出模块等，其功能模块如图2-55所示。图2-55 PMAC实时控制软件功能模块1）插补算法模块包括直线插补、圆弧插补及样条插补等。PMAC还提供了PVT（位置-速度-时间）运动模式，该模式可以对轨迹图形进行直接而紧凑的控制。用户可以对以上几种模式加以选择和组合。2）伺服驱动模块用于选择PID位置环伺服滤波器、陷波滤波器（NOTCH FIL）、速度前馈、加速度前馈等，并设置其控制参数，并且这几种伺服算法可以任意组合，用户也可采用极点配置方法，甚至可以直接加入自己的底层位置伺服方法，以适应不同需要，实现个性化伺服控制。3）PLC监控运行模块主要包括看门狗PLC、上电PLC、主PLC、指示灯管理PLC及下电PLC。主PLC用来完成对控制面板及机床输入、输出的监控，主要包括对机床进行手动、自动调整功能的实现、主轴运动的控制、机床3个坐标轴运动的控制等操作。看门狗PLC对PMAC运动控制器本身及数控系统状态位进行故障检测，在系统上电和加工过程中分别进行如下处理。看门狗PLC在PMAC上电后立即被启动，他通过不断读取DPRAM(双端口RAM)中某地址单元的计数值来判断主机是否进入CNC系统。当相邻两次读得的差值大于某个数时，它便启动上电PLC，对整个数控系统上电；当相邻两次读得的差值小于某个数时，它便启动下电PLC,关闭整个数控系统。看门狗PLC在加工过程中主要对各轴超行程限位开关、跟踪误差极限、伺服输出极限、异常终止等信号进行检测，以确保数控系统安全、可靠地运行。4）加工程序解释模块由G代码解释程序、M代码解释程序、T代码解释程序组成。这些解释程序在PEWIN32Pro(PMAC开发工具，是Delta Tau PMAC卡的Windows可执行程序