1 前言
數控系統按照控制裝置來劃分，主要有硬件數控系統和軟件數控系統。硬件數控系統的所有功能均有硬件電路來實現，如第一、二代NC 系統;而數控系統的部分或全部功能采用軟件來實現后就成為了軟件數控，如第三、四代CNC 或MNC 系統。隨著計算機技術的發展，全軟件數控系統將成為數控系統的主流。
數控系統一般由硬件和軟件兩個部分組成。傳統的數控系統中，硬件模塊和軟件結構絕大多數是專用的、互不兼容的，系統各模塊間的交互方式、通信機制也各不相同，這就造成了不同廠家控制系統的相對獨立、彼此封閉。
隨著數控系統的功能越來越復雜，以及用戶要求定制和裁剪數控系統功能的呼聲越來越高，傳統數控系統越來越暴露其本質的缺陷：一方面，各控制系統間互連、互操作性差影響了整個系統的集成、維護和功能擴展，各廠家不同數控系統風格不一的操作方式以及專用件的大量使用，不但導致用戶培訓成本的增加，還給數控設備的最終用戶帶來諸多不便;另一方面，數控系統的封閉性造成數控設備制造商對系統制造商的過度依賴，不利于將整臺設備的其他控制系統以及相應的技術工藝集成為一個完整、無縫的控制系統，并形成自己的產品，導致系統開發投資大、周期長、更新換代慢，不利于產品的技術進步。
自上世紀90 年代以來，計算機軟硬件技術的飛速發展為數控系統的開放化奠定了技術基礎，開放式數控系統已成為世界各國數控廠商開展競爭的重點領域。
開放式數控系統都采用模塊化結構，在軟件和硬件上均可靈活配置，即可通過修改硬件的基本配置或改變軟件各層面的控制，并且允許第三方來開發或集成新的軟硬件，為新技術的產生提供了強大的發展基礎。因此，一個開放的數控系統應該在系統平臺上滿足可擴展性、可移植性、互換性和互操作性等要求。
2 基于PC 的開放式數控系統平臺
系統平臺包括系統硬件和系統軟件。
根據數控系統軟硬件結構的不同，開放式數控系統平臺主要有：PC 嵌入NC、NC 嵌入PC、純PC 型等三種結構形式。這里選取PC 機及標準接口的運動控制卡作為系統的硬件平臺，選取Windows 操作系統作為軟件開發平臺，搭建基于PC 的開放式數控系統平臺，這是因為：
(1)PC 技術不斷發展，基于PC 的數控系統具有可持續發展的空間。自1981 年IBM 正式推出PC 機到現在，PC 機發生了翻天覆地的變化，特別是64 位PC 機出現后，PC 機的處理速度、存儲量及各種功能均得到了顯著提升，并且PC 機的功能仍在不斷加強和升級。由于PC 的向下兼容性，為基于PC 的數控系統可以隨著PC 技術的發展奠定了技術基礎。(2)PC 機是一種基于總線的具有開放式體系結構的計算機系統，易于標準化、普及化。
PC 機軟硬件結構的標準化、模塊化以及基于總線的開放式體系結構，使基于PC 的開放式數控系統體系結構成為可能。PCbased開放式數控系統在硬件上以PC 機為基礎，為用戶提供通用的、標準化的硬件平臺，摒棄了原有的基于專用計算機的封閉式體系結構;在軟件上，以Windows 操作系統為基礎為用戶提供軟件平臺，基于Windows 操作系統的CNC 系統軟件具有更大的柔性和良好的可移植性和可擴展性;同時基于Windows 的PC 機在圖形、圖像和視頻方面的處理能力大大加強，為數控系統功能的實現提供了強大的系統支持。因此，使用通用PC 的開放式數控系統完全有能力在性能上趕上或超過專用數控系統，便于數控系統的產業化。
如圖1 所示，建立在PC 技術之上的開放式數控系統平臺。
該數控平臺可分為三個層次：硬件層、系統軟件層、應用軟件層。
硬件層中的各種硬件通過標準的通用的系統總線(如PCI)連接在一起，通過通用總線用戶可以方便的加入購買的第三方硬件或自己的硬件。PC 的通訊聯網、電子郵件、語音、視頻等多種功能都是通過附加擴展卡的形式來實現的。對于數控專用硬件，也可以通過附加卡的形式插入到總線插槽中。應用軟件層則是通過操作系統和相關設備驅動程序實施對硬件資源的使用和控制。這種開放架構的系統平臺允許數控系統完成諸如開放式數據庫連接、目標的連接和嵌入、動態數據交換和動態連接等。并且在這個平臺上可以運行其它應用軟件如CAD/CAM、PDM、ERP 等。
3 開放式數控系統的任務劃分
3.1 系統功能的劃分數控系統的功能包括系統必備的基本功能和選擇功能。基本功能是數控系統必備的功能，如軸控制功能(主軸功能、進給功能)、準備功能、插補功能、程序預處理功能、任務調度與協調管理功能、人機交互功能、補償功能、自診斷功能等。選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能。
3.2 系統任務的劃分數控系統是一個多任務實時操作系統[6]。系統任務主要劃分為輔助管理和加工控制兩大任務。加工控制任務是直接與NC 程序運行相關的任務，包括譯碼、刀補、插補計算、速度控制、位置控制等;輔助管理任務包括數據輸入輸出管理、I/O 處理、顯示和診斷等，如圖2 所示。
數控系統的各項任務必須協調，管理與控制的某些任務必須同步。基于PC 的開放式數控系統中，Windows 操作系統是一個多任務操作系統，它允許多個線程同時運行，在線程的內部使用基于消息傳遞機制的任務管理[7]。因此，研究Windows 環境下數控系統任務劃分機制及數控系統各任務的屬性和相互關系，將為多任務并行處理提供依據。
3.3 多任務并行處理機制數控系統中，管理和控制的某些任務必須同步進行，而一旦發生突發事件，系統必須迅速作出反應。為了提高運算速度和PC資源的利用率，這就需要引入多任務并行處理機制和實時中斷處理。數控系統的多任務處理模型，如圖3 所示。
4 PC-based 開放式數控系統的硬件組成
PC-based 開放式數控系統是將專用模板(運動控制及I/O卡)插到通用的PC 機種構成的單機數控系統。其中，PC 機主要完成數控系統中實時性較弱的任務并對全系統進行協調管理，而實時性較強的任務則由運動控制卡及各種I/O 處理單元來完成。
按照模塊化設計思想，PC-based 開放式數控系統的硬件框圖，如圖4 所示。
CPU 主板、顯卡、網卡等構成PC 的基本配置，其外設有磁盤、光驅、顯示器等，運動控制卡是完成多軸伺服控制和I/O 控制的核心，它采用嵌入式系統設計，能為用戶提供一個自定義的實時操作環境，通過各種運動控制函數，便于數控系統軟件設計。
5 PC-based 開放式數控系統的軟件設計
數控系統的基本功能是由各種功能子程序實現的，主要有加工過程的協調控制、狀態參數的顯示、工藝參數設置和修改、程序文件管理以及故障診斷報警等功能模塊。采用模塊化設計思想，按照功能分割法將整個軟件劃分為多個功能相對獨立的軟件模塊，便于系統的開發維護和功能擴展。PC-based 開放式數控系統軟件的總體框架，如圖5 所示。各功能模塊的任務如下：
(1)人機界面模塊：加工狀態信息的顯示、故障診斷及報警信息的顯示，系統管理接口等。(2)文件管理模塊：工藝參數及程序文件管理。
(3)參數設置模塊：各種參數的設置、修改及備份。
(4)數據處理模塊：NC 代碼解釋、主軸速度處理等。
(5)任務協調模塊：控制系統在各方式下的執行流程，協調整個系統的運行。
(6)運動控制模塊：發送脈沖指令，控制主軸轉速及進給速度，協助運動控制卡完成對運動細節的控制。
為便于系統的升級維護和功能模塊的改動，實現系統模塊的可更換性和可擴展性，各模塊之間需通過標準的數據接口實現通信。
6 結論
本文對PC-based 開放式數控系統的體系結構和設計開發思路進行了論述，對于探索開放式數控系統具有一定的現實意義。
由于PC 的開放式體系結構，隨著PC 技術及運動控制卡技術的飛速發展，構建PC-based 開放式數控系統十分便利，并具有諸多優勢。通過搭建基于“PC+運動控制板卡”式的開放式數控系統，充分發揮我國的軟件技術優勢，可以提高我國數控系統的自主研發能力，并逐漸擺脫對國外專用數控系統的依賴，創立自主知識版權的數控系統。
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本文標題：PC-based/ERP 開放式數控系統體系結構的研究
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