摘　要：介紹了一種基于工控機的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，對其系統(tǒng)構(gòu)成，硬件軟件開放化設(shè)計方法進行了探討。從開發(fā)過程及使用效果來看，開放化設(shè)計可有效地縮短開發(fā)周期，提高數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：開放化系統(tǒng)；ISA總線；CNC
分類號：TP302.1　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
文章編號：1001-2265(2000)　02-0019-04

The open-architectured design of 5-axis CNC system

Wang Guangyan　Zhao Jiandon　Shuai Mei　Wang Xiaochun

Abstract：In this paper,a 5-axis CNC system based on Industrial PC is introduced. Its architecture,hardware and software opening design method is discussed.From the developing procedure and actual working,we can make a conclusion that opening design is effective in shorting the developing time and improving the quality of CNC system.
Key words：open-architectured system;ISA bus;CNC

1　概述

　　從MIT開發(fā)出第一臺三軸銑床數(shù)控系統(tǒng)到現(xiàn)在的四十多年中，數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計方法經(jīng)歷了巨大的變化。特別是近十年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)到詳細(xì)設(shè)計，從軟件設(shè)計到硬件設(shè)計，都與早期的數(shù)控系統(tǒng)有了很大不同。早期的數(shù)控系統(tǒng)出于效率的考慮，許多功能采用硬件電路實現(xiàn)，專用性很強，可維護性、可擴展性比較差。另一方面，通用計算機的運算速度隨時間以指數(shù)規(guī)律不斷提高，現(xiàn)在一臺微機的運算能力已經(jīng)達(dá)到或超過了早期的小型機，而且，通用型微機應(yīng)用廣泛，有完善和開放的標(biāo)準(zhǔn)，有眾多外圍硬件設(shè)備和豐富的軟件資源的支持。借助微機進行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以達(dá)到事半功倍的效果，因此成為目前數(shù)控領(lǐng)域的國際趨勢。
　　五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)動軸數(shù)比較多，同時又涉及到兩個回轉(zhuǎn)運動，插補算法復(fù)雜，而且其各組成部分，如伺服驅(qū)動單元、位置反饋單元、誤差補償、電氣控制、機床機械結(jié)構(gòu)等在不同的應(yīng)用場合有不同的特點，在系統(tǒng)整體設(shè)計時對此應(yīng)有充分的考慮。目前，多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)不能滿足這種多樣性的需要，對不同的應(yīng)用場合，就得選用不同型號的數(shù)控系統(tǒng)，這勢必增加開發(fā)與維護費用。研究開放式數(shù)控系統(tǒng)及其功能部件，就可以根據(jù)用戶需要，比較容易地對整個數(shù)控系統(tǒng)進行重新組合，以提高系統(tǒng)的可移植性、可伸縮性、可維護性和兼容性。

2　數(shù)控系統(tǒng)硬件的開放化設(shè)計

2.1　硬件設(shè)計的一般原則
　　傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計分為兩個流派：采用專用芯片的大板結(jié)構(gòu)與總線式體系結(jié)構(gòu)。大板結(jié)構(gòu)對用戶而言是一個封閉的系統(tǒng)，功能的擴展與系統(tǒng)維護都受到限制。總線式結(jié)構(gòu)有一定的靈活性，但由于這種總線由生產(chǎn)廠自己確定，缺乏共同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品之間不具備互換性，所以，這種設(shè)計方法已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的需要。另一方面，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，微機的速度與十幾年前相比是天壤之別。在這種形勢下的軟硬件設(shè)計中，人們關(guān)注的重點出現(xiàn)了由效率向互換性、可維護性轉(zhuǎn)移。受其影響，在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計進程中，由大板結(jié)構(gòu)或?qū)Ｓ每偩€向標(biāo)準(zhǔn)總線、可重組的單元模塊發(fā)展成為國際趨勢。
　　硬件設(shè)計的開放化主要體現(xiàn)在總線標(biāo)準(zhǔn)上。開放化的數(shù)控系統(tǒng)是由多種模塊構(gòu)成的，模塊通過標(biāo)準(zhǔn)的總線連成一個整體。總線的選擇應(yīng)當(dāng)滿足三個要求：①在技術(shù)上有一定的先進性，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)各種功能模塊對信息交互的需要。②總線標(biāo)準(zhǔn)完全開放，且在國際上得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，而不是由某個廠商自己定義使用的某種特殊總線標(biāo)準(zhǔn)。③具有高度的可靠性。
　　選擇了合適的總線標(biāo)準(zhǔn)后，才能進行各功能模塊的設(shè)計。在數(shù)控系統(tǒng)中，主要的功能模塊有：運動軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機床操作面板及數(shù)控面板接口模塊、通訊模塊、顯示模塊等。功能模塊應(yīng)當(dāng)能夠重新配置，以免不同模塊I/O端口地址及中斷類型發(fā)生沖突。
2.2　五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計
　　在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過程中，我們選擇工控機作為設(shè)計的基礎(chǔ)。工控機本身符合多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放化的計算機系統(tǒng)，與常用的微機有良好的兼容性，有大量的軟硬件的支持。目前工控機底板插槽總線類型主要有兩種：ISA總線(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線)和PCI總線(外圍設(shè)備接口)。ISA總線的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，但已能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。同時，高總線速率會對各功能模塊的硬件提出更高的要求。因此，我們選用ISA總線作為所有模塊設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　由于五軸聯(lián)動插補算法復(fù)雜，有大量浮點運算，對實時性要求又較高，我們選用Pentium 166 CPU完成插補運算。另外，系統(tǒng)中各個坐標(biāo)軸還需具備位置控制功能，位置控制實時性很強，且控制軸數(shù)比較多，該任務(wù)與插補共用一個CPU會導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)主機負(fù)擔(dān)太重，實時性不易保證，而且故障風(fēng)險過于集中，較好做法是每根軸采用一個獨立的CPU進行控制，采用層次式體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)。根據(jù)位置控制CPU與主機交互信息方法的不同，分為兩種結(jié)構(gòu)(見圖1)。第一種結(jié)構(gòu)把位置控制板直接插到工控機底板的ISA插槽中，在這種情況下，主機與多個位控板之間直接進行信息傳輸，由于位控板CPU速度低，數(shù)據(jù)通訊階段會浪費主機CPU資源，控制軸數(shù)越多，主機CPU的效率就越低。此外，主機還需采取措施來保證多個位控板在時間上的準(zhǔn)確同步。因此，我們選擇了第二種結(jié)構(gòu)。第二種結(jié)構(gòu)采用單獨的通訊機完成主機與位控板之間的信息傳遞。通訊機一方面通過雙口存儲器與主機之間進行信息交換，另一方面通過自建的局部總線與位控板進行信息交換。雙口存儲器容量為2kb，它同時也起數(shù)據(jù)緩沖器的作用。這種方案大大減少了主機用于信息交換的CPU時間。

圖1　分布式多CPU數(shù)控系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)

　　通訊機在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它接收Pentium 166插補得出的各坐標(biāo)軸位置指令，通過并行口把這些指令分發(fā)給位控板。另外，通訊機還提供對數(shù)控面板按鍵及指示燈的管理功能。通訊機的設(shè)計見圖2。圖中的仿ISA總線，提供了通訊機與位控板之間傳輸信息的通道。這時的“仿ISA總線”是根據(jù)位控板及常用控制插卡的需要而設(shè)計的，它重建了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線的部分信號，包括：I/O操作所需的各種信號線、中斷信號線、就緒控制、電源線等。按照“仿ISA總線”設(shè)計的位控板與標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線完全兼容。這樣做有兩個好處：①在系統(tǒng)開發(fā)階段，通訊機與位控板的設(shè)計和調(diào)試工作可借助微機各自單獨完成，兩者之間無先后依賴關(guān)系；②在控制軸數(shù)較少的系統(tǒng)中，可以采用圖1 中的第一種結(jié)構(gòu)，把位控板直接插到工控機的底板上，方便地實現(xiàn)對系統(tǒng)的重組。

圖2　通訊機設(shè)計原理

　　在設(shè)計過程中，在通訊機與位控板之間，我們曾采用了自定義的專用總線。專用總線效率高，但根據(jù)專用總線設(shè)計的位控板與工控機不兼容，互換性較差，開發(fā)、調(diào)試與維護都比較麻煩。為此，我們對這一部分進行重新設(shè)計，走開放化道路，采用“仿ISA總線”向標(biāo)準(zhǔn)總線靠近，收到了良好的效果。

3　數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放化設(shè)計

　　開放化數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計首先需要選擇合適的操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)工具。目前常用的操作系統(tǒng)如DOS、Windows 3.1、Windows 95、Windows NT等均被應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中。DOS本質(zhì)上是一種單任務(wù)操作系統(tǒng)，在DOS下的多任務(wù)只能通過中斷技術(shù)來實現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)各軟件功能模塊一般不能同時執(zhí)行，若要同時執(zhí)行，需自行解決模塊之間的調(diào)度問題。但DOS的規(guī)模很小，人們對DOS的了解比較多，在DOS上開發(fā)應(yīng)用程度相對容易。Windows 3.1是一種非搶先多任務(wù)操作系統(tǒng)，可同時完成多個任務(wù)。其缺點在于某個任務(wù)，如任務(wù)A得到CPU資源時，其它任務(wù)是否能順利執(zhí)行完成取決于A是否能及時處理完其本次事件，因此實時性沒有保證。Windows 95和Windows NT都是性能優(yōu)異的搶先式32位多任務(wù)操作系統(tǒng)，操作介面良好，就功能而言，適合數(shù)控系統(tǒng)的需要。但在工業(yè)場合使用，其穩(wěn)定性有待證實。綜合考慮的結(jié)果，我們選擇了DOS操作系統(tǒng)。與此相應(yīng)，我們選擇Turbo C＋＋ 3.0作為軟件開發(fā)工具。
　　軟件設(shè)計工作分為三個部分：主機軟件、通訊機軟件和位置控制卡軟件。制訂完善的通訊協(xié)議是其首要問題。為了保證可靠傳輸數(shù)據(jù)，通訊機構(gòu)件采用分時處理的方法分別完成與主機及位控卡的信息傳輸。其時間上的同步關(guān)系見圖3。時間片的劃分及三部分之間的同步關(guān)系由通訊機進行控制。第一時間片開始時，通訊機向主機及位控卡發(fā)出同步信號，通知主機向雙口RAM中寫入新的數(shù)據(jù)，同時使位控卡開始位置控制運算。第二個時間片內(nèi)，通訊機從雙口RAM中取出位置指令，分發(fā)給各個位控卡，同時從各位控卡采集實際位置數(shù)據(jù)，寫入雙口RAM。

圖3　數(shù)控系統(tǒng)各進程之間的關(guān)系

　　主機軟件主要由NC程序編輯模塊、手動操作、電氣控制模塊、通訊模塊、自動加工、機床參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)定位、螺矩補償?shù)裙δ苣K構(gòu)成。下面以電氣控制模塊為例說明軟件模塊的開放化設(shè)計方法。
　　電氣控制是所有機床必不可少的一部分。在數(shù)控機床中，其實現(xiàn)方法有三種：外裝式PLC、嵌入式PLC和虛擬PLC。市場上現(xiàn)有的各種PLC一般具有通訊功能，可以通過通訊接口與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成一個整體，這種電氣控制方式稱為外裝式PLC；此外，也可以設(shè)計一個智能型I/O接口卡，通過總線直接與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成一體，卡上帶有CPU，完成開關(guān)邏輯運算與控制，這種方式為嵌入式實現(xiàn)。也可以直接利用數(shù)控系統(tǒng)主機CPU周期性地進行邏輯運算，配合普通的開關(guān)量 I/O卡實現(xiàn)對電氣開關(guān)的控制，這種方式稱為虛擬PLC。
　　如果采用常規(guī)的程序設(shè)計方法，對于以上三種電氣控制方式，就得設(shè)計不同的軟件接口，數(shù)控系統(tǒng)軟件主體就會直接涉及到電氣控制的實現(xiàn)方式及其細(xì)節(jié)，一旦控制方式發(fā)生變化，將不得不對軟件進行大量修改。這樣編寫出的軟件通用性較差，難以適應(yīng)預(yù)料之外的變化。為了增加軟件與硬件之間的相互獨立性，我們運用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對系統(tǒng)進行了開放化設(shè)計。
　　顯然，不論哪一種控制方式，其目標(biāo)都是相同的。經(jīng)認(rèn)真分析，我們找出了三者之間的共同點，由此得出一抽象類CPlc，它提供了數(shù)控機床電氣控制所有的外部特征，為數(shù)控系統(tǒng)主體軟件提供了完備的消息處理函數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)中其它部分只需向PLC對象發(fā)送消息(message)就可使電氣開關(guān)做出相應(yīng)的動作。該部分不涉及電氣操作過程中的細(xì)節(jié)。
　　在抽象類CPlc的基礎(chǔ)上，針對三種方式分別定義了派生類CExernalPlc、CEmbedPlc和CVirtualPlc,在這些類中，完成消息的解釋及硬件的操作。按照這種設(shè)計思想得到的電氣控制部分軟件具有圖4所示的結(jié)構(gòu)。由圖中可以看出，這種設(shè)計方法在數(shù)控系統(tǒng)主體軟件與電氣控制硬件之間加入了抽象類層次，使其相互依賴性減弱，成為相對獨立的兩部分。運用這種方法得到的數(shù)控系統(tǒng)軟件具有與設(shè)備無關(guān)的特征。當(dāng)有新的硬件設(shè)備出現(xiàn)時，只需在原抽象類上派生出新的對象類，按照共同的標(biāo)準(zhǔn)對消息進行解釋，操縱硬件做出相應(yīng)的動作即可，無需對軟件其它部分做任何修改，大大提高了軟件設(shè)計的效率，實際上，在對消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其意義做出明確的規(guī)范后，其它任何人都可以參照該規(guī)范設(shè)計出新的電氣控制硬件及相應(yīng)的驅(qū)動程序，集成入系統(tǒng)中。這也是軟件開放化設(shè)計的主要目的。

圖4　電氣控制軟件的抽象化設(shè)計

　　上面以PLC為例說明了數(shù)控系統(tǒng)軟件開放化設(shè)計的思想。我們按照這種思路完成了數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。雖然在開發(fā)初期反復(fù)做了多次分析討論，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，軟硬件開發(fā)還是比較順利的。從開發(fā)過程和聯(lián)機調(diào)試情況來看，開放化設(shè)計可以有效縮短軟件的開發(fā)周期，提高數(shù)控系統(tǒng)軟件的質(zhì)量。