本文關(guān)鍵詞：基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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基于模塊化設(shè)計的開放式數(shù)控系統(tǒng) 2010-01-26

0　引言

       隨著計算機軟、硬件技術(shù)和信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)逐漸由傳統(tǒng)的專用型封閉式系統(tǒng)向靈活的開放式數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變，力求解決變換頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾，從而建立一個統(tǒng)一的可重構(gòu)的系統(tǒng)平臺，具有模塊化組織結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成、更改或擴展系統(tǒng)的功能，以便迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。

        目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有3種模式：（1）PC嵌入CNC模式。這種模式無法直接利用通用的PC，開放性受到限制；（2）NC嵌入PC模式。這種模式是在通用PC的擴展槽中插入專用的運動控制卡，運動控制卡采用以DSP為核心的多軸運動控制技術(shù)，能夠充分保證系統(tǒng)的性能，同時可以充分利用PC機豐富的軟硬件資源，開放性好；（3）Soft型開放式數(shù)控系統(tǒng)模式。這種模式的CNC部分全部裝在PC機中，硬件部分為插在PC機擴展槽中的I/O板，提供給用戶最大的靈活性。但由于操作系統(tǒng)的實時性、標(biāo)準的統(tǒng)一性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性等一系列問題仍處于研究和實驗階段，尚未成熟。

       比較這3種模式，第二種采用NC嵌入PC模式構(gòu)建的開放式數(shù)控系統(tǒng)，性能可以得到保證，軟件的通用性又強，系統(tǒng)的開放性好，是目前比較可行的一種開發(fā)方式。

1　PCB鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        隨著我國電子工業(yè)的快速發(fā)展和集成電路的廣泛應(yīng)用，對印刷線路板孔位尺寸精度、孔本身的圓度，以及孔與焊盤的同心度的要求越來越高，傳統(tǒng)的加工方法顯然已不適應(yīng)時代的要求。為了滿足對大批量、高速高精度印刷電路板加工的需求，我們研制了將固高GT-SV-400運動控制卡插入IPC機模式的開放式數(shù)控鉆銑床控制系統(tǒng)，這種鉆銑床具有系統(tǒng)開放性強、運行速度快、控制精度高等諸多優(yōu)點，適應(yīng)印刷電路板加工業(yè)蓬勃發(fā)展的需求，有助于推動我國電子工業(yè)的發(fā)展。

（1）運動控制卡特點固高公司生產(chǎn)的GT-400-SV是高性能的四軸伺服運動控制卡，可以同步控制四個運動軸，其核心是ADSP2181數(shù)字信號處理器和FPGA技術(shù)，前者采用哈佛結(jié)構(gòu)和MAC單元主要完成復(fù)雜的運動控制算法，后者實現(xiàn)譯碼、倍頻和脈沖分配等功能，因而可以實現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運動。控制卡以ISA為總線與IPC機相連，同時提供RS232串行通訊和PC104通訊接口，方便了用戶配置系統(tǒng)硬件，該運動控制卡還提供了C語言函數(shù)庫和動態(tài)連接庫，便于用戶開發(fā)適合自己需要的數(shù)控功能。

（2） PCB鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)及工作原理開放式PCB鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)采用IPC機+多軸運動控制卡的分層式雙CPU結(jié)構(gòu)的控制方案，，其中IPC機處理非實時部分，實時部分由插入IPC機的運動控制卡來實現(xiàn)。這樣的數(shù)控系統(tǒng)既具有PC機的柔性，又具有控制卡良好的控制性，大大提高了系統(tǒng)的運算速度和控制響應(yīng)速度。

        PCB數(shù)控鉆銑床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（如圖1）采用固高公司GT-SV-400四軸伺服運動控制卡，同時對X軸、Y軸、Z1軸和Z2軸（雙頭雙電機）電機進行實時控制，另外，采用8位通用型輸出量信號控制兩個高速變頻主軸電機。換刀動作和斷刀檢測等信號量的檢測與控制均由GT-SV-400的開關(guān)量輸入輸出信號控制。

圖1　數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

        雙端口RAM具有數(shù)據(jù)總線和地址總線，可以同時并行訪問不同的存儲單元，這使得主從機之間可以快速地進行大容量數(shù)據(jù)交換，大大提高了主機與運動控制卡的并行處理能力，從而實現(xiàn)了真正的主從式實時通訊功能。

（3）伺服驅(qū)動模塊該數(shù)控系統(tǒng)中，采用4臺YASKAWA SGML-04AF12伺服電機（帶旋轉(zhuǎn)編碼器）和SGDL-04AS伺服驅(qū)動器，分別實現(xiàn)X向、Y向、Z向（雙頭雙電機）的進給驅(qū)動；利用板卡自帶的數(shù)字量輸出口，采用變頻調(diào)速器控制主軸電機。電機采用速度控制方式，信號連接選擇差動輸入信號、速度指令輸入、模擬地和數(shù)字地等信號。

2　PCB鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

        該系統(tǒng)采用了“IPC +NC”的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)軟件設(shè)計借助COM組件，采用模塊化編程結(jié)構(gòu)，主要包括人機界面應(yīng)用軟件模塊、控制卡核心控制軟件模塊系統(tǒng)配置模塊和網(wǎng)絡(luò)接口模塊，其數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

（1）人機界面模塊人機界面模塊主要用于實現(xiàn)用戶的輸入和系統(tǒng)的輸出。用戶的輸入包括用戶發(fā)出控制命令、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等操作，而系統(tǒng)輸出包括當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的在線顯示。

（2）核心控制模塊核心控制模塊包括數(shù)控代碼解釋模塊、伺服驅(qū)動模塊、插補模塊、檢測模塊和通訊模塊，它們通過內(nèi)核程序協(xié)調(diào)來完成具體的任務(wù)。

圖3 主從機通訊框圖

        其中通訊模塊是耗費工作量最大的部分，主要用來實現(xiàn)主從機之間的通訊，可利用GT-SV-400隨卡提供的win98/2000下的設(shè)備驅(qū)動PHDIO.SYS和面向運動控制卡的高級函數(shù)庫DTSVDLL.DLL來進行開發(fā)，其通訊示意圖如圖3所示，這樣方便了用戶的使用。

3　數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

        數(shù)控系統(tǒng)軟件程序在Windows2000下，采用Visual C++6.0面向?qū)ο笳Z言進行基于組件的模塊化開發(fā)，可實現(xiàn)系統(tǒng)軟件的可重構(gòu)性、可擴展性、可移植性和互操作性等特點。

（1）系統(tǒng)參數(shù)配置模塊系統(tǒng)參數(shù)配置模塊包括運動控制卡參數(shù)配置和系統(tǒng)控制參數(shù)配置兩部分。控制卡參數(shù)配置主要包括坐標(biāo)軸映射、編碼器方向、限位信號、誤差限和伺服濾波等參數(shù)，配置界面如圖4，這些參數(shù)位于板卡底層，直接決定了系統(tǒng)的性能；系統(tǒng)控制參數(shù)配置主要包括軟限位、刀庫位置和刀具狀態(tài)等參數(shù)，刀具狀態(tài)參數(shù)配置界面如圖5，這些參數(shù)決定了系統(tǒng)運行狀態(tài)。用戶通過界面程序可對上述參數(shù)進行設(shè)置，并將形成配置文件controlcard.ini，當(dāng)系統(tǒng)啟動時控制卡信息參數(shù)自動被加載。

圖4　控制卡參數(shù)配置

圖5　刀具狀態(tài)參數(shù)配置

以控制卡參數(shù)配置為例來說明，結(jié)構(gòu)定義如下。

/ / ControlCard Info. h: interface for the CControlCard Infoclass

#if ! defined （AFX_CARD INFO_H__A43B6890_894A_44A5_9DF8_26E13D2A3227__ INCLUDED_）

#define AFX_CARD INFO_H__A43B6890_894A_44A5_9DF8_26E13D2A3227__ INCLUDED_

#include "AxisInfo. h"

#if _MSC_VER > 1000

#p ragma once

#endif / / _MSC_VER > 1000

class CCard Info : public Cobject

{

public:double RefPointX； / /系統(tǒng)參考點

double RefPointY；

double RefPointZ1；

double RefPointZ2；

double ServoCycle； / /伺服周期

intAxisMapX； / /坐標(biāo)軸映射

intAxisMapY；

intAxisMapZ1；

intAxisMapZ2；

unsigned short L imitSign； / /限位信號

unsigned short Encode2Sign； / /編碼器方向信號

unsigned long Irq； / /中斷號

unsigned long BaseAddress； / /基地址

CControlAxisInfo ControlAxisInfo[ 4 ]；

CControlCard Info （ ） ；

virtual ～CControlCard Info （ ） ；

}；

#endif / / ! defined （AFX_CARD INFO_H__A43B6890_894A_44A5_9DF8_26E13D2A3227__ INCLUDED_）

（2）系統(tǒng)運行主界面（如圖6所示）

圖6　系統(tǒng)運行界面

4　結(jié)束語

        本文采用深圳固高有限公司GT-SV-400四軸伺服運動控制卡構(gòu)筑了開放式數(shù)控系統(tǒng)，基于COM組件的模塊化軟件設(shè)計，以PC機實現(xiàn)友好的人機界面、靈活的系統(tǒng)配置和增強的外部軟件接口，提高了系統(tǒng)的運算速度和控制精度。該系統(tǒng)已成功被應(yīng)用開發(fā)了印制線路板（PCB）數(shù)控鉆銑床，該系統(tǒng)功能強大，可完成插補運算、位置控制等實時控制。該系統(tǒng)由于具有與Protel等CAD軟件的接口，縮短了加工周期，提高了線路板的加工質(zhì)量和效率。

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