摘 要: 在現代裝備制造業繁榮發展的過程中，裝備的功能和性能都取決于數控加工這一關鍵技術． 在開放式數控系統上，以 PMAC 為基礎，進行數控系統的開發，分別對數控系統內的硬件模塊和軟件結構的優化與開發進行了探討，構建了比較完善的開放式數控系統．
關鍵詞: PMAC; 數控系統; 研究; 開發
在當前的市場上，數控系統中的硬件模塊和軟件結構基本都是專用的，兼容性非常差，在科學技術不斷進步的過程中，缺點逐漸暴露出來． 基于此，以 PMAC 為基礎，對數控系統內的硬件模塊和軟件結構進行優化與開發，進而構建出比較完善的開放式數控系統．
1 、基于 PMAC 的數控系統總體概述
在進行開放式數控系統構建時，系統的實現途徑是首先需要考慮的問題，對于開放式數控系統的實現，要充分的考慮該系統的發展特點、開發的成本、開發的難度等因素，最終選擇出恰當的實現方式，基于這些方面的因素，本文中采用的形式為 IPC + 可編程運動控制器． 所謂 IPC + 可編程運動控制器形式，是指在 IPC 的基礎上，將可編程運動控制器嵌入進去［1］． 實際上，此種系統的運行平臺為 IPC，而核心性的部件為可編程運動控制器，這種形式的開放式數控系統所具備的擴展性是非常好的，當用戶需要進行
再次開發時，該形式完全支持． 此系統的開放性有兩級，一個是上級，另一個是下級． 除了具備成本低的優點之外，對于用戶自定義的軟件，在系統中能夠比較好的運行，與傳統的 CNC 相比，該系統界面所具備的友好性更優．
2 、硬件模塊開發
2． 1 總體結構
基于 PMAC 的數控系統在進行開發時，PMAC 型號的選擇是非常重要的一個環節． 在本文研究開發的系統中，選擇的運動控制卡為 PMACC2A － PC104 型，這個型號的運動控制卡屬于板卡級產品，比較適合應用于嵌入式系統中． 控制卡具備十分緊湊的結構，在使用的過程中成本比較少，具備比較高的經濟性［2］．
根據上面的闡述可知，本文中開發的基于 PMAC 的數控系統實現形式為 IPC + 可編程運動控制器，此可編程運動控制器選擇的就是 PMAC 運動控制卡． 由此，開放式數控系統的實現形式為 IPC + PMAC，在開發的數控系統中，選擇的 IPC 為上位機，主要的職責就是完成非實時性的任務，比如系統管理等，對于系統內的資源，合理的進行分配，在傳遞信息時，速度非?？欤?運動控制卡的主要任務是進行控制，控制的對象為運動軸，具備極強的實時性，同時，還擔負采集的職責，各軸的測量信息都在采集的范圍之內． I/O 卡的主要功能是輸入和輸出，當各種開關量信號需要進行輸入或輸出時，I/O 卡就開始工作，其所完成的也是實時性的任務．
圖 1 IPC + PMAC 總體結構圖
2． 2 工控機
工控機是指工業控制計算機，在工業環境中，其運行具備較高的可靠性，與傳感器等裝備能夠實現直接連接，從而有效地完成測控任務． 無論是生產現場還是機械設備的組成部分，工控機都可以實現有效的應用，在生產現場，對整個生產過程進行實時的監控，并完成數據采集、處理和控制任務，而當工控機作為機械設備的組成部分時，主要的就是完成控制任務［3］． 工控機的性能非常的穩定，在運算時，具備很快的速度． 除此之外，工控機還具備兩大優點，一個是可靠性高，另一個是具備較高的環境適應能力． 基于 PMAC 的數控系統在開發的過程中，模擬的是工業環境，因此系統中選擇的工控機型號為 PLK－ 450，此種型號的工控機在嵌入 PMAC 卡時，便捷性非常好． 另外，工控機所配備的接口為 USB 型，即使 PMAC 卡與工控機之間的安裝形式分裝，通信也能夠有效的保證．
2． 3 主基板
在開放式數控系統中，需要對 5 個軸進行控制，而 PMACC2A － PC104 在進行控制時，可以同時對 4個軸進行控制，這就需要對運動控制卡進行擴展． 在數控系統中，主卡為此型號的運動控制卡，隨后添加一個副卡，副卡選擇的是 ACC － 1P 軸擴展板，此擴展板同樣具備 4 個通道． 由此一來，數控系統中所具備的軸數就增加為 8 個．
2． 4 I/O 板
對于運動控制系統來說，除了要執行運動程序之外，還需要執行邏輯控制程序． 通常來說，原點、限位、主軸功能等都是數控系統中需要處理的邏輯變量，在對這些邏輯變量進行處理時，多是由可編程邏輯控制器來進行． 在開發的開放式數控系統中，原點和限位的處理可以由主卡來進行，而其他的邏輯處理則需要利用 I/O 板來實現，并且要對其進行擴展，擴展的實現也是由擴展板來實現，型號為 ACC －2P．
3 、軟件結構開發
3． 1 軟件開發核心技術
在開放式數控系統中，軟件是十分重要的組成部分，對數控系統的功能有著重要的影響． 在進行控制系統軟件開發時，要注意以下四個方面的技術問題: 第一，合理的選擇軟件開發平臺． 軟件開發需要通過相應的開發平臺來實現，在進行控制系統的軟件開發平臺搭建時，平臺除了要具備軟件開發的功能之外，還需要蘊含十分豐富的開發資源，以便于二次開發或后續使用的實現． 在進行基于 PMAC 的開放式數控系統軟件開發時，以 Windows 2000 為操作平臺來實現軟件開發，同時，開發資源來源于 PMAC 的動態鏈接庫［5］; 第二，插補算法的確定． 當前，在控制機床軌跡時，采用的插補策略為粗插補和精插補結合的方式，然而在進行插補的過程中，受到采樣頻率的制約，在一些中低速場合中，此種方法具備很好的插補效果，但是如果是高速高精度場合，此種插補策略無法滿足要求． 基于此，在進行軟件開發時，選擇的插補算法為高速高精度，這在 PMAC 具備的功能中可以很好的實現; 第三，注重軟件伺服控制的性能．數控系統的主要目的是對數控技術進行控制，在實現控制目標的過程中，最終的部分就是伺服控制，通過伺服控制的功能，使得數控加工過程中，精度和速度都能夠滿足加工的要求． 因此，在進行軟件開發時，就必須要十分注重軟件伺服控制的性能，在 PMAC 運動控制卡中，所提供的算法為數字 PID 伺服控制，由此一來，伺服控制所具備的性能就非常的優良; 第四，保證軟件開發的可靠性及效率． 數控系統中的軟件所承擔的任務是比較多的，在軟件設計的過程中，必須要保證軟件具備完成這些任務的功能，由此導致軟件設計與開發的復雜性比較高，為了保證軟件開發具備較高的可靠性，同時在保證性能的基礎上盡量地縮短開發周期，就需要采用恰當的開發語言． 在 PMAC 的動態鏈接庫中，能夠實現高級語言開發的支持． 因此，在進行軟件設計時，采用的設計方法為模塊化程序設計，進而不但滿足了可靠性及高效率的要求，而且在軟件使用的過程中，維護非常的簡單［6］．
3． 2 數控系統軟件開發
具體說來，開放式數控系統在進行軟件開發時，主要包含兩個部分，一部分是 PMAC 實時控制軟件，另一個部分是系統管理軟件． 對于 PMAC 實時控制軟件，在進行設計時，開放性是必須要充分考慮的因素，不同的用戶具備不同的功能需求，開發出來的 PMAC 實時控制軟件要支持用戶增加軟件功能模塊; 而對于系統管理軟件來說，所承擔的功能并不具備實時性，比如系統初始化、故障診斷、系統進程管理等． 軟件開發的進行需要以系統設計要求為依據． 首先，分析系統的需求功能; 其次，根據系統功能，對軟件所承擔的功能進行有效地劃分; 最后，以 Windows 2000 操作平臺以及開發資源為基礎，完成軟件開發［7］．
開放式數控系統的控制軟件具備開放性的特征，主要包含五個層次，這五個層次的不同功能形成了控制軟件的體系結構，見圖 2． 開放式數控系統軟件開發最關鍵的一個環節是在操作系統的選擇上，因為它是一個實時的多任務控制系統，也只有這樣，才能確保數控系統控制的實時性．
控制軟件的開發在 Windows 2000 平臺上進行，采用的開發語言為 VB 語言，在數控系統中，大部分的任務都是實時性任務． 因此，PMAC 與 IPC 之間通信的建立、故障診斷、參數輸入等都是軟件開發過程中的重點． 在 PMAC 運動控制器中，包含軟件包 Pcomm32，此軟件包具備較強的開放性，同時，其中還包含 ActiveX 通信空間，當 IPC 與 PMAC 通信時，只需通過這兩項功能就可以有效地實現通信． 由此一來，通信設計中比較繁瑣的驅動程序設計就可以直接省略，提升了軟件開發的效率． 除了開放性之外，利用VB 語言開發出來的軟件具備的可移植性也非常好． 通過 Windows 2000 與 VB 語言的有效結合，再加上編程時采用面向對象法，保證了軟件開發的可靠性． 同時，PMAC 的動態鏈接庫中具備豐富的開發資源，促使軟件開發的順利實現，也保證了軟件基本功能的實現．
圖 2 控制軟件的體系結構
4 、結論
數控技術的開發與應用促進了現代裝備制造業的繁榮發展，在應用數控技術的過程中，需要通過數控系統來對其進行控制，以便于保證數控加工的速度及精度． 原有的數控系統所具備的開放性不足，為了改善這個問題，在 PMAC 的基礎上，開發了開放式的數控系統． 在明確系統的總體框架之后，通過相應的硬件模塊開發與軟件結構開發，不僅保證了數控系統的開放性，同時提升了數控系統的性能，有效地實現了控制，最終推進了現代裝備制造業長久的發展．
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