基于PC的開放式數控系統及實現分析
2020-6-18 來源：山西大同大學機電工程學院 作者：王舒瑋
摘要：伴隨著我國社會經濟的不斷進步與發展，計算機技術的發展與應用已經越來越廣泛，數控系統也發生了嶄新的變化。為此通過對基于PC開放式數控系統的各種實現方法進行詳細而深入的分析，并重點對Windows環境下的面向對象方式的開發方法進行相關研究，由此進行開放式 PC 系統的開發方案設計，希望能夠為相關領域的工作人員提供可參考的借鑒。
關鍵詞：PC；開放式；數控系統
1、 PC嵌入CNC模式的實現路徑
1.1 PC內嵌入CNC
PC 內嵌入 CNC 所指的是在 CNC 內安裝 PC 板，PC 板和CNC 間利用專用的總線進行連接。這種形式重點給相對比較大規模 CNC 生產控制器的廠家所普遍使用，它所存在的優點是，原始類型的
CNC基本上不需要實施任何的改動就可以直接使用，并且其對于數據的傳送速度也是非常的快、系統的所做出的響應速度也很快。當然其也存在不足的地方，其最大的不足就是其無法直接的使用或通用
PC、受開放的限制。
1.2 CNC內嵌入PC
CNC 內嵌入 PC 所指的是，把運動控制板與所有的 CNC 單元全部插到PC的擴展槽內。PC在對非實時的數據進行處理的時候，實時數據的控制都是由 CNC 單元和運動控制板來完成的。這一模式的最大優點是可以有效確保系統的性能，軟件其自身特有的通用性也是非常強大的，并且同時針對編程來說也是非常靈活的。其所存在缺限的地方是，CNC資源的原型很難被良好的利用，系統的穩固性仍需更深一步的研究。
2、 CNC嵌入PC模式在Windows下的實現
2.1 系統的設計
為了達到開放性的這一功能，在系統建模階段，一定要對以 PC 為基礎的 CNC 系統工作原理進行各模塊結構的深入分析，之后再通過面向對象技術，來把各模塊設置成各個對象，然后再進行匯總與分析。
2.1.1用戶的輸入與輸出界面
用戶的輸入其著重指的是用戶對于數控的相關指令代碼和所發出的指令進行輸入，或是對系統進行配置等。系統數據指令輸出其重點任務是對實時的仿真及顯示現時加工的狀態等進行合理的管控。
2.1.2 CNC的任務協調及通信模塊
此模塊被明確為整個系統結構的內核，實現各模塊之間的互相通信與協調工作的根本保障。一方面對界面和控制層的相應信息實施互換，另外一方面還負責系統中各個子模塊的任務協調，并且同時還實時的對 I/O 卡傳送數據或是對數據進行采集。
2.2 系統的實現
在通用的Windows操作系統下，用強大功能的編程語言來完成的。
2.2.1支持多線路
線程是屬于32位的操作系統，其本身存在很多的優點。對于數控這一系統而言，對其最有效的特點是其強力支持搶占的多任務機制，可臺實時的適應高速度，同時各線程之間也互不相干擾，對于功能的增減和擴展非常的有利。
2.2.2能夠對高精度形成實時的響應
這一種實時性的功能不需要各程序員及相應硬件給予支持，并且還同時能應用多個實時的信息數據。實時響應其精度非常的高，完全可以滿足數控的相應要求。在Windows 系統的基礎上達成數控系統，對這兩方面的優點我們要有效的加以利用。一是系統本身的構成是由界面、內核兩個模塊所構建形成的。在實施編程期間，這兩類模塊所對應的Windows 系統中兩個進程。而各功能中的各子模塊是內核進程的不同線程。它們全都是由內核輔助其分別啟動的，并對數控的代碼完成解釋和插補的相關任務，最后在通過位控的線程來把信號發送出去，以驅動環節來對機床實施控制并完成加工。二是要重點考慮到各個子模塊加工處于同步工作狀態，且實時的要求不同，所以在協調與調度的時候，可以運用以下的方法來進行：首先，實時性在插補與位控線程中的要求是非常高的，其任務整個過程的周期是 4ms；其次，仿真中對于實時性的規定相對偏低一些，其任務過程的周期是 80ms；最后，計算解釋的精準實時性，主要以實現插補標準為基礎。隨后進入編程期間可以為線程設置優先級。
2.3 技術研究
在NC軟件當中，對實時性的處理非常困難，這點也是常用操作系統當中組成數控系統的重點。因為Windows系統本身就屬于一類弱實時的操作系統，針對實時性任務來說，Windows系統程序初始任務的調度機制是無法完成的，只能以別的方式來實現。
Windows 系統程序中的 System.drv 供給了時鐘函數。這些函數主要作用是用來輔助系統程序中時鐘回調函數的有效安裝，系統程序的時鐘避開Windows系統中的消息工具，其過程更似于人們在
DOS 環境下安裝系統時鐘的中斷程序。但系統程序中的時鐘，其頻率為每秒 18.2 次，而數控的系統通常得需以毫秒來進行控制，因此說其實時性非常的不好。需要注意，一定要把此多媒體程序中的定時回調函數視為中斷代碼，因為其都是由中斷服務系統來直接進行調用的。回調函數要刻于指定的、不能輕易移動的、也廢棄不了的環節中，所以，一定要在動態的連接庫當中來完成。如以上的方法都無法達到精度的高標準，就需考慮硬件的直接編程。此方法是通過計算機的外掛定時器，把閑置的硬件的中斷信號傳給它，對設備的驅動程序進行編寫，以此來對定時實施控制，對中斷服務作出反饋及響應。這種編程其在實際實施時是非常復雜的，但卻能使定時的精度達到小于1ms。
3 、結語
從當下的分析結果來看，基于 PC 開放式的數控系統的分析及實現正處在起步階段，還有很多的問題需要我們在具體的實踐當中解決。但因為PC的開放化、網絡化優點，及PC技術和文化的持續進步，將會帶給開放式PC更好的發展。
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