一種高性能、開放式軟件 數控系統及其應用

自1952 年誕生第一臺數控機床，數控機床的發展經歷了數字控制（NC） 、計算機數字控制（CNC） 兩個階段。數控系統也從第一代采用電子管起，歷經了采用晶體管、小規模集成電路、小型計算機技術到1974年左右發展到采用微處理器的專用NC階段。90年代初期，數控系統進入基于PC機的階段。基于PC機的數控系統（CNC）又分為以下幾種類型:
（1） PC機嵌入NC型
在傳統的專用NC中簡單地嵌入PC技術，NC可以共享一些計算機的軟硬件資源，而計算機只參加輔助編程、分析、監控、生產管理和工藝編制等工作。由于這種數控系統的NC部分仍是專用結構，用戶無法進入數控系統的核心，所以屬于初步開放的數控系統。
（2） NC嵌入PC型
這是完全采用PC機為硬件平臺的數控系統，運動控制（包括軸控制和機床邏輯控制）功能由配有專用控制芯片的獨立的運動控制器完成，通常以PC插件（符合ISA或PCI總線標準）形式的硬件或通過網絡連接的嵌入式系統實現。運動控制軟件由NC生產廠商設計，用戶無法修改。只是NC的上層軟件（數控語言解釋器/人機界面等）以PC操作系統（例如Windows）為平臺，因此這種數控系統只是在上位機層面上實現了開放性。
（3） 全軟件型
這是完全采用PC機軟件控制的一種數控系統，它把運動控制器以應用軟件的形式實現，這是一種最新開放體系結構的數控系統，能夠提供給用戶最大的選擇和靈活性，已經成為新一代CNC的主流。
眾所周知，目前最常用的Windows 桌面操作系統是多線程、搶先多任務的32 位操作系統，實時性比較差。而實時控制又是數控系統的關鍵所在，它決定了數控機床的加工速度和加工精度。因此有些數控系統采用原始的DOS 操作系統作為軟件平臺，可以滿足一般的實時性要求。但是，運行在實模式下的16 位單任務的DOS操作系統沒有發揮出32位PC機的優勢，而且應用程序受640k內存限制，并可直接對硬件操作，系統可靠性也很難保證。而目前市場上基于Windows的實時操作系統（或軟件），如WindowsCE. NET等的價格又比較昂貴，不利于在數控機床行業的普及。本文介紹的香港海德盟數控技術有限公司開發的Hi-800系列基于PC的數控系統引入德國Power Automation（以下簡稱PA）公司的實時控制內核，彌補了Windows 桌面操作系統實時性差的不足，是一種真正的全軟件型開放式數控系統，可廣泛應用于各種數控機床、加工中心及一些特殊用途機床的復雜控制中。
Hi-800數控系統組成
Hi-800系列數控系統是按照工業級標準，應用PC技術制造的高性能CNC。系統采用Windows NT操作系統及PA實時內核（Real Time Kernel），使用戶可以擁有操作方便的窗口式人機界面，同時使得利用硬盤作為NC內存成為可能。而且從簡單的串行口到復雜的通信網絡都能得到應用。
Hi-800數控系統硬件設計
由于運動控制和邏輯控制功能都由軟件實現，因此Hi-800系列數控系統硬件只有控制器、鍵盤和顯示器、NC操作面板和相應的擴展版卡等部件組成，其外形結構如圖1所示。
圖1 Hi-800系列數控系統外形結構圖
主控制器是一臺安裝了Micrsoft Windows NT 操作系統的工業標準PC機，可以通過PC機主板上標準的插槽和總線連接系統需要的器件，如軸控卡，數字或模擬量輸入/輸出（I/O）接口、通信網卡等。 Hi-800系統通過PCI總線配置了可控制4個模擬量軸和1個主軸的控制卡;16個數字量輸入和輸出及5路模擬量輸出通道。用戶還可以根據需要通過多軸擴展板卡，或I/O擴展模塊，實現控制更多軸和更多I/O的功能。與Hi-800主控制器相連接的典型外部設備如圖2所示。
圖2 CNC控制器外部設備接口
Hi-800系列操作系統還配置1個以太網卡（TCP/IP協議）;4個串行通信接口（其中1個可配置為RS-485接口 ）;1個并行通信接口和1個USB通信接口，可以靈活地實現網絡化控制。還有1個可實現雙聲道立體聲控制的聲卡和1個可同時連接TFT和CRT的顯示卡。用戶還可以根據需要選擇其它硬件配置。
系統采用10.4″超薄液晶顯示器和薄膜按鍵，更適合于工業現場應用。可在其可視化界面內很專業、很方便的監控和實現各種操作，如:加工過程曲線圖形和加工件零件的各種信息;根據用戶需要編寫的PLC程序、在線監控PLC和CNC信號和在線程序修改等;可以觀察加工過程中的機械坐標、程序坐標等一些重要的操作信息。
NC操作面板可用于控制系統和程序的起停操作，還可以通過它實現控制對象（如機床）的手動控制，如X、Y、Z軸的手動進給;主軸的正轉、反轉控制;潤滑、冷卻系統控制等，便于機床調試。
系統軟件結構
Hi-800數控系統的軟件結構如圖3所示。由于系統內嵌PA的NT實時內核，因此，對實時性要求比較高的運動控制任務和邏輯控制任務都由CNC軟件和軟件PLC完成，并直接控制相關的硬件設備，也可以滿足數控系統實時控制的要求。而其他對實時性要求不高的任務，如人機接口（HMI）、計算機輔助制造（CAM）等需要由PC機實現的任務，仍由Windows NT操作系統來實現。
PA的NT實時內核使數控系統可以以固定的時間間隔執行實時任務，而且在執行實時任務時，禁止其他非實時任務的執行，并能夠直接獲得系統相關的硬件資源。只有在沒有實時任務需要執行時，Windows NT才能獲得CPU資源，去執行基于NT系統的應用程序。
系統CNC軟件包含與運動控制有關的所有功能，如對用戶的NC程序進行編譯、解釋代碼;運動軌跡的插補運算;軸的位置環控制及與軟件PLC和外部設備的通信等。
CNC編譯器（CNC Interpreter）
CNC編譯器的主要任務是對用戶的NC程序進行解釋，并將其轉換為伺服任務中的插補器能夠識別的格式。此外，編譯器還具有下列功能:
控制CNC操作模式;
系統診斷;
與伺服系統進行信息交換;
向MMI傳送信息，用于顯示;
與PLC進行二進制I/O數據交換;
加工過程的偏移量設置和路徑修正。
圖3 Hi-800系列數控系統軟件結構
CNC插補器（CNC interpolator）
插補器是CNC的執行單元，CNC的下列功能都與插補任務有關:
路徑插補;
軸插補，包括線性、樣條、圓弧、螺旋線插補，還具有鏡像、并行隨動軸功能;
位置軸控制;
診斷與監控管理;
與位置任務的通信連接;
從CNC-PLC讀取輸入信號;
向PLC傳送BCD碼信號;
實時轉換 （極坐標，5軸）;
實時自校正，包括間隙補償、齒隙誤差補償、零漂補償等;
正弦震蕩器;
主軸輸出;
從 FIFO寄存器中讀取新的程序段;
快速輸出數字量信號。
CNC位置閉環控制（CNC Position Loop）
位置任務用于實現軸的位置控制功能，所有CNC和PLC的實時任務都是由與控制軸有關的硬件定時中斷控制的，每次中斷都執行一次位置任務，主要完成下列操作:
從門陣列或sercos接口讀取位置值;
檢測編碼器信號（模擬軸）;
更新機床位置;
計算機床位置誤差值;
根據機床位置計算相應的內部位置;
計算命令位置值與實際機械位置的偏差;
計算對應的位置控制的輸出值;
輸出到D/A轉換器（模擬量控制軸）;
輸出到sercos接口（sercos控制軸）。
Hi-800內置的高速軟PLC符合IEC-1131-3標準，用戶可以使用梯形圖、功能程序段、指令表、流程圖及結構文本等多種PLC語言編程，完成各種復雜的機床邏輯控制。系統還內置機床參數編輯器和邏輯分析儀（非常有用的調試工具），使得機床控制系統的安裝、調試和保養非常簡便。
作為基于PC的開放式CNC系統，Hi800允許用戶以安全可靠的方式集成第三方專業技術及專用軟件（例如各種CAM軟件）。系統控制功能均由軟件實現，可以根據機床類型及不同的應用開放相應功能模塊，提供給用戶最大的選擇和靈活性。
Hi-800系列數控系統的性能及特點
系統的主要性能指標如附表所示:
Hi-800系統獨特的軟硬件結構，使其具有下列特點:
附表 系統的主要性能指標
開放性
Hi-800系統充分利用了Windows NT操作系統的開放性特點，允許在同一個系統上集成CNC及其它應用軟件。此外，還額外提供了一系列開放式軟件工具。如循環編譯工具（Compile Cycles）允許用戶定制自己的特殊加工功能，實現各種復雜機床控制;可視化界面使用戶可以在原有MMI的基礎上定制專用人機界面;虛擬人機界面VMI功能可以根據用戶需求定制全新人機界面。
高速度
Hi-800的“自適應預讀功能”可以在實時情況下，預處理幾百個NC程序段，并且可以根據相應的進給速率自動調整加、減速控制。自適應預讀功能速度變化曲線如圖4所示，圖中橫坐標是NC程序段，縱坐標F表示執行速度。用藍色
圖4 自適應預讀功能速度變化曲線對比
曲線表示的G08沒有預讀功能，因此每個程序段都要執行加速和減速操作;而紅色曲線表示的G09的速度是連續變化的，這樣不僅增強了機床的效率，也提高了加工工件的表面光潔度。
系統的“曲率優化功能”，可以使大量連續微小線段加工達到最佳效果，更好地保證加工過程的快速性、連續性和平穩性。同時快速的PA實時內核能夠完成各種實時操作，滿足快速性要求。
高精度
系統采用“自適應調節技術”，可以在實時狀態下根除伺服滯后并且抑制由速度變化導致的共振干擾。能夠自動為每根軸選擇最佳參數，然后在運行過程中補償這些參數。精確停止插補功能及拐角平滑處理功能，能有效防止拐角處發生過切現象，可以獲得良好的加工精度。
海量NC內存
基于PC的Hi-800系統利用硬盤存儲加工程序，實現海量NC內存（大于10GB），大大縮短了NC程序讀取時間，使得機床的加工效率成倍提高。
良好的人機界面
操作人員可以通過功能鍵選擇六種不同的操作模式，菜單式操作簡單易學。
網絡化控制
數控系統直接配置通用網絡接口，使其具有強大的網絡通信功能，容易實現遠程監視和控制，及分散化網絡加工，使現代化管理成為可能。
應用案例
建立在先進的Windows操作系統平臺上的Hi-800數控系統具備柔性、開放性和不斷擴展的特性。通過簡單的系統參數及功能設定，便可實現各種先進的控制技術，滿足復雜加工和幾乎所有應用，如各種高速高精度車、銑、雕、磨、線切割及激光加工設備;復雜加工中心;5軸聯動機床等。為用戶提供一流的專家解決方案。
高速雕銑機的控制
如:Hi-800所獨有的曲率優化功能，能對連續小線段加工軌跡進行平滑處理，進一步提高加工快速性，并獲得更好的表面光潔度。自適應預讀功能夠根據進給速度和加工軌跡處理加減速，避免小線段頻繁加減速，保證加工速度穩定，實現快速加工。特別適用于高速雕銑機的控制。
激光切割機的控制
Hi-800系統還能夠根據加工距離、加工時間的變化對激光能量進行控制。距離調整功能可以控制激光頭（Z方向）與加工表面保持恒定距離。對于三維切割，可以保證切割的平整性，避免過切現象。非常適用于激光切割機的控制應用。
CNC仿真軟件在教學領域的應用
Hi-800的開放性和離線版本CNC仿真軟件使其為教學領域應用提供了安全和方便性。仿真軟件可以安裝在任何1臺裝有Windows NT/2000的個人計算機上運行，無需額外硬件支持。而且離線CNC操作界面和實際應用操作界面完全相同，可以在計算機上學習系統基本操作，熟悉NC編程指令，模擬運行加工程序。另外，Hi-800系統豐富全面的控制功能和卓越的性能，可以使學生更多地了解數控領域的先進技術和發展方向。
由于基于PC技術，Hi800數控系統可以直接連接投影儀等設備，方便教師進行教學演示。
結語
與傳統數控系統相比， 軟件數控系統可以充分利用Windows平臺和CNC的開放式軟件工具開發所需的各種功能，使用戶可以靈活的組態CNC功能模塊，構成各種類型的高性能數控系統。以滿足普通機床、加工中心及各種特殊類型機床的復雜控制。這種實現形式上的變革使得系統可以更方便、更廣泛地應用計算機技術的先進成果，大幅度提升數控系統的控制性能，簡化系統實現難度，縮短研發周期;大大增強了系統的伸縮性和可擴展性。因此，軟件數控系統具有最高的性能價格比，最有很強的生命力。
編輯:何世平