當(dāng)前，各種先進(jìn)的制造技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，它們中極大多數(shù)都需要數(shù)控技術(shù)的支持。但是由于傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)幾乎都具有封閉性，同時(shí)，大多數(shù)機(jī)床制造廠都是選用標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控裝置來(lái)配置機(jī)床，這就給在不同使用狀況下靈活配置數(shù)控裝置的功能和用戶界面帶來(lái)困難，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)控制裝置不能反映機(jī)床制造廠的經(jīng)驗(yàn)，也很難滿足*終用戶的特殊要求。因而對(duì)數(shù)控系統(tǒng)提出了新的要求。與此同時(shí)，隨著用戶需求的多樣化，生產(chǎn)方式向著中小批量方向發(fā)展，要求數(shù)控系統(tǒng)更具柔性、靈活性和通用性，因此出現(xiàn)了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究。世界上有許多國(guó)家紛紛投入了大量的人力，物力和財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究，并取得了很大的成果，例如開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有軟件開(kāi)放性和硬件開(kāi)放性，它能使人們自由地選擇CNC裝置、伺服放大器、傳感器、執(zhí)行單元等部件。一般而言，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)該具有下述特點(diǎn)：由邏輯上獨(dú)立的各種構(gòu)成要素組成。
提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，確保不同生產(chǎn)廠商的符合規(guī)范的構(gòu)成要素能構(gòu)成一個(gè)完整的數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)控系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以動(dòng)態(tài)地改變。
與其他系統(tǒng)或軟件模塊具有互操作性。
提供良好一致的人機(jī)界面。
由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及其標(biāo)準(zhǔn)化和開(kāi)放性，從而出現(xiàn)了基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)該數(shù)控系統(tǒng)由于性能/價(jià)格比高，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)而倍受歡迎。
1基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)能充分地利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源，可使用通用的高級(jí)語(yǔ)言方便地編制程序，用戶可方便地將標(biāo)準(zhǔn)化的外設(shè)、應(yīng)用軟件進(jìn)行組合和使用。使用計(jì)算機(jī)同時(shí)也便于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)大致可分為四種類型，即PC連接型CNC、PC嵌入型CNC、NC嵌入型PC（NC嵌入PC型）、全軟件型NC. PC連接型CNC：該類型系統(tǒng)是用通用的串行線將現(xiàn)有的原型CNC與PC相連而組成的。該系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)，原型的CNC幾乎可以不加修改地進(jìn)行利用。也可使用通用的軟件，但是其原型CNC不能實(shí)現(xiàn)開(kāi)放化，并且系統(tǒng)的通訊、響應(yīng)速度慢。
PC嵌入型CNC：該類型系統(tǒng)是將PC裝入到CNC內(nèi)部，PC與CNC之間用專用的總線連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸快，響應(yīng)迅速，同時(shí)，原型CNC系統(tǒng)也可不加修改就加以利用，但是不能直接地利用通用PC，開(kāi)放性受到限制。
NC嵌入型PC（NC嵌入PC型）：該類型系統(tǒng)是在通用PC的擴(kuò)展槽中插入專用的CNC卡組成的。
它能夠充分地保證系統(tǒng)性能，軟件的通用性強(qiáng)，并且編程處理靈活，但是，原型CNC資源很難得到利用。
全軟件型NC：該類型系統(tǒng)是指CNC的全部功能均由PC進(jìn)行處理，并通過(guò)裝在PC的擴(kuò)展槽的伺服接口卡對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)等進(jìn)行控制。其軟件的通用性好，編程處理靈活。但是，實(shí)時(shí)處理的實(shí)現(xiàn)比較困難，并較難保證系統(tǒng)的性能，同時(shí)原型CNC資源難以利用。
2NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)21NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)作為基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)可理解為由開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡+PC機(jī)組成。開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡一般采用高速DSP作為CPU，具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制能力，并提供一組數(shù)控內(nèi)核API供用戶開(kāi)發(fā)構(gòu)建所需的數(shù)控系統(tǒng)。PC機(jī)則通常采用工業(yè)計(jì)算機(jī)，從而能充分利用其豐富的軟硬件資源。用戶可以選用許多流行的編程軟件，如DELPHI、VISUALC++、C++BUILDER等。這能大大地改善數(shù)控系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真以及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。給出了NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)K置I應(yīng)用i到廠數(shù)控內(nèi)核AH通訊系統(tǒng)丨操作系統(tǒng)硬件工業(yè)計(jì)算機(jī)1開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)的典型結(jié)構(gòu)22NC和PC的通訊問(wèn)題從中可以看出，在這個(gè)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)時(shí)，首先必須解決的是NC和PC機(jī)之間的通訊問(wèn)題。也就是說(shuō)NC和PC間應(yīng)能夠流暢地交換數(shù)據(jù)。它們之間的通訊可以由不同的通訊機(jī)制實(shí)現(xiàn)，典型的方式有：總線通訊和雙口RAM通訊等?？偩€通訊采用ISA/PCI總線結(jié)構(gòu)，開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡插入在PC機(jī)的總線接口槽中，使用相應(yīng)的控制寄存器和協(xié)議建立起PC機(jī)和NC之間的通訊，其可以使用查詢方式或中斷方式。雙口RAM通訊則是采用一種特殊的存儲(chǔ)器，該存儲(chǔ)器具有兩個(gè)端口可以分別跟PC機(jī)和NC的CPU相連，兩個(gè)CPU可互不干擾地對(duì)其進(jìn)行讀寫(xiě)操作，采用這種通訊方式能明顯提高數(shù)據(jù)交換速度。
為了使通訊系統(tǒng)不依賴于具體的通訊機(jī)制，對(duì)上述的通訊方式進(jìn)行抽象，得出一致的應(yīng)用程序接口。
確保用戶只需訪問(wèn)該應(yīng)用程序接口而不必關(guān)心底層的通訊機(jī)制就能建立起所需的通訊。描述了該通訊系統(tǒng)。
應(yīng)用軟件的編制采用COM組件技術(shù)。COM組件實(shí)際上是一些小的二進(jìn)制可執(zhí)行程序，它能為應(yīng)用程序、系統(tǒng)程序以及其他的COM組件提供服務(wù)。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的COM組件接口可訪問(wèn)COM組件對(duì)象，并將它們互相連接起來(lái)組合成一個(gè)完整的應(yīng)用程序。
利用COM組件架構(gòu)應(yīng)用程序具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用程序的定制，通過(guò)替換具有相同COM組件接口的COM組件對(duì)象，實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)用功能。
應(yīng)用程序的快速架構(gòu)，從組件庫(kù)中選出所需的組件，并將其快速組裝架構(gòu)所需的應(yīng)用程序，縮短了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)周期。
應(yīng)用程序的動(dòng)態(tài)架構(gòu)，無(wú)需重新編譯就可以動(dòng)態(tài)地卸下或替換掉相應(yīng)組件，動(dòng)態(tài)改變應(yīng)用程序功能。
可見(jiàn)COM組件技術(shù)非常適合于開(kāi)發(fā)開(kāi)放式數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)。
根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的不同功能進(jìn)行模塊的劃分，如可劃分為邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)態(tài)仿真、人機(jī)接口等模塊。之后利用COM組件技術(shù)及相應(yīng)的數(shù)控內(nèi)核API包裝這些模塊，由此各個(gè)模塊具有統(tǒng)一的COM組件接口，從而不同的供應(yīng)商的數(shù)控應(yīng)用模塊能夠進(jìn)行互換。使用戶定制成為可能。
24系統(tǒng)配置軟件將零散的各個(gè)COM組件組合成滿足用戶要求的數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)由系統(tǒng)配置軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)配置軟件能根據(jù)用戶的選擇，實(shí)例化在COM組件庫(kù)中的COM組件，并將其連接組合，裝配成具有特定功能的應(yīng)用系統(tǒng)。當(dāng)用戶的需求發(fā)生變化時(shí)，可通過(guò)系統(tǒng)配置軟件更換相應(yīng)的COM組件或增加一些所需功能的COM組件以適應(yīng)需求的變化。
3實(shí)例研究本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)NC嵌入PC型開(kāi)放式數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)的人機(jī)界面一操作面板。該實(shí)例的應(yīng)用平臺(tái)采用了美國(guó)DELTATAU公司的開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制卡MWIPMAC，MWI―PMAC能同時(shí)控制兩根軸，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制能力，它插在微機(jī)的ISA總線接口槽中。系統(tǒng)還使用了二個(gè)全數(shù)字化交流伺服驅(qū)動(dòng)器（MR―2）和交流伺服電機(jī)。外加一個(gè)數(shù)控接口機(jī)箱，內(nèi)部配有I/O接口和模擬量輸出/反饋接口端子板。微機(jī)上的操作系統(tǒng)為Wiodows95，采用DELPHI作為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。整個(gè)平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如所示。
操作面板應(yīng)用系統(tǒng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖所開(kāi)發(fā)的人機(jī)界面應(yīng)用系統(tǒng)提供給用戶一個(gè)操作的接口，用戶通過(guò)鼠標(biāo)的點(diǎn)擊來(lái)完成相應(yīng)的操作。所實(shí)現(xiàn)的功能模塊有編程、自動(dòng)加工、手動(dòng)操作及運(yùn)動(dòng)軌跡描繪等。該應(yīng)用系統(tǒng)的整體框架如所示。
I編程自動(dòng)加工I丨手動(dòng)操作丨I軌跡描銓I操作面板用戶界面應(yīng)用系統(tǒng)的整體框架3.1通訊模塊通訊模塊是微機(jī)與PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡之間進(jìn)行信息交互的必要模塊，它實(shí)現(xiàn)了基于查詢方式的總線通訊和雙口RAM通訊。在這里較具體地對(duì)雙口RAM通訊進(jìn)行論述。在PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡上有一個(gè)雙口RAM，微機(jī)和PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡可以共享這個(gè)雙口RAM.為了使用雙口RAM，在微機(jī)上選擇了16K沒(méi)有被占用的存儲(chǔ)空間，并且將該存儲(chǔ)空間的起始地址設(shè)置為雙口RAM在微機(jī)上的起始地址。然后將起始地址的段地址寫(xiě)到PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的X存儲(chǔ)空間中地址值為786和787的存儲(chǔ)器中，PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡就能使用這兩個(gè)存儲(chǔ)器來(lái)確定雙口RAM的地址，從而實(shí)現(xiàn)雙口RAM通訊。
3.2編程模塊編程模塊提供給用戶一個(gè)圖形化的界面，用戶可以借此方便快捷地進(jìn)行數(shù)控程序的編制。主要具有插入、刪除、修改數(shù)控程序的功能。
3.3手動(dòng)操作模塊手動(dòng)操作模塊中實(shí)現(xiàn)了回零、增量進(jìn)給等功能，它們的實(shí)現(xiàn)主要通過(guò)使用PMAC的在線命令。將相應(yīng)的在線命令通過(guò)總線通訊發(fā)給PMAC，PMAC接到命令并執(zhí)行。
3.4自動(dòng)加工模塊自動(dòng)加工模塊的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單通過(guò)啟動(dòng)存儲(chǔ)在PMAC板上的運(yùn)動(dòng)程序就可以了。但是必須實(shí)時(shí)地采集運(yùn)動(dòng)軸的位置和速度，并對(duì)其加以顯示。
3.4軌跡描繪模塊刀具軌跡描繪功能采用的實(shí)現(xiàn)方法是利用PMAC強(qiáng)大的邏輯控制能力，在PMAC板上運(yùn)行PLC程序，實(shí)時(shí)地讀取當(dāng)前的刀具位置信息，然后將該刀具位置信息用曲線動(dòng)態(tài)地畫(huà)出來(lái)，從而在屏幕上能形象地觀察到刀具軌跡的變化過(guò)程。刀具軌跡的描繪使用了DELPHI的一個(gè)控件PAINTBOX，在運(yùn)動(dòng)程序運(yùn)行0寸，PMAC有PLC程序讀取當(dāng)前的位置信息，將該信息存放到雙口RAM中，微機(jī)通過(guò)TIMER控件讀雙口RAM，獲得上述位置信息后，在PAINTBOX控件上畫(huà)出刀具當(dāng)前位置的象素點(diǎn)，這樣就實(shí)現(xiàn)了刀具軌跡的動(dòng)態(tài)描繪。
是該人機(jī)界面應(yīng)用系統(tǒng)的窗口。
?。ㄏ罗D(zhuǎn)第37頁(yè)）出經(jīng)過(guò)布爾運(yùn)算得到插件與被插件的實(shí)體模型圖，然后將計(jì)算得到的相貫線用不同顏色再繪制在此理論參照物上，通過(guò)對(duì)比很好地檢驗(yàn)了計(jì)算所得相貫線與實(shí)體模型中的相貫線是否吻合，也即檢驗(yàn)了數(shù)字模型的正確性，見(jiàn)相貫線驗(yàn)證。3NC指令生成NC指令生成模塊的作用是生成對(duì)應(yīng)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控指令及其機(jī)床調(diào)整文件、機(jī)床調(diào)整文件包含了管件設(shè)計(jì)參數(shù)、下料尺寸、加工過(guò)程中需調(diào)整的工藝參數(shù)及對(duì)刀位置等。該文件打印出后交數(shù)控操作人員用，數(shù)控指令文件由軟盤(pán)或RS232C通訊傳輸給數(shù)控機(jī)床。本系統(tǒng)一次生成四個(gè)數(shù)據(jù)文件：插件數(shù)控程序文件及機(jī)床調(diào)整文件，被插件數(shù)控程序文件及機(jī)床調(diào)整文件。
3.4加工模擬加工模擬是通過(guò)反向模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)讀取上一步所生成的數(shù)控程序及機(jī)床調(diào)整文件來(lái)進(jìn)行。通過(guò)加工模擬有效地驗(yàn)證了將來(lái)加工過(guò)程，確保了加工工件的正確。該系統(tǒng)加工模擬的思想是模擬實(shí)驗(yàn)切割過(guò)程的機(jī)理，實(shí)現(xiàn)加工中所有管件切割過(guò)程（火焰、等離子弧、激光）其實(shí)質(zhì)都是先形成孔洞，機(jī)床按指定軌跡移動(dòng)使孔洞連續(xù)而形成很窄的切縫。加工模擬正是利用這一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行的。首先讀取數(shù)控程序文件及機(jī)床調(diào)整文件，自動(dòng)繪制切割頭及管件毛還，然后根據(jù)對(duì)刀位置尺寸讓切割頭自動(dòng)進(jìn)入對(duì)刀點(diǎn)，隨后先在對(duì)刀點(diǎn)處控制MDT命令在管件上打一孔（洞）再通過(guò)程序循環(huán)讀取，得到指令數(shù)據(jù)讓管件旋轉(zhuǎn)度，切割頭移動(dòng)AX，AZ即到下一切割點(diǎn)處，再打一孔，如此循環(huán)。由于步距較小，且無(wú)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)并形成了連續(xù)切割，完成了整個(gè)模擬加工過(guò)程。
為了表明此過(guò)程，繪出了步距較大時(shí)的加工模擬過(guò)程圖。
4結(jié)束語(yǔ)管件相貫線的數(shù)控切割關(guān)鍵是要建立與數(shù)控切割原理相對(duì)應(yīng)的數(shù)控切割相貫線的數(shù)學(xué)模型。本文結(jié)合工廠實(shí)際情況，為管件類相貫線數(shù)控加工提供了完整的解決方案，所開(kāi)發(fā)的圖形交互式自動(dòng)編程系統(tǒng)使編程人員擺脫了復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理。該系統(tǒng)具有直觀明了，形象生動(dòng)，使用方便、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，極大地方便了編程人員與操作人員，有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。另外本文算法稍加改進(jìn)同樣適用于管件類鈑金展開(kāi)CAD及展開(kāi)件數(shù)控切割程序的生成。
