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    1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院與帕森斯公司進(jìn)行合作，發(fā)明了世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，控制部分由數(shù)以千計(jì)的電子管組成，其插補(bǔ)裝置采用脈沖乘法器。這臺(tái)機(jī)床的研制成功標(biāo)志著NC技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)和機(jī)床制造業(yè)的一個(gè)新的時(shí)代的到來(lái)。

    從第一臺(tái)數(shù)控銑床后，隨著電子組件技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，以及伺服技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代的CNC系統(tǒng)在功能、性能、穩(wěn)定性，以及處理速度方面已經(jīng)得到了大大改善。數(shù)控系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床控制的核心部分，對(duì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起著極大的推動(dòng)作用。它的發(fā)展大致以下幾個(gè)過(guò)程：

圖1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程

    隨著機(jī)械加工精度和速度的提高，要求NC系統(tǒng)的功能不斷的擴(kuò)大、改進(jìn)和完善，特別是適應(yīng)高速高精度加工的要求產(chǎn)生了高速高精控制系統(tǒng)，包括程序的快速輸入、高速高精插補(bǔ)、控制以及輸出。另外機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化與改進(jìn)及新加工功能的完善，要求NC的軟件功能越來(lái)越復(fù)雜。還有，機(jī)械加工的連續(xù)運(yùn)行、協(xié)調(diào)，要求NC系統(tǒng)可靠性不斷提高，加工和信息系統(tǒng)不但可以控制、處理、傳輸、管理而且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以共享。正是由于以上的原因，基于PC ―BASED的開(kāi)放性數(shù)控單元開(kāi)始在數(shù)控領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

    1、開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)

    開(kāi)放性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義為：在競(jìng)爭(zhēng)的環(huán)境中允許多個(gè)制造商可以相互交換和相互操作的模塊。機(jī)床制造商可以在開(kāi)放系統(tǒng)的平臺(tái)上增加一定的硬件和軟件構(gòu)成自己的控制系統(tǒng)。目前比較流行的開(kāi)放式數(shù)控主要有兩種結(jié)構(gòu)：1、CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機(jī)器中，PC板主要運(yùn)行非實(shí)時(shí)控制，CNC主要運(yùn)行以坐標(biāo)軸為主的實(shí)時(shí)控制。2、PC+專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡：把運(yùn)動(dòng)控制卡插入計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插槽中做作實(shí)時(shí)控制用，而PC 機(jī)主要用作處理非實(shí)時(shí)控制。尤其是方案2，能充分發(fā)揮其計(jì)算機(jī)處理速度快，人機(jī)接口友好的特點(diǎn)，越來(lái)越受到機(jī)床制造商的歡迎，成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控發(fā)展的主流。

    2、開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

    下面以步進(jìn)機(jī)電公司自主研制開(kāi)發(fā)的MPC01運(yùn)動(dòng)控制卡為例，介紹“PC+專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制卡”這種結(jié)構(gòu)模式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用主從式控制結(jié)構(gòu)：其中PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互接口的管理和控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控等方面的工作（例如系統(tǒng)狀態(tài)的顯示、控制指令的發(fā)送等等）；下位機(jī)選用步進(jìn)機(jī)電公司MPC01系列運(yùn)動(dòng)控制卡，用來(lái)完成控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等。工控機(jī)的CPU及MPC01控制卡上的專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制芯片構(gòu)成了“PC+MPC01”的雙CPU的硬件結(jié)構(gòu)，DOS或Windows作為操作系統(tǒng)。

    2.1 MPC01系列運(yùn)動(dòng)控制卡的控制方式及特點(diǎn)

    步進(jìn)機(jī)電有限公司（step-servo Co.,Ltd）是一家以技術(shù)為依托的專(zhuān)業(yè)運(yùn)動(dòng)控制公司。是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)動(dòng)控制卡的主要生產(chǎn)廠(chǎng)家之一，MPC01系列運(yùn)動(dòng)卡采用進(jìn)口專(zhuān)用芯片，集成度高，穩(wěn)定可靠；同時(shí)配備了內(nèi)容豐富，功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)，可在C/C++或VB等環(huán)境下調(diào)用，它和計(jì)算機(jī)之間以總線(xiàn)方式進(jìn)行通訊。而且由于它采用了VXD虛擬驅(qū)動(dòng)技術(shù)，很好的利用了Windows底層的中斷調(diào)用，從而可以進(jìn)行實(shí)時(shí)的多任務(wù)處理，這使得它在處理時(shí)間和任務(wù)切換這兩方面大大減輕主機(jī)和編程的負(fù)擔(dān)，提高了整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行速度和控制精度。

    2.2 控制系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)

    控制系統(tǒng)以基于工業(yè)PC的MPC01為核心，采用松下數(shù)字交流伺服系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)。利用MPC01 的多軸運(yùn)動(dòng)控制功能，將交流伺服系統(tǒng)與DMC的脈沖輸出通道相連，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)的輸出。同時(shí)也可接受光電編碼器的反饋信號(hào)的采樣，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。另外通過(guò)DMC的DB15接口，可以接收機(jī)床上一些與運(yùn)動(dòng)控制有關(guān)的IO量的輸入。如檢測(cè)機(jī)床原點(diǎn)、限位等開(kāi)關(guān)的信號(hào)。

    運(yùn)動(dòng)控制卡必須與PC機(jī)進(jìn)行通訊才能完成機(jī)床的控制任務(wù)，通過(guò)PC機(jī)的外設(shè)可實(shí)現(xiàn)加工程序的輸入、編輯、參數(shù)的設(shè)置、機(jī)床運(yùn)行的實(shí)時(shí)狀態(tài)等等。另外借助PC的圖形數(shù)據(jù)處理的強(qiáng)大功能，可以很容易的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的DNC功能。

圖2 控制系統(tǒng)框圖

    3、開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

圖3 開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的軟件構(gòu)成

    本系統(tǒng)充分發(fā)揮了PC機(jī)軟件資源豐富和處理數(shù)據(jù)速度快的優(yōu)點(diǎn)，吸收了CAD/CAM的特點(diǎn)，在利用造型軟件生成零件圖后，將圖形的DXF格式文件轉(zhuǎn)化為加工G代碼。然后將G代碼解釋為板卡的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，最后通過(guò)調(diào)用MPC01運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)內(nèi)的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)函數(shù)，達(dá)到實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的目的。

    4、結(jié)束語(yǔ)

    “PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”式數(shù)控系統(tǒng)將是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)里程碑。這種系統(tǒng)支持運(yùn)動(dòng)控制策略的用戶(hù)定制，體現(xiàn)了一種核心級(jí)的開(kāi)放思想，從這種系統(tǒng)開(kāi)始，數(shù)控系統(tǒng)將進(jìn)入“完全開(kāi)放”時(shí)代。