1 前言
数控系统按照控制装置来划分，主要有硬件数控系统和软件数控系统。硬件数控系统的所有功能均有硬件电路来实现，如第一、二代NC 系统;而数控系统的部分或全部功能采用软件来实现后就成为了软件数控，如第三、四代CNC 或MNC 系统。随着计算机技术的发展，全软件数控系统将成为数控系统的主流。
数控系统一般由硬件和软件两个部分组成。传统的数控系统中，硬件模块和软件结构绝大多数是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家控制系统的相对独立、彼此封闭。
随着数控系统的功能越来越复杂，以及用户要求定制和裁剪数控系统功能的呼声越来越高，传统数控系统越来越暴露其本质的缺陷：一方面，各控制系统间互连、互操作性差影响了整个系统的集成、维护和功能扩展，各厂家不同数控系统风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，不但导致用户培训成本的增加，还给数控设备的最终用户带来诸多不便;另一方面，数控系统的封闭性造成数控设备制造商对系统制造商的过度依赖，不利于将整台设备的其他控制系统以及相应的技术工艺集成为一个完整、无缝的控制系统，并形成自己的产品，导致系统开发投资大、周期长、更新换代慢，不利于产品的技术进步。
自上世纪90 年代以来，计算机软硬件技术的飞速发展为数控系统的开放化奠定了技术基础，开放式数控系统已成为世界各国数控厂商开展竞争的重点领域。
开放式数控系统都采用模块化结构，在软件和硬件上均可灵活配置，即可通过修改硬件的基本配置或改变软件各层面的控制，并且允许第三方来开发或集成新的软硬件，为新技术的产生提供了强大的发展基础。因此，一个开放的数控系统应该在系统平台上满足可扩展性、可移植性、互换性和互操作性等要求。
2 基于PC 的开放式数控系统平台
系统平台包括系统硬件和系统软件。
根据数控系统软硬件结构的不同，开放式数控系统平台主要有：PC 嵌入NC、NC 嵌入PC、纯PC 型等三种结构形式。这里选取PC 机及标准接口的运动控制卡作为系统的硬件平台，选取Windows 操作系统作为软件开发平台，搭建基于PC 的开放式数控系统平台，这是因为：
(1)PC 技术不断发展，基于PC 的数控系统具有可持续发展的空间。自1981 年IBM 正式推出PC 机到现在，PC 机发生了翻天覆地的变化，特别是64 位PC 机出现后，PC 机的处理速度、存储量及各种功能均得到了显著提升，并且PC 机的功能仍在不断加强和升级。由于PC 的向下兼容性，为基于PC 的数控系统可以随着PC 技术的发展奠定了技术基础。(2)PC 机是一种基于总线的具有开放式体系结构的计算机系统，易于标准化、普及化。
PC 机软硬件结构的标准化、模块化以及基于总线的开放式体系结构，使基于PC 的开放式数控系统体系结构成为可能。PCbased开放式数控系统在硬件上以PC 机为基础，为用户提供通用的、标准化的硬件平台，摒弃了原有的基于专用计算机的封闭式体系结构;在软件上，以Windows 操作系统为基础为用户提供软件平台，基于Windows 操作系统的CNC 系统软件具有更大的柔性和良好的可移植性和可扩展性;同时基于Windows 的PC 机在图形、图像和视频方面的处理能力大大加强，为数控系统功能的实现提供了强大的系统支持。因此，使用通用PC 的开放式数控系统完全有能力在性能上赶上或超过专用数控系统，便于数控系统的产业化。
如图1 所示，建立在PC 技术之上的开放式数控系统平台。
该数控平台可分为三个层次：硬件层、系统软件层、应用软件层。
硬件层中的各种硬件通过标准的通用的系统总线(如PCI)连接在一起，通过通用总线用户可以方便的加入购买的第三方硬件或自己的硬件。PC 的通讯联网、电子邮件、语音、视频等多种功能都是通过附加扩展卡的形式来实现的。对于数控专用硬件，也可以通过附加卡的形式插入到总线插槽中。应用软件层则是通过操作系统和相关设备驱动程序实施对硬件资源的使用和控制。这种开放架构的系统平台允许数控系统完成诸如开放式数据库连接、目标的连接和嵌入、动态数据交换和动态连接等。并且在这个平台上可以运行其它应用软件如CAD/CAM、PDM、ERP 等。
3 开放式数控系统的任务划分
3.1 系统功能的划分数控系统的功能包括系统必备的基本功能和选择功能。基本功能是数控系统必备的功能，如轴控制功能(主轴功能、进给功能)、准备功能、插补功能、程序预处理功能、任务调度与协调管理功能、人机交互功能、补偿功能、自诊断功能等。选择功能是供用户根据机床特点和用途进行选择的功能。
3.2 系统任务的划分数控系统是一个多任务实时操作系统[6]。系统任务主要划分为辅助管理和加工控制两大任务。加工控制任务是直接与NC 程序运行相关的任务，包括译码、刀补、插补计算、速度控制、位置控制等;辅助管理任务包括数据输入输出管理、I/O 处理、显示和诊断等，如图2 所示。
数控系统的各项任务必须协调，管理与控制的某些任务必须同步。基于PC 的开放式数控系统中，Windows 操作系统是一个多任务操作系统，它允许多个线程同时运行，在线程的内部使用基于消息传递机制的任务管理[7]。因此，研究Windows 环境下数控系统任务划分机制及数控系统各任务的属性和相互关系，将为多任务并行处理提供依据。
3.3 多任务并行处理机制数控系统中，管理和控制的某些任务必须同步进行，而一旦发生突发事件，系统必须迅速作出反应。为了提高运算速度和PC资源的利用率，这就需要引入多任务并行处理机制和实时中断处理。数控系统的多任务处理模型，如图3 所示。
4 PC-based 开放式数控系统的硬件组成
PC-based 开放式数控系统是将专用模板(运动控制及I/O卡)插到通用的PC 机种构成的单机数控系统。其中，PC 机主要完成数控系统中实时性较弱的任务并对全系统进行协调管理，而实时性较强的任务则由运动控制卡及各种I/O 处理单元来完成。
按照模块化设计思想，PC-based 开放式数控系统的硬件框图，如图4 所示。
CPU 主板、显卡、网卡等构成PC 的基本配置，其外设有磁盘、光驱、显示器等，运动控制卡是完成多轴伺服控制和I/O 控制的核心，它采用嵌入式系统设计，能为用户提供一个自定义的实时操作环境，通过各种运动控制函数，便于数控系统软件设计。
5 PC-based 开放式数控系统的软件设计
数控系统的基本功能是由各种功能子程序实现的，主要有加工过程的协调控制、状态参数的显示、工艺参数设置和修改、程序文件管理以及故障诊断报警等功能模块。采用模块化设计思想，按照功能分割法将整个软件划分为多个功能相对独立的软件模块，便于系统的开发维护和功能扩展。PC-based 开放式数控系统软件的总体框架，如图5 所示。各功能模块的任务如下：
(1)人机界面模块：加工状态信息的显示、故障诊断及报警信息的显示，系统管理接口等。(2)文件管理模块：工艺参数及程序文件管理。
(3)参数设置模块：各种参数的设置、修改及备份。
(4)数据处理模块：NC 代码解释、主轴速度处理等。
(5)任务协调模块：控制系统在各方式下的执行流程，协调整个系统的运行。
(6)运动控制模块：发送脉冲指令，控制主轴转速及进给速度，协助运动控制卡完成对运动细节的控制。
为便于系统的升级维护和功能模块的改动，实现系统模块的可更换性和可扩展性，各模块之间需通过标准的数据接口实现通信。
6 结论
本文对PC-based 开放式数控系统的体系结构和设计开发思路进行了论述，对于探索开放式数控系统具有一定的现实意义。
由于PC 的开放式体系结构，随着PC 技术及运动控制卡技术的飞速发展，构建PC-based 开放式数控系统十分便利，并具有诸多优势。通过搭建基于“PC+运动控制板卡”式的开放式数控系统，充分发挥我国的软件技术优势，可以提高我国数控系统的自主研发能力，并逐渐摆脱对国外专用数控系统的依赖，创立自主知识版权的数控系统。
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本文标题：PC-based/ERP 开放式数控系统体系结构的研究
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