前言

        當前，開放型、模塊化和集成化已成為數控技術發展的趨勢。為此，世界各國都在抓緊研究制訂開放式高性能數控系統平臺的標準及其規范，并進行相關產品的開發，如美國的NGC、OMAC項目、歐洲的OSACA計劃及日本的OSEC計劃等。與此同時，世界上各大數控生產廠商也紛紛推出了基于開放式、模塊化和集成化的高性能數控系統。
　　
　　關于開放式數控系統的特征通常認為其包括硬件系統的開放性和軟件系統的開放性，開放的硬件系統由微型機及模塊化的速度控制單元、位置控制單元和內置的PLC構成；開放的軟件系統是指數控軟件系統的設計模塊化及模塊間的接口標準化。目前，開放式數控系統有3種實現途徑：一是PC機數控模板；二是PC機可編程運動控制器；三是純PC機型。
　　
　　這種基于開放式可編程運動控制器的系統結構以通用微機為平臺，以PC機標準插件形式的開放式可編程運動控制器為核心。通用PC機負責如數控程序編輯、人機界面管理等功能，運動控制器負責機床（https:///ypnew_view.asp?id=1139）的運動控制和邏輯控制。這種運動控制器以運動子程序的方式解釋執行數控程序，以PLC子程序方式實現機床邏輯控制，支持用戶的開發和擴展，具有上、下兩級的開放性。美國DeltaTau公司的PMAC（ProgrammableMultiaxesController）是這種運動控制器的典型代表，其擁有自身的CPU，同時開放包括通信端口、存儲結構在內的大部分地址空間，具有靈活性好、功能穩定、可共享計算機所有資源等特點。雖然國內外許多學者在基于PMAC運動控制器的開放式數控系統方面作了大量的研究工作，但都還處于研究階段，用于生產或產品化還基本沒有實現。
　　
　　1、基于PMAC數控系統的軟件設計
　　
　　1.1 PMAC軟件的開放性
　　
　　（1）支持各種語言，用戶可以使用VB、VC、Delphi等在Windows軟件平臺上定制用戶界面。
　　
　　（2）在數控語言上對用戶開放，不僅支持用戶直接調用現有的直線、圓弧、樣條曲線的插補指令，而且還允許用戶自定義G代碼、M代碼、D代碼、S代碼，實現以往數控語言所不能完成的功能。
　　
　　（3）提供內裝式軟件化的PLC，可以編制64個異步PLC程序，通過一些指針變量，用戶可以按位、按字節進行邏輯控制。
　　
　　（4）可共享PC微機豐富的各類支撐軟件和工具軟件，方便地與各類網絡連接，與CAD/CAM系統連接，便于遠程診斷、網絡制造和制造系統集成控制的實現。
　　
　　1.2 系統軟件結構
　　
　　通過CNC系統應用程序編程接口，開發CNC系統的用戶界面可以選用各種能夠調用Windows動態鏈接庫的編程語言，如VB、VC、Delphi等，分別編制不同任務的前端用戶界面程序，具有很大的靈活性和開放性。軟件開發人員通過CNC系統應用程序接口的統一支持，可以方便地構造CNC系統的應用軟件，即構造前端用戶操作界面。DeltaTau公司提供了Pcomm32應用程序通訊驅動器，它包括了同PMAC通訊的各種方式，而且將其主要函數進行分類、封裝，形成一種可根據用戶需要而調用的動態鏈接庫。
　　
　　通過這些函數可以完成PMAC與PC機之間的通訊功能，用戶不用直接對端口進行操作就可以完成對PMAC硬件的操作，并且程序設計靈活、迅速及可移植性好。如OpenPmacDevice（）函數用于與某一個PMAC設備建立通訊關系；PmacGetResponseA（）函數用于給PMAC發送指令并返回執行結果，等等。系統軟件結構如所示。
　　
　    在硬件系統方面，設計了一套基于PMAC運動控制器的五軸數控系統試驗平臺，其中3個移動分別由步進電機直接驅動，光柵尺和編碼器反饋，兩個轉動分別由步進電機經蝸輪蝸桿副減速傳動，編碼器反饋。運動控制器采用PMACPC104八軸卡，上位機采用工控機（IPC），采用RS232串口通訊。數控系統軟件是在Windows2000操作系統下，以VisualBasic60為開發工具，采用面向對象的編程方法，充分利用PMAC的動態鏈接庫中的函數，實現了數控系統的基本功能。系統軟件主界面如所示。具體實現的功能包括：人機接口界面、系統初始化、坐標軸選擇、手動控制、坐標位置實時顯示、速度控制及G代碼的編輯、下載等。
　　
　　2.1 系統初始化
　　
　　系統的初始化在系統軟件運行過程中完成，主要進行PMAC的選擇和參數預置等功能。初始化代碼如下：PrivateSubForm_Load（）
　　
　　DeviceNumber=PmacSelect（hWnd）選擇PMAC卡
　　
　　If（DeviceNumber<0OrDeviceNumber>7）
　　
　　Then
　　
　　End
　　
　　Else
　　
　　return_value=OpenPmacDevice（DeviceNumber）啟動PMAC卡
　　
　　If（return_value）
　　
　　ThenCallPmacGetResponseA（DeviceNumber，response，255，"100"）初置電機速度
　　
　　CallPmacSendLineA（DeviceNumber，"1j/2j/3j/4j/5j/1hm2hm3hm4hm5hm"）電機（電機控制系統的設計理念）閉環控制并返回零點
　　
　　Else
　　
　　End
　　
　　End
　　
　　If
　　
　　EndSub
　　
　　2.2 手動控制
　　
　　手動控制有軸選擇、各軸的點動進給、定位、回零點和電機速度控制等功能。軸選擇通過一組單選按鈕OptionButton控件實現，使用Case語句觸發各選擇，保證每次只能選擇一個軸，同時在手動控制框下也可以選擇，利用ListBox（或ComboBox）實現，二者是同步的，實現相同功能。
　　
　　定位

       是通過在坐標輸入文本框中輸入坐標值，控制各軸電機運動的距離為給定坐標值，同時利用反饋來比較，保證定位的精度。速度控制是通過改變PMAC的I變量來實現的。所有手動功能都是通過API函數PmacGetResponseA（DeviceNumber，response，255，"string"）來實現，通過改變string給PMAC發送不同的指令。其中軸選擇的string為n，點動的string為nj或nj-，定位的string為nm172->L：＄082B和nj^兩條語句來實現。
　　
　　坐標位置實時顯示

        這里利用了Tmier定時器控件，系統的狀態以及各種參數變量都存儲在PMAC內存中，分別用M變量去指向各狀態的地址，可通過操作M變量進行狀態的讀取和參數的寫入以及完成I/O口的控制。
　　
　　G代碼的編輯、下載和編譯

        G代碼就是數控系統的運動程序，實際上也是坐標軸的運動控制程序，也就是加工程序。PMAC的運動程序語言有它自己的特點，采用類似于BASIC的語言編程，以調用子程序的形式支持加工程序的G代碼編程。
　　
　　PMAC的運動程序可以通過它的Pwin32終端窗口編寫，程序送到緩沖區后，可以在終端窗口鍵入mBnR運行程序，其中m為坐標系號，n為程序號；如果是在文本編輯器中編寫的程序，必須將其下載到PMAC中，然后才能運行。由于PMAC內存有限，幾百K以上的大程序不能一次下載運行，這就要用到循環運動程序緩沖區。循環運動程序緩沖區允許在程序執行期間對程序進行下載，并覆蓋已經執行的程序行，這就能夠連續執行比PMAC的存儲空間大的程序，并且實時下載程序行。
　　
　　數控程序中的G代碼和M、T、D等功能指令由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序和D代碼解釋程序分別進行解釋。這4個解釋程序分別以運動程序PROG1000、PROG1001、PROG1002和PROG1003的形式存在，在系統調試時由PMAC可執行程序將它們下載到PMAC的固定內存中，在實際加工中被PMAC自動調用。主界面中的調試按鈕即用于實現這一功能，并在調試過程中發現錯誤后通知編程者，其程序代碼為：PrivateSubcmdtest_Click（）CallPmacDownloadA（DeviceNumber，0，0，0，CommonDialog1FileName，True，True，1，True）CommonDialog1Filter="LogFile|Log"CommonDialog1FileName=Left（logfile，Len（logfile）-3）"log"txtresponseLoadFileCommonDialog1FileNametxtresponseSelStart=Len（txtresponseText）cmdrunEnabled=TrueExitSubEndSubPMAC將G、M、T、D代碼作為子程序來調用，在解釋程序中，可以針對特定的機床定制代碼。在運動程序中遇到G代碼時，將會調用解釋程序PROG1000，跳轉到解釋代碼行，如G17將跳轉到PROG1000的N17000行。
　　
　　PLC功能的實現

        PMAC內置有PLC控制和編程功能，它是以循環邏輯順序來執行命令，但它的編程方式不是梯形圖編程，而是采用類似于BASIC等語言的編程方式，不需要編程器，執行速度更快。
　　
　　PMAC的內置PLC與NC共用CPU，利用CPU的余力來發揮PLC的功能，所以I/O點數較少。通過PLC程序可以*地對PMAC變量和I/O進行操作，并且它具有非同步的特性，因此它能有力地協助運動控制程序完成任務。
　　
　　3、結束語
　　
　　開放式數控系統（ONC）是目前數控發展的趨勢，而PC機可編程運動控制器型開放式數控系統是發展的主流。筆者開發的基于PMAC的五軸數控系統試驗平臺，結構簡單，數控系統軟件運行良好，用戶可根據自己的需要進一步開發，真正實現了數控系統的開放性，達到了開放式數控系統的要求。