基于PC机的通用数控系统的开发及在普通车床上的应用
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摘要
对高性能数控系统的开发和研制一直是机电行业所关注的热点。PC机进入数控领域后，极大的丰富了数控系统的硬软件资源，有利于实现总线式、模块化、开放化的数控系统，使其具有很高的性价比。随着Windows操作系统的发展与普及，开发基于Windows操作平台的具有开放式体系结构的CNC数控系统已经成为共识。
本文将介绍我院自行开发的基于PC机的通用数控系统LC-I的详细开发过程。
在明确数控系统所应具备的功能与性能要求后，确定采用以PC机+CNC运动控制卡的分层式的系统总体结构方案。方案分系统硬件结构和系统软件结构两部分进行实现。
在硬件结构上，系统以通用PC机(单CPU)作为硬件平台，结合DMC204四轴运动控制卡良好的控制性能，配以混合式步进电机11OHS12及其驱动器MIl06AC两套，组成了通用CNC控制系统的最小配置。这种结构方式直接利用了PC机体系结构，采用成熟NC硬件来组成控制系统。运动控制卡与PC机的接口遵循开放的标准总线ISA定义。这样构成的系统的硬件体系结构具有开放式、模块化，可嵌入的特点，经济实用，系统可靠性与运行精度有保障，非常适合于组成中小规模的数控系统。
在软件结构上，系统以Windows98作为操作系统平台。系统软件采用Windows98的多线程模式与中断机制相结合的控制策略和模块化的设计方法，较成功的在Windows环境下实现了数控系统的实时多任务控制要求。系统各功能的控制实现分别放置在相对独立的模块中，任一硬件或功能的变化都不会影响其他模块的运作。从实际应用情况来开，能够达到CNC系统软件对实时性、多任务并发处理与协调能力，开放性和模块化，界面友好等要求。
LC-I系统在经数控改造后的CK6140H车床上得到了较好的应用效果。
Developing the high-performance CNC system is a nowadays focus in mechanic & electrical industry . After personal computer (PC) entered numerical control technology area, the hardware & software resources of numerical control (NC) system have been becoming largely plenty, and the NC system which is based on PC bus , having characters like multi-modules and open architecture, becomes more realizable. With the Windows operation system becoming more and more popular , developing CNC system running on Windows operation platform & having open architecture has been commonly recognizable.
In this paper, common LC-I CNC system based on PC is introduced.
After defining the functions and capabilities of LC-I system, a multi-stage system general schema is assumed, which is using PC and CNC motion control board. The schema has been divided into two sections to build - the hardware architecture and the software architecture.
In system hardware architecture, PC (single CPU) is the base platform. With a 4-axis DMC204 motion control board, 2 step servo motor and theirs corresponding drivers , a minimize system configuration is constructed. This constructing method directly uses PC architecture, combining formed NC production, fully embodied the characters of multi-module and economy. This method is appropriately used to build mid or small CNC system.
In system software architecture, Windows 98 is selected to use as running platform for CNC application software. The control stragety of implementing the real-time & multi-task processing is proposed. The modular design method is introduced , and the corresponding program is designed. Every function is put into an independent module. Any changes in one module have no influence in other module. System has friendly interface , easy operation method for users.
The practice on CK6140H lathe proved that LC-I system is awfully practical.
本文将介绍我院自行开发的基于PC机的通用数控系统LC-I的详细开发过程。
在明确数控系统所应具备的功能与性能要求后，确定采用以PC机+CNC运动控制卡的分层式的系统总体结构方案。方案分系统硬件结构和系统软件结构两部分进行实现。
在硬件结构上，系统以通用PC机(单CPU)作为硬件平台，结合DMC204四轴运动控制卡良好的控制性能，配以混合式步进电机11OHS12及其驱动器MIl06AC两套，组成了通用CNC控制系统的最小配置。这种结构方式直接利用了PC机体系结构，采用成熟NC硬件来组成控制系统。运动控制卡与PC机的接口遵循开放的标准总线ISA定义。这样构成的系统的硬件体系结构具有开放式、模块化，可嵌入的特点，经济实用，系统可靠性与运行精度有保障，非常适合于组成中小规模的数控系统。
在软件结构上，系统以Windows98作为操作系统平台。系统软件采用Windows98的多线程模式与中断机制相结合的控制策略和模块化的设计方法，较成功的在Windows环境下实现了数控系统的实时多任务控制要求。系统各功能的控制实现分别放置在相对独立的模块中，任一硬件或功能的变化都不会影响其他模块的运作。从实际应用情况来开，能够达到CNC系统软件对实时性、多任务并发处理与协调能力，开放性和模块化，界面友好等要求。
LC-I系统在经数控改造后的CK6140H车床上得到了较好的应用效果。
Developing the high-performance CNC system is a nowadays focus in mechanic & electrical industry . After personal computer (PC) entered numerical control technology area, the hardware & software resources of numerical control (NC) system have been becoming largely plenty, and the NC system which is based on PC bus , having characters like multi-modules and open architecture, becomes more realizable. With the Windows operation system becoming more and more popular , developing CNC system running on Windows operation platform & having open architecture has been commonly recognizable.
In this paper, common LC-I CNC system based on PC is introduced.
After defining the functions and capabilities of LC-I system, a multi-stage system general schema is assumed, which is using PC and CNC motion control board. The schema has been divided into two sections to build - the hardware architecture and the software architecture.
In system hardware architecture, PC (single CPU) is the base platform. With a 4-axis DMC204 motion control board, 2 step servo motor and theirs corresponding drivers , a minimize system configuration is constructed. This constructing method directly uses PC architecture, combining formed NC production, fully embodied the characters of multi-module and economy. This method is appropriately used to build mid or small CNC system.
In system software architecture, Windows 98 is selected to use as running platform for CNC application software. The control stragety of implementing the real-time & multi-task processing is proposed. The modular design method is introduced , and the corresponding program is designed. Every function is put into an independent module. Any changes in one module have no influence in other module. System has friendly interface , easy operation method for users.
The practice on CK6140H lathe proved that LC-I system is awfully practical.
引文
[1]刘跃南主编，《机床计算机数控及其应用》，机械工业出版社，1998。
[2]张振国主编，《数控机床的结构与应用》，机械工业出版社，1994。
[3]《机床设计手册》编写组，《机床设计手册》，机械工业出版社，1986。
[4]张俊生主编，《金属切削机床与数控机床》，机械工业出版社，1994。
[5]王敏，《基于PC机的开放式数控系统探讨》，《电子技术与应用》，1996(6)。
[6]迟关心，《Windows环境下实时数据采集与控制程序的开发》，《微型机及应用》，1998(5)
[7]孙勇，《基于Windows95／NT的开放式数控系统实时性分析》，《机械与电子》，2000(1)
[8]丁富强等，《基于PC机的高性能数控系统的研究》，《机械与电子》，2000(1)
[9]谢明红等，《基于Windows平台的CNC实时多任务设计》，《机械与电子》，2000(1)
[10]史旭明等，《开放式数控系统参考模型及实例》，《机械与电子》，2000(4)
[11]刘炳文，《Visual Basic 6.0 Win32 API 程序设计》，清华大学出版社，2001。
[12]魏江江，《Visual Basic API编程百例通》，科学出版社，2001。
[13]王栋，《Visual Basic 程序设计实用教程》，清华大学出版社，2001。
[14]付永红等，《基于Windows下CNC系统软件模块化设计的研究》，《机电工程》，2000(6)
[15]上海交通大学生产系统与控制技术研究所，《新一代数控系统的开发研究》，《机电一体化》，2000(3)
[16]吴琪，《基于PC和Windows95的数控系统设计》，《机电一体化》，2000(4)
[17]徐博斌等，《水射流切割机床数控系统的设计》，《机电一体化》，2000(4)
[18]廖德岗等，《基于开放式体系结构的数控机床可靠性及抗干扰设计》，《制造业自动化》，2000(4)
[19]龚京忠，《全闭环多轴运动控制器》，《组合机床与自动化加工技术》，2000(9)
[20]戴晓华等，《开放式数控系统研究综述》，《组合机床与自动化加工技术》，2000(11)
[21]谢红，《步进数控工作台硬件分析和软件设计》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(1)
[22]王宇晗等，《基于面向对象技术的数控软件模型及实现》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(1)
[23]王广炎等，《五轴联动数控系统的开放化设计》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(2)
[24]李玉霞等，《车床进给装置经济性数控改造的实用设计》，《组合机床与自动化加工技术》， 2001(3)
[25]魏仁选等，《可重用面向对象数控系统及其开发环境研究》，华中理工大学学报，1999(3)
[26] 周祖德等，《开放式控制系统的现状、趋势及对策》，《中国机械工程》，1999(10)
[27] 雷为民等，《关于软件数控的一些基本设想》，《小型微型计算机系统》，1999(2)
[28] 聂秋根等，《开放式数控系统的模块化设计》，《制造技术与机床》，1998(5)
[29] 林弈鸿等，《开放式数控系统的构造、界面与协议》，《中国机械工程》，1998(5)
[30] 郇极等，《基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统》，《中国机械工程》，1998(9)
[31]、Y. Altintas,《Design and Analysis of a Modular CNC System》, 《Computers In Industry》, 1990(13)
[32] Faisal Fadul,《Modular CNC System for Multi-axes Motion Devices》, 《Computers In Industry》, 1992(20)
[33] Yoram Koren,《Real-Time Open Control Architectures and System Performance》, Annals of the CIRP, 1996(V45/1)
[34] D.Durmur,《Advantages of an Open Architecture Structure for the Design of Predictive Controllers fo Moter Drives》, Annals of the CIRP, 1998(V47/1)
[35] Y. Altintas,《A Hierarchical Open-Architecture CNC System for Machine Tools》,, Annals of the CIRP, 1994(V43/1)
[36] Y. Altintas,《Modular CNC Design for Intelligent Machining(Partl,Part 2)》,《Transacitions of the A SME》, 1996(V118)
[37] Frederick M.Proctor,《Open-architecture Controllers》,《National Institute of Standards and Technology》, 1997
[2]张振国主编，《数控机床的结构与应用》，机械工业出版社，1994。
[3]《机床设计手册》编写组，《机床设计手册》，机械工业出版社，1986。
[4]张俊生主编，《金属切削机床与数控机床》，机械工业出版社，1994。
[5]王敏，《基于PC机的开放式数控系统探讨》，《电子技术与应用》，1996(6)。
[6]迟关心，《Windows环境下实时数据采集与控制程序的开发》，《微型机及应用》，1998(5)
[7]孙勇，《基于Windows95／NT的开放式数控系统实时性分析》，《机械与电子》，2000(1)
[8]丁富强等，《基于PC机的高性能数控系统的研究》，《机械与电子》，2000(1)
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[11]刘炳文，《Visual Basic 6.0 Win32 API 程序设计》，清华大学出版社，2001。
[12]魏江江，《Visual Basic API编程百例通》，科学出版社，2001。
[13]王栋，《Visual Basic 程序设计实用教程》，清华大学出版社，2001。
[14]付永红等，《基于Windows下CNC系统软件模块化设计的研究》，《机电工程》，2000(6)
[15]上海交通大学生产系统与控制技术研究所，《新一代数控系统的开发研究》，《机电一体化》，2000(3)
[16]吴琪，《基于PC和Windows95的数控系统设计》，《机电一体化》，2000(4)
[17]徐博斌等，《水射流切割机床数控系统的设计》，《机电一体化》，2000(4)
[18]廖德岗等，《基于开放式体系结构的数控机床可靠性及抗干扰设计》，《制造业自动化》，2000(4)
[19]龚京忠，《全闭环多轴运动控制器》，《组合机床与自动化加工技术》，2000(9)
[20]戴晓华等，《开放式数控系统研究综述》，《组合机床与自动化加工技术》，2000(11)
[21]谢红，《步进数控工作台硬件分析和软件设计》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(1)
[22]王宇晗等，《基于面向对象技术的数控软件模型及实现》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(1)
[23]王广炎等，《五轴联动数控系统的开放化设计》，《组合机床与自动化加工技术》，2001(2)
[24]李玉霞等，《车床进给装置经济性数控改造的实用设计》，《组合机床与自动化加工技术》， 2001(3)
[25]魏仁选等，《可重用面向对象数控系统及其开发环境研究》，华中理工大学学报，1999(3)
[26] 周祖德等，《开放式控制系统的现状、趋势及对策》，《中国机械工程》，1999(10)
[27] 雷为民等，《关于软件数控的一些基本设想》，《小型微型计算机系统》，1999(2)
[28] 聂秋根等，《开放式数控系统的模块化设计》，《制造技术与机床》，1998(5)
[29] 林弈鸿等，《开放式数控系统的构造、界面与协议》，《中国机械工程》，1998(5)
[30] 郇极等，《基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统》，《中国机械工程》，1998(9)
[31]、Y. Altintas,《Design and Analysis of a Modular CNC System》, 《Computers In Industry》, 1990(13)
[32] Faisal Fadul,《Modular CNC System for Multi-axes Motion Devices》, 《Computers In Industry》, 1992(20)
[33] Yoram Koren,《Real-Time Open Control Architectures and System Performance》, Annals of the CIRP, 1996(V45/1)
[34] D.Durmur,《Advantages of an Open Architecture Structure for the Design of Predictive Controllers fo Moter Drives》, Annals of the CIRP, 1998(V47/1)
[35] Y. Altintas,《A Hierarchical Open-Architecture CNC System for Machine Tools》,, Annals of the CIRP, 1994(V43/1)
[36] Y. Altintas,《Modular CNC Design for Intelligent Machining(Partl,Part 2)》,《Transacitions of the A SME》, 1996(V118)
[37] Frederick M.Proctor,《Open-architecture Controllers》,《National Institute of Standards and Technology》, 1997