基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)及實現(xiàn)分析
2020-6-18 來源：山西大同大學機電工程學院 作者：王舒瑋
摘要：伴隨著我國社會經(jīng)濟的不斷進步與發(fā)展，計算機技術(shù)的發(fā)展與應用已經(jīng)越來越廣泛，數(shù)控系統(tǒng)也發(fā)生了嶄新的變化。為此通過對基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)的各種實現(xiàn)方法進行詳細而深入的分析，并重點對Windows環(huán)境下的面向?qū)ο蠓绞降拈_發(fā)方法進行相關(guān)研究，由此進行開放式 PC 系統(tǒng)的開發(fā)方案設(shè)計，希望能夠為相關(guān)領(lǐng)域的工作人員提供可參考的借鑒。
關(guān)鍵詞：PC；開放式；數(shù)控系統(tǒng)
1、 PC嵌入CNC模式的實現(xiàn)路徑
1.1 PC內(nèi)嵌入CNC
PC 內(nèi)嵌入 CNC 所指的是在 CNC 內(nèi)安裝 PC 板，PC 板和CNC 間利用專用的總線進行連接。這種形式重點給相對比較大規(guī)模 CNC 生產(chǎn)控制器的廠家所普遍使用，它所存在的優(yōu)點是，原始類型的
CNC基本上不需要實施任何的改動就可以直接使用，并且其對于數(shù)據(jù)的傳送速度也是非常的快、系統(tǒng)的所做出的響應速度也很快。當然其也存在不足的地方，其最大的不足就是其無法直接的使用或通用
PC、受開放的限制。
1.2 CNC內(nèi)嵌入PC
CNC 內(nèi)嵌入 PC 所指的是，把運動控制板與所有的 CNC 單元全部插到PC的擴展槽內(nèi)。PC在對非實時的數(shù)據(jù)進行處理的時候，實時數(shù)據(jù)的控制都是由 CNC 單元和運動控制板來完成的。這一模式的最大優(yōu)點是可以有效確保系統(tǒng)的性能，軟件其自身特有的通用性也是非常強大的，并且同時針對編程來說也是非常靈活的。其所存在缺限的地方是，CNC資源的原型很難被良好的利用，系統(tǒng)的穩(wěn)固性仍需更深一步的研究。
2、 CNC嵌入PC模式在Windows下的實現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)的設(shè)計
為了達到開放性的這一功能，在系統(tǒng)建模階段，一定要對以 PC 為基礎(chǔ)的 CNC 系統(tǒng)工作原理進行各模塊結(jié)構(gòu)的深入分析，之后再通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)，來把各模塊設(shè)置成各個對象，然后再進行匯總與分析。
2.1.1用戶的輸入與輸出界面
用戶的輸入其著重指的是用戶對于數(shù)控的相關(guān)指令代碼和所發(fā)出的指令進行輸入，或是對系統(tǒng)進行配置等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令輸出其重點任務是對實時的仿真及顯示現(xiàn)時加工的狀態(tài)等進行合理的管控。
2.1.2 CNC的任務協(xié)調(diào)及通信模塊
此模塊被明確為整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)核，實現(xiàn)各模塊之間的互相通信與協(xié)調(diào)工作的根本保障。一方面對界面和控制層的相應信息實施互換，另外一方面還負責系統(tǒng)中各個子模塊的任務協(xié)調(diào)，并且同時還實時的對 I/O 卡傳送數(shù)據(jù)或是對數(shù)據(jù)進行采集。
2.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)
在通用的Windows操作系統(tǒng)下，用強大功能的編程語言來完成的。
2.2.1支持多線路
線程是屬于32位的操作系統(tǒng)，其本身存在很多的優(yōu)點。對于數(shù)控這一系統(tǒng)而言，對其最有效的特點是其強力支持搶占的多任務機制，可臺實時的適應高速度，同時各線程之間也互不相干擾，對于功能的增減和擴展非常的有利。
2.2.2能夠?qū)Ω呔刃纬蓪崟r的響應
這一種實時性的功能不需要各程序員及相應硬件給予支持，并且還同時能應用多個實時的信息數(shù)據(jù)。實時響應其精度非常的高，完全可以滿足數(shù)控的相應要求。在Windows 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上達成數(shù)控系統(tǒng)，對這兩方面的優(yōu)點我們要有效的加以利用。一是系統(tǒng)本身的構(gòu)成是由界面、內(nèi)核兩個模塊所構(gòu)建形成的。在實施編程期間，這兩類模塊所對應的Windows 系統(tǒng)中兩個進程。而各功能中的各子模塊是內(nèi)核進程的不同線程。它們?nèi)际怯蓛?nèi)核輔助其分別啟動的，并對數(shù)控的代碼完成解釋和插補的相關(guān)任務，最后在通過位控的線程來把信號發(fā)送出去，以驅(qū)動環(huán)節(jié)來對機床實施控制并完成加工。二是要重點考慮到各個子模塊加工處于同步工作狀態(tài)，且實時的要求不同，所以在協(xié)調(diào)與調(diào)度的時候，可以運用以下的方法來進行：首先，實時性在插補與位控線程中的要求是非常高的，其任務整個過程的周期是 4ms；其次，仿真中對于實時性的規(guī)定相對偏低一些，其任務過程的周期是 80ms；最后，計算解釋的精準實時性，主要以實現(xiàn)插補標準為基礎(chǔ)。隨后進入編程期間可以為線程設(shè)置優(yōu)先級。
2.3 技術(shù)研究
在NC軟件當中，對實時性的處理非常困難，這點也是常用操作系統(tǒng)當中組成數(shù)控系統(tǒng)的重點。因為Windows系統(tǒng)本身就屬于一類弱實時的操作系統(tǒng)，針對實時性任務來說，Windows系統(tǒng)程序初始任務的調(diào)度機制是無法完成的，只能以別的方式來實現(xiàn)。
Windows 系統(tǒng)程序中的 System.drv 供給了時鐘函數(shù)。這些函數(shù)主要作用是用來輔助系統(tǒng)程序中時鐘回調(diào)函數(shù)的有效安裝，系統(tǒng)程序的時鐘避開Windows系統(tǒng)中的消息工具，其過程更似于人們在
DOS 環(huán)境下安裝系統(tǒng)時鐘的中斷程序。但系統(tǒng)程序中的時鐘，其頻率為每秒 18.2 次，而數(shù)控的系統(tǒng)通常得需以毫秒來進行控制，因此說其實時性非常的不好。需要注意，一定要把此多媒體程序中的定時回調(diào)函數(shù)視為中斷代碼，因為其都是由中斷服務系統(tǒng)來直接進行調(diào)用的。回調(diào)函數(shù)要刻于指定的、不能輕易移動的、也廢棄不了的環(huán)節(jié)中，所以，一定要在動態(tài)的連接庫當中來完成。如以上的方法都無法達到精度的高標準，就需考慮硬件的直接編程。此方法是通過計算機的外掛定時器，把閑置的硬件的中斷信號傳給它，對設(shè)備的驅(qū)動程序進行編寫，以此來對定時實施控制，對中斷服務作出反饋及響應。這種編程其在實際實施時是非常復雜的，但卻能使定時的精度達到小于1ms。
3 、結(jié)語
從當下的分析結(jié)果來看，基于 PC 開放式的數(shù)控系統(tǒng)的分析及實現(xiàn)正處在起步階段，還有很多的問題需要我們在具體的實踐當中解決。但因為PC的開放化、網(wǎng)絡化優(yōu)點，及PC技術(shù)和文化的持續(xù)進步，將會帶給開放式PC更好的發(fā)展。
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