论CNC系统体系结构开发的设计样本.doc

摘 要

伴随数控加工技术发展和复杂曲面零件广泛应用，数控系统被广泛应用于机械、电子、计算机、自动控制、检测等各个领域，开放式数控系统研究目标是要建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统机构，以增强数控系统功效柔性，能够快速而经济地响应新加工需求。
本文围绕着开放式CNC （Computer Numerical Control）系统设计中若干关键技术，从体系结构分析、系统硬件结构地开放化设计等方面进行了研究。全文关键研究工作以下：
系统研究了基于PC开放式CNC系统关键性基础问题:CNC体系结构概念及其对系统性能和发展关键性，现有CNC系统体系结构特点和缺点，CNC系统体系结构开放必需性、开放理念和目标和实现开发路径。在需求分析基础上，谈论了开放式CNC体系结构设计标准和概念模型。
对开放体系结构CNC系统开放特征需求，研究讨论了基于CAN总线模块化体系结构和各功效模块。

关键词: 数控系统 开放体系结构 CAN总线 PCI总线

Abstract

With the development and broad used of CNC technology and complex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, computer, autocontrol, inspectevice etc. The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system's flexibility, and enablethe systems to be re-developed. As a result, CNC systems can be responsive to the marketquickly and economically.
In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results:
thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC systems to be open.Some principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware.
Design methods of the modular system and its function modules base on CAN-busand PCI-bus are presented in details.

Keyword: CNC Open-architecture CAN-bus PCI-bus

目 录

序言 ………………………………………………………………6
1.数控技术产生背景 ……………………………………………6
2.开放式数控系统结构产生背景 ………………………………6
3.本课题起源和研究意义 ………………………………………7
1.数控系统发展 ………………………………………………8
1.1 数控系统发展历史 ……………………………………… 9
1.2 开放式数控系统研究 …………………………………… 9
1.2.1开放式数控系统研究发展 ………………………… 9
1.2.2国产数控系统技术发展 …………………………… 12
2.开放式数控系统理论研究 ……………………………… 12
2.1开放式数控系统体系结构 ………………………………… 12
2.1.1开放体系结构概念 ……………………………………12
2.1.2 开放式数控系统体系结构开放路径 …………………13
2.1.3 基于PC开放式体系结构 …………………………… 14
2.2 运动控制器原理 ………………………………………………15
2.3 开放式CNC系统概要设计 …………………………………17
2.3.1开放式CNC系统需求分析 …………………………… 17
2.3.2开放体系结构CNC系统设计标准 …………………… 18
2.3.3基于PC开放式数控系统体系结构 ……………… 19
2.3.4运动控制卡硬件结构设计 ……………………………20
2.3.5软件整体计划 ……………………………………………21
本章小结 ……………………………………………………………22
3.常见开放式数控系统体系结构及特征 ……………… 23
3.1数控系统硬件开放要求和实现技术 ……………………… 23
3.1.1标准化总线技术 …………………………………………23
3.1.2 CAN总线原理和特点 ……………………………………26
3.1.3 DSP芯片原理 ……………………………………………29
3.1.4接口模块化设计 ………………………………………31
3.1.5基于PC开放式设计 ………………………………… 31
3.2基于PC开放式CNC系统运动控制卡硬件设计 ………32
3.2.1运动控制卡微处理器选择 ……………………………32
3.2.2运动控制卡和上位机通讯设计 …………………………32
3.2.3 DSP和计算机通讯设计 …………………………………34
3.2.4 DSP和CAN总线通讯设计 ……………………………34
3.3数控系统其它硬件模块设计 ……………………………… 35
3.3.1伺服接口模块设计 ………………………………………35
3.3.2 PMC模块设计 ……………………………………………35
3.3.3操作面板I/O模块设计 …………………………………36
本章小结 …………………………………………………………36
4.结论和展望 ………………………………………………… 37
4.1结论 ……………………………………………………………37
4.2展望 …………………………………………………………38
参考文件 …………………………………………………………38
致谢 ………………………………………………………………39

基于PC数控系统设计

序言
1.数控技术产生背景
科学技术和社会生产不停发展，对机械产品质量和生产率提出了越来越高要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求最关键方法之一。它不仅能够提升产品质量，提升生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人劳动条件。很多生产企业(比如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂)已经采取了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采取这种高度自动化和高效率设备，尽管需要很大初始投资和较长生产准备时间，但在大批大量生产条件下，因为分摊在每一个工件上费用极少，经济效益仍然是很显著。不过，在机械制造工业中并不是全部产品零件全部含有很大批量，单件和小批生产零件(批量在10一100件)约占机械加工总量80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重机械和国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件形状复杂而且精度要求高，采取专用化程度很高自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要常常改装和调整设备，对于专用生产线来说，这种改装和调核甚至是不可能实现。多年来，因为市场竞争日趋猛烈，为在竞争中求得生存和发展，各生产企业如要提供高质量产品，就必需频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不停改变需要。所以，即使是大批量生产，也改变了产品长久一成不变做法。频繁地开发新产品，使“刚性”自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。己经使用各类仿形加工机床部分地处理了小批量、复杂零件加工。但在更换零件时，必需制造靠模和调整机床，不仅要花费大t手工劳动，延长了生产准备周期，而且因为靠模误差影响，加工零件精度极难达成较高要求。
为了处理上述这些问题，来满足多品种、小批量自动化生产。迫切需要一个灵活、通用、能够适应产品频繁改变柔性自动化机床。数字控制(NUMERICALCONTROL,简称NC或数控)机床就是在这么背景下诞生和发展起来。它极其有效地处理了上述一系列矛盾，为单件、小批生产精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所偏多种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀和退刀、开车和停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤，和刀具和工件之间相对位移t全部用数字化代码来表示，经过控制介质(如穿孔纸带或磁带)将数字信息送人专用或通用计算机计算机对输人信息进行处理和运算，发出多种指令来控制机床伺服系统或其它实施元件，使机床自动加工出所需要工件。
2.开放式数控系统结构产生背景
数控技术问世处理了传统方法难以处理负载零件制造问题。正确、高效自动化手段，改变了以往机械工业中周期长、效率低局面;柔性工作方法，能充足适应多品种、小批盆现代生产方法，从而大大提升了对现代化工业生产需求适应能力。利用数控技术能够大幅度缩短产品制造周期，提离产品加工质盘，加速产品更新换代，提升产品竞争力，所以含有显著经济效益及宽广发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平关键标志之一。
然而，现今生产中使用绝大多数CNC系统中(以FAI；UC；S IMENS等为代表)，所采取是一个专用封闭式体系结构，即组成系统硬件模块和软件结构由各数控系统厂家行设计，是专用，互不兼容，系统各模块之间交互方法、通讯及结构也互不相同。这专用封闭式结构数控系统，即使结构简单、技术成熟，产品批盘大、生产成本低，不过伴随技术进步，市场竞争加剧，越来越暴露出其固有缺点，集中表现以下:
1)各控制系统间互联能力差，影响了系统相互集成:风格不一样操作方法，使用户培训费用增加;专用件大量使用，给数控设备使用和维护带来了很多不便;
2)系统封闭性使得对其扩充和修复极为有限，造成数控设备制造商对系统供给商依靠，难以将自己专门技术、工艺经验集成和控制系统结合形成自己产品特点，不利于提升主机产品竞争力;
3)专用硬件，软件结构也限制了系统本身连续发展，使系统开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品技术进步。总而言之，数控系统这一现实状况已难以适应该今制造业市场改变和竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、灵敏制造模式发展要求。
为了节省封闭式体系结构数控存在问题，多年来，西方各工业发达国家相继提出了向模块化、标准化方向发展，设计开放式体系结构数控系统问题，如美国NGC计划，日本和欧洲提出OSEC及OSACA计划等。
开放式数控系统关键研究目标是，处理改变频繁需求和封闭控制系统结构之间矛盾，建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统结构，以增强数控系统功效柔性，能够快速而有效地响应新加工需求。
3.本课题起源及意义
基于PC开放式数控系统是对传统封闭式数控结构根本突破，是当今数控技术发展主流和研究热点，是新一代数控系统关键技术。
采取基于PC开放式数控系统，不管对控制系统开发商、机床厂还是最终用户全部有益处。对控制系统开发商，可在共同标准平台上建立广泛合作，实现厂家协作式开发，这将大大缩短系统开发周期，降低投资，增强产品竞争力。
中国是一个机床生产和应用大国;但数控技术应用水平还很不高，严重制约着中国制造业水平提升。国际上相关开放计划对中国数控技术发展提出了严峻挑战，同时也带来了机遇。因为开放计划实施，把世界上全部数控系统开发商推到了同一起跑线上。我们应充足把握数控产品技术转型历史机遇，扬长避短，迎头赶上，充足吸收当今计算机发展最新结果，高起点制订出切实可行、适合中国国情数控系统开放化技术路线。
1.数控系统发展
1.1数控技术发展历史
数控技术是现代制造技术基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来机床控制新技术，是一门交叉学科。
数控技术广泛使用，给机械制造业生产方法、产品结构、产业结构带来了深刻改变。数控技术是国防现代化关键部分，是国际技术和商业贸易关键组成。所以，数控技术是关系到国家战略地位和表现国家综合国力关键基础性产业。
数字控制(Numerical Control)是相对于模拟控制而言。数字控制系统中信息量是数字量，而模拟控制系统中信息量是模拟量。最初数字控制系统是由数字逻辑电路组成，所以称之为硬件数控系统。伴随计算机技术发展，硬件数控系统被逐步淘汰，取而代之是计算机数控系统(CNC-Computer Numerical Control)。数控技术在制造业、尤其是航空航天工业中得到了广泛应用，不管在硬件方面还是在软件方面，发展全部很快。
自从1952年麻省理工学院研制出世界上第一台三座标铣床以来，伴随计算机技术，尤其是微电子技术发展，数控技术不管在硬件或软件方面发展全部很快，数控系统已经经历了八代，能够分为以下四个发展阶段[1]
1.硬件数控阶段(1952一1970)
早期计算机运算速度低，远不能适应机床实时控制要求.大家不得不采取数字逻辑电路搭建一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件连接数控，简称数控(NC).世界上第一台数控铣床数控装置是采取电子管、继电器和模拟电路组成试验样机，通称为第一代数控。1959年，晶体管替换了粗笨电子管。缩小了体积，使得工业应用成为了可能，诞生了第二代数控系统。1965年出现了小规模集成电路组成NC，体积更小，功率更低，提升了可靠性，NC发展到第三代。
这一阶段数控系统，多种控制功效均由硬件逻辑完成，称为“硬件”控制，其功效简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，所以限制了其深入发展和应用。
2.计算机数控系统发展和完善阶段(1970一1986)
70年代初，大规模集成电路、半导体存放器，微处理器问世，通用小型计算机出现并逐步普及，给数控技术带来了突破性发展。1970年在美国芝加哥数控博览会上，首次展出了以小型计算机为关键计算机数控系统(CNC)，标志着数控系统进入了计算机为主体第四代。至此，原来由硬件实现功效逐步改为由软件完成。以后系统进入了“软连接”数控时代。
1974年，首次出现了采取微处理器芯片软连接CNC系统，象征着数控系统进入了以微机为背景时代。这一发展真正实现了机电一体化，深入缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达成了普及程度。
70年代末，80年代初，伴随大规模集成电路、大容量存放器、CRT普及应用，CNC系统进入了第六代。它即使仍以微处理器为基础，但控制功效更为完善，含有了多功效技术特征，尤其在软件技术方面发展愈加快，含有了交互式对话编程，三维图形显示和校验，实时软件精度赔偿等功效。在系统体系结构上，开始出现了柔性化，模块化多处理器结构。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。
3.高速精度CNC开发和应用阶段(1986一今)
为了实现高速、高精度轮廓精加工，必需提升微轮廓解释处理能力和伺服驱动能力。为确保零件程序传送、插补、加工线速度控制等连续处理，CNC系统应含有足够高数据处理速度和能力.32位CPU以其很强数据处理能力在CNC中得到了应用。使CNC系统进入了面向高速、高精度第七代。1986年，三菱电机企业率先推出了以CPU为6802032位，掀起了32位CNC热潮，并逐步成为当今数控系统主流。
4.基于PC开放式CNC开放和应用(1994一今)
进入90年代，PC机(个人计算机)性能提升很快，从8位、16位发展到32位，能够满足作为数控系统关键部件要求，而且PC机生产批量很大，价格廉价，可靠性高.数控系统以后进入了第八代基于PCCNC系统阶段.1994年，这种基于PCCNC控制器在美国首先亮相市场，并在以后得到了高速发展。PC引入，不仅为CNC提供十分坚实硬件资源和及其丰富软件资源，更为CNC开放化提供了基础。

1.2 开放式数控系统结构研究
1.2.1开放式数控系统研究发展
控制系统采取开放式体系结构将造成新一代控制器产生，并成为制造业一大支柱。所以，欧美及日本等发达国家全部相继进行了大量投入和研究，其中最含有代表性和影响力研究有以下多个【2】
1.美国NGC和OMAC计划
早在1987年，里根政府为振兴美国机械制造业，推进工业形成一个广泛合作关系，以增强对外竞争力，推出} NGC (The Next Generation Work-station/MachineController)研究计划。该项目由美国国家制造科学中心(NCMS)和空军共同领导，于1989年开始实施。
NGC计划目标是:基于开放式体系结构下一代机械制造控制器提供一个标准，在这一标准支持下，不一样设计人员能够开发出含有交换性和互操作性控制部件。基于这一标准控制器含有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发展特点。图1-1为NGC体系结构。

子系统
作业实施
控制
传感器
入机接口
支持工具
工作站
工作站管理
虚拟机械
计算机平台

图1-1 NCC体系结构

NGC一个关键结果是开发并最终形成了“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS,Specification for an Open System Architecture Standard）"，用于指导工作站和机床控制器设计和结构组织。SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块功效和相互间关系。
NGC计划已于1994年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。比如美国Ford, GM和Chrysler等企业在NGC计划指导下，联合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)开发计划，定义了系统基础框架、信息库管理、任务管理、人机接口运动控制、传感器接口等标准OMAC API，结构了完整体系结构。该计划实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户本身从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益.比如DELTA TAU企业利用NGC和OMAC等协议，成功开发了含有良好开放特征多轴运动控制卡，该卡提供了丰富接口函数，能够方便应用于PCo PMAC卡和PC之间含有双口RAM、并行总线、串口等多个信息交换接口，它还提供了丰富I/0接口、电机控制接口，能和交流直流等多个电机连接实现运动控制。采取PC和PMAC形成PMAC开放式CNC系统，取得良好效果。
2.欧盟OSACA计划
OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)计划是欧盟为了增强其机床和控制制造商在世界市场中竞争力而制订研究项目.该项目由德国斯图加特大学制造控制技术研究所(ISW)支持，参与单位来欧盟国家11家关键机床制造厂、控制器生产厂和高校。该计划分为三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均已经实现，关键完成了OSA.CA规范、应用指南，并依据OSACA规范并开发了标准通用系统平台和软件模块。第三阶段计划正在实现过程中，其关键目标是推广OSACA思想和前期工作技术结果，同时和日，美相关企业机构进行接触，以期建立一个国际性控制器标准。
OSACA目标是为数控等自动化设备定义了一个独立于硬件平台、和制造商无关开放式控制系统参考结构，这些自动化设备不仅包含机床数控，机器人控制，还包含可编程控制器和单元控制器。遵照OSACA规范控制器产品将提供更强用户定制功效，缩短新产品开发周期，降低产品开发、维护、培训和文档建立费用。
OSACA控制系统体系结构图1-2所表示，包含两个部分:系统平台和结构化功效模块。OSACA系统平台包含操作系统、通讯系统、系统配置、图形服务器和数据库系统等系统平台经过API和具体功效模块AO发生关系。AO按其控制功效分为:人机控制，运动控制，逻辑控制，轴控制，过程控制等。OSACA软件结构中有三个关键组成部分:通讯系统、参考体系结构模型和配置系统，它们建立在统一信息通讯平台基础上。

A03
A02
A01
应用程序接口
硬件组件
操作系统
通讯
数据
数据库
A0N

图1-2 OSACA系统结构

3.日本OSEC计划
OSEC(Open System Environment for Con七roller)计划是在日本国家机器人和工厂自动化研究中心(工ROFA )建立开放式数控委员会提倡下，于1995年由东芝机器企业、丰田机器厂和Mazak企业三家机床制造商和日本工BM、三菱电子及SML信息系统企业共同组建。其目标是建立一个国家性工厂自动化控制设备标准，并开发新一代基于PC平台、性能价格比高开放体系结构数控系统。
OSEC提出开放式数控系统参考模型图1-3所表示。这一结构包含了零件造型、工艺计划、机床控制处理(程序解释、操作模块控制、智能处理)、刀具轨迹控制、次序控制、轴控制等功效，并对各层之间接口制订了协议。这些协议从CAD和生产管理开始，分为CAM和生产监控，综合成为任务调度，然后利用多种库进行解释，形成轴控制及PLC所需要信息和数据，对机床伺服和实施机构进行控制。OSEC还定义了一个工厂自动化设备描述语言(FADL)a FADL能够在新水平上实现CAD/CAM和控制系统之间集成，含有对硬件抽象化、对传统数控语言EIA代码(G，S，T)和道具数据兼容性、能够适应控制实时解释等特征。这个体系结构独立于平台，如微处理器、系统单元、操作系统和网络协议，给每个模块应用提供了相当自由。所以用户、控制系统生产商和机床厂制造商全部能够很方便地为自己模块设置或增加新功效和特征。现在，OSEC己发展到由18家企业和一个团体参与含有较大影响力组织。
计算机辅助设计

操作计划层加工次序计划、刀库、夹具、加工条件

加工过程、程序编译、实施模式控制、智能加工

离散控制
刀具运动

设备控制
轨迹控制

实施部件
实施部件

机器层、机器人、机床等

图1-3 OSEC参考模型

1.2.2国产数控系统技术发展
中国数控技术已经有四十多年发展历史，期间经历了起步，停滞，引进，消化开发和创新等多个阶段[2]。
从1958年起，部分科学院所、高等学校和少数机床厂开始进行数控系统研究和开发。因为受到当初国产电子元器件、加工工艺技术落后、部门经济等原因制约，未能取得较大发展，科研和生产基础处于停滞状态。
1980年开始，中国前后从日本和德国引进数控制造技术，合作生产数控机床，打破了国产数控技术徘徊不前局面。以后经过“六五”技术引进、散件组装，“七五”期间消化吸收，“八五”国家组织科技攻关和“九五”国家组织产业攻关，使中国数控系统技术取得了质飞跃，开发出一批含有自主版权中高级数控系统.中国珠峰数控企业中华1型是用工业PC机作为主控制板，CPU为32位486微处理器，实现了多功效控制系统。北京航天数控集团自行开发航天1型采取和通用PC机体系结构兼容总线，模块化、开放型嵌入式结构，组成了经典前后机构数控系统，很好处理了实时多过程控制。华中理工大学开发华中1型是以32位工控机为硬件主体，配置了含有曲面结构和自动编程CAD功效软件，能进行复杂曲面结构、数控加工计划、NC程序生成、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面和直线插补功效.另外，中科院沈阳计算所研制蓝天1型、北京航空航天大学CH也全部是基于PC平台数控系统，各具特色。这些拥有自主版权高级数控系统开发成功，表明中国已经含有开发、生产中、高级数控系统能力，为中国高级数控机床发展提供了技术支持，在技术上和战略上全部含相关键意义。

2.开放式数控系统理论研究
2. 1开放式数控系统体系结构
采取专用计算机组成数控系统，在选择高性能微处理器组成份布式处理结构时，能够取得很高性能，如多轴联动高速、高精度控制，很强赔偿功效、图形功效、故障论断功效和通信功效。不过因为大批量生产和保密需要，不一样数控系统生产厂家自行设计其硬件和软件，这么设计出来封闭式专用系统含有不一样软硬件模块、不一样编程语言、五花八门人机界面、多个实时操作系统、非标准化接口等缺点。从而造成，首先，各控制系统之间互联能力差，影响了系统相互集成;风格不一操作方法和专用件大量使用，给用户使用和维护带了很多不便;其次，系统封闭性阻碍了计算机技术立即应用，不利于数控产品技术进步。显然，数控系统这一现实状况已不能适应该今制造业市场改变和竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、灵敏制造模式发展需求。

2.1.1开放体系结构概念
相关开放式体系结构定义，现在还有较大争议，依据IEEE相关开放式系统定义:一个开放式系统应能够在多个平台上运行，能够和其它系统进行操作，并能给用户提供一致交互界面。
对于一个开放式数控系统来说，也应遵照这些基础要求。一个开放控制系统应含有完全模块化结构，模块之间含有交换性、可扩展性和可移植性，这是一个开放系统基础特征。
开放概念能够从两个方面进行了解:一是时间开放，二是空间开放。时间开放是针对软硬件平台及其规范而言，以确保平台含有适应新技术发展、容纳新设备能力。时间开放性又有可扩展性和可移植性两个方面:空间开放性是针对系统接口及其规范而言，它又能够分为互操作性和交换性。
（1）可扩展性
可扩展性包含规模可扩展性和换代可扩展性。规模可扩展性是指一个开放式数控系统能够经过增减部件改变系统功效或性能;换代可扩展性，是指伴随时间和技术迁移，组成数控系统硬件和软件含有可升级性。
（2）可移植性
可移植性要求数控系统能够在多个厂商提供平台上运行。所以，系统功效软件应用和设备无关，即应用统一数据格式、交互模型、控制机制，而且经过一致设备接口，使各功效模块能运行于不一样供给商提供硬件平台上。
（3）交换性
交换性要求组成数控系统部件在功效，性能或可靠性等要求不一样时，能够用另一个部件进行替换。交换性使得一个数控系统不再是专有，它能够有来自不一样厂家不一样部件所组成。这对提升数控系统性能价格比含相关键意义。
（4）互操作性
互操作性表征了组成系统内部各个部件在一起协调工作能力。开放式数控系统互操作性经过一个统一、标准通讯系统来实现，这个通讯系统不仅许可数据交换而且定义了交换协议。
开放式数控系统目标就是使CNC控制器和当今PC机类似，系统构筑于一个开放平台上，含有模块化结构，许可用户依据需要进行选配和集成，更改或扩展系统功效，快速适应不一样应用需求，而且，组成系统各功效模块能够起源于不一样部件供给商，而且相互兼容。
和传统封闭式专用数控系统相比，开放式数控系统关键优势在于:建立一个新型模块化、可重构、可扩充控制系统结构，以增强数控系统功效和性能柔性，在体系结构上给用户留有进行二次开发更多余地，能够快速而有效响应新加工需求。
2.1.2开放式数控系统体系结构开放路径
现在，大量供给商提供了多种多样加工及控制系统处理方案，这些方案组成了处理全部自动化系统形形色色路径。然而，要想附加集成部分由不一样卖方提供功效时，却有相当难度，这些困难关键集中在不一样供给商提供系统之间没有公共接口，需要很高扩展、扩充及集成费用，没有风格一致操作系统界面和需要分别针对不一样系统来培训人员等使维护费用急剧增加。为处理系统开放集成上难题，我们能够采取三种开放路径，它们开放层次不一样，实现难度不等，取得开放效果也相差很大，图2-1所表示。图中，虚线将控制系统划分为人机控制层和控制内核层两个层，其中控制内核是CNC系统完成实时加工过程调度和控制关键部分，通常和系统实时性相联络。三种方法就是基于对这种两个层面开放不一样处理来区分[3]。

开放人机控制接口 开放系统关键接口 开放体系结构

人机
控制层

控制
内核层

图2-1 控制系统开放路径

1.开放人机控制接口
这种方法许可开发商或用户结构或集成自己模块[4]。到人机控制接口中。这首先是为用户提供了灵活制订特殊要求操作界面和操作步骤路径，通常见在PC机作为图形化人机控制界面系统中。
2.开放系统关键接口
此方法除了提供上述第一个方法开放性能外，还许可用户添加自己特色模块到控制内核模块中。经过开放系统关键接口，用户可根据一定规范将自己特有控制软件模块加到系统预先留出内核接口上。
3.开放体系结构
开放体系结构处理方案是一个更根本开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核全方位开放。大家能够在开放体系结构标准及一系列规范指导下，按需配置取得功效可强弱、性能可高可低、价格可控制、不依靠于单一卖方系统。
2.1.3基于PC开放式体系结构
从实现方法上，PC-NC是现在实现CNC开放化比较现实路径。PC从产生到现在，其计算能力和可靠性飞速提升，硬件已完全实现标准化，这些使得它越来越适合于工业环境下使用。PC含有丰富支持软件来改善CNC系统用户界面、图形界面、动态仿真、数控编程、故障论断、网络通讯等功效。利用PC上功效强大开发工具，机床制造商和用户能够采取通用编程语言来编制软件模块化替换系统原有模块，便于机床厂和用户添加含有自己独特技术模块。
所谓PC-NC.即在PC机硬件平台和操作系统基础上，使用市场上销售或自行研制开发应用软件和硬件插卡，结构出数控系统功效。不过现在PC操作系统缺乏实时性。现在，PC-NC结构方法关键有三种:NC板卡插入到PC机扩展槽中，PC板卡插到NC装置中。
1. NC板迁入PC机
这种形式就是将运动控制板或整个CNC单元插入到个人计算机扩展槽中。PC机作为非实时处理，实时控制由CNC单元或运动控制板来负担。这种方法能够方便实现人机界面开放化和个性化，即上述第一层开放。在此基础上，借助于所插入NC板可编程能力，能部分实现系统关键结构开放，即上述第二层开放，如基于PMAC运动控制卡组成CNC系统即属于这类。
2. PC板迁入NC
这一形式关键为了部分大CNC控制器制造商所采取。其原因有两个方面:一是很多用户对它们产品很熟悉，也习惯使用:二是这些大控制器制造商不可能也不愿意在短时间内放弃她们传统专用CNC技术。所以，才提出了这种折衷方案。其做法就是在传统CNC中提供PC前端接口，使其含有PC化人机界面，能够集成应用程序、网络接口等。显然，这种系统NC内核保持了原有封闭性。故只能实现第一层次开放。
3.软件NC
软件NC指CNC系统各项功效，如编译、编译、插补和PLC等，均由软件模块来实现。这类系统借助现有操作系统平台，在应用软件支持下，经过对CNC软件合适组织、划分、规范定义和开发，可望实现上述各个层次开放。这种控制模式硬件成本是最经济。但软件开发是最复杂，开发关键是系统软件和设备驱动程序。这种方法能够快速吸收计算机技术最新结果，含有良好灵活性和可扩展性，可方便采取新控制算法，也易于实现物理设备和操作系统更新换代。
本文作者采取是第一个方法，即NC板迁入PC机方法，系统采取运动控制卡是由作者自行研制开发，长久以来高性能多轴运动控制卡技术一直被国外垄断，产品价格昂贵，所以，研究开发高性能多轴运动控制卡对中国科技水乎提升相关键意义。
2.2运动控制器原理
运动控制(Motion Control)是由电力拖动发展而来，电力拖动或电气传动是对以电动机为对象控制系统通称。伴随电力电子技术、微电子技术迅猛发展，原有电气传动控制概念己经不能充足概括现代自动化系统中负担第一线任务全部控制设备。所以，二十世纪八十年代后期，国际上开始出现运动控制系统(Motion ControlSystem)这一术语。
微型计算机
模拟数字电子技术
传感器和变换器
经典现代控制理论
计算机仿真和辅助设计
电力电子器件
电机技术
大规模集成电路
运动控制系统

图2-2 现代运动控制技术结构体系

运动控制通常是指在复杂条件下，将预定控制方案、计划指令转变成期望机械运动。根据使用动力源不一样，运动控制关键可分为以电机作为动力源电气运动控制、以气体和流体作为动力源气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源热机运动控制等。伴随微电子技术和电力电子技术和微计算机控制技术发展，在这多个运动控制中，电气运动控制因其含有易实现和计算机接口等显著优点而成为运动控制主流，大多数中小功率运动控制系统全部是采取电气控制。电气运动控制就是以电机作为动力源，’经过对电动机控制来对实施机构运动位置、速度、加速度实现正确控制。
从电力拖动开始，经历四十几年发展过程，运动控制己成长为一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包含很多不一样学科技术领域。比如电机技术、电力电子技术(电力电子器件、电力电子线路)、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等等，图2.2所表示，运动控制技术是这些周围技术有机结合体。伴随功效齐全微计算机、超大规模集成电路(VLSI )，功率集成电路(PIC )，和优异计算机辅助制造(CAM)等技术出现和发展，运动控制技术面貌为之一新，其前沿不停扩大。运动控制作为一门多学科交叉技术，每种技术所出现进展全部使它向前再前深入，其技术进步是日新月异.
运动控制作为自动控制一个关键分支，在军事国防、工业生产、消费生活等众多领域有着极其广泛应用.如军事和宇航方面雷达天线、火炮瞄准、惯性导航:工业方面多种加工中心、专用加工装备、数控机床、工业机器人、和工厂自动化(FA )中多种其它控制设备:计算机外围设备和办公室自动化(OA)中多种磁带机、软盘驱动器、硬盘驱动器、数控绘图机、传真机、打印机、复印机控制等;家用电器中空调机、洗衣机、CD机等控制.总而言之，只要存在对运动机构进行正确控制任务，就离不开运动控制系统，运动控制技术得到了各个国家重视，已经成为一个专门技末领域。
反馈装置
实施机构
电动机
拖动装置
运动控制器
控制系统PLC

图2-3 经典运动控制系统组成