开放式数控系统是当前数控技术发展的主要趋势。目前，对开放式数控系统还没有统一的定义，一种比较流行的观点强调系统具有的可移植性、可扩展性、可协同性和模块性。

　　开放式数控系统的结构是面向数控软件配置的，可以由用户自行定义接口和数控软件平台，不断将功能集成到控制系统中。目前，普遍采用PC机+运动控制器型。运动控制器通常选用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制能力和PLC控制能力。市场上主流的运动控制器有PMAC运动控制器、Galil运动控制器和Trio运动控制器。

　　三菱形磨床主要应用于三菱形的孔、轴类工件的加工。三菱形孔、轴联接方式与常用的键与键槽联接方式相比，具有联接强度高、在载荷作用下自动定心并保持轴与转动零件的动平衡、传递扭矩大、没有应力集中、长期工作磨损少，传动时的振动和噪声低等优点，

　　非常适用于转动速度高、传递扭矩大并且要求低噪声的传动部件的联接。因此，对三菱形磨床的研究和开发在实际应用中具有重要意义。

　　本文选用Trio MC206运动控制器作为磨床控制核心，在Windows操作系统平台上采用Visual C++6．0开发上层管理数控软件，采用Motion Perfect2开发底层控制数控软件。

1 系统硬件方案

　　本系统硬件总体结构如图1所示。采用基于高性能32位DSP技术的Trio MC206运动控制器作为磨床运动控制核心，通过以太网接口与工控机(IPC)进行数据交互，构成主从式双CPU型的开放式数控系统硬件平台。运动控制器主要完成三轴电动机驱动和位置反馈信息的处理，形成闭环控制。通过CAN总线扩展Trio I／O模块，实现内嵌式PLC功能。主要包括对机床面板、伺服驱动系统、液压系统、冷却系统、润滑系统、报警系统等的数据采集和监控。

图1系统硬件总体结构

2 数控软件总体结构设计　　数控系统软件结构模式主要有两种：前后台型结构模式和中断型结构模式。本系统软件采用前后台型结构模式，按实时性相对强弱将系统任务化分为两部分：上层管理程序和底层控制程序(图2)。

图2系统软件息体结构

　　上层管理软件设计方案：上层管理主要负责NC程序管理、G代码编译、显示、通讯、诊断等弱实时性的任务。根据三菱形磨床系统特点，划分上层管理软件模块：状态显示、轮廓补偿、参数设置、MDI运行、程序管理、通讯仿真、系统诊断。采用Visual C++6．0开发环境，利用多线程技术和动态连接库(DLL)技术实现管理层软件开发。DLL是一种过程库，可执行程序在运行时可以链接并使用它提供的函数或过程。系统主线程工程由MFC AppWizard(exe)建立，各功能模块采用MFC AppWizard(d11)建立，通过主线程对各模块的任务调度，实现数控系统管理功能。采用DLL技术使各软件模块功能封装性和独立性较好，提高了数控系统软件开发和维护的效率。Trio提供的ActiveX控件—TrioPC控件包含了丰富的运动控制指令和逻辑控制指令。上层管理程序通过调用控件提供的函数和变量来实现对控制器的操作，完成上下层软件数据通讯。

　　底层控制软件设计方案：底层控制由Trio MC206控制器负责，主要完成伺服控制、插补运算、速度控制、刀具补偿、机床逻辑控制等强实时性任务。采用Trio公司提供的Motion Perfect2开发环境，利用Trio Basic语言编程实现磨床所有运动控制程序和逻辑控制程序。

3 底层控制软件设计的关键技术

　　3.1 三菱形曲线插补模块的软件设计

　　插补是数控机床控制刀具运动轨迹的核心，插补算法的选择将直接影响数控系统的精度、速度以及加工能力。

　　本系统要完成三菱形曲线的加工，需要对线性轴(X轴)和旋转轴(c轴)联动控制实现。直接使用TrioMC206所提供的运动控制指令无法实现对线性轴和旋转轴的直接插补控制。

　　要解决三菱形的插补设计，一般有两种方法：其一，先将旋转轴(C轴)的旋转运动分解为两个方向的直线运动，再调用Trio提供的插补指令函数来实现。其二，编程实现底层插补控制，避开使用Trio提供的插补指令函数。

　　通过对三菱形曲线数学模型的分析发现，前面两种方法在软件实现上都存在着不足。开发难度较大，磨床的控制精度和可靠性无法保证。本系统采用一种独特的解决方法：将三菱形轮廓曲面展开，对展开后的曲线再做插补运算，如图3。这样保证了加工轮廓的精确性，可以充分利用Trio提供的插补指令来实现精确的插补控制，如直线插补MOVE指令，圆弧插补MOVECIR指令，螺旋线插补MHEUCAL指令，并且缩短了软件开发周期，保证了插补精度。

图3三棱形曲面展开图

　　3.2 Trio控制器多任务软件设计

　　运动控制器作为底层运动控制的核心，其运行程序的响应性、可靠性和稳定性将直接影响到系统的综合性能。

　　Trio MC206运动控制器可以同时运行8个进程，优先级通过进程号区别。控制器默认将通讯接口分配为优先级最高的8号进程。本系统控制器进程共设计5个进程，并将这5个进程分为两类程序：运动控制程序和内嵌式PLC程序。

　　运动控制程序的进程名以P开头，加工程序通过上层管理软件编译成嘶o Basic格式后导入控制器，由管理软件控制进程的启动和停止。

　　内嵌式PLC程序由4个进程组成，分别为PLC_PROTECT、PLC_WORKMODE、PLC_BUTTON、PLC_COMMON。这4个进程随控制器上电启动，执行循环检测，实现PLC功能。

　　3.3 内嵌式PLC程序设计

　　Trio MC206运动控制器可连接通过CAN总线扩展的16个具有双向功能的L／O模块，256个输入输出点。

　　本系统共扩展6个L／O模块，利用控制器提供的VR全局变量，存储各模块L／O口状态，利用逻辑命令将相关的I／O状态进行逻辑处理，实现内嵌式PLC功能。

　　控制器所能提供的VR变量有限，如果采用L／O状态与VR变量一对一的存储方式，在控制点较多的情况下，不仅浪费了VR资源，而且影响了I／O读取速度，降低了软PLC程序的响应性。对该问题的解决，本系统利用每个VR变量提供的24个存储位，使得每个VR变量可存储24个磨床输入输出口状态，并对VR变量的地址进行严格的分配和细化，保证VR变量资源的合理利用，避免因变量的重复使用而造成的逻辑错误。

　　内嵌式PLC由4部分程序组成，通过循环扫描。检测每个控制点的离散状态信息，并将检测结果存入相应的VR变量中。然后对各个变量之间的逻辑关系进行运算，并将运算结果放入相应的变量中。通过循环扫描的线程程序将这些变量的值送入对应的输出点，实现对机床的逻辑控制。

　　(1)PLC_PROTECT：实现机床硬件限位信号、报警信号、停止信号的检测。将该进程优先级设置为最高，及时处理报警情况，保证机床的安全性。

　　(2)PLC_WORKMODE：循环检测机床的工作模式，实现机床模式切换。

　　(3)PLC_Bu7rrON：循环检测机床控制面板上按钮信号。由于控制面板信号具有随机性，将这些信号单独处理，软件检测最大限度地保证响应的及时性。提高软PLC功能的灵敏度。

　　(4)PLC—COMMON：处理其余的输入输出信号。

4 系统特点

　　(1)多任务并行处理

　　系统采用CPU分时共享和中断优先相结合的办法来解决多任务的同时运行。数控系统在加工过程中管理模块程序和控制模块程序同时进行，保证加工过程的连续性和响应的实时性。

　　(2)实时中断处理

　　系统软件采用前后台型两级结构设计。底层控制程序模块是一个中断服务程序，完成全部的实时功能，线程的优先级最高。上层管理程序是一个循环运行程序，与控制程序相互配合，共同完成零件加工任务。

　　(3)内嵌式PLC功能

　　系统采用编程方式实现内嵌式PLC功能。通过PLC程序的优化，大大缩短了每一次循环扫描的时间，提高了实时性和PLC的灵敏度。与传统PLC相比，内嵌式PLC程序扩展性好，功能灵活。

　　(4)加工程序零编程功能

　　针对三菱形曲线模型编程复杂的缺点，上层管理软件程序管理模块将程序编制参数化，用户通过人机界面仅需输人特定参数，系统将根据运动轨迹数学模型和智能工艺库，自动生成NC代码。操作简单，提高了编程效率高，并且保证了加工精度高。

5 结语

　　本系统以通用工控机为基础，采用功能强大的Trio运动控制器实现三菱形磨床高速高精度运动控制。采用模块化程序设计思想、多线程技术和动态链接库(DLL)技术开发的数控软件兼具Windows操作系统的多任务特性和运动控制的实时性，比传统专用系统具有更好的开放性、可扩展性。实践证明，该数控系统软件在三菱形磨床上运行稳定可靠。