随着现代制造业的快速发展，计算机数控(CNC)系统作为必备的基础设备，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。但由于传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现，使计算机技术发展的最新成果无法得到及时运用，严重地阻碍了数控技术的发展。
开放式数控系统的主要目的是解决市场需求变化频繁与控制系统框架结构专一固定之间的矛盾，它的出现适应了现代技术不断发展的需要，从而建立了统一的可重构系统平台，极大地增强控制系统的柔性和适应性。目前欧洲、美国、日本都成立了开放式数控的研究机构，它们的发展计划代号分别为OSE、OS—ACA、0MAC，并已经取得了一定的成果。
1 开放式数控系统的体系结构
按照IEEE对于开放式系统的定义，一个开放式系统具有以下能力：经过恰当实现的应用程序能够在不同厂商的多个平台上运行，能够与其它系统的应用程序互操作，并且能够提供一致性的人机交互界面。目前开放式数控系统基本有3种结构形式。
1.1 专用CNC+PC主板
采用传统数控专用模板嵌入通用PC机构成数控系统。系统可以共享计算机的一部分软件和硬件资源，计算机的作用在于进行辅助编程、监控、编排工艺等工作。
1.2 通用PC+开放式运动控制器
完全以PC为硬件平台构成数控系统，其主要部件是计算机和运动控制器。机床的运动控制和逻辑控制功能由独立的运动控制器完成，具有开放性的运动控制器是该系统的核心部分。目前国际上对于这种体系结构的研究最具有代表性的组织是OSE(open system Environment)。
1.3 完全PC型
全软件数控完全采用PC软件构成数控系统，以应用软件的形式实现运动控制。目前国际上对于这种体系结构的研究还处于起步阶段，未形成产品。3种方案中，OSE的PC+适配器卡的方案灵活，并且可以充分利用PC机的价格、资源、技术优势，具有重要的研究意义。
2 开放式数控车系统平台
可编程控制器(PLC)是为了取代传统的继电器一接触器控制系统而产生的工业控制装置。基于PLC的开放式数控车控制系统，采用运动控制器与用PC机为核心，运动控制器插在其PCI标准插槽上。PLC辅助控制模块通过输入／输出接口与运动控制器相联接。针对运动控制器进行功能扩展，用PLC完成数控系统的顺序控制和辅助功能控制。
2.1 硬件系统平台
系统的硬件系统平台主要包括通用PC机、运动控制器、PLC、驱动器、步进电机、变频器、主轴电机、电动刀架、机械系统、液压系统，PC机为软件的开发提供平台，主要是开发自主的软件控制系统；运动控制器可以对机床进行多轴的轨迹控制，其内部提供了典型的插补算法，如直线插补、圆弧插补等，运动控制器还提供了数字量的输入／输出接口，与PLC实现通信，驱动器通过运动控制器控制步迸电机的多轴协调运动。
PLC作为辅助功能的控制核心实现数控系统的顺序控制；变频器主要实现主轴电机的变频调速；电动刀架由PLC控制，实现自动换刀功能；机械系统提供了机床的加工平台；液压系统主要用来提供一些辅助功能的动力，例如驱动尾架移动、夹具加紧等。
其中，硬件系统关键技术为
1)在PC机和运动控制器的基础上，设计基于PLC的电气控制系统，使PLC代替传统的继电器一接触器系统，完成数控系统辅助模块的设计。
2)利用变频器，实现主轴的变频调速，实现变频器与PLC的通信。
3)PLC与自主开发的数控车系统软件之间的通信。
4)数控系统通过对PLC的控制，实现对机床运动及加工过程的协调控制。
2.2 软件系统框架
软件系统模块主要包括：人机界面模块、在线仿真模块、自动加工模块、离线仿真模块、数据处理模块、代码解释模块和故障诊断模块。其中，软件系统关键技术为
1)系统总体结构的规划。由于整个系统的结构比较复杂，包括很多功能子模块，因此必须首先规划好系统包括那些模块和各模块的功能。
2)各个功能模块之间的数据传输和协调，数据格式的定义。由于G代码提供的数据格式并不适合在各个模块之间传输，因此需要重新定义一种数据格式来表达G代码的含义并在各个模块间进行传输。
3)自动加工的实时性和各模块之间的同步。加工是整个系统最重要的功能，所以必须使其实时性得到保证；在加工的过程中，还要执行译码、仿真、诊断等过程。因此必须要保证各模块间的同步。
4)各种算法的实现。刀补算法、材料去除算法、车削工艺所要求的各种功能算法(如循环车削的路径规划)。
3 数控车系统中PLC的设计分析
PLC主要用来实现数控车系统中的辅助功能，通过对软继电器的逻辑控制，实现输出点的不同组合，完成数控车系统的顺序控制。在PLC程序设计时，首先要满足控制的基本要求，其次要注意各输入输出之间的安全性，并保留一定的控制冗余，保证整个系统的可靠性。根据PLC控制系统的设计流程，首先要明确PLC的控制对象。
3.1 分解被控对象
将被控对象按功能进行分解，这样便于确定PLC的资源分配，是化整为零的设计思路。数控车电气控制系统根据设计的控制功能，其进给传动控制，由运动控制卡和步进电机来实现。PLC主要实现其辅助功能的控制，主要包括车床的主轴起停功能、主轴调速功能、换刀功能、冷却液开关功能、夹具的自动夹紧和松开功能、尾座的前进和后退功能。因此，被控对象是主轴电机、电动刀架、冷却液电机、液压系统控制下的夹具与尾座。
3.2 确定I/O点
合理的确定I／O点，对于PLC的选型和PLC系统的设计非常重要。根据分解后的各个功能项，仔细分析输入信号和输出设备所需的信号的数量，以便确定I／O点。在确定I／O点时，输入与输出要相结合，同时考虑，才能做出正确合理的判断。
1)输入点分析
主轴控制。主要包括主轴的速度控制和起停控制，速度控制要实现无级调速和指定速度的多档调速。根据变频器相关功能的分析，无级调速在数控面板上通过电位器调节，也就是在输人信号时由一个模拟量输入，在上位机上，可以通过运动控制卡输入，也为一个模拟量输入。指定多档调速，在变频器上有相应的4个点，能进行15位档速的调速。所以需要4位的数字量输入。正反转和停止也需要3个输入量，所以共需要7个输入点。PLC所需输入／输出点数量确定结果。
刀具控制。本电动刀具只控制4把刀，所以只需2个数字输入点，利用编码组合就可以形成4种信号。
冷却液控制。冷却液控制只有起、停两种状态，所以用一个数字量输入的高电平和低电平状态就可以实现。
夹具控制。夹具控制主要是利用电磁阀的两位控制，一个夹紧，一个松开。需要两个数字量来实现。尾座控制。尾座的向前移动，向后移动和定位，需要三位两通的电磁阀，所以暂时定为3个数字量。
2)输出点分析
变频器。变频器对主轴电机的控制需要6个数字量和1个模拟量，4个数字量的不同二进制编码组合，实现15档调速，模拟量实现无极调速。刀架控制卡。刀架控制卡对刀架的控制，需要两个数字量。
电机接触器。电机接触器用来控制冷却液电机的起、停。选用常开触点的接触器。在启动电机时，给一个高电平数字量，电机启动。
控制夹具电磁阀。两位的电磁阀，需要两个输出数字量。
控制尾座电磁阀。三位的电磁阀，可通过3个数字量控制。
在PLC的选型中，除了以输入／输出点为设计标准之外，还要注意CPU本身具有的扩展能力强弱。
3.3 PLC配线图
确定了系统的被控对象和PLC的CPU和扩展型号之后，PLC的线路设计硬件设计的最后工作。线路设计也就是整个系统的布线，电路的连接，各个电器的有机组合。在所有的电器元件中PLC起着核心的作用。替代了传统继电器一接触器控制系统中的中间继电器等很多运算元件和检测元件。不仅大大的简化了系统的复杂程度，也提高了系统的可靠性和稳定性。
从本质幕讲，基于PLC的机床电气控制系统对机床的控制思路仍然与继电器一接触器控制系统是一致的。只是在控制手段上采用了先进的控制设备。对于主轴的调速功能采用了比较先进的变频调速，这样就极大的简化了主轴箱的齿轮调速机构，只需将主轴驱动电机直接与主轴相连即可。PLC控制系统的数字量输入／输出点配线图如图3所示。
4 基于变频器的主轴控制系统设计
4.1 变频器的选型
变频器的选型，主要是从品牌和型号两方面进行选择。品牌的选择，范围很广泛。目前市场上变频器的品牌种类繁多，国产的价格相对比较低，进口产品则在功能方面比较全面。仅从实现本设计的要求来说，考虑到便于推广和降低成本，可以选择国有的知名品牌。但是作为单机试验项目，为了今后系统的扩展和开发，我们选择了西门子品牌，首先西门子变频器与西门子PLC之间的通讯就比较方便，其次经过市场调查，西门子品牌的市场占有也很高，变频器的销售和技术服务提供都比较完善。型号的选择主要根据以下几点因素
(1)电动机的功率；
(2)电动机的输出类型；
(3)电动机的额定电压、额定电流；
(4)转矩过载能力。
主轴电机的功率为3kW，输出类型为恒转矩输出，额定电压为380V AC，要求的过载能力为瞬时150 oA。根据以上要求，选择了SIEMENS—MI—CROMASTER440(3kW)通用型变频器(简称MM440型)。
4.2 主轴控制程序设计
主轴控制程序实现主轴正转／反转／停止／调速。主轴电机主要通过变频器控制，所以根据变频器所需的信号组合，控制PLC的输出的信号组合实现主轴功能如图4所示。
5 小结
开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势，文中通过对开放式数控车控制系统的结构的研究，分析了数控车系统的软、硬件平台的总体设计框架，规划了开放式数控车系统的控制功能，提出了数控车系统开发的关键技术。在整个数控体系中，通过PLC与PC机和运动控制器的相互通信，实现了由PC机统一协调动作过程，使数控系统充分利用PC机丰富的软硬件资源和技术优势，通过模块化程序设计，使系统的通用性、扩展性和可移植性得到提高。
系统由PLC模块作为动作执行控制核心，实现了对变频器、电动刀架、机械系统移动部件及液压系统辅助功能的动作控制，PLC的独立性、可扩展性、互换性充分的体现了开放式数控系统的本质意义。
(审核编辑: 智汇张瑜)
