开放式、网络化数控系统是实现高水平数字化装备的保证。其核心是开放式，即系统模块与运行平台的无关性、系统中各模块之间的互操作性和人机界面及通信接口的统一性。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。
我国在20世纪90年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放性的数控系统的研发，代表产品有华中I型、中华I型、航天I型和蓝天I型。其均以PC为平台构成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽然具有一定的开放性，但还不具备开放数控的本质特征，主要问题在于没有解决开放式数控系统的平台问题。各系统所采用的体系结构仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，所谓开放仍停留在PC平台的开放层次上。其次是软件开发思想与技术落后，没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程的新理论、新技术，而这些正是实现数控系统开放性的关键所在。近年来，以华中科技大学的学者为代表提出了一种基于“软件芯片”开放式数控的实现模式，采用面向对象技术的继承和派生原理，提高数控软件的重用性。
由于PC+I／0的软件化结构具有较大技术经济优势，已逐渐成为当前Pc数控系统的主流结构。在PC+I/O软件化数控系统中，PC数控装置的主要数控功能全部由软件来实现，因此可有效消除自制硬件带来的可靠性差、成本高等问题。开发基于Pc+I／O软件化开放式数控系统，可以对现有系统进行升级换代，进一步减少硬件规模、降低成本、提高系统的可靠性，开发出具有自主知识产权的数控系统。
1 PC数控系统的体系结构分析
经过近20年的发展，基于PC的通用计算机数控系统已经发展成多种类型。从体系结构上看，基本可以分成以下几类：(1)NC+PC的复合式结构；(2)PC+NC的递阶式结构； (3)PC+I／O的软件化结构；(4)PC+功率接口的集成化结构；(5)pC+实时网络的分布式结构。
NC+PC的复合式结构是一种由专用数控装置与通用PC相结合构成的双平台复合结构，设计思想是：将专用Nc与通用PC通过高速信息交换通道连接在一起，组成一个既具有专用数控特点又具有现代PC风格的复合式控制系统。这类系统的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有限、开发和生产成本较高、技术升级换代较慢。
PC+NC的递阶式结构是以PC为基础，在其上扩展各类数控系统模块所形成的一种PC数控系统的典型结构。与NC+PC结构不同，PC+NC结构的重心在PC，组成系统所需的其他模块将根据被控对象的要求灵活确定，具有良好的开放性。但这类系统也存在一些缺点，最突出的就是系统组成单元和模块较多，各单元和模块间，特别是实时控制单元与伺服驱动单元间的信息交换，往往成为阻碍系统性能提高的瓶颈。
随着PC硬件技术水平的提高和数控软件设计水平的提高，一种新的PC数控系统结构——PC+I／O的软件化结构正逐渐发展起来，目前已呈现PC+NC递阶式结构将被PC+L／0软件化结构所取代的趋势。由于PC+I／O的软件化结构具有较大的技术经济优势，已逐渐成为当前PC数控系统的主流结构。
基于数控系统结构体系发展的趋势及企业在数控系统国产化自主研发的需求，作者以PC+I／O软件化结构的数控系统为项目重点进行了研究。
2 PC+I／O软件化结构的设计思想
采用功能更为强大的PC硬件平台和更有效的实时程序设计技术，将PC+NC系统中NC部分的控制功能(由单片机和DSP加硬件完成的进给轴运动控制、主轴运动控制、开关量控制等)纳入到PC平台中，由PC的主CPU来完成，从而减少PC数控系统的硬件规模，使PC数控的硬件系统仅为PC硬件平台加少量的I／O接口。
PC+I／O的软件化数控系统的基本结构如图1所示。
图1PC+I／0软件化数控系统体系结构框图
2.1 硬件平台的构建
系统硬件平台由通用PC机、SoftsERcANs被动式主站卡、带SERCOS接口的伺服驱动器、伺服电动机、光缆若干等构建。
准备工作如下：
(1)将伺服驱动器与伺服电动机用专用光缆连接；
(2)将SoftSERCANS被动式主站卡插在PC机的PCI插槽上；
(3)按规定的方式用光缆把伺服驱动器和softSERCANS被动式主站卡相连；
(4)驱动器地址设置。
2.2 软件平台的构建
系统软件平台由windows xP操作系统、Vc++6．0、softsERcANs驱动软件、RTX实时扩展软件等构建。
3 若干关键技术的解决方案研究
3.1 Windows操作系统的实时化
windows操作系统是一个多任务操作系统，但不是一个实时操作系统。由于友好的人机界面和允许多任务的并行处理，越来越多的数控系统以Windows作为操作平台，这就需要解决Windows操作系统的实时化问题。
解决windows操作系统的实时化问题主要可以考虑两种方法：(1)在Ring3层开发数控软件，通过设置wiIl32定时器并通过相应WM-TIMER消息来实现实时处理，或者采用Windows多媒体定时器通过设置回调函数可以获得最高精度1 ms的定时信号。这种方法容易占用较多系统资源以及造成系统实时处理不稳定，且在实现高精度实时化方面存在问题； (2)直接在Ringo层通过软件设计WDM驱动程序来响应时钟中断，即通过引入外部定时时钟中断的方法，在操作系统的内部通过编写系统WDM程序来响应这个外部中断。
PC+I／O的软件化数控系统高精度定时时钟解决方案，即在Pc机的外部提供一个高精度的定时中断源，在PC机一侧则是利用ISA总线通过中断IRQ5接入PC机，在windows操作系统内部通过wDM程序来响应这个外部中断。
3.2 底层通信和实时控制
底层通信和控制系统是数控装置与执行装置间进行信息交换的通道，是保证数控系统可靠高效运行的中枢，在数控系统中具有非常重要的地位。传统数控系统一般通过模拟信号线、脉冲信号线、RS232串行通信等方式来实现底层通信功能。这种数控装置(数字控制器)与执行装置(伺服驱动器)间的信息传递存在连线多、可靠性差、速度慢等问题。SERCOS总线应运而生。
SERCOS是一种串行实时通信协议，是一种运动控制总线，把运动控制器和驱动器连接起来。SERcOs接口具有以下应用特点：(1)环形拓扑结构使配线减少到最少，使用光缆使系统避免了电磁干扰并保证了同步高速数据交换率；(2)在标准化的运行环境下交换所有的数据、参数和指令；(3)使众多诊断数据的导入和伺服系统参数设定成为可能；(4)来自不同制造商的cNc和伺服系统能结合使用。
3.3 SERCOS的网络组成
基本的SERCOS网络由一个主站和若干个从站组成。主站为系统的主控制器，如cNC装置、FMC控制器等。从站为系统的执行装置，如进给伺服系统、主轴驱动系统、PLC输入输出装置等。SERCOS采用环形拓扑结构，以光缆作为物理层的传递介质。站点间最大距离为40 m，最大从站数为254，通信速度可达16 Mbi/s。
3.4 SERCOS报文类型
控制器与驱动器之间所有数据交换都是通过报文来进行的。sERCOs接口协议定义了3种报文类型：
(1)主控同步报文MST。由主站在传输周期开始时广播MST，用来保证每个周期时序同步。
(2)主控数据报文MDT。由主站在一个周期内所规定的时期内发送一次，用来把命令值数据从控制器发送到驱动器。
(3)驱动器报文AT。由每一个从站(驱动器)分别发送，用来把反馈值数据从驱动器发送到控制器。
3.5 SoRSERCANS
SoftsERcANS实质上是一个sERcOs接口的软件驱动器，其在全面实施sERcOs协议的基础上增加了与应用软件通信的DLL接口。S0ftSERCANs只需要一张被动式主站卡，其向运动控制器提供的通信接口是一个动态链接库(DLL)。用户只需要掌握DLL函数及相关参数的使用方法，就可以设计数控应用软件。要想在PC数控系统中使用SoftsERcANs被动式主站卡，需要对操作系统平台进行实时化扩展，可以通过在Ringo层编写WDM设备驱动程序来实现，也可以通过一些windows实时扩展软件来实现。
4 结束语
通过对PC+I／O的软件化数控体系的研究，探讨了数控系统实时化的解决方案以及底层通信和运动控制方案，提出了一种基于PC+I／O软件化开放式数控系统框架；在方案实施的技术路线上，利用Vis．ual C++开发工具开发软件模块，构成模块库，利用cOM技术将这些模块编制成为在windows环境下运行的cOM组件。数控系统中另一部分实时任务在RTX环境下完成，考虑RTX可能不支持COM技术，利用与win32 DLL功能类似的RTDIJL解决，其可以在RTX环境下动态地加载或卸载。具体的实现已在下一步的工作中深入进行。
(审核编辑: 智汇胡妮)
