0 引言

    数控机床是信息技术与传统机床相结合的产物，反映了一个国家制造技术的水平和工业水平。虽然传统的数控系统已经实现了非常复杂的功能并达到了相当的精度，但由于传统的数控系统采用专用计算机系统，其实现过程对用户来讲是封闭的，并且它的各个模块功能固定，各厂商的软硬件互不兼容，用户无法对系统进行重新定义和扩展，系统与外部缺乏有效的通信功能，这增加了用户的投资风险和成本。为改变这种状况，迫切需要能开发一种可以方便扩展、功能柔性并且对用户开放的数控系统，开放式数控系统便应运而生。开放式数控系统具有开放柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的PC软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。

1 开放式数控系统

    为解决封闭式结构数控系统所存在的问题，近年来西方一些发达国家相继提出开放式体系结构数控系统的开发，欧洲、美国、日本为了适应发展的要求，一些研究机构和生产厂商先后开展了开放性数控的研究。

    1.1 开放式数控系统的特征

    对于开放性数控的具体定义还存在争论。开放性数控一般应该具有以下特征：

    1)可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行；

    2)可伸缩性，CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小(硬件或软件模块)，可根据具体应用增减；

    3)可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上；

    4)可扩展性，CNC用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到NC系统中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸；

    5)可互换性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。

    1.2 开放式数控系统的优越性

    开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的PC软硬件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。开放式数控系统软件的继承性、软件开发的难易性、软件的封闭性、组网难易性、面向未来性、系统功能与性价比、运动执行部分、数控部分功能等方面均优于传统数控系统。

    一个开放式的数控系统应当具有在各种不同的平台上以及其他应用系统中运行的特性。为达到这一要求，开放式数控系统对用户而言是透明的，它允许各个设计者按照统一的工业标准或规范去开发自己的控制元件，而这些元件具有良好的兼容性，用户可很容易地完成从一个制造商控制系统到另一制造商控制系统的转变；同时，这些独立的控制元件应当为用户今后的二次开发提供运行的基础，用户在使用这种CNC系统时，用现有的结构、现有的控制元件再加上一些特殊元件模块即可构成一个符合自己使用要求的新的数控系统。数控系统采用开放式体系结构的主要目的是为了使之成为具有互操作性、用户化、集成化、元件化的开放式的结构系统。

2 开放式数控切割机床系统结构

    2.1 系统硬件结构

    系统为等离子、氧乙炔数控切割机床系统。系统由工控机、ACL-8454、ACIr7130，脉冲处理板、X轴和Y轴伺服放大器、X轴和Y轴伺服电机、开关量处理器、切割机工作台八部分组成。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

    工控机控制ACL-8454产生指定频率的脉冲。经过脉冲处理板的隔离后，脉冲通过伺服放大器的功率放大驱动伺服电机，使切割枪产生动作。ACL-7130可以在指定端口产生开关量，然后通过开关量执行装置使机床主体完成指定动作。同时，切割枪主体也产生一些开关量，例如位限开关报警等，通过ACL-7130返回给控制系统，使系统调用相应的处理程序。

    2.2 系统软件结构

    在软件设计方面控制系统软件的主体是一个多文档的视图、文档、框架结构程序。系统包括多个线程。其中主线程是界面线程，另外还有插补线程、数据发送线程、辅助键盘监测线程等。由于使用多线程的编程方式，系统可以在进行一个图纸加工的同时，进行另一个图纸的设计。

    控制系统软件结构如图2所示。

图2 控制系统软件结构

3 开放式数控切割机床系统的实时控制

    系统的控制在每个插补周期中，系统根据插补的结果计算数字速度指令。通过伺服放大器、伺服电机和光电编码盘形成的半闭环速度反馈，速度指令驱动伺服电机带动切割机工作台。通过工控机、ACL-8454、伺服放大器、伺服电机和光电编码盘形成的半闭环位置反馈，系统对加工位置进行软件补偿。

    系统在切割过程中利用ACL-8454产生确定频率的脉冲作为数字速度指令。ACL-8454每隔20ms产生一个中断。控制系统软件的中断响应程序响应中断将插补数据补偿后写入ACL-8454的寄存器中控制脉冲的频率。使用一般应用程序实现中断响应，在切割过程中会出现加工轮廓误差，即切割机实际加工的轮廓与加工程序不一致。造成这种现象的原因是中断响应程序执行不及时。在20ms的插补周期中，如果中断响应程序不能够在2ms内执行，系统就无法依靠速度指令准确地控制切割位置，就会出现加工轮廓误差。

    解决加工轮廓误差问题的关键是保证系统的实时性要求，即保证控制系统软件的中断响应程序的实时性。该切割机床系统使用了“软”实时解决方案。即使用设备驱动程序实现控制系统软件的中断响应程序。

4 开放式数控切割机床系统的切割补偿

    割缝补偿这一说法源于火焰切割机。随着科技的发展，等离子切割机、激光切割机、水刀切割机等一系列切割产品应运而生，但它们都有一个共同的缺点，就是在切剖过程中，切割下来的工件尺寸会比实际画图的尺寸要小1mm，为了解决这一问题，于是割缝补偿就起到了至关重要的作用。

    在系统的轮廓切割加工过程中，由于割缝总有一定宽度，割具中心的运动轨迹并不等于所需加工零件的实际轮廓。在进行内轮廓加工时，必须使割具中心偏移零件的内轮廓表面半个割缝宽度。在进行外轮廓加工时，必须使割具中心偏移零件的外轮廓表面半个割缝宽度。根据数控加工语句的语法规定当割具中心轨迹在编程轨迹(零件轮廓)前进方向左边时，称为左刀补，用G41表示；反之，称为右刀补，用G42表示；当不需要进行切割补偿时，用G40表示。在零件轮廓的非光滑过渡的拐角处，系统自动进行尖角过渡。根据尖角过渡的方法不同，切割补偿方法分为B功能刀补原理和C功能刀补原理。由于系统需要实现零件轮廓各种拐角组合形式的折线型尖角过渡，所以使用了C功能刀补。

    系统的切割补偿的执行受到零件轮廓拐角类型、拐角的角度、补偿类型以及补偿半径的影响。根据这些因素，切割补偿可以分为直线接直线、直线接圆弧、圆弧接直线和圆弧接圆弧四种类型，而每种类型又可分为伸长型、缩短型和插入型三种情况。在这些不同的情况中，切割补偿执行过程可分为三步：

    1)刀补建立

    割具从起弧点接近工件，割具中心轨迹由G41或G42确定，在原来的程序轨迹基础上伸长或缩短半个割缝宽度。

    2)刀补进行

    割具中心轨迹始终偏离编程轨迹半个割缝宽度。

    3)刀补撤消

    割具撤离工件，回到原点。和建立刀补时一样，割具中心轨迹也是要比程序轨迹伸长或缩短半个割缝的宽度。刀补撤消用G40指令。

    系统会根据所有的情形给出了不同的计算切割枪运动轨迹的算法。

5 结束语

    随着个人计算机以及现代加工业日新月异的发展，人们对现代数控系统提出了更高的要求，开放式数控系统正是这种新形势下的产物。其以强大的功能、灵活的结构来完成人们的各种复杂的加工。本文对开放式数控系统的特点和发展方向进行了探讨，介绍了一个实际使用中的Windows平台下的开放式数控切割机床系统，说明了系统硬件和软件的结构和功能，然后主要从三个方面详细介绍该系统。可以预言，随着个人计算机技术的突飞猛进，现代数控系统将会有更加光明的前景。