现代机械制造工业对数控系统提出了更高的要求,设计和开发一种可根据用户需求,迅速建立一个开放式的原型数控系统,适应市场对产品多样化的需求,成为数控系统的发展方向。Windows操作系统具有多任务操作特性,支持多线程,可实现数控系统实时多任务控制,因此在Windows操作系统平台下研发开放式数控系统是一个重要发展方向。本文完成的主要研究工作如下:1.在全面分析开放式数控系统的发展趋势以及传统数控系统存在的不足的基础上,提出了基于Windows操作系统平台,采用IPC机+运动控制卡模式和主从式结构对开放式数控系统进行了研究和开发。其中以GT-400-SV运动控制卡作为数控系统下位机的核心,构成多轴运动实时控制单元;以IPC机作为上位机进行非实时性任务的处理。通过总线通讯和双端口RAM通讯方式,以及制定的上下位机数据传送通讯协议,保障了上下位机的实时数据通讯,实现了直线和圆弧插补,运动加减速控制等实时运动控制内容。在需求分析的基础上,以IPC为硬件基础,根据数控系统功能设计了系统层次结构模型,给出了系统的拓扑结构和系统开放性的实现方法,进行了系统硬件和软件的总体设计。2.在硬件体系结构上,采用模块化方法搭建和扩展硬件系统。选择IBM-PC总线作为功能模块连接的总线标准,选择具有多个EISA插槽的母板构成硬件连接底板,插接符合标准要求的微型计算机板(上位机)和运动控制卡(下位机),搭建了基本的数控系统构架。用户能够通过插接符合IBM-PC总线标准的功能板块扩展数控系统的硬件,组成满足自己要求的系统,实现了硬件的开放性。3.在软件体系结构上,上位机运行主流的Windows操作系统,下位机运行μc/OS嵌入式计算机实时操作系统。将数控系统的软件功能,根据时间紧迫要求,划分为强实时性任务、弱实时性任务和非实时性任务;根据对硬件I/O的操作要求,划分为操作类和非操作类。将实时性强的和I/O操作的功能主要安排给运动控制器执行。对各功能进行分类封装,建立了通用类库。定义了应用程序编程接口(API),通过该接口能把用户专用软件模块扩展到系统中,使系统达到了一定的开放性。4.针对数控系统多任务控制这一特点,对Windows平台下的多线程技术、任务调度策略以及进程间的通讯进行了深入的分析。进而根据数控系统的功能特点,把系统任务分为系统总控进程、人机界面进程、轨迹规划进程和运动控制进程,各进程又划分功能相对独立的子线程,通过设定线程的优先级,利用多线程调度策略和中断机制技术,实现了对数控系统弱实时任务的控制,利用下位机实现了对数控系统强实时任务的控制。系统采用消息、共享内存和命名管道三种通讯机制,实现了进程间的通讯,保障了各功能模块协同完成加工任务。5.在数控系统软件开发上,以VC++为开发工具,以面向对象的模块化方法设计了人机交互界面软件模块、加工程序预处理模块、译码模块和插补模块,实现了上位机对数控加工代码的编译、系统参数设定和刀具补偿等功能;开发了运动控制功能模块,实现了数控系统的回参考点、点动控制、增量控制、运动加减速控制、主轴控制、进给量调整等基本功能。调试结果表明,采用运动控制卡+IPC机模式,以运动控制卡为系统实时运动控制的核心构建和设计的数控系统,软件系统人机界面友好,组件维护方便,实现了多种运动控制功能,使系统具有一定的开放性。