隨著現代制造業的快速發展，計算機數控(CNC)系統作為必備的基礎設備，已成為當今先進制造技術的一個重要組成部分。但由于傳統數控系統兼容性差、功能不易擴展、人機界面不靈活等缺點日益顯現，使計算機技術發展的最新成果無法得到及時運用，嚴重地阻礙了數控技術的發展。

開放式數控系統的主要目的是解決市場需求變化頻繁與控制系統框架結構專一固定之間的矛盾，它的出現適應了現代技術不斷發展的需要，從而建立了統一的可重構系統平臺，極大地增強控制系統的柔性和適應性。目前歐洲、美國、日本都成立了開放式數控的研究機構，它們的發展計劃代號分別為OSE、OS—ACA、0MAC，并已經取得了一定的成果。

1 開放式數控系統的體系結構

按照IEEE對于開放式系統的定義，一個開放式系統具有以下能力：經過恰當實現的應用程序能夠在不同廠商的多個平臺上運行，能夠與其它系統的應用程序互操作，并且能夠提供一致性的人機交互界面。目前開放式數控系統基本有3種結構形式。

1.1 專用CNC+PC主板

　　采用傳統數控專用模板嵌入通用PC機構成數控系統。系統可以共享計算機的一部分軟件和硬件資源，計算機的作用在于進行輔助編程、監控、編排工藝等工作。

　　1.2 通用PC+開放式運動控制器

　　完全以PC為硬件平臺構成數控系統，其主要部件是計算機和運動控制器。機床的運動控制和邏輯控制功能由獨立的運動控制器完成，具有開放性的運動控制器是該系統的核心部分。目前國際上對于這種體系結構的研究最具有代表性的組織是OSE(open system Environment)。

　　1.3 完全PC型

　　全軟件數控完全采用PC軟件構成數控系統，以應用軟件的形式實現運動控制。目前國際上對于這種體系結構的研究還處于起步階段，未形成產品。3種方案中，OSE的PC+適配器卡的方案靈活，并且可以充分利用PC機的價格、資源、技術優勢，具有重要的研究意義。

2 開放式數控車系統平臺

　　可編程控制器(PLC)是為了取代傳統的繼電器一接觸器控制系統而產生的工業控制裝置。基于PLC的開放式數控車控制系統，采用運動控制器與用PC機為核心，運動控制器插在其PCI標準插槽上。PLC輔助控制模塊通過輸入／輸出接口與運動控制器相聯接。針對運動控制器進行功能擴展，用PLC完成數控系統的順序控制和輔助功能控制。

　　2.1 硬件系統平臺

　　系統的硬件系統平臺主要包括通用PC機、運動控制器、PLC、驅動器、步進電機、變頻器、主軸電機、電動刀架、機械系統、液壓系統，PC機為軟件的開發提供平臺，主要是開發自主的軟件控制系統；運動控制器可以對機床進行多軸的軌跡控制，其內部提供了典型的插補算法，如直線插補、圓弧插補等，運動控制器還提供了數字量的輸入／輸出接口，與PLC實現通信，驅動器通過運動控制器控制步迸電機的多軸協調運動。

　　PLC作為輔助功能的控制核心實現數控系統的順序控制；變頻器主要實現主軸電機的變頻調速；電動刀架由PLC控制，實現自動換刀功能；機械系統提供了機床的加工平臺；液壓系統主要用來提供一些輔助功能的動力，例如驅動尾架移動、夾具加緊等。

　　其中，硬件系統關鍵技術為

　　1)在PC機和運動控制器的基礎上，設計基于PLC的電氣控制系統，使PLC代替傳統的繼電器一接觸器系統，完成數控系統輔助模塊的設計。

　　2)利用變頻器，實現主軸的變頻調速，實現變頻器與PLC的通信。

　　3)PLC與自主開發的數控車系統軟件之間的通信。

　　4)數控系統通過對PLC的控制，實現對機床運動及加工過程的協調控制。

　　2.2 軟件系統框架

　　軟件系統模塊主要包括：人機界面模塊、在線仿真模塊、自動加工模塊、離線仿真模塊、數據處理模塊、代碼解釋模塊和故障診斷模塊。其中，軟件系統關鍵技術為

　　1)系統總體結構的規劃。由于整個系統的結構比較復雜，包括很多功能子模塊，因此必須首先規劃好系統包括那些模塊和各模塊的功能。

　　2)各個功能模塊之間的數據傳輸和協調，數據格式的定義。由于G代碼提供的數據格式并不適合在各個模塊之間傳輸，因此需要重新定義一種數據格式來表達G代碼的含義并在各個模塊間進行傳輸。

　　3)自動加工的實時性和各模塊之間的同步。加工是整個系統最重要的功能，所以必須使其實時性得到保證；在加工的過程中，還要執行譯碼、仿真、診斷等過程。因此必須要保證各模塊間的同步。

　　4)各種算法的實現。刀補算法、材料去除算法、車削工藝所要求的各種功能算法(如循環車削的路徑規劃)。

3 數控車系統中PLC的設計分析

　　PLC主要用來實現數控車系統中的輔助功能，通過對軟繼電器的邏輯控制，實現輸出點的不同組合，完成數控車系統的順序控制。在PLC程序設計時，首先要滿足控制的基本要求，其次要注意各輸入輸出之間的安全性，并保留一定的控制冗余，保證整個系統的可靠性。根據PLC控制系統的設計流程，首先要明確PLC的控制對象。

　　3.1 分解被控對象

　　將被控對象按功能進行分解，這樣便于確定PLC的資源分配，是化整為零的設計思路。數控車電氣控制系統根據設計的控制功能，其進給傳動控制，由運動控制卡和步進電機來實現。PLC主要實現其輔助功能的控制，主要包括車床的主軸起停功能、主軸調速功能、換刀功能、冷卻液開關功能、夾具的自動夾緊和松開功能、尾座的前進和后退功能。因此，被控對象是主軸電機、電動刀架、冷卻液電機、液壓系統控制下的夾具與尾座。

　　3.2 確定I/O點

　　合理的確定I／O點，對于PLC的選型和PLC系統的設計非常重要。根據分解后的各個功能項，仔細分析輸入信號和輸出設備所需的信號的數量，以便確定I／O點。在確定I／O點時，輸入與輸出要相結合，同時考慮，才能做出正確合理的判斷。

　　1)輸入點分析

　　主軸控制。主要包括主軸的速度控制和起?？刂?，速度控制要實現無級調速和指定速度的多檔調速。根據變頻器相關功能的分析，無級調速在數控面板上通過電位器調節，也就是在輸人信號時由一個模擬量輸入，在上位機上，可以通過運動控制卡輸入，也為一個模擬量輸入。指定多檔調速，在變頻器上有相應的4個點，能進行15位檔速的調速。所以需要4位的數字量輸入。正反轉和停止也需要3個輸入量，所以共需要7個輸入點。PLC所需輸入／輸出點數量確定結果。

　　刀具控制。本電動刀具只控制4把刀，所以只需2個數字輸入點，利用編碼組合就可以形成4種信號。

　　冷卻液控制。冷卻液控制只有起、停兩種狀態，所以用一個數字量輸入的高電平和低電平狀態就可以實現。

　　夾具控制。夾具控制主要是利用電磁閥的兩位控制，一個夾緊，一個松開。需要兩個數字量來實現。尾座控制。尾座的向前移動，向后移動和定位，需要三位兩通的電磁閥，所以暫時定為3個數字量。

　　2)輸出點分析

　　變頻器。變頻器對主軸電機的控制需要6個數字量和1個模擬量，4個數字量的不同二進制編碼組合，實現15檔調速，模擬量實現無極調速。刀架控制卡。刀架控制卡對刀架的控制，需要兩個數字量。

　　電機接觸器。電機接觸器用來控制冷卻液電機的起、停。選用常開觸點的接觸器。在啟動電機時，給一個高電平數字量，電機啟動。

　　控制夾具電磁閥。兩位的電磁閥，需要兩個輸出數字量。

　　控制尾座電磁閥。三位的電磁閥，可通過3個數字量控制。

　　在PLC的選型中，除了以輸入／輸出點為設計標準之外，還要注意CPU本身具有的擴展能力強弱。

　　3.3 PLC配線圖

　　確定了系統的被控對象和PLC的CPU和擴展型號之后，PLC的線路設計硬件設計的最后工作。線路設計也就是整個系統的布線，電路的連接，各個電器的有機組合。在所有的電器元件中PLC起著核心的作用。替代了傳統繼電器一接觸器控制系統中的中間繼電器等很多運算元件和檢測元件。不僅大大的簡化了系統的復雜程度，也提高了系統的可靠性和穩定性。

　　從本質幕講，基于PLC的機床電氣控制系統對機床的控制思路仍然與繼電器一接觸器控制系統是一致的。只是在控制手段上采用了先進的控制設備。對于主軸的調速功能采用了比較先進的變頻調速，這樣就極大的簡化了主軸箱的齒輪調速機構，只需將主軸驅動電機直接與主軸相連即可。PLC控制系統的數字量輸入／輸出點配線圖如圖3所示。

4 基于變頻器的主軸控制系統設計

　　4.1 變頻器的選型

　　變頻器的選型，主要是從品牌和型號兩方面進行選擇。品牌的選擇，范圍很廣泛。目前市場上變頻器的品牌種類繁多，國產的價格相對比較低，進口產品則在功能方面比較全面。僅從實現本設計的要求來說，考慮到便于推廣和降低成本，可以選擇國有的知名品牌。但是作為單機試驗項目，為了今后系統的擴展和開發，我們選擇了西門子品牌，首先西門子變頻器與西門子PLC之間的通訊就比較方便，其次經過市場調查，西門子品牌的市場占有也很高，變頻器的銷售和技術服務提供都比較完善。型號的選擇主要根據以下幾點因素

　　(1)電動機的功率；

　　(2)電動機的輸出類型；

　　(3)電動機的額定電壓、額定電流；

　　(4)轉矩過載能力。

　　主軸電機的功率為3kW，輸出類型為恒轉矩輸出，額定電壓為380V AC，要求的過載能力為瞬時150 oA。根據以上要求，選擇了SIEMENS—MI—CROMASTER440(3kW)通用型變頻器(簡稱MM440型)。

　　4.2 主軸控制程序設計

　　主軸控制程序實現主軸正轉／反轉／停止／調速。主軸電機主要通過變頻器控制，所以根據變頻器所需的信號組合，控制PLC的輸出的信號組合實現主軸功能如圖4所示。

5 小結

　　開放式數控系統是數控技術發展的必然趨勢，文中通過對開放式數控車控制系統的結構的研究，分析了數控車系統的軟、硬件平臺的總體設計框架，規劃了開放式數控車系統的控制功能，提出了數控車系統開發的關鍵技術。在整個數控體系中，通過PLC與PC機和運動控制器的相互通信，實現了由PC機統一協調動作過程，使數控系統充分利用PC機豐富的軟硬件資源和技術優勢，通過模塊化程序設計，使系統的通用性、擴展性和可移植性得到提高。

　　系統由PLC模塊作為動作執行控制核心，實現了對變頻器、電動刀架、機械系統移動部件及液壓系統輔助功能的動作控制，PLC的獨立性、可擴展性、互換性充分的體現了開放式數控系統的本質意義。