基于WINDOWS CE高性能的大兰数控

90年代初期，数控系统进入基于PC机的阶段。基于PC机的数控系统（CNC）又以WINDOWS CE操作系统为实时性最高，CE是一款硬实时性高可靠性操作系统，国外的高级数控系统大多都是基于CE，比如FANUC310，三菱720等。 众所周知，目前最常用的Windows桌面操作系统是多线程、抢先多任务的32位操作系统，实时性比较差。而实时控制又是数控系统的关键所在，它决定了数控机床的加工速度和加工精度。因此有些数控系统采用原始的DOS操作系统作为软件平台，可以满足一般的实时性要求。但是，运行在实模式下的16 位单任务的DOS操作系统没有发挥出32位PC机的优势，而且应用程序受640k内存限制，并可直接对硬件操作，系统可靠性也很难保证。 实时操作系统WindowsCE. NET是严格的硬实时系统，硬实时系统是一个如果没有达到它的计时需要就会失败的系统，本文介绍的大兰M720i是基于WindowsCE. NET嵌入式高标准的数控系统，内核来自日本数控系统，操作全面兼容FANUC操作员。可广泛应用于各种数控机床、加工中心及一些特殊用途。 M720系列数控系统是按照工业级标准，应用嵌入式技术制造的高性能CNC。系统采用WindowsCE. NET4.2操作系统，及吸取FANUC技术，使用户可以拥有操作方便的窗口人机界面，而且从串行口到复杂的通信网络都能应用。 图1 M720系列数控系统外形结构图 主控制器是一台镜像了WindowsCE. NET4.2操作系统的工业嵌入式主机，可以通过主板上标准的PC104插槽和PC104总线连接系统需要的器件，如轴控卡，数字或模拟量输入/输出（I/O）接口、通信网卡等。M720系统通过PC104总线配置了可控制4个模拟量（或脉冲）轴和1个主轴的控制卡；32个数字量输入和32个数字量输出及2路模拟量输出通道。用户还可以根据需要通过多轴扩展板卡，或I/O扩展模块，实现控制更多轴和更多I/O的功能。 M720系列操作系统还配置1个以太网卡（TCP/IP协议）；3个串行通信接口（其中1个可配置为RS-485接口 ）；1个CAN通信接口和1个USB通信接口，可以灵活地实现网络化控制。同时连接TFT（ CRT）的显示卡。系统采用8.4″三菱500高亮度超薄液晶显示器和薄膜按键，更适合于工业现场应用。可在其可视化界面内很专业、很方便的监控和实现各种操作，如：加工过程曲线图形和加工件零件的各种信息；根据用户需要编写的PLC程序、在线监控PLC和CNC信号和在线程序修改等；可以观察加工过程中的机械坐标、程序坐标等一些重要的操作信息，有各种信号的诊断功能。图2 NC操作面板可用于控制系统和程序的起停操作，还可以通过它实现控制对象（如机床）的手动控制，如X、Y、Z轴的手动进给；主轴的正转、反转控制；润滑、冷却系统控制等，便于机床调试。 WindowsCE. NET4.2实时内核使数控系统可以以固定的时间间隔执行实时任务，而且在执行实时任务时，禁止其他非实时任务的执行，并能够直接获得系统相关的硬件资源。系统CNC软件包含与运动控制有关的所有功能，如对用户的NC程序进行编译、解释代码；运动轨迹的插补运算；轴的位置环控制及与软件PLC和外部设备的通信等。 M720内置的高速软PLC符合IEC-1131-3标准，用户可以使用梯形图、功能程序段、指令表、流程图及结构文本等多种PLC语言编程，完成各种复杂的机床逻辑控制。系统还内置机床参数编辑器和逻辑分析仪（非常有用的调试工具），使得机床控制系统的安装、调试和保养非常简便。 M720的“自适应预读功能”可以在实时情况下，预处理几百个NC程序段，并且可以根据相应的进给速率自动调整加、减速控制。自适应预读功能速度变化曲线如图4所示，图中横坐标是NC程序段，纵坐标F表示执行速度。用灰色曲线表示的没有预读功能，因此每个程序段都要执行加速和减速操作；而黑色曲线表示的G5.1的速度是连续变化的，这样不仅增强了机床的效率，也提高了加工工件的表面光洁度。 系统的“曲率优化功能”，可以使大量连续微小线段加工达到最佳效果，更好地保证加工过程的快速性、连续性和平稳性。同时快速的 WindowsCE. NET4.2实时内核能够完成各种实时操作，满足快速性要求。 系统采用“自适应调节技术”，可以在实时状态下根除伺服滞后并且抑制由速度变化导致的共振干扰。能够自动为每根轴选择最佳参数，然后在运行过程中补偿这些参数。精确停止插补功能及拐角平滑处理功能，能有效防止拐角处发生过切现象，可以获得良好的加工精度。 良好的人机界面 操作人员可以通过功能键选择5种不同的操作模式，菜单式操作简单易学。界面类同FANUC，操作全面兼容FANUC操作员。 数控系统直接配置通用网络接口，使其具有强大的网络通信功能，容易实现远程监视和控制，及分散化网络加工，使现代化管理成为可能。 建立在WindowsCE. NET4.2实时内核平台上的M720数控系统具备柔性、开放性和不断扩展的特性。通过简单的系统参数及功能设定，便可实现各种先进的控制技术，满足复杂加工和几乎所有应用，如各种高速高精度车、铣、雕、磨、线切割及激光加工设备；复杂加工中心；5轴联动机床等。为用户提供一流的专家解决方案。 如：M720所独有的曲率优化功能，能对连续小线段加工轨迹进行平滑处理，进一步提高加工快速性，并获得更好的表面光洁度。自适应预读功能够根据进给速度和加工轨迹处理加减速，避免小线段频繁加减速，保证加工速度稳定，实现快速加工。特别适用于高速雕铣机的控制。 M720系统还能够根据加工距离、加工时间的变化对激光能量进行控制。距离调整功能可以控制激光头（Z方向）与加工表面保持恒定距离。对于三维切割，可以保证切割的平整性，避免过切现象。非常适用于激光切割机的控制应用，两个高分辨率的DA可高准的控制振镜。 另外M720操作界面与FANUC完全相同，系统丰富全面的控制功能和卓越的性能，可以使学生更多地了解数控领域的先进技术和发展方向。如图 与传统数控系统相比， WindowsCE. NET4.2实时内核数控系统可以充分利用Windows平台和CNC的开放式软件工具开发所需的各种功能，使用户可以灵活的组态CNC功能模块，构成各种类型的高性能数控系统。以满足普通机床、加工中心及各种特殊类型机床的复杂控制。这种实现形式上的变革使得系统可以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，大幅度提升数控系统的控制性能，简化系统实现难度，缩短研发周期；大大增强了系统的伸缩性和可扩展性。因此，WindowsCE. NET4.2实时内核数控系统具有最高的性能价格比，最有很强的生命力。