近年来，随着现代制造业的发展，尤其是计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)的发展，产品更新速度的不断加快，中小批量生产比重的加大以及数控系统应用领域的不断扩大，使得用户对CNC系统的需求呈现多元化：在通信组网方面要求CNC系统可以与CAD/CAM/CAPP等系统实现通信；在系统的灵活性、可移植性方面则要求CNC系统具有模块化和可重新配置的特点，可根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本的构建面向用户的控制系统。

    而传统的CNC系统由于专用性强，功能扩展困难，软件移植性差，组网通讯能力差等等缺点，明显已跟不上发展的要求。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和通用性的要求，出现了对开放式数控系统结构的研究。目前，世界上许多国家都对此投入了大量的人力，物力和财力，并取得了不小的成果，例如欧洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、美国的OMAC (Open Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Environment)。

    个人计算机(PC)，由于其硬件的标准化、高速运算能力、开放总线、网络功能以及丰富的软件资源等，使得它在改善CNC系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等功能方面表现出了无可比拟的优势；系统设计者也可以将各种功能模块(如轴运动控制器、I/O接口卡等)接入系统，将CAD/CAM软件装进系统运行并直接控制机床加工程序。因此，基于PC的开放式数控系统已成为数控系统开放化的主要方向。基于PC，主要是IPC(工业PC机)的开放式数控系统按数控部件与PC的连接，有如下形式：

    (1) 利用单片机或DSP作为数控轴的运动控制部件，采用双端口存储技术或串/并行通信与主机(PC)交换数据，实现CNC控制；

    (2) 利用PC高速运算能力，将硬件功能软化，用于CNC控制的硬件只是简单的接口；

    (3) 利用EPCD、CPLD等大规模器件，作为基于IPC的专用数字-脉冲伺服接口卡，控制执行电机的运动。

    随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。为了顺应市场的需求，我们设计开发了一种基于PC的高速雕铣机的数控系统。该系统的设计，在功能实现上，采用模块化的设计思想；在结构上，采用/位置控制卡+PC的形式也就是以上介绍的基于PC开放式数控系统的第三种形式，并设计了基于CPLD的位置控制卡来实现数字-脉冲伺服接口和其他I/O接口功能。

    1、高速CNC雕铣机数控系统组成

    系统结构及各部分功能

    PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统，与普通PC、ISA总线控制系统相比有如下特点：

    (1) 尺寸结构小：标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸，即90×96mm。

    (2) 堆栈式连接：总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块之间，总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。

    (3) 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1~2W能耗。

    正是由于PC104体积小，功耗小，联接可靠，采用PC104作为主机，可以大大减小CNC控制器的体积，系统更加紧凑可靠因此，这里选用PC104工控机作为上位机，搭建了“位置控制卡+PC104”的开放式形式数控系统，系统的组成框图如图1所示。

图1 高速数控雕铣机组成框图

   图1高速数控雕铣机组成框图根据功能的不同，可将系统分成如下各模块：系统管理模块、运动控制模块、数字-脉冲伺服接口模块、电气控制模块、机床面板操作模块和伺服驱动模块。下面分别加以简要介绍。

    (1) 管理模块和运动控制模块

    这部分功能主要由上位机PC104实现，主要任务是管理和组织整个CNC系统有条不紊地工作，主要包括加工程序的输入、编辑编译，中断管理，故障的自诊断，完成各种控制算法和插补算法，响应操作面板和键盘的输入，同时还要把运动控制器反馈的数据，机床工作状态，在CRT上显示出来。