【关键词】数控铣床
【摘要】82CNC数控铣床是自贡硬质合金公司(以下简称自硬公司)于1997年从瑞士斯特劳沙公司(Strausak)引进的一台高性能数控加工中心。它在Z轴上装配了三个可同时联动旋转的加工主轴，具有很高的加工效率。旋转主轴转速最高可达3000rpm，加工精度在2μm以内。
一、引言
82CNC数控铣床是自贡硬质合金公司(以下简称自硬公司)于1997年从瑞士斯特劳沙公司(Strausak)引进的一台高性能数控加工中心。它在Z轴上装配了三个可同时联动旋转的加工主轴，具有很高的加工效率。旋转主轴转速最高可达3000rpm，加工精度在2μm以内。
该铣床经过多年的使用，在PC控制计算机上先后出现了很多维修难题而无法得到圆满的解决，主要表现为：
原PC系统是基于Intel 486体系和VESA局部显示总线架构，启动和运行速度均极慢，无法满足生产要求；PC工作极不稳定，运行中经常发生死机，而每次初始化又需要很长时间；SCSI接口的软驱、磁带机、内置UPS功能的PC电源均已损坏而无法修复，也无法采购到备件，改造前PC电源系用普通微机电源临时替换使用；PC的操作系统和应用软件均以安装配置后的硬盘整体磁带压缩备份加密方式提供的，而目前磁带机已经损坏，一旦发生软件系统崩溃的灾难性故障将无法得到恢复，系统运行中潜伏着很大的危机。
基于以上原因，对82CNC数控铣床PC主机进行软硬件的升级改造势在必行。
二、82CNC数控系统构成
82CNC数控铣床加工系统是一套多功能、高性能的机电一体化数控加工中心。整个系统由以下几个主要部分组成：
2.1（一） HP9000/715C工作站：
该部分采用惠普公司的HP9000系列715C高性能三维实体处理图形工作站，将要加工的工件实体通过SoliderDesigner和Hypermill软件的处理生成标准的NC代码，然后通过细缆以太网以FTP的方式与机床的PC主机进行数据交换。
2.2（二） Atek 5500 DNC：
由多块控制板、存储板、通讯板、A/D、D/A转换板及I/O板、专用CPU板、电源系统等构成。它下连机床驱动单元、测量检测单元以及旋转编码器等，上接82CNC控制加工中心主机，在整个控制系统中发挥着“中枢神经系统”的作用。该部分构成复杂，功能板卡众多，价格昂贵，且用专用的现场总线连接。
在DNC机柜单元内安装着一块存储板，其上集成了2MB的指令和数据存储器（静态存储器，需要由机柜内的后备电池保存数据）。
2.3（三） 82CNC PC控制主机(MMI人机界面)
该部分由PC主机、VGA彩色图形监视器、多区操作面板、后备UPS电源和连接电缆（网络、视频、串并口等）组成。
PC主机是基于INTEL 486的系统（16MB RAM），通过ISA插槽扩展了VESA局部视频总线显示单元、LILO视频及混合键盘信号驱动放大单元（NC589长线驱动卡）、串并口通讯单元、SCSI硬盘软驱存储系统单元、以太网络适配卡单元。Atek 5500 DNC与PC主机的数据交换是通过串并口卡来实现的，波特率固定为9600bps。首次初始化传输指令和数据，按完全装满2MB内存来概算，大约需要36分钟。一般情况下只需要装载1.2MB的数据，故每次机床初始化的时间都在12～15分钟之间。
2.4（四） 专用UNIX操作系统及数控加工应用软件：
在PC主机上运行的是SUN公司早期的INTERACTIVE UNIX SYSTEM V 386 Ver4.0版。基于该操作系统及相关硬件的支撑，配合斯特劳沙公司自己开发的CIMATEK C3000 Atek NC System AG数控应用加工软件及X11图形多用户系统的协同操作，完成复杂的模具加工作业和实时的加工图形显示功能、网络传输功能等操作。
82CNC数控系统的构成如图1所示。
三、改造方法与技术要点
因机床的机械系统、电气系统和DNC单元均运行良好，故障的重点在PC控制主机上，故本次改造仅涉及PC硬件和MMI人机界面软件。
三、改造方法与技术要点
因机床的机械系统、电气系统和DNC单元均运行良好，故障的重点在PC控制主机上，故本次改造仅涉及PC硬件和MMI人机界面软件。
3.1(一) PC主机硬件部分
PC主机硬件升级应考虑满足以下要求：
(1).1. 在硬件体系上能完全兼容老系统中ISA接口的NC589长线驱动卡。该卡不可弃用，因操作台上的彩色图形监示器、键盘和PC主机的距离超过了15米，必须配置信号驱动放大装置才能保证信号不被过多地衰减；
(2).2. 对新系统中拟将弃用的ISA串并口通讯卡、VESA接口显卡、ISA接口的AHA 1542CF SCSI控制卡以及老式的ISA细缆以太网卡须有完善的替代解决方案；
(3).3. 兼容X86指令集，可对SUN OS INTERACTIVE UNIX SYSTEM V 386 Ver4.0操作系统和斯特劳沙公司的C3000机床应用加工软件提供良好的支持。
本次改造采用了如表1所示的工业控制计算机作为PC的硬件平台，经实际使用表明能对改造后继续保留的NC589长线驱动卡和软件系统提供良好的运行支撑。
3.2(二) 操作系统和应用软件的升级、移植和重配置
经对原系统和应用软件的分析，发现CIMATEK C3000 ATEK 5500数控加工软件实际上是由多达50个可自由裁减的应用软件包组成的，可根据现场实际需要进行增删和设置。
应用软件中与操作系统进行交互并发挥主导作用的是以下几个驱动：
(1).1. C012：C012_driver ATEK GRUNDEG SYSTEM AG，C3000核心驱动
(2).2. adi：adi_Driver ATEK GRUNDEG SYSTEM AG，并口驱动（0378H）
(3).3. fas：FAS Driver (COM1/2/3/4)，串口1～4通讯驱动
(4).4. fd：Floppy Disk Driver，软盘驱动器驱动
(5).5. ic：ic0_Driver ATEK GRUNDEG SYSTEM AG，串口2驱动（负责串并口通讯卡驱动与DNC通讯）
(6).6. socksys：network application compatibility driver，网络应用程序驱动（TCP/IP协议驱动）
(7).7. tud：tud_Driver GRUNDEG ATEK SYSTEM AG，C3000协同驱动
(8).8. wd0：Westen Digital Ethercard PLUS，西部数据公司的8013 ISA细缆以太网卡驱动
由此可见，82CNC数控铣床PC主机改造的重点和难点，实际上集中于软件的升级、移植和重配置上。
无论是早期的UNIX操作系统还是现在流行的Linux操作系统，它们的正常运行都必须紧密依托于硬件。哪怕硬件环境发生一点轻微的变化（譬如更换更高主频的CPU），系统内核、相关的驱动和配置文件等都必须进行修改后才能运行。当硬件体系发生较大变化时，大多数的应用软件还需对其源程序进行重新编译后才能在新的硬件环境中执行。
原曾设想将较老的INTERACTIVE UNIX操作系统升级到SUN公司的Solaris 8.0，但苦于无法找到数控加工软件CIMATEK C3000的源程序；向外方咨询和索要，被以“时间久远无法找到”而婉拒。由于INTERACTIVE UNIX操作系统和CIMATEK C3000数控加工应用软件是以正常安装配置后的硬盘整体压缩备份加密方式存储在磁带上（用unix中的“dd”命令），这就给操作系统和应用软件在新硬件体系上的重新安装和配置增加了更大的技术难度。
数次以失败而告终的安装经历表明：用外方提供的启动软盘和备份磁带，在体系已完全发生质变的新硬件系统上是根本不可能成功通过的。
经过不懈的努力和艰难的探索，技术人员终于找到了一个既能成功安装、移植和重新配置操作系统和应用软件，同时又可完全识别和驱动所有新增硬件的方法。这一方法的核心是采用Norton公司的GHOST 7.0克隆软件来实现的。
3.3(三) 操作系统和应用软件的克隆方法
(1).1. 在新PC工控主机的IDE硬盘上预装中文Win98SE和NORTON GHOST 7.0。
(2).2. 关闭新PC工控主机电源，将老系统硬盘的SCSI ID号设为2，新系统的SCSI硬盘ID号固定为0。将这两块硬盘共用一根50针的SCSI信号线，并分别接上电源线。同时接上IDE硬盘的信号线和电源线。
(3).3. 打开新PC工控主机电源====è连续按“Del”键====è进入BIOS设置====è启用CPU板上集成的IDE1、2，并将引导顺序改为IDE优先，保存设置并重新启动。
(4).4. 当主机出现硬件自检画面时，连续按下键盘上的F8功能键，此时出现一个有带有5个选项的引导菜单时，按下Shift+F5键。
(5).5. 当出现C:>的提示符号，输入以下命令：
cd \ghost70(回车)====èghost(回车) ====è光标键上移到“Disk”处，按下光标右键====è选“Disk” “From Disk”====è在出现的克隆源列表中，选中老系统的SCSI硬盘====è按下回车键====è此时系统出现一个对话框：将蓝色光标条定位于第一分区（默认分区，DOS FAT12格式）。在默认的目标分区容量输入框内，参考最右面的源克隆包分区大小（标识为 OLD），将OLD指示的值填入该框内(注意：这一步操作极其关键，也是技术要点和难点所在，否则克隆出的硬盘无法引导)。====è连续按下“TAB”键直至光标定位于“OK”按钮之上====è按下回车键====è在随后又出现的一个对话框内选择“OK” ====è按下回车键
(6).6. 系统开始克隆，须耐心等待约20分钟（视被克隆硬盘的大小而定）。当克隆进度指示条显示100%，并出现一个新的对话框时，选择“Reset Computer”，按回车键后重新启动。
(7).7. 此时立即连续地按下“Del”键，直至BIOS设置菜单重新出现====è恢复更改前的设置：将IDE1、2禁用；将引导顺序变更为SCSI优先。
(8).8. 关闭新PC主机电源，拔下IDE硬盘电源线和信号线及老系统上的SCSI硬盘。
至此操作系统和应用软件的安装和移植已告完成，但通过这种方式安装出来的硬盘和系统还不能立即使用，原因在于UNIX操作系统和应用软件与所使用的硬件环境密切相关，还需作进一步的配置和修改才能使用。这包括：配置SCSI卡的HPDD(High Performance Device Drive)驱动、配置网卡和NFS网络环境、配置显卡、键盘、鼠标的X-Window图形驱动以及启用CPU板上集成的串并口等。
3.4（四） 更改和配置AHA 1520 SCSI卡的HPDD驱动设置：
由于本次改造将SCSI卡由AHA 1542CF更换为 AHA 1520，在unix 的系统内核中须改写HPDD驱动的设置并保存设置，然后安装该内核。重新启动后即可实现上述要求。
具体操作为：
进入unix操作系统后，不登录X Windows，直接按“ESC”键退出。输入超级用户名和密码，登录到控制台界面，执行以下命令：
kconfig===èDrivers===èHPDD==èChange HPDD==èBoot controller==è选择相应的SCSI卡驱动==è配置IRQ/DMA/Address/硬盘及磁带机的ID号==èOK==è保存设置==è新建内核==è安装新内核==è重新启动。
3.5（五） 安装、配置3COM 3C509B ISA网卡驱动和NFS网络环境
安装、配置方法为：进入unix 的控制台模式==è输入：sysadm==èsoftware==èinstall package==èfrom 1.44MB==è插入标签名称为Interactive unix netcard drivers(ndr)的软盘==è只选择 3Com 3C509B的网卡驱动安装，其余的均设定为NO==è修改内核==è重新启动==è用命令 sysadm netdrvrmgmt配置该网卡==è驱动名称：e3E0，IRQ：10 ，DMA：-1，I/O Address：300～30F==è配置TCP/IP协议驱动（IP地址、子网掩码、主机名称绑定strazig1）==è退出，重建内核==è重新启动：shutdown –y –g0==è重新安装内核è kconfig -color==èInstall Kernel==è选择已配置好3Com 3C509B网卡的内核名==è重新启动==è初始化配置==èOK。
在完成以上步骤后，还需对/etc子目录下的hosts和netd.cf这两个网络配置文件进行手动编辑。
hosts文件的内容和格式按以下方式编写：
File: hosts IP Address Class C Net
Autor: Mr MingLiang Guan& JiangYong 10-01-2005
127.0.0.1 local localhost
89.100.100.100 cad CAD
89.100.100.101 strazig1 STRAZIG1
netd.cf文件的内容和格式按以下方式编写：
This is the configuration file for host-based TCP/IP, used by /etc/netd.
open control streams for transport protocols //注释和说明
tcp = "/dev/tcp" //配置TCP协议设备
udp = "/dev/udp" //配置UDP协议设备
open an IP stream for each transport protocol
ip_tcp = "/dev/ip" nsap 6 bind stream to TCP protocol id //绑定TCP协议流ID号
ip_udp = "/dev/ip" nsap 17 bind stream to UDP protocol id//绑定UDP协议流ID号
put it together
link ip_tcp under tcp
link ip_udp under udp
Setup for loopback driver
loop = "/dev/lo" lsap 0x800 stream for loopback driver //设置环回测试的设备名
link loop under ip_tcp name "lo0"
ifconfig "lo0" localhost up
e3E0 Ethernet interface
arp0 = "/dev/arp" lsap 0x800
e3E0_arp = "/dev/e3E0" lsap 0x806 stream for ARP messages
e3E0_ip = "/dev/e3E0" lsap 0x800 stream for IP messages
link arp0 under ip_tcp name "e3E0"
link e3E0_arp under arp0 type 0x101
link e3E0_ip under arp0 type 0x1
ifconfig "e3E0" strazig1 netmask 255.255.255.0 broadcast 89.0.0.0 up //对网卡设备名、子网掩码、广播地址和是否启用进行设置
3.6（六） 配置Cirrus Logic GD5446 PCI显卡驱动：
由于早期的SUN INTERACTIVE UNIX系统不可能提供对现在的新集成显卡的驱动，故本次改造中选用了SUN INTERACTIVE UNIX驱动列表清单内支持的、目前市面上还能够找到的Cirrus Logic GD5446 PCI显卡作为图形显示和驱动设备，而CPU板上集成的显卡在BIOS中被设置为“禁用”。
配置方法为：
进入unix 的控制台模式==è输入：sysadm==èsoftware==èX==èconfigmgmt==èadd (2) ==èdisp?(0) ==è1：display==è12：V256 (VGA and compatibles 256 colors==è15：SVPMI descrtption file==è4：Cirrus Logic CL-GD542X VGA (1024X768X256X60Hz mode 60h) ==èEnter screen size (in inches)…【11X8】==è回车==èEnter full pathname to screen device[/dev/vt100]：==è回车==èq==èSave these change? [y]：==è输入 y==èq==èq==è逐步退出到unix的控制台模式下
四、 主机系统CPU板BIOS关键设置选项
为适配INTERACTIVE UNIX操作系统对某些特定的端口地址、中断和DMA的保留需求，需要在BIOS中对此进行一些设置，这些设置选项分别是：
(1).(一) CPU L1&L2 Cache ：（Disable）?-----只有禁用此项设置才能使用CPU板上集成的串并口并使其正常操作，否则会出现不能通讯联络，握手信号指示灯点亮后无法维持的故障。
(2).(二) On chip primary PCI IDE1 ：Disable?------需要IDE硬盘首先引导时再打开本项设置
(3).(三) On chip primary PCI IDE2 ：Disable?------需要光驱首先引导时再打开本项设置
(4).(四) Onboard serial port 1 ：Enabled （3F8/IRQ4）
(5).(五) Onboard serial port 2 ：Enabled （2F8/IRQ3）
(6).(六) Onboard parallel port ：Enabled （378/IRQ7）
(7).(七) Onboard lan1 device ：Enabled
(8).(八) Onboard lan2 device ：Enabled
(9).(九) Resourse controlled by ：【manual】
(10).(十) IRQ resourse IRQ3 ：[Legacy ISA]
(11).(十一) IRQ resourse IRQ4 ：[Legacy ISA]
(12).(十二) IRQ resourse IRQ10 ：[Legacy ISA] ?-----视SCSI需要保留的中断号来决定是否需要选择。
(13).(十三) IRQ resourse IRQ11 ：[Legacy ISA] ?-----视SCSI需要保留的中断号来决定是否需要选择
五、 结束语
对82CNC数控铣床PC控制主机的升级改造涉及硬件系统和软件系统两个方面：在软件方面，采用硬盘克隆的方式并注意掌握好克隆过程中的关键技术细节，根据升级后所选用的功能组件和运行的硬件平台的不同来合理地裁减和配置相关的内核、驱动、BIOS设置，不仅可达到“事半功倍”的效果，还能彻底摆脱外方在技术上的封锁和限制，构建真正适用于企业环境的MMI操作界面，并拥有灵活的组网方式和自主的维护方法。
对于硬件系统，升级改造实践证明：采用高性能的基于Intel P4架构的工业控制计算机和相关的功能组件，对旧式Intel 486体系的PC控制主机进行升级改造，在技术上是完全可行的；在安全、稳定、高效、易用及对操作系统和应用软件的兼容性等方面也完全能够满足应用需求，在性能上比改造前提高了一个数量级。
