畢業(yè)設計（論文）-基于pc的數控系統設計

1、<p><b>　　.</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著數控加工技術的發(fā)展和復雜曲面零件的廣泛應用，數控系統被廣泛應用于機械、電子、計算機、自動控制、檢測等各個領域，開放式數控系統的研究目的是要建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統機構，以增強數控系統的功能柔性，能夠快速而經濟地響應

2、新的加工需求。</p><p>　　本文圍繞著開放式CNC （Computer Numerical Control）系統設計中的若干關鍵技術，從體系結構分析、系統硬件結構地開放化設計等方面進行了研究。全文主要研究工作如下：</p><p>　　系統研究了基于PC的開放式CNC系統的關鍵性基礎問題:CNC體系結構的概念及其對系統性能和發(fā)展的重要性，現有CNC系統體系結構的特點和缺陷，CNC系

3、統體系結構開放的必要性、開放的理念和目標以及實現開發(fā)的途徑。在需求分析的基礎上，談論了開放式CNC體系結構的設計原則和概念模型。 </p><p>　　對開放體系結構CNC系統的開放特性需求，研究討論了基于CAN總線的模塊化體系結構以及各功能模塊。</p><p>　　關鍵詞: 數控系統 開放體系結構 CAN總線 PCI總線 </p><p><b>

4、;　　Abstract</b></p><p>　　With the development and broad used of CNC technology and complex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, computer, autocontrol, inspectevice etc.

5、 The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system's flexibility, and enablethe systems to be re-developed. As a result, CNC

6、 systems can be responsive to the marketquickly and economically.</p><p>　　In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system archi

7、tecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results:</p><p>　　thefeatures and drawbacks of curre

8、nt architecture, and why and how for CNC systems to be open.Some principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware.

9、</p><p>　　Design methods of the modular system and its function modules base on CAN-busand PCI-bus are presented in details.</p><p>　　Keyword: CNC Open-architecture CAN-bus PCI-bus</p>

10、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言 ………………………………………………………………6</p><p>　　1.數控技術產生的背景 ……………………………………………6</p><p>　　2.開放式數控系統結構的產生背景 ………………………………6</p><p>　　3.本課

11、題的來源和研究意義 ………………………………………7</p><p>　　1.數控系統的發(fā)展 ………………………………………………8</p><p>　　1.1 數控系統的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9</p><p>　　1.2 開放式數控系統的研究 …………………………………… 9</p><p>　　1.2.1開放式數控系

12、統的研究發(fā)展 ………………………… 9</p><p>　　1.2.2國產數控系統技術的發(fā)展 …………………………… 12</p><p>　　2.開放式數控系統的理論研究 ……………………………… 12</p><p>　　2.1開放式數控系統體系結構 ………………………………… 12</p><p>　　2.1.1開放體系結構的概念 ……

13、………………………………12</p><p>　　2.1.2 開放式數控系統體系結構的開放途徑 …………………13</p><p>　　2.1.3 基于PC的開放式體系結構 …………………………… 14</p><p>　　2.2 運動控制器原理 ………………………………………………15</p><p>　　2.3 開放式CNC系統的概要設計

14、 …………………………………17</p><p>　　2.3.1開放式CNC系統的需求分析 …………………………… 17</p><p>　　2.3.2開放體系結構CNC系統的設計原則 …………………… 18</p><p>　　2.3.3基于PC的開放式數控系統的體系結構 ……………… 19</p><p>　　2.3.4運動控制卡的硬件

15、結構設計 ……………………………20</p><p>　　2.3.5軟件整體規(guī)劃 ……………………………………………21</p><p>　　本章小結 ……………………………………………………………22</p><p>　　3.常見的開放式數控系統的體系結構及特征 ……………… 23</p><p>　　3.1數控系統硬件開放的要求與實現技術

16、 ……………………… 23</p><p>　　3.1.1標準化總線技術 …………………………………………23</p><p>　　3.1.2 CAN總線原理與特點 ……………………………………26</p><p>　　3.1.3 DSP芯片原理 ……………………………………………29</p><p>　　3.1.4接口的模塊化設計 …………

17、……………………………31</p><p>　　3.1.5基于PC的開放式設計 ………………………………… 31</p><p>　　3.2基于PC的開放式CNC系統運動控制卡的硬件設計 ………32</p><p>　　3.2.1運動控制卡微處理器的選擇 ……………………………32</p><p>　　3.2.2運動控制卡和上位機通訊設計 …

18、………………………32</p><p>　　3.2.3 DSP和計算機通訊設計 …………………………………34</p><p>　　3.2.4 DSP和CAN總線的通訊設計 ……………………………34</p><p>　　3.3數控系統其他硬件模塊設計 ……………………………… 35</p><p>　　3.3.1伺服接口模塊設計 ……………

19、…………………………35</p><p>　　3.3.2 PMC模塊設計 ……………………………………………35</p><p>　　3.3.3操作面板I/O模塊設計 …………………………………36</p><p>　　本章小結 …………………………………………………………36</p><p>　　4.結論和展望 ……………………………………

20、…………… 37</p><p>　　4.1結論 ……………………………………………………………37</p><p>　　4.2展望 …………………………………………………………38</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………38</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………39&

21、lt;/p><p>　　基于PC的數控系統設計</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　1.數控技術產生的背景</p><p>　　科學技術和社會生產的不斷發(fā)展，對機械產品的質量和生產率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產品的質量，提高生產效率，

22、降低生產成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。許多生產企業(yè)(例如汽車、拖拉機、家用電器等制造廠)已經采用了自動機床、組合機床和專用自動生產線。采用這種高度自動化和高效率的設備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產準備時間，但在大批大量的生產條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經濟效益仍然是非常顯著的。但是，在機械制造工業(yè)中并不是所有的產品零件都具有很大的批量，單件與小批生產的零件(批量在10一100件)約占機械加工總量的80%以上。

23、尤其是在造船、航天、航空、機床、重機械以及國防部門，其生產特點是加工批量小，改型頻繁，零件的形狀復雜而且精度要求高，采用專用化程度很高的自動化機床加工這類零件就顯得很不合理，因為生產過程中需要經常改裝與調整設備，對于專用生產線來說，這種改裝與調核甚至是不可能實現的。近年來，由于市場競爭日趨激烈，為在競爭中求得生存與發(fā)展，各生產企業(yè)如要提供高質量的產品，就必須頻繁地改型，并縮短生產周期，</p><p>　　為了解

24、決上述這些問題，來滿足多品種、小批量的自動化生產。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應產品頻繁變化的柔性自動化機床。數字控制(NUMERICALCONTROL,簡稱NC或數控)機床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產的精密復雜零件提供了自動化加工手段。數控機床就是將加工過程所偏的各種操作(如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等)和步驟，以及刀具與工件之間的相

25、對位移t都用數字化的代碼來表示，通過控制介質(如穿孔紙帶或磁帶)將數字信息送人專用的或通用計算機計算機對輸人的信息進行處理與運算，發(fā)出各種指令來控制機床的伺服系統或其它執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。</p><p>　　2.開放式數控系統結構的產生背景</p><p>　　數控技術的問世解決了傳統方式難以解決的負載零件的制造問題。準確、高效的自動化手段，改變了以往機械工業(yè)中周期長

26、、效率低的局面;柔性的工作方式，能充分適應多品種、小批盆的現代生產方式，從而大大提高了對現代化工業(yè)生產需求的適應能力。利用數控技術可以大幅度縮短產品的制造周期，提離產品的加工質盤，加速產品的更新換代，提高產品的競爭力，因而具有顯著的經濟效益及廣闊的發(fā)展前景，業(yè)已成為一個國家機械制造業(yè)水平的重要標志之一。</p><p>　　然而，現今生產中使用的絕大多數CNC系統中(以FAI；UC；S IMENS等為代表)，所采

27、用的是一種專用的封閉式體系結構，即組成系統的硬件模塊和軟件結構由各數控系統廠家行設計，是專用的，互不兼容的，系統各模塊之間的交互方式、通訊及結構也互不相同。這專用的封閉式結構的數控系統，雖然結構簡單、技術成熟，產品批盤大、生產成本低，但是隨著技術的進步，市場競爭的加劇，越來越暴露出其固有的缺陷，集中表現如下:</p><p>　　1)各控制系統間互聯能力差，影響了系統的相互集成:風格不同的操作方式，使用戶培訓費用

28、增加;專用件的大量使用，給數控設備的使用與維護帶來了很多不便;</p><p>　　2)系統的封閉性使得對其擴充和修復極為有限，造成數控設備制造商對系統供應商的依賴，難以將自己的專門技術、工藝經驗集成與控制系統結合形成自己的產品特點，不利于提高主機產品的競爭力;</p><p>　　3)專用的硬件，軟件結構也限制了系統本身的持續(xù)發(fā)展，使系統的開發(fā)投資大、周期長、風險高、更新換代慢，不利于數

29、控產品的技術進步?？傊?，數控系統的這一現狀已難以適應當今制造業(yè)的市場的變化與競爭，也不能滿足現代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的要求。</p><p>　　為了節(jié)約封閉式體系結構數控存在的問題，近年來，西方各工業(yè)發(fā)達國家相繼提出了向模塊化、標準化的方向發(fā)展，設計開放式體系結構數控系統的問題，如美國的NGC計劃，日本和歐洲提出的OSEC及OSACA計劃等。</p><p>　　開放式數控

30、系統的主要研究目的是，解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統結構之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統結構，以增強數控系統的功能柔性，能夠快速而有效地響應新的加工需求。</p><p>　　3.本課題的來源及意義</p><p>　　基于PC的開放式數控系統是對傳統封閉式數控結構的根本突破，是當今數控技術的發(fā)展主流和研究熱點，是新一代數控系統的關鍵技術。</p>

31、<p>　　采用基于PC的開放式數控系統，無論對控制系統開發(fā)商、機床廠還是最終用戶均有益處。對控制系統開發(fā)商，可在共同的標準平臺上建立廣泛的合作，實現廠家的協作式開發(fā)，這將大大縮短系統的開發(fā)周期，減少投資，增強產品競爭力。</p><p>　　我國是一個機床生產和應用的大國;但數控技術的應用水平還很不高，嚴重制約著我國制造業(yè)水平的提高。國際上的相關開放計劃對我國的數控技術的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時

32、也帶來了機遇。因為開放計劃的實施，把世界上所有的數控系統的開發(fā)商推到了同一起跑線上。我們應充分把握數控產品技術轉型的歷史機遇，揚長避短，迎頭趕上，充分吸收當今計算機發(fā)展的最新成果，高起點制定出切實可行、適合我國國情的數控系統開放化的技術路線。</p><p><b>　　1.數控系統的發(fā)展</b></p><p>　　1.1數控技術的發(fā)展歷史</p>&

33、lt;p>　　數控技術是現代制造技術的基礎，它綜合了計算機、自動控制、電氣傳動、測量技術、機械制造等多項技術，成為二十世紀以來逐步發(fā)展起來的機床控制的新技術，是一門交叉學科。</p><p>　　數控技術的廣泛使用，給機械制造業(yè)的生產方式、產品結構、產業(yè)結構帶來了深刻的變化。數控技術是國防現代化的重要部分，是國際技術和商業(yè)貿易的重要構成。因此，數控技術是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現國家綜合國力的重要基礎性產業(yè)。

34、</p><p>　　數字控制(Numerical Control)是相對于模擬控制而言的。數字控制系統中的信息量是數字量，而模擬控制系統中的信息量是模擬量。最初的數字控制系統是由數字邏輯電路構成的，因而稱之為硬件數控系統。隨著計算機技術的發(fā)展，硬件數控系統被逐漸淘汰，取而代之的是計算機數控系統(CNC-Computer Numerical Control)。數控技術在制造業(yè)、特別是航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應

35、用，無論在硬件方面還是在軟件方面，發(fā)展都很快。</p><p>　　自從1952年麻省理工學院研制出世界上第一臺三座標銑床以來，隨著計算機技術，特別是微電子技術的發(fā)展，數控技術無論在硬件或者軟件方面發(fā)展都很快，數控系統已經經歷了八代，可以分為以下四個發(fā)展階段[1]</p><p>　　1.硬件數控階段(1952一1970)</p><p>　　早期計算機的運算速度低

36、，遠不能適應機床實時控制的要求.人們不得不采用數字邏輯電路搭建一臺專用計算機作為數控裝置，被稱為硬件連接數控，簡稱數控(NC).世界上第一臺數控銑床的數控裝置是采用電子管、繼電器和模擬電路構成的試驗樣機，通稱為第一代數控。1959年，晶體管取代了笨重的電子管?？s小了體積，使得工業(yè)應用成為了可能，誕生了第二代數控系統。1965年出現了小規(guī)模集成電路構成的NC，體積更小，功率更低，提高了可靠性，NC發(fā)展到第三代。</p>&l

37、t;p>　　這一階段的數控系統，各種控制功能均由硬件邏輯完成，稱為“硬件”控制，其功能簡單，靈活性差，設計周期長，系統可靠性低，因而限制了其進一步的發(fā)展和應用。</p><p>　　2.計算機數控系統的發(fā)展和完善階段(1970一1986)</p><p>　　70年代初，大規(guī)模集成電路、半導體存儲器，微處理器的問世，通用小型計算機出現并逐漸普及，給數控技術帶來了突破性的發(fā)展。1970

38、年在美國芝加哥數控博覽會上，首次展出了以小型計算機為核心的計算機數控系統(CNC)，標志著數控系統進入了計算機為主體的第四代。至此，原來由硬件實現的功能逐步改為由軟件完成。從此系統進入了“軟連接”數控時代。</p><p>　　1974年，首次出現了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統，象征著數控系統進入了以微機為背景的時代。這一發(fā)展真正實現了機電一體化，進一步縮小了體積，降低了成本，簡化了編程和操作，使數控系統達

39、到了普及的程度。</p><p>　　70年代末，80年代初，隨著大規(guī)模集成電路、大容量存儲器、CRT的普及應用，CNC系統進入了第六代。它雖然仍以微處理器為基礎，但控制功能更為完善，具備了多功能的技術特征，尤其在軟件技術方面發(fā)展更快，具有了交互式對話編程，三維圖形顯示和校驗，實時軟件精度補償等功能。在系統體系結構上，開始出現了柔性化，模塊化的多處理器結構。數控系統產品也逐漸實現了標準化，系列化。</p&g

40、t;<p>　　3.高速精度CNC的開發(fā)與應用階段(1986一今)</p><p>　　為了實現高速、高精度輪廓的精加工，必須提高微輪廓的解釋處理能力和伺服驅動能力。為保證零件程序的傳送、插補、加工線速度控制等連續(xù)處理，CNC系統應具有足夠高的數據處理速度和能力.32位CPU以其很強的數據處理能力在CNC中得到了應用。使CNC系統進入了面向高速、高精度的第七代。1986年，三菱電機公司率先推出了以C

41、PU為68020的32位，掀起了32位CNC的熱潮，并逐漸成為當今數控系統的主流。</p><p>　　4.基于PC的開放式CNC的開放與應用(1994一今)</p><p>　　進入90年代，PC機(個人計算機)的性能提高很快，從8位、16位發(fā)展到32位，可以滿足作為數控系統核心部件的要求，而且PC機生產批量很大，價格便宜，可靠性高.數控系統從此進入了第八代基于PC的CNC系統階段.19

42、94年，這種基于PC的CNC控制器在美國首先亮相市場，并在此后得到了高速發(fā)展。PC的引入，不僅為CNC提供十分堅實的硬件資源和及其豐富的軟件資源，更為CNC的開放化提供了基礎。</p><p>　　1.2 開放式數控系統結構的研究</p><p>　　1.2.1開放式數控系統的研究發(fā)展</p><p>　　控制系統采用開放式體系結構將導致新一代控制器的產生，并成為制

43、造業(yè)的一大支柱。因此，歐美及日本等發(fā)達國家都相繼進行了大量的投入和研究，其中最具有代表性和影響力的研究有以下幾個【2】</p><p>　　1.美國的NGC和OMAC計劃</p><p>　　早在1987年，里根政府為振興美國的機械制造業(yè)，推動工業(yè)形成一個廣泛的合作關系，以增強對外競爭力，推出} NGC (The Next Generation Work-station/MachineCo

44、ntroller)研究計劃。該項目由美國國家制造科學中心(NCMS)與空軍共同領導，于1989年開始實施。</p><p>　　NGC計劃目標是:基于開放式體系結構的下一代機械制造控制器提供一個標準，在這一標準的支持下，不同的設計人員可以開發(fā)出具有互換性和互操作性的控制部件?；谶@一標準的控制器具有體系結構開放、適用范圍廣、能適應技術發(fā)展的特點。圖1-1為NGC的體系結構。</p><p>

45、;　　圖1-1 NCC體系結構</p><p>　　NGC的一個重要的成果是開發(fā)并最終形成了“開放式系統體系結構標準規(guī)范（SOSAS,Specification for an Open System Architecture Standard）"，用于指導工作站和機床控制器的設計和結構組織。SOSAS定義了NGC系統、子系統和模塊的功能以及相互間的關系。</p><p>

46、;　　NGC計劃已于1994年完成了原型研究，并已轉入工業(yè)開發(fā)應用。例如美國Ford, GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導下，聯合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，定義了系統基礎框架、信息庫管理、任務管理、人機接口運動控制、傳感器接口等標準OMAC API，構造了完整的體系結構。該計劃的實現將使系統制造廠、機床廠和最終用戶本身從縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)費用、便于系統

47、集成和二次開發(fā)、簡化系統的使用和維護等方面受益.例如DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協議，成功的開發(fā)了具有良好開放特性的多軸運動控制卡，該卡提供了豐富的接口函數，可以方便的應用于PCo PMAC卡與PC之間具有雙口RAM、并行總線、串口等多種信息交換接口，它還提供了豐富的I/0接口、電機控制接口，能與交流直流等多種電機連接實現運動控制。采用PC和PMAC形成PMAC開放式CNC系統，獲得良好的效果。</p>&

48、lt;p>　　2.歐盟的OSACA計劃</p><p>　　OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)計劃是歐盟為了增強其機床和控制制造商在世界市場中的競爭力而制定的研究項目.該項目由德國斯圖加特大學的制造控制技術研究所(ISW)支持，參加單位來歐盟國家的11家主要機床制造廠、控制器生產廠和高校。該計劃分為三個階段

49、，其中第一階段和第二階段均已經實現，主要完成了OSA.CA規(guī)范、應用指南，并依照OSACA規(guī)范并開發(fā)了標準的通用系統平臺和軟件模塊。第三階段的計劃正在實現過程中，其主要目標是推廣OSACA思想以及前期工作的技術成果，同時與日，美的相關企業(yè)機構進行接觸，以期建立一個國際性的控制器標準。</p><p>　　OSACA的目標是為數控等自動化設備定義了一個獨立于硬件平臺、與制造商無關的開放式控制系統參考結構，這些自動化

50、設備不僅包括機床數控，機器人控制，還包括可編程控制器和單元控制器。遵循OSACA規(guī)范的控制器產品將提供更強的客戶定制功能，縮短新產品開發(fā)的周期，降低產品的開發(fā)、維護、培訓和文檔建立的費用。</p><p>　　OSACA控制系統的體系結構如圖1-2所示，包括兩個部分:系統平臺和結構化的功能模塊。OSACA系統平臺包括操作系統、通訊系統、系統配置、圖形服務器和數據庫系統等系統平臺通過API與具體功能模塊AO發(fā)生關系

51、。AO按其控制功能分為:人機控制，運動控制，邏輯控制，軸控制，過程控制等。OSACA的軟件結構中有三個主要組成部分:通訊系統、參考體系結構模型和配置系統，它們建立在統一的信息通訊平臺基礎上。</p><p>　　圖1-2 OSACA系統結構</p><p>　　3.日本的OSEC計劃</p><p>　　OSEC(Open System Environmen

52、t for Con七roller)計劃是在日本國家機器人和工廠自動化研究中心(工ROFA )建立的開放式數控委員會的倡導下，于1995年由東芝機器公司、豐田機器廠和Mazak公司三家機床制造商和日本工BM、三菱電子及SML信息系統公司共同組建的。其目的是建立一個國家性的工廠自動化控制設備標準，并開發(fā)新一代基于PC平臺、性能價格比高的開放體系結構數控系統。</p><p>　　OSEC提出的開放式數控系統參考

53、模型如圖1-3所示。這一結構包括了零件造型、工藝規(guī)劃、機床控制處理(程序解釋、操作模塊控制、智能處理)、刀具軌跡控制、順序控制、軸控制等功能，并對各層之間的接口制定了協議。這些協議從CAD和生產管理開始，分為CAM和生產監(jiān)控，綜合成為任務調度，然后利用各種庫進行解釋，形成軸控制及PLC所需要的信息和數據，對機床的伺服和執(zhí)行機構進行控制。OSEC還定義了一種工廠自動化設備描述語言(FADL)a FADL可以在新的水平上實現CAD/CAM與

54、控制系統之間的集成，具有對硬件的抽象化、對傳統數控語言EIA代碼(G，S，T)和道具數據的兼容性、能夠適應控制的實時解釋等特性。這個體系結構獨立于平臺，如微處理器、系統單元、操作系統和網絡協議，給每個模塊的應用提供了相當的自由。因此用戶、控制系統生產商和機床廠制造商都可以很方便地為自己的模塊設置或者增加新的功能和特性。如今，OSEC己發(fā)展到由18家公司和一個團體參與的具有較大影響力的組織。</p><p>　　圖

55、1-3 OSEC參考模型</p><p>　　1.2.2國產數控系統技術的發(fā)展</p><p>　　我國的數控技術已經有四十多年的發(fā)展歷史，期間經歷了起步，停滯，引進，消化開發(fā)和創(chuàng)新等幾個階段[2]。</p><p>　　從1958年起，一些科學院所、高等學校和少數機床廠開始進行數控系統的研究和開發(fā)。由于受到當時國產電子元器件、加工工藝技術落后、部門經濟

56、等因素的制約，未能取得較大的發(fā)展，科研和生產基本處于停滯狀態(tài)。</p><p>　　1980年開始，我國先后從日本和德國引進數控制造技術，合作生產數控機床，打破了國產數控技術徘徊不前的局面。此后經過“六五”的技術引進、散件組裝，“七五”期間的消化吸收，“八五”國家組織的科技攻關和“九五”國家組織的產業(yè)攻關，使我國的數控系統技術獲得了質的飛躍，開發(fā)出一批具有自主版權的中高檔數控系統.中國珠峰數控公司的中華1型是用工

57、業(yè)PC機作為主控制板，CPU為32位486微處理器，實現了多功能控制系統。北京航天數控集團自行開發(fā)的航天1型采用與通用PC機體系結構兼容的總線，模塊化、開放型嵌入式結構，構成了典型的前后機構數控系統，較好的解決了實時多過程控制。華中理工大學開發(fā)的華中1型是以32位工控機為硬件主體，配置了具有曲面構造與自動編程的CAD功能軟件，能進行復雜曲面的構造、數控加工規(guī)劃、NC程序生成、干涉檢驗和加工仿真，并實現了曲面和直線的插補功能.此外，中科院

58、沈陽計算所研制的藍天1型、北京航空航天大學的CH2010也都是基于PC平臺的數控系統，各具特色。這些擁有自主版權的高檔數控系統的開發(fā)成功，表明我國已經具備開發(fā)、生產中、高檔數控系統的能力，為我國高檔數控機床的發(fā)展提供了技術支持，</p><p>　　2.開放式數控系統的理論研究</p><p>　　2. 1開放式數控系統體系結構</p><p>　　采用專用計算機組

59、成的數控系統，在選用高性能的微處理器構成分布式處理結構時，可以獲得很高的性能，如多軸聯動高速、高精度控制，很強的補償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產和保密的需要，不同的數控系統生產廠家自行設計其硬件和軟件，這樣設計出來的封閉式專用系統具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機界面、多種實時操作系統、非標準化接口等缺陷。從而導致，一方面，各控制系統之間互聯能力差，影響了系統的相互集成;風格不一的操作方

60、式以及專用件的大量使用，給用戶的使用與維護帶了很多不便;另一方面，系統的封閉性阻礙了計算機技術的及時應用，不利于數控產品技術的進步。顯然，數控系統的這一現狀已不能適應當今制造業(yè)市場的變化和競爭，也不能滿足現代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。</p><p>　　2.1.1開放體系結構的概念</p><p>　　關于開放式體系結構的定義，目前尚有較大爭議，根據IEEE關于開放式系統

61、的定義:一個開放式的系統應能夠在多種平臺上運行，能夠與其它系統進行操作，并能給用戶提供一致的交互界面。</p><p>　　對于一個開放式數控系統來說，也應遵循這些基本要求。一個開放的控制系統應具有完全模塊化的結構，模塊之間具有互換性、可擴展性和可移植性，這是一個開放系統的基本特征。</p><p>　　開放的概念可以從兩個方面進行理解:一是時間的開放，二是空間的開放。時間的開放是針對軟硬

62、件平臺及其規(guī)范而言的，以保證平臺具有適應新技術的發(fā)展、容納新設備的能力。時間的開放性又有可擴展性和可移植性兩個方面:空間的開放性是針對系統接口及其規(guī)范而言的，它又可以分為互操作性和互換性。</p><p><b>　?。?）可擴展性</b></p><p>　　可擴展性包括規(guī)?？蓴U展性和換代可擴展性。規(guī)?？蓴U展性是指一個開放式的數控系統可以通過增減部件改變系統的功能或

63、性能;換代可擴展性，是指隨著時間和技術的遷移，組成數控系統的硬件和軟件具有可升級性。</p><p><b>　?。?）可移植性</b></p><p>　　可移植性要求數控系統能夠在多個廠商提供的平臺上運行。因此，系統的功能軟件應用與設備無關，即應用統一的數據格式、交互模型、控制機制，并且通過一致的設備接口，使各功能模塊能運行于不同供應商提供的硬件平臺上。</

64、p><p><b>　?。?）互換性</b></p><p>　　互換性要求構成數控系統的部件在功能，性能或可靠性等要求不同時，能夠用另一種部件進行替換?；Q性使得一個數控系統不再是專有的，它可以有來自不同廠家的不同部件所構成。這對提高數控系統的性能價格比具有重要的意義。</p><p><b>　?。?）互操作性</b>&l

65、t;/p><p>　　互操作性表征了構成系統內部的各個部件在一起協調工作的能力。開放式數控系統的互操作性通過一個統一的、標準的通訊系統來實現，這個通訊系統不僅允許數據的交換并且定義了交換的協議。</p><p>　　開放式數控系統的目的就是使CNC控制器與當今的PC機類似，系統構筑于一個開放的平臺上，具有模塊化結構，允許用戶根據需要進行選配和集成，更改或擴展系統的功能，迅速適應不同的應用需求，

66、而且，組成系統的各功能模塊可以來源于不同的部件供應商，并且相互兼容。</p><p>　　與傳統的封閉式專用數控系統相比，開放式數控系統的主要優(yōu)勢在于:建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統的結構，以增強數控系統的功能和性能柔性，在體系結構上給用戶留有進行二次開發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應新的加工需求。</p><p>　　2.1.2開放式數控系統體系結構的開放途徑</

67、p><p>　　目前，大量的供應商提供了各種各樣的加工及控制系統的解決方案，這些方案構成了解決所有自動化系統形形色色的途徑。然而，要想附加集成一些由不同賣方提供的功能時，卻有相當的難度，這些困難主要集中在不同供應商提供的系統之間沒有公共的接口，需要很高的擴展、擴充及集成費用，沒有風格一致的操作系統的界面以及需要分別針對不同的系統來培訓人員等使維護費用急劇增加。為解決系統開放集成上的難題，我們可以采用三種開放途徑，它們

68、的開放層次不同，實現的難度不等，獲得開放效果也相差很大，如圖2-1所示。圖中，虛線將控制系統劃分為人機控制層和控制內核層兩個層，其中控制內核是CNC系統完成實時加工過程調度和控制的核心部分，一般和系統實時性相聯系。三種方式就是基于對這種兩個層面開放的不同處理來區(qū)分的[3]。</p><p>　　開放人機控制接口開放系統核心接口 開放體系結構</p><p><b>　　人機

69、</b></p><p><b>　　控制層</b></p><p><b>　　控制</b></p><p><b>　　內核層</b></p><p>　　圖2-1 控制系統的開放途徑</p><p>　　1.開放人機控制接口&

70、lt;/p><p>　　這種方式允許開發(fā)商或者用戶構造或者集成自己的模塊[4]。到人機控制接口中。這一方面是為用戶提供了靈活制定特殊要求操作界面和操作步驟的途徑，一般用在PC機作為圖形化人機控制界面的系統中。</p><p>　　2.開放系統核心接口</p><p>　　此方式除了提供上述第一種方式的開放性能外，還允許用戶添加自己特色的模塊到控制內核模塊中。通過開放系統

71、的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統預先留出的內核接口上。</p><p><b>　　3.開放體系結構</b></p><p>　　開放體系結構的解決方案是一種更徹底的開放方案。它試圖提供從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內核的全方位開放。人們可以在開放體系結構的標準及一系列規(guī)范的指導下，按需配置獲得功能可強弱、性能可高可低、價格可控

72、制、不依賴于單一賣方的系統。</p><p>　　2.1.3基于PC的開放式體系結構</p><p>　　從實現方法上，PC-NC是目前實現CNC開放化比較現實的途徑。PC從產生到現在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現標準化，這些使得它越來越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。PC具有豐富的支持軟件來改善CNC系統的用戶界面、圖形界面、動態(tài)仿真、數控編程、故障論斷、網絡通訊等功能。利用PC上功

73、能強大的開發(fā)工具，機床制造商和用戶可以采用通用的編程語言來編制軟件模塊化替代系統原有的模塊，便于機床廠和用戶添加具有自己獨特技術的模塊。</p><p>　　所謂PC-NC.即在PC機硬件平臺和操作系統的基礎上，使用市場上銷售或者自行研制開發(fā)的應用軟件和硬件插卡，構造出數控系統功能。但是現在的PC的操作系統缺乏實時性。目前，PC-NC的構造方式主要有三種:NC板卡插入到PC機的擴展槽中，PC板卡插到NC裝置中。&

74、lt;/p><p>　　1. NC板遷入PC機</p><p>　　這種形式就是將運動控制板或整個CNC單元插入到個人計算機的擴展槽中。PC機作為非實時處理，實時控制由CNC單元或者運動控制板來承擔。這種方法能夠方便的實現人機界面的開放化和個性化，即上述第一層的的開放。在此基礎上，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實現系統核心結構的開放，即上述第二層的開放，如基于PMAC運動控制卡構成的C

75、NC系統即屬于此類。</p><p>　　2. PC板遷入NC</p><p>　　這一形式主要為了一些大的CNC控制器制造商所采用。其原因有兩個方面:一是許多用戶對它們的產品很熟悉，也習慣使用:二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時間內放棄他們傳統的專用CNC技術。因此，才提出了這種折衷方案。其做法就是在傳統的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人機界面，能夠集成應用程序、網絡

76、接口等。顯然，這種系統的NC內核保持了原有的封閉性。故只能實現第一層次的開放。</p><p><b>　　3.軟件NC</b></p><p>　　軟件NC指CNC系統的各項功能，如編譯、編譯、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現。這類系統借助現有的操作系統平臺，在應用軟件的支持下，通過對CNC軟件的適當組織、劃分、規(guī)范定義和開發(fā)，可望實現上述各個層次的開放。這種控制

77、模式的硬件成本是最經濟的。但軟件開發(fā)是最復雜的，開發(fā)的重點是系統軟件和設備驅動程序。這種方式能夠迅速吸收計算機技術的最新成果，具有良好的靈活性和可擴展性，可方便的采用新的控制算法，也易于實現物理設備和操作系統的更新換代。</p><p>　　本文作者采用的是第一種方式，即NC板遷入PC機的方式，系統采用的運動控制卡是由作者自行研制開發(fā)的，長期以來高性能的多軸運動控制卡技術一直被國外壟斷，產品價格昂貴，因此，研究開

78、發(fā)高性能的多軸運動控制卡對我國科技水乎的提高有重要的意義。</p><p>　　2.2運動控制器原理</p><p>　　運動控制(Motion Control)是由電力拖動發(fā)展而來的，電力拖動或電氣傳動是對以電動機為對象的控制系統的通稱。隨著電力電子技術、微電子技術的迅猛發(fā)展，原有的電氣傳動控制的概念己經不能充分的概括現代自動化系統中承擔第一線任務的全部控制設備。因此，二十世紀八十年代后

79、期，國際上開始出現運動控制系統(Motion ControlSystem)這一術語。</p><p>　　圖2-2 現代運動控制技術的結構體系</p><p>　　運動控制通常是指在復雜條件下，將預定的控制方案、規(guī)劃指令轉變成期望的機械運動。按照使用的動力源的不同，運動控制主要可分為以電機作為動力源的電氣運動控制、以氣體和流體作為動力源的氣液控制和以燃料(煤、油等)作為動力源的熱機運動

80、控制等。隨著微電子技術和電力電子技術以及微計算機控制技術的發(fā)展，在這幾種運動控制中，電氣運動控制因其具有易實現與計算機接口等明顯優(yōu)點而成為運動控制的主流，大多數中小功率的運動控制系統都是采用電氣控制。電氣運動控制就是以電機作為動力源，’通過對電動機的控制來對執(zhí)行機構運動的位置、速度、加速度實現精確控制。</p><p>　　從電力拖動開始，經歷四十幾年的發(fā)展過程，運動控制己成長為一個以自動控制理論和現代控制理論為

81、基礎，包括許多不同學科的技術領域。例如電機技術、電力電子技術(電力電子器件、電力電子線路)、微電子技術、傳感器技術、控制理論和微計算機技術等等，如圖2.2所示，運動控制技術是這些周邊技術的有機結合體。隨著功能齊全的微計算機、超大規(guī)模集成電路(VLSI )，功率集成電路(PIC )，以及先進的計算機輔助制造(CAM)等技術的出現和發(fā)展，運動控制技術的面貌為之一新，其前沿不斷擴大。運動控制作為一門多學科交叉的技術，每種技術所出現的進展都使它

82、向前再邁進一步，其技術的進步是日新月異的.</p><p>　　運動控制作為自動控制的一個重要分支，在軍事國防、工業(yè)生產、消費生活等眾多領域有著極其廣泛的應用.如軍事和宇航方面的雷達天線、火炮瞄準、慣性導航:工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工裝備、數控機床、工業(yè)機器人、以及工廠自動化(FA )中的各種其他控制設備:計算機外圍設備和辦公室自動化(OA)中的各種磁帶機、軟盤驅動器、硬盤驅動器、數控繪圖機、傳真機、打印機

83、、復印機的控制等;家用電器中的空調機、洗衣機、CD機等的控制.總之，只要存在對運動機構進行精確控制的任務，就離不開運動控制系統，運動控制技術得到了各個國家的重視，已經成為一個專門的技末領域。</p><p>　　圖2-3 典型運動控制系統的構成</p><p>　　應用在各個領域的典型運動控制系統主要由控制系統(或PLC)、運動控制器、拖動裝置(即驅動裝置)、電動機、執(zhí)行機構和反饋

84、裝置構成，如圖2. 3所示。其中反饋裝置將運動設備的位置信息提供給運動控制器，運動控制器響應閉環(huán)信號和接受控制系統(或PLC)的定位請求信號并將其轉換為命令信號提供給拖動裝置，由拖動裝置將命令信號轉換成電流以驅動電動機?？梢娺\動控制器是運動控制指令的直接發(fā)出者，在運動控制系統中處于核心的地位。</p><p>　　對子數控機床來說，運動控制系統就像是它的中樞神經系統，指揮著它的每個動作。對應的控制系統就是數控裝置

85、，按照加工要求發(fā)出相應指令，運動控制器接收指令，并根據指令像主軸電機和設備進給電機發(fā)出控制信號，設備電機的驅動器則將控制信號轉變成直接驅動電機的電信號。正如前文所述，開放式運動控制已成為運動控制的發(fā)展方向，數控系統也逐步走向開放化，因此對運動控制器也有更高的要求，比如從硬件上要能實現多個坐標軸的位置、速度伺服控制，從軟件上配有功能完備的伺服控制軟件，具有完善的運動軌跡和插補功能及軟件伺服控制功能且能方便地與機床、機器人等設備聯接，能迅速

86、地建立高層應用程序與機床或機器人等設備之間的控制以及測試數據交換等等。這種開放式的運動控制器是未來數控系統的核心部件。</p><p>　　目前在應用中的運動控制器按不同的方法有不同的分類。</p><p>　　根據運動控制器的系統結構來分，主要可以分為基于總線的運動控制器和獨立應用的運動控制器及混合型運動控制器?；诳偩€的控制運動控制器是利用現有的硬件和操作系統、并結合用戶開發(fā)的運動控制

87、應用程序來實現的。它具有高速的數據處理能力，如NC板插入PC機形式的PC-NC結構中的步進或伺服電機運動控制卡就是一個典型例子，它一般采用PC機的插卡結構，分為單軸和多軸以及各種專用功能插卡;獨立應用的運動控制器，它將控制器、I/O,操作界面和通信接口裝入一個機殼內，伺服環(huán)更新、I/O和操作界面由內部適當的軟件來完成。這種控制器無法提供基于總線的控制器那樣靈活的通信和操作界面，而且集成到大型系統比較困難。但從應用需求來看，這兩種類型的運

88、動控制器都有各自的優(yōu)點。</p><p>　　基于總線結構型的運動控制器易于系統集成，具有根好的網絡功能和開放性:獨立型運動控制器則應用靈活機動、系統升級優(yōu)化比較容易.目前還出現了混合型的運動控制器，它由一個運動控制器和一個伺服驅動控制器構成并組裝成一體.既具有獨立運動控制器的優(yōu)點，同時可以通過很多方法和協議將多個伺服驅動控制器連接在一起，并行協調控制.其中SERCOS C Serial Real fillle

89、COImnunitalon Speffiedon)協議(1995年成為IEC 1491國際標準)是目前最適應子同步和協調控制的串行實時漚信協議，該協議為CNC系統與數字伺服系統之間提供了統一的數據交換接口，并使產品具有可互換性。</p><p>　　根據運動控制器的核心技術方案來分，主要可分為基于大規(guī)模集成電路型、基于微處理器型、基于專用集成電路(ASIC )型和基于數字信號器(DSP)型的運動控制器。前文己經論

90、及，這里不再贅述。</p><p>　　根據被控制的對象來分，又可以分為步進電機運動控制器和伺服電機運動控制器。過去，總認為伺服控制系統和步進控制系統是兩種完全不同的技術，而現在它們的差別已開始縮小。由于控制技術的發(fā)展，這兩種系統互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢?，F代電子技術的發(fā)展使得將模擬信號轉換成數字信號變得很方便且廉價。過去以模擬控制為主的伺服系統已轉向數字化，采用微機控制?？梢钥闯墒撬欧姍C的步進化。同樣，現

91、代的步進電機控制，特別是采用閉環(huán)控制后，同樣可實現快速精確的位置控制，其控制結構在許多方面與交流伺服電機控制是相通的。在國外，己經出現這樣的運動控制器，它既可以對步進電機并行開環(huán)或者閉環(huán)控制，也可以用來控制直流或交流伺服電機，實現閉環(huán)伺服控制。</p><p>　　2.3開放式CNC系統的概要設計</p><p>　　概念設計是在系統正式開發(fā)前對開放目標的清晰明確，對系統體系結構的總體把握

92、。因此，開放式體系結構CNC系統的概念設計著重要解決的問題是開放什么以及如何開放。它來源于對系統的全面需求分析，依據開放式體系結構基于規(guī)范要求進行體系結構的構造。概念設計的結構形成可供系統開發(fā)借鑒的參考模型。</p><p>　　2.3.1開放式CNC系統的需求分析</p><p>　　從應用的角度，開放式體系結構CNC系統的設計目標是使系統能夠最大限度的提供CNC系統生產廠、機床設備生產

93、廠和最終用戶快遞而有創(chuàng)造性的解決當今制造環(huán)境中的數控加工和系統集成，不僅能夠為設備自由地選擇、更新或重構CNC系統，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、PMC等外設，而且系統與外設之間應具有強大的信息通訊能力，使之能靈活運用于綜合化的制造系統環(huán)境之中。</p><p>　　表現在功能上，一個開放式的CNC系統應能夠做到:</p><p><b>　　1.用戶界面的開放</b&g

94、t;</p><p>　　能夠提供一個統一風格的操作界面，實現操作的簡潔性;同時，用戶可根據需求定制界面，例如可以改變仿真形式、增加顯示內容、擴展遠程監(jiān)視等功能。</p><p><b>　　2.功能模塊的開放</b></p><p>　　用戶或者開發(fā)商可按需選擇合適的功能模塊，或開發(fā)新的模塊。例如，系統集成商可更換或自行開發(fā)插補模塊、翻譯模塊

95、或擴展高級曲線曲面插補功能，以適應新的加工需求。</p><p><b>　　3.控制功能的開放</b></p><p>　　系統的控制對象可以使任何廠家生產的機床，不限制機床的加工類型，可以為車、銑、刨床等通用機床配套，也可以通過加入或者開發(fā)新的功能模塊為特征加工、齒輪加工等專用機床配套。</p><p><b>　　4.網絡模塊的

96、開放</b></p><p>　　數控系統對另一個并聯系統或高層系統是開放的，它們之間可以通過網絡相互操作。例如，可由一臺主控制機來控制整個網絡，控制其它CNC系統的起停、監(jiān)視其工作狀態(tài)。</p><p>　　5.硬件平臺無關性和可移植性</p><p>　　系統應該可以安裝在大多數類型的計算機硬件平臺上，以利于應用推廣和降低成本，并且移植方便。<

97、/p><p>　　2.3.2開放體系結構CNC系統的設計原則</p><p>　　為了全面支持上述關于開放式數控系統的開放概念、應用特性和功能，本文提供了如下的開放式數控系統體系結構設計原則:</p><p>　　1)盡最大可能的利用PC機的軟硬件技術:個人計算機具有高可靠性和計算能力，硬件己經實現了標準化。PC上運行的軟件具有諸多功能，如友好的界面、圖形顯示、動態(tài)仿真

98、、數控編程、故障診斷、網絡通訊等。采用程序開發(fā)工具，用通用編程語言編制軟件模塊代替原有模塊，便于生產商和用戶添加具有自己獨特技術訣竅的功能模塊。</p><p>　　2)模塊化:數控系統的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎之上，實現了模塊之間的標準連接，以及即插即用。模塊化的構成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化和多層次的要求。</p><p>　　3)動態(tài)配置系統:為了實現更靈活的配置和更

99、有好的操作，本系統能夠在系統啟動、運行狀態(tài)下，完成系統的動態(tài)配置;其實現是基于系統拓撲結構的動態(tài)生成，包括構成要素、參數化構成要素的功能、構成要素之間的信息流的組織等幾個步驟。</p><p>　　4)可移植性:系統的模塊化保證了在同一軟硬件平臺上，具有相同功能構成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺的多樣性，需要實現在多種軟硬件平臺上的可移植性。這就要求本系統的規(guī)范不依賴于特定的軟硬件平臺.本系統要求所定義的數據

100、結構、命名習慣、用戶接口外觀等有利于不同系統平臺的實現。就軟件講，采用分層設計或者客戶/服務器設計應用程序，將軟、硬件有關的部分置于底層，便于替換，實現移植。</p><p>　　5)可擴展性:本系統可以使用戶或者二次開發(fā)者安全、有效的將自己的軟件集成到個人計算機系統中，形成自己的專用系統。其方法有兩種:首先是固定模塊內部結構，預留插入用戶專用軟件接口:其次是提供用戶API函數和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。&l

101、t;/p><p>　　上述開放式體系結構的設計原則，可以用于指導開放式數控系統的具體結構構造與開發(fā)。</p><p>　　2.3.3基于PC的開放式數控系統的體系結構</p><p>　　結合當前計算機技術的發(fā)展和控制系統的開放性趨勢，大家普遍提出的開放式數控系統的參考模型如圖2-4從圖中可以看出，開放式體系結構數控系統的參考模型是一個分層結構，同時也是模塊化的，每一層

102、都是一個模塊。最低層的是數控機床系統的硬件平臺，它包括機床本身，X, Y, Z, C軸驅動器、各種繼電器、伺服電機等。再上一層是控制器硬件平臺，它是一個計算機系統，一般采用通用的PC機硬件結構，還應提供與機床底層的接口，如數字I/O、可編程控制器(PLC)、運動控制卡等。這兩層是硬件層。</p><p>　　軟件的最低層是操作系統，采用Windows98, 2000。這些操作系統提供良好的圖形用戶接口(GUI)、

103、應用程序接口(API )庫、多任務機制。再上一層是CNC應用軟件，CNC軟件的內部結構也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來負責整個系統的諧調、高效運作。方便的用戶人機界面，代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預處理，產生相應的數據結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結果通過設備驅動程序 (WDM)操作相應的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關量、機床狀態(tài)等。設備管理等進行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、M

104、IS系統接口、專家系統接口、數據庫系統接口等。它應提供兩種形式的連接:一是網絡，通過客戶機/服務器(ClS)的形式與遠程的CADICAM系統、MIS系統等交換數據;二是和本地機上的其他應用程序間交換數據。接口功能將有利于CNC系統和其它系統的連接和集成。</p><p>　　這個參考模型充分體現了開放性原則，由于分層次、模塊化的結構，各個層次間采用標準接口，從而使每一模塊都能實現互換，可以由不同的廠商來生產，組合

105、起來就是一個高性</p><p>　　能性價比的系統。由于PC機的開放性，使控制器硬件和操作系統達到最大限度的互換。而且，CNC系統提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內部信息。外部程序也運行于Windows操作系統之上，可以利用CNC系統提供的庫函數開發(fā)相關應用，并集成到一起[5]。</p><p>　　PC機的低價格保證了控制器的低價格，而Windows上的各種開發(fā)工具VC等又使CNC