cnc系統(tǒng)體系結構開發(fā)的畢業(yè)設計論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著數(shù)控加工技術的發(fā)展和復雜曲面零件的廣泛應用，數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)機構，以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而經(jīng)濟地響應新的加工需求。</p><p>　　本文圍繞著開放式CNC （

2、Computer Numerical Control）系統(tǒng)設計中的若干關鍵技術，從體系結構分析、系統(tǒng)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(tǒng)研究了基于PC的開放式CNC系統(tǒng)的關鍵性基礎問題:CNC體系結構的概念及其對系統(tǒng)性能和發(fā)展的重要性，現(xiàn)有CNC系統(tǒng)體系結構的特點和缺陷，CNC系統(tǒng)體系結構開放的必要性、開放的理念和目標以及實現(xiàn)開發(fā)的途徑。在需求分析的基礎上，談論了

3、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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng) 開放體系結構 CAN總線 PCI總線 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　

4、　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. The research purpose of open CNC system is

5、 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 systems can be responsive to the marketqui

6、ckly and economically.</p><p>　　In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure de

7、sign, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results:</p><p>　　thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC sy

8、stems 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.</p><p>　　Design methods of th

9、e 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><p><b>　　目 錄</b></p&

10、gt;<p>　　前言 ………………………………………………………………6</p><p>　　1.數(shù)控技術產(chǎn)生的背景 ……………………………………………6</p><p>　　2.開放式數(shù)控系統(tǒng)結構的產(chǎn)生背景 ………………………………6</p><p>　　3.本課題的來源和研究意義 ………………………………………7</p><p

11、>　　1.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 ………………………………………………8</p><p>　　1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9</p><p>　　1.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 …………………………………… 9</p><p>　　1.2.1開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展 ………………………… 9</p><p>　　1

12、.2.2國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術的發(fā)展 …………………………… 12</p><p>　　2.開放式數(shù)控系統(tǒng)的理論研究 ……………………………… 12</p><p>　　2.1開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構 ………………………………… 12</p><p>　　2.1.1開放體系結構的概念 ……………………………………12</p><p>　　2.1.2

13、開放式數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的概要設計 …………………………………17</p><p>　　2.3.

14、1開放式CNC系統(tǒng)的需求分析 …………………………… 17</p><p>　　2.3.2開放體系結構CNC系統(tǒng)的設計原則 …………………… 18</p><p>　　2.3.3基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構 ……………… 19</p><p>　　2.3.4運動控制卡的硬件結構設計 ……………………………20</p><p>　　2.

15、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(shù)控系統(tǒng)的體系結構及特征 ……………… 23</p><p>　　3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件開放的要求與實現(xiàn)技術 ……………………… 23</p><p>　　3.1.1標準

16、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 ………………………………………31</p><p>　　3.1.5基于

17、PC的開放式設計 ………………………………… 31</p><p>　　3.2基于PC的開放式CNC系統(tǒng)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 …………………………32</p><p>　　3.2.3 DSP

18、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(shù)控系統(tǒng)其他硬件模塊設計 ……………………………… 35</p><p>　　3.3.1伺服接口模塊設計 ………………………………………35</p><p>　　3.3.2 PM

19、C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 ………………………………………………… 37</p><p>　　4.1結論 ………………

20、……………………………………………37</p><p>　　4.2展望 …………………………………………………………38</p><p>　　參考文獻 …………………………………………………………38</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………39</p><p>　　基于PC的數(shù)控系統(tǒng)設計</p>

21、<p><b>　　前言</b></p><p>　　1.數(shù)控技術產(chǎn)生的背景</p><p>　　科學技術和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)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(xiàn)上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。許多生產(chǎn)企業(yè)(例如汽車、拖拉機、家用電器等

22、制造廠)已經(jīng)采用了自動機床、組合機床和專用自動生產(chǎn)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(chǎn)準備時間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經(jīng)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(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件(批量在10一100件)約占機械加工總量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、機床、重機械以及國防部門，其生產(chǎn)特點是加工批量小，改型頻繁，

23、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(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調整設備，對于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調核甚至是不可能實現(xiàn)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(chǎn)企業(yè)如要提供高質量的產(chǎn)品，就必須頻繁地改型，并縮短生產(chǎn)周期，</p><p>　　為了解決上述這些問題，來滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應

24、產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床。數(shù)字控制(NUMERICALCONTROL,簡稱NC或數(shù)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(chǎn)的精密復雜零件提供了自動化加工手段。數(shù)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對位移t都用數(shù)字化的代碼來表示，通過控制介質(如穿孔紙帶或磁帶)將數(shù)字信息送人專用的或

25、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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)結構的產(chǎn)生背景</p><p>　　數(shù)控技術的問世解決了傳統(tǒng)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、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(xiàn)代生產(chǎn)方式，從而大大提高了

26、對現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需求的適應能力。利用數(shù)控技術可以大幅度縮短產(chǎn)品的制造周期，提離產(chǎn)品的加工質盤，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品的競爭力，因而具有顯著的經(jīng)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(xiàn)今生產(chǎn)中使用的絕大多數(shù)CNC系統(tǒng)中(以FAI；UC；S IMENS等為代表)，所采用的是一種專用的封閉式體系結構，即組成系統(tǒng)的硬件模塊和軟件結構由各數(shù)控系統(tǒng)廠家行設計，

27、是專用的，互不兼容的，系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)，雖然結構簡單、技術成熟，產(chǎn)品批盤大、生產(chǎn)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(xiàn)如下:</p><p>　　1)各控制系統(tǒng)間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成:風格不同的操作方式，使用戶培訓費用增加;專用件的大量使用，給數(shù)控設備的使用與維護帶來了很多不便;</p>

28、<p>　　2)系統(tǒng)的封閉性使得對其擴充和修復極為有限，造成數(shù)控設備制造商對系統(tǒng)供應商的依賴，難以將自己的專門技術、工藝經(jīng)驗集成與控制系統(tǒng)結合形成自己的產(chǎn)品特點，不利于提高主機產(chǎn)品的競爭力;</p><p>　　3)專用的硬件，軟件結構也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)發(fā)展，使系統(tǒng)的開發(fā)投資大、周期長、風險高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術進步?？傊?，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已難以適應當今制造業(yè)的市場的變化與競爭，也不

29、能滿足現(xiàn)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)結構之間的矛盾，建立一種新型的

30、模塊化、可重構、可擴充的控制系統(tǒng)結構，以增強數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)是對傳統(tǒng)封閉式數(shù)控結構的根本突破，是當今數(shù)控技術的發(fā)展主流和研究熱點，是新一代數(shù)控系統(tǒng)的關鍵技術。</p><p>　　采用基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，無論對控制系統(tǒng)開發(fā)商、機床廠還

31、是最終用戶均有益處。對控制系統(tǒng)開發(fā)商，可在共同的標準平臺上建立廣泛的合作，實現(xiàn)廠家的協(xié)作式開發(fā)，這將大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少投資，增強產(chǎn)品競爭力。</p><p>　　我國是一個機床生產(chǎn)和應用的大國;但數(shù)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(shù)控技術的發(fā)展提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也帶來了機遇。因為開放計劃的實施，把世界上所有的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)商推到了同一起跑線上。我

32、們應充分把握數(shù)控產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)開放化的技術路線。</p><p><b>　　1.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展</b></p><p>　　1.1數(shù)控技術的發(fā)展歷史</p><p>　　數(shù)控技術是現(xiàn)代制造技術的基礎，它綜合了計算機、自動控制、電氣傳動、

33、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(shù)控技術的廣泛使用，給機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結構、產(chǎn)業(yè)結構帶來了深刻的變化。數(shù)控技術是國防現(xiàn)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(shù)控技術是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎性產(chǎn)業(yè)。</p><p>　　數(shù)字控制(Numerical Cont

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

35、;　　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(shù)控技術無論在硬件或者軟件方面發(fā)展都很快，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了八代，可以分為以下四個發(fā)展階段[1]</p><p>　　1.硬件數(shù)控階段(1952一1970)</p><p>　　早期計算機的運算速度低，遠不能適應機床實時控制的要求.人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭建一臺專用計算機作為數(shù)控裝

36、置，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱數(shù)控(NC).世界上第一臺數(shù)控銑床的數(shù)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)。1965年出現(xiàn)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><p>　　這一階段的數(shù)控系統(tǒng)，各種控制功能均由硬件邏輯完成，稱為“硬件”控制，

37、其功能簡單，靈活性差，設計周期長，系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)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(xiàn)并逐漸普及，給數(shù)控技術帶來了突破性的發(fā)展。1970年在美國芝加哥數(shù)控博覽會上，首次展出了以小型計算機為核心的計算機數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，標

38、志著數(shù)控系統(tǒng)進入了計算機為主體的第四代。至此，原來由硬件實現(xiàn)的功能逐步改為由軟件完成。從此系統(tǒng)進入了“軟連接”數(shù)控時代。</p><p>　　1974年，首次出現(xiàn)了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統(tǒng)，象征著數(shù)控系統(tǒng)進入了以微機為背景的時代。這一發(fā)展真正實現(xiàn)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(shù)控系統(tǒng)達到了普及的程度。</p><p>　　70年代末，80年代初，

39、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(tǒng)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?shù)裙δ?。在系統(tǒng)體系結構上，開始出現(xiàn)了柔性化，模塊化的多處理器結構。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸實現(xiàn)了標準化，系列化。</p><p>　　3.高速精度CNC的開發(fā)與應用階段(1986一今)<

40、;/p><p>　　為了實現(xiàn)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(tǒng)應具有足夠高的數(shù)據(jù)處理速度和能力.32位CPU以其很強的數(shù)據(jù)處理能力在CNC中得到了應用。使CNC系統(tǒng)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CPU為68020的32位，掀起了32位CNC的熱潮，并逐漸成為當今數(shù)控系統(tǒng)的主流。&l

41、t;/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(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機生產(chǎn)批量很大，價格便宜，可靠性高.數(shù)控系統(tǒng)從此進入了第八代基于PC的CNC系統(tǒng)階段.1994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

42、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(shù)控系統(tǒng)結構的研究</p><p>　　1.2.1開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展</p><p>　　控制系統(tǒng)采用開放式體系結構將導致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為制造業(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

43、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/MachineController)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

44、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。基于這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>　　圖1-1 NCC體系結構</p><p>　　

45、NGC的一個重要的成果是開發(fā)并最終形成了“開放式系統(tǒng)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(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關系。</p><p>　　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,

46、 GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導下，聯(lián)合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，定義了系統(tǒng)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(xiàn)將使系統(tǒng)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(tǒng)集成和二次開發(fā)、簡化系統(tǒng)的使用和維護等方面受益.例如DELTA TAU公司利用NGC和

47、OMAC等協(xié)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(shù)，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(xiàn)運動控制。采用PC和PMAC形成PMAC開放式CNC系統(tǒng)，獲得良好的效果。</p><p>　　2.歐盟的OSACA計劃</p><p>

48、　　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(chǎn)廠和高校。該計劃分為三個階段，其中第一階段和第二階段均已經(jīng)實現(xiàn)，主要完成了OSA.CA規(guī)范、應用指南，并依照OSA

49、CA規(guī)范并開發(fā)了標準的通用系統(tǒng)平臺和軟件模塊。第三階段的計劃正在實現(xiàn)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(shù)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(tǒng)參考結構，這些自動化設備不僅包括機床數(shù)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

50、控制器產(chǎn)品將提供更強的客戶定制功能，縮短新產(chǎn)品開發(fā)的周期，降低產(chǎn)品的開發(fā)、維護、培訓和文檔建立的費用。</p><p>　　OSACA控制系統(tǒng)的體系結構如圖1-2所示，包括兩個部分:系統(tǒng)平臺和結構化的功能模塊。OSACA系統(tǒng)平臺包括操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)配置、圖形服務器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等系統(tǒng)平臺通過API與具體功能模塊AO發(fā)生關系。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

51、軟件結構中有三個主要組成部分:通訊系統(tǒng)、參考體系結構模型和配置系統(tǒng)，它們建立在統(tǒng)一的信息通訊平臺基礎上。</p><p>　　圖1-2 OSACA系統(tǒng)結構</p><p>　　3.日本的OSEC計劃</p><p>　　OSEC(Open System Environment 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

52、ROFA )建立的開放式數(shù)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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　OSEC提出的開放式數(shù)控系統(tǒng)參考模型如圖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

53、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(xié)議。這些協(xié)議從CAD和生產(chǎn)管理開始，分為CAM和生產(chǎn)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(shù)據(jù)，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(xiàn)CAD/CAM與控制系統(tǒng)之間的集成，具有對硬件的抽象化、對傳統(tǒng)數(shù)控語言EIA代碼(G，S，T)和道具數(shù)

54、據(jù)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(tǒng)單元、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議，給每個模塊的應用提供了相當?shù)淖杂伞Ｒ虼擞脩?、控制系統(tǒng)生產(chǎn)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1-3 OSEC參考模型</p><p>　　1.

55、2.2國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術的發(fā)展</p><p>　　我國的數(shù)控技術已經(jīng)有四十多年的發(fā)展歷史，期間經(jīng)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(shù)機床廠開始進行數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)。由于受到當時國產(chǎn)電子元器件、加工工藝技術落后、部門經(jīng)濟等因素的制約，未能取得較大的發(fā)展，科研和生產(chǎn)基本處于停滯狀態(tài)。</p>

56、<p>　　1980年開始，我國先后從日本和德國引進數(shù)控制造技術，合作生產(chǎn)數(shù)控機床，打破了國產(chǎn)數(shù)控技術徘徊不前的局面。此后經(jīng)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(chǎn)業(yè)攻關，使我國的數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng).中國珠峰數(shù)控公司的中華1型是用工業(yè)PC機作為主控制板，CPU為32位486微處理器，實現(xiàn)了多功能控制系統(tǒng)。北京航天數(shù)控

57、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(shù)控系統(tǒng)，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(shù)控加工規(guī)劃、NC程序生成、干涉檢驗和加工仿真，并實現(xiàn)了曲面和直線的插補功能.此外，中科院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(shù)控系統(tǒng)，

58、各具特色。這些擁有自主版權的高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，表明我國已經(jīng)具備開發(fā)、生產(chǎn)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)的能力，為我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展提供了技術支持，</p><p>　　2.開放式數(shù)控系統(tǒng)的理論研究</p><p>　　2. 1開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構</p><p>　　采用專用計算機組成的數(shù)控系統(tǒng)，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(lián)

59、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(chǎn)和保密的需要，不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)、非標準化接口等缺陷。從而導致，一方面，各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成;風格不一的操作方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(tǒng)的封閉性阻礙了計

60、算機技術的及時應用，不利于數(shù)控產(chǎn)品技術的進步。顯然，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)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(xiàn)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(jù)IEEE關于開放式系統(tǒng)的定義:一個開放式的系統(tǒng)應能夠在多種平臺上運行，能夠與其它系統(tǒng)進行操作，并能給用戶提供

61、一致的交互界面。</p><p>　　對于一個開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，也應遵循這些基本要求。一個開放的控制系統(tǒng)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(tǒng)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

62、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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)可以通過增減部件改變系統(tǒng)的功能或性能;換代可擴展性，是指隨著時間和技術的遷移，組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件具有可升級性。&

63、lt;/p><p><b>　?。?）可移植性</b></p><p>　　可移植性要求數(shù)控系統(tǒng)能夠在多個廠商提供的平臺上運行。因此，系統(tǒng)的功能軟件應用與設備無關，即應用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)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。</p><p><b>　?。?）互換性</b>

64、</p><p>　　互換性要求構成數(shù)控系統(tǒng)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。互換性使得一個數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)的性能價格比具有重要的意義。</p><p><b>　　（4）互操作性</b></p><p>　　互操作性表征了構成系統(tǒng)內部的各個部件在一起協(xié)

65、調工作的能力。開放式數(shù)控系統(tǒng)的互操作性通過一個統(tǒng)一的、標準的通訊系統(tǒng)來實現(xiàn)，這個通訊系統(tǒng)不僅允許數(shù)據(jù)的交換并且定義了交換的協(xié)議。</p><p>　　開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當今的PC機類似，系統(tǒng)構筑于一個開放的平臺上，具有模塊化結構，允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成，更改或擴展系統(tǒng)的功能，迅速適應不同的應用需求，而且，組成系統(tǒng)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>

66、;<p>　　與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的結構，以增強數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)體系結構的開放途徑</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(tǒng)的

67、解決方案，這些方案構成了解決所有自動化系統(tǒng)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?shù)碾y度，這些困難主要集中在不同供應商提供的系統(tǒng)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(tǒng)的界面以及需要分別針對不同的系統(tǒng)來培訓人員等使維護費用急劇增加。為解決系統(tǒng)開放集成上的難題，我們可以采用三種開放途徑，它們的開放層次不同，實現(xiàn)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

68、制系統(tǒng)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(tǒng)完成實時加工過程調度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)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(tǒng)核心接口 開放體系結構</p><p><b>　　人機</b></p><p><b>　　控

69、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(tǒng)的開放途徑</p><p>　　1.開放人機控制接口</p><p>　　這種方式允許開發(fā)商或者用戶構造或者集成自己

70、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(tǒng)中。</p><p>　　2.開放系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)預先留出的內核接口上。

71、</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、價格可控制、不依賴于單一賣方的系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.3基

72、于PC的開放式體系結構</p><p>　　從實現(xiàn)方法上，PC-NC是目前實現(xiàn)CNC開放化比較現(xiàn)實的途徑。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，其計算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實現(xiàn)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(tǒng)的用戶界面、圖形界面、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障論斷、網(wǎng)絡通訊等功能。利用PC上功能強大的開發(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(tǒng)原有的

73、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(tǒng)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(shù)控系統(tǒng)功能。但是現(xiàn)在的PC的操作系統(tǒng)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。</p><p>　　1. NC板遷入PC機</p>

74、<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(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)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CNC系統(tǒng)即屬于此類。</p><p>　　2. PC板遷入NC

75、</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(chǎn)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(tǒng)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(tǒng)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(wǎng)絡接口等。顯然，這種系統(tǒng)的NC內核保持了原有的封閉性。故只能實現(xiàn)第一層次的開放。<

76、/p><p><b>　　3.軟件NC</b></p><p>　　軟件NC指CNC系統(tǒng)的各項功能，如編譯、編譯、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現(xiàn)。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)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(xiàn)上述各個層次的開放。這種控制模式的硬件成本是最經(jīng)濟的。但軟件開發(fā)是最復雜的，開發(fā)的重點是系統(tǒng)軟件和設備驅動程序。這

77、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(xiàn)物理設備和操作系統(tǒng)的更新?lián)Q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(tǒng)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(chǎn)品價格昂貴，因此，研究開發(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>&l

78、t;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(tǒng)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(jīng)不能充分的概括現(xiàn)代自動化系統(tǒng)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期，國際上開始出現(xiàn)運動控制系統(tǒng)(Motion ControlSystem)這一術語。&

79、lt;/p><p>　　圖2-2 現(xiàn)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

80、氣運動控制因其具有易實現(xiàn)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(shù)中小功率的運動控制系統(tǒng)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(xiàn)精確控制。</p><p>　　從電力拖動開始，經(jīng)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(xiàn)代控制理論為基礎，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

81、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(xiàn)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(xiàn)的進展都使它向前再邁進一步，其技術的進步是日新月異的.</p><p>　

82、　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(chǎn)、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(shù)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(shù)控繪圖機、傳真機、打印機、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

83、進行精確控制的任務，就離不開運動控制系統(tǒng)，運動控制技術得到了各個國家的重視，已經(jīng)成為一個專門的技末領域。</p><p>　　圖2-3 典型運動控制系統(tǒng)的構成</p><p>　　應用在各個領域的典型運動控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)(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

84、器響應閉環(huán)信號和接受控制系統(tǒng)(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(tǒng)中處于核心的地位。</p><p>　　對子數(shù)控機床來說，運動控制系統(tǒng)就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個動作。對應的控制系統(tǒng)就是數(shù)控裝置，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(jù)指令像主軸電機和設備進給電機發(fā)出

85、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(shù)控系統(tǒng)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(xiàn)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(lián)接，能迅速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(shù)據(jù)交換等等。這種開放式的運動

86、控制器是未來數(shù)控系統(tǒng)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(jù)運動控制器的系統(tǒng)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。基于總線的控制運動控制器是利用現(xiàn)有的硬件和操作系統(tǒng)、并結合用戶開發(fā)的運動控制應用程序來實現(xiàn)的。它具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，如NC板插入PC機形式的PC-NC結構中的

87、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?shù)能浖硗瓿伞＿@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(tǒng)比較困難。但從應用需求來看，這兩種類型的運動控制器都有各自的優(yōu)點。</p><p>　　基于總線結構型的

88、運動控制器易于系統(tǒng)集成，具有根好的網(wǎng)絡功能和開放性:獨立型運動控制器則應用靈活機動、系統(tǒng)升級優(yōu)化比較容易.目前還出現(xiàn)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(xié)議將多個伺服驅動控制器連接在一起，并行協(xié)調控制.其中SERCOS C Serial Real fillle COImnunitalon Speffiedon)協(xié)議(1995年成為IEC 1491

89、國際標準)是目前最適應子同步和協(xié)調控制的串行實時漚信協(xié)議，該協(xié)議為CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，并使產(chǎn)品具有可互換性。</p><p>　　根據(jù)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(shù)字信號器(DSP)型的運動控制器。前文己經(jīng)論及，這里不再贅述。</p><p>　　根據(jù)被控制的對象來分，

90、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(tǒng)和步進控制系統(tǒng)是兩種完全不同的技術，而現(xiàn)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(tǒng)互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢。現(xiàn)代電子技術的發(fā)展使得將模擬信號轉換成數(shù)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(tǒng)已轉向數(shù)字化，采用微機控制。可以看成是伺服電機的步進化。同樣，現(xiàn)代的步進電機控制，特別是采用閉環(huán)控制后，同樣可實現(xiàn)快速精確的位置控制，其控制結構在許多

91、方面與交流伺服電機控制是相通的。在國外，己經(jīng)出現(xiàn)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(xiàn)閉環(huán)伺服控制。</p><p>　　2.3開放式CNC系統(tǒng)的概要設計</p><p>　　概念設計是在系統(tǒng)正式開發(fā)前對開放目標的清晰明確，對系統(tǒng)體系結構的總體把握。因此，開放式體系結構CNC系統(tǒng)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

92、源于對系統(tǒng)的全面需求分析，依據(jù)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(tǒng)開發(fā)借鑒的參考模型。</p><p>　　2.3.1開放式CNC系統(tǒng)的需求分析</p><p>　　從應用的角度，開放式體系結構CNC系統(tǒng)的設計目標是使系統(tǒng)能夠最大限度的提供CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠、機床設備生產(chǎn)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(shù)控加工和系統(tǒng)集成，不僅能夠為設備自由

93、地選擇、更新或重構CNC系統(tǒng)，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、PMC等外設，而且系統(tǒng)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(tǒng)環(huán)境之中。</p><p>　　表現(xiàn)在功能上，一個開放式的CNC系統(tǒng)應能夠做到:</p><p><b>　　1.用戶界面的開放</b></p><p>　　能夠提供一個統(tǒng)一風格的操作界面，實現(xiàn)

94、操作的簡潔性;同時，用戶可根據(jù)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(tǒng)集成商可更換或自行開發(fā)插補模塊、翻譯模塊或擴展高級曲線曲面插補功能，以適應新的加工需求。</p><p&g

95、t;<b>　　3.控制功能的開放</b></p><p>　　系統(tǒng)的控制對象可以使任何廠家生產(chǎn)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(wǎng)絡模塊的開放</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)對另一個

96、并聯(lián)系統(tǒng)或高層系統(tǒng)是開放的，它們之間可以通過網(wǎng)絡相互操作。例如，可由一臺主控制機來控制整個網(wǎng)絡，控制其它CNC系統(tǒng)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(tǒng)應該可以安裝在大多數(shù)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。</p><p>　　2.3.2開放體系結構CNC系統(tǒng)的設計原則<

97、;/p><p>　　為了全面支持上述關于開放式數(shù)控系統(tǒng)的開放概念、應用特性和功能，本文提供了如下的開放式數(shù)控系統(tǒng)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(jīng)實現(xiàn)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、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)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

98、模塊，便于生產(chǎn)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(shù)控系統(tǒng)的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎之上，實現(xiàn)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(tǒng):為了實現(xiàn)更靈活的配置和更有好的操作，本系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)啟動、運行狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的動態(tài)配置;其實現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓撲

99、結構的動態(tài)生成，包括構成要素、參數(shù)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(tǒng)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(xiàn)在多種軟硬件平臺上的可移植性。這就要求本系統(tǒng)的規(guī)范不依賴于特定的軟硬件平臺.本系統(tǒng)要求所定義的數(shù)據(jù)結構、命名習慣、用戶接口外觀等有利于不同系統(tǒng)平臺的實現(xiàn)。就軟件講，采用分層設計或者客戶

100、/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(xiàn)移植。</p><p>　　5)可擴展性:本系統(tǒng)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(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)。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(shù)和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。</p><p>　　上述開放式體系結構的設計原則，可以用于指導開

101、放式數(shù)控系統(tǒng)的具體結構構造與開發(fā)。</p><p>　　2.3.3基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)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(tǒng)的開放性趨勢，大家普遍提出的開放式數(shù)控系統(tǒng)的參考模型如圖2-4從圖中可以看出，開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個分層結構，同時也是模塊化的，每一層都是一個模塊。最低層的是數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件平臺，它包括機床本身，X, Y, Z, C軸

102、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(tǒng)，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(shù)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(tǒng)，采用Windows98, 2000。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、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

103、也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來負責整個系統(tǒng)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(chǎn)生相應的數(shù)據(jù)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、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。它應提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡，通過客

104、戶機/服務器(ClS)的形式與遠程的CADICAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù);二是和本地機上的其他應用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。</p><p>　　這個參考模型充分體現(xiàn)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(xiàn)互換，可以由不同的廠商來生產(chǎn)，組合起來就是一個高性</p><p>　　能性價比的系統(tǒng)。由于PC

105、機的開放性，使控制器硬件和操作系統(tǒng)達到最大限度的互換。而且，CNC系統(tǒng)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(tǒng)之上，可以利用CNC系統(tǒng)提供的庫函數(shù)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系統(tǒng)的開發(fā)難度大大降低，開發(fā)費用大幅下降。Windows操作系統(tǒng)對網(wǎng)絡的支持是很完善的