西华大学前沿讲座题库.doc

前 沿 讲 座题 目: 开放式数控系统 学 生 姓 名: 曾印权 学 号: 312011081102225 年级/专业/班: 2011级 机设 2 班 学院(直属系) : 机械工程学院 - 6 -开放式数控系统摘要：随着计算机系统的发展，特别是网络技术的发展，CIMS的实现形式将从大型主计算机和大规模数据库为中心的集中型，向以个人计算机的小型计算机互相连接、配置成网络的分散发展。其变化不仅拥有技术上的优势，而且更符合实际生产的需要。长期以来数控设备制造企业和机床制造企业是各自独立开发产品的，数控企业不断丰富系统的功能，但在数控机床实际应用中，并不一定需要庞大的系统功能支持。另一方面，机床制造厂和用户有许多经验而这些经验不可能与数控装置的生产厂共享，很难融入到已有的数控系统中去。业生产中机床设备的种类很多，许多机床是直接根据用户的需要设计的。控制器生产企业提供的数控系统大多是全功能的数控系统，数控中的许多参数都需要根据机床的实际情况设定。系统要提供设定参数的接口，以供机床制造企业调整和修改。数控系统提供的全功能，机床制造企业不一定都需要。在这种情况下他们都希望数控系统具有一定的“开放性”，即具有高度模块化的结构，可以重新配置、修改、扩充和改装。关键词： 数控系统 开发现状 组成原理 基本理论 发展动向 Open numerical control systemAbstract: with the development of the computer system, especially the development of network technology, the implementation of CIMS will from large main computer and large-scale centralized database as the center, to small computer connected to each other, the configuration of the personal computer into a network of diversification development.The change is not only have technological advantages, and conforms to the actual production needs.Long nc equipment manufacturing enterprises and machine tool manufacturing enterprise is develop products independently, numerical control functions of the system of enterprise constantly enrich, but in actual application of the numerical control machine tool, does not necessarily require a lot of support system function.Machine tool manufacturers and users, on the other hand, there are a lot of experience and the experience cant be Shared with the manufacturer of CNC equipment, it is difficult to feed into the existing numerical control system.Many, many different kinds of industry in the production of machine tool equipment, machine tool is designed according to the needs of users.Controller manufacturing enterprises to provide most of the numerical control system is a full-featured CNC system, CNC of many parameters need to be set according to the actual situation of machine tool.System to provide the interface to set parameters, adjust and modify for machine tool manufacturing enterprise.Numerical control system to provide a fully functional, machine tool manufacturing companies do not necessarily need to.In this case they want CNC system has a certain openness, which has a highly modular structure, can reconfigure, modification, extension and modification. Keywords:numerical control system；development status；composition principle theory of constitution； fundamental theory；development trend浅谈开放式数控系统从1952年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展日趋完善，已由最出的硬件数控（NC）经过计算机数控（CNC），发展到以微型计算机为基础的数控（MNC)、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS)等，并朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，对制造商所生产的产品不但要求价格低,质量好，而且要求交货时间短，售后服务好，好要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。新的环境要求CNC进一步向开放式控制系统转化。1.开放式数控系统的概念当今，随着计算机技术的高速发展，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的就是体系结构的开放化，设计生产开放式的数控系统。什么是开放式数控系统？目前尚未形成统一的定义，但一般认为认为开放式数控系统应具有下列特征：1. 模块化：具有高举模块化的特征。采用分布式控制原则。采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的。2. 标准化：“开放”是在一定规范下的开放，并非毫无约束的开放。需要制定一个标准来约束各类机床控制器的研发。3. 可再次开发：应当允许用户进行第二次开发。根据需要可方便地实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途。4. 平台无关性：开放时体系结构中各模块相互独立，系统厂、机床厂及最终用户都能够很容易地独立开发一系列专用功能和其他有个性的模块。为此要有方便的支持工具，控制程序设计按系统子系统¬模块三级进行，各模块接口协议要明确。5. 适应网络操作方式：作为开放式控制器应当考虑到迅速发展的网络技术及其在工业生产领域的应用。要具有一种较好的通信和接口协议，一边各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换，满足实时控制需要。总之所谓开方式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统。数控系统的开放性体系结构数控系统的开放性概念出现在80年代末90年代初，是欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等多方面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞争能力。在关于开放式体系结构的定义，按IEEE 定义，一个开放式控制系统应提供这样的能力:来自不同卖主的种种平台上运行的应用都能够在系统上完全实现，并能和其他系统应用互操作，且具有一致性的用户界面。开放式的数控系统是指PC-NC，是在加工机械专用的CNC中也将引入PC所具有的开放化。系统组成内部的开放化系统组成各部分之间的开放化关于以上开放性的概念可从两个方面进行理解:一是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范而言的，以保证平台具有适应新技术的发展，并能够接受新的设备的能力。时间的开放性又有可扩展和可移植性两个方面。空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，它又可分为互操作性和互换性。PC-NC开放式数控系统的结构如图1所示。图1-1 PC-NC模式开放式数控系统的结构其构成如图1-2所示。图1-22 PC-NC模式开放式数控系统的构成2.开放式数控系统的组成原理一个开放式的数控系统，首先应具备系统功能模块化的参考结构，并具有定义了标准协议的通信系统，使得各个功能模块能通过API来相互交换信息并相互操作。同时，系统还应具备一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在运行开始还是之间都能够被灵活的配置。欧盟的OSACA开放式体系结构的制定正符合这种要求。现介绍如下：OSACA的体系结构 OSACA对开放式数控系统的定义完全符合IEEE的标准。OSACA的定义为：一个开放式的数控系统，有一组逻辑的、离散的组建组成，在组建之间以及组建和实现平台之间定义了很好的接口，容许不同的供应商提供不通组件可协调运行于不同的平台之上，并提供给用户及其他控制系统一个一致的接口。OSACA控制系统的体系结构可分为两部分：应用软件和系统平台。应用软件即控制系统所包含的各个功能模块(AO) 。AO之间通过OSACA的通讯系统可以互相操作,通过OSACA提供的API接口可以运行于不同的平台之上。OSACA的系统平台 OSACA的平台是基于开放式的体系结构，由系统硬件和系统软件组成。系统硬件有机床的功能配置决定，它不依赖于某一硬件制造商。系统软件由两部分组成：系统的核心软件（如操作系统、通信系统、动态的实时配置系统等）和可选的系统软件（如数据库、图形系统等）。系统平台提供的服务是通过标准的API来实现的。API是AO进入系统平台的唯一的途径，他一方面隐藏了系统平台的一系列服务实现的真实的过程，使系统独立于硬件和操作系统，另一方面提供各种功能单元对象在所有平台的统一的接口。在系统平台上，用户可以任意选购不同供应商提供的不同的功能模块，来构筑自己所需的控制系统，也可以根据特殊需要增添或减少系统功能。 开放式数控系统体系结构的组成部分 根据对开放式数控系统的需求分析，一个典型的开放式数控体系结构由三部分组成：参考结构、通讯结构、配置结构。参考结构描述一个控制系统由哪些AO模块组成以及各自提供什麽样的接口标准；通信结构解决各AO模块如何在独立于系统的情况下交换信息；配置系统划分系统平台所需实例化的AO模块，并对它进行实时的配置。3.开放式数控系统的应用现状就目前看，开放式数控系统有三种基本结构：1）CNC+PC 主板：把一块PC 主板插入传统的CNC 机器中，PC 板主要运行于非实时控制，CNC 主要运行以坐标轴运动为主的实时控制。2）PC+运动智能控制板：把运动智能控制板插入PC 机的ISA 标准插槽中作实时控制用，而PC 机主要作非实时控制。3）完全软件的开放式数控系统。对于许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用第2方案。其结构原理如下图所示。1 国内外开放式数控系统的发展 具有代表性的开放式数控系统有：1)美国的OMAC 美国把开放式数控系统定义为“开放式模块化体系结构控制器”OMAC（Open ModularArchitecture Controller）。由克莱斯勒、通用和福特三大汽车公司于1994 年提出。其目标要求： 开放化一般可利用软硬件在标准环境下集成； 模块化提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制； 可调整根据用户需要可简单有效地构成； 可靠性要求软硬件高可靠性，容易维护。2) 欧盟的OSACA “自动化系统中的开放式控制系统体系结构”OSACA（Open System Architecture forControler within Automation System）是由欧盟22 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起的，前后经历了三个阶段。OSACA 的目标之一，是使自己成为自动化领域的通用国际标准。3)日本的OSEC 日本的“控制器开发系统环境”OSEC（Open System Environment for Controller）由东芝机器公司、丰田机器厂和MAZAK 三家机器制造商和日本IBM、三菱电子及SML 信息系统公司共同组建。4) 我国的开放式数控系统目前国内已有的开放式数控系统有四种：华中I 型、中华I 型、航天I 型和蓝天I 型。国内的开放控制系统各有优点,且经过近几年的攻关，有了较大的提高。但从数控系统的发展趋势看，它们与国外的相比仍有一定的差距，仍有许多需要完善之处。2.流行的开放式数控系统-PMACPMAC 是20 世纪90 年代初由Delta Tau 公司推出的高性能运动控制器, 具有运动控制、逻辑控制、资源管理及与主机通信等功能, 有软硬件全面的开放性, 可方便用户开发各类通用或专用系统。其开放性具体表现在：2.1 PMAC硬件结构的开放性1) 支持多种工作平台, 允许在PC, STD,VM E, PC I 等不同总线上运行, 方便了用户选择所需的主机类型。2) 有模拟和数字两种伺服接口, 能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机、直线电机等多种电机连接, 并可对不同的电机提供相应的PWM ,DAC, PUL SE 等控制信号。3) 可接受各种检测元件的反馈信息, 包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等。4) 提供串行方式、并行方式和双端口RAM 方式与PC 机进行双向通讯。5) 绝大部分地址向用户开放, 包括电机信息、坐标信息及各种保护信息。6）提高各种 I/O 功能模块，用户可按需要选购与所用设备相兼容的配件，大大缩短了系统开发的周期和成本。2.2 PMAC软件的开放性1)支持各种高级语言, 用户可以使用C+ ，VB，VC，Delphi在WindowsNT ,Windows95，Windows98,Windows 2000 软件平台上定制用户专用界面。2)在数控语言上对用户开放, 不仅支持用户直接调用现有的直线、圆弧、样条曲线的插补指令，而且还允许用户自定义G 代码、M 代码、D 代码、S 代码, 实现以往数控语言所不能完成的功能。3)提供内装式软件化的PLC, 可以编制64 个异步PLC 程序, 通过一些指针变量, 用户可以按位、按字节进行逻辑控制。4)可共享PC 微机丰富的各类支撑软件和工具软件, 方便地与各类网络连接, 与CADCAM 系统连接, 便于远程诊断、网络制造和制造系统集成控制的实现。目前，PMAC广泛应用到雕刻、机器人控制，运动控制等领越。4.开放式数控系统的发展动向美国： NGC( ( The Next Generation Work- -station/Machine Controller) 和 和 OMAC( ( OpenModular Architecture Controller) 计划欧共体： OSACA （ （ Open System Architecture for Control within Automation Systems) 计划日本： OSEC( ( Open System Environment for Controller) 计划中国： ONC(Open Numerical Control System)背景：1987 年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动美国工业界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外竞争。该项目由美国国家制造科学中心( ( NCMS) 与空军共同领导，由 Martin Marietta 公司为主承包公司，于 1989 年开始实施。内涵：NGC 是一个实时加工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的 CNC 控制和周边装置的过程控制，包括切削加工（钻、铣、磨) ) 、非切削加工（电加工、等离子弧、激光等) ) 、测量及装配、复合加工等目标开放式系统体系结构标准规范 SOSAS（ Specification for an Open System Architecture Standard ）” ” ， 用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。 SOSAS 定义了NGC 系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的以下9 9 个功能设1.分级式控制结构，指出了功能性的分解；2.分布式的控制适应在单个工作站内的多级控制；3.按系统、子系统和模块进行分解；4.虚拟机方便了模块间的相互交换和相互操作能力；5.控制程序由3 3 级设计表示；6.信息通过 NML(Neutral Manufacturing Language) 语言传递；7.公共的 Look 和 Feel 是人机接口的一部分；8.信息库管理所要求的信息，并包括实时数据；9.传感器/ / 操作部件的操作按照标准协议进行。进展：1994 年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。如美国 Ford 、 GM 和 Chrysler 等公司在 NGC 计划的指导下，联合提出了 OMAC(Open Modular Architecture Controller) 开发计划，定义了系统基础框架，信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等，构造了完整体系结构。该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。又如 DELTA TAU 公司利用 NGC 和 OMAC 等协议，采用 PC 机和 PMAC 控制卡构成的 PMAC开放式 CNC 系统，获得了良好的应用效果。PMAC 卡与 PC 机之间有双端口、总线、串口、中断等信息交换方法， PMAC 卡还提供丰富的人机接口、 I/O 接口、电机控制接口，能实现交、直流电机的闭环位置控制。背景：1990 年由德国、法国、西班牙、意大利、瑞士等欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研单位联合发起的，于 1992 年5