（机械电子工程专业论文）基于c＃net开放式数控系统的研究与开发.pdf

基于c j n e t 开放式数控系统的研究与开发 摘要 开放式数控系统是新一代数控系统发展的主流方向，数控系统的技术水平 反映了一个国家制造业水平的高低。随着制造业的信息化和全球化的发展，深 入地进行开放式数控系统的研究，具有非常重要的现实意义和理论价值。同时， 对于开发具有自主知识产权的数控系统，以及打破国外对我国在数控系统上的 技术封锁具有重要的战略意义。 本文根据c 拌n e t 全新设计理念进行了开放式数控系统的开发，探讨了基 于c j 6 n e t 开放式数控系统的体系结构。并且针对c f n e t 环境下的设备驱动 问题，提出了三种相应的解决方案。 本文对基于c 拌n e t 开放式数控系统进行了应用研究，并在此基础上开发 出一个点位控制系统一一锁芯自动组装系统和一个轮廓控制系统一一定子曲线 精密磨削数控系统。 在锁芯自动组装系统中，针对锁芯自动组装的功能要求进行了数控系统的 硬件设计和软件开发。研究了气缸和伺服电机的协调运动，同时，还研制了一 个钥匙码自动识别系统，并研究了其误差组成和误差补偿技术。最后，通过生 产实践的检验，锁芯自动组装系统在给定的工作环境下能正确识别钥匙齿形码 并进行高效组装。 在定子曲线精密磨削数控系统中，本文对影响磨削质量的因素采取了相应 的控制策略：为了提高工作台的运动精度，采用光栅尺对工作台的综合误差进 行在线检测，并进行实时补偿；为了保证磨削点线速度恒定，采用变频器实时 调整砂轮转速；同时对砂轮半径进行补偿，以保证工件的轮廓精度。通过实际 加工的检验，获得了满意的磨削质量。 关键词：开放式数控系统设备驱动点位控制系统轮廓控制系统气动控制 误差补偿齿形码识别c n e t r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fo p e nc n cs y s t e mb a s e do n c j f j n e t a b s t r a c t o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ( o n c s ) i st h em a i nt r e n do fd e v e l o p m e n to f t h en e w g e n e r a t i o nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h el e v e lo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m r e p r e s e n t st h em a n u f a c t u r el e v e lo f ac o u n t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h e i n f o r m a t i z a t i o na n dg l o b a l i z a t i o no fm a n u f a c t u r e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt h a to n csi s s t u d i e dd e e p l y ，w h i c hh a st h er e a l i s t i cm e a n i n ga n dt h e o r e t i c a lv a l u e m o r e o v e r ，t h e r e s e a r c ho fo n c si sp o s s e s s e do ft h es t r a t e g i cm e a n i n g sb e c a u s et h i sh a sm a d ef o r d e v e l o p i n gt h en c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) w i t hi n d e p e n d e n c ei n t e l l e c t u a lp r o p e r t y r i g h t sa n db r e a k i n gt h et e c h n o l o g yb l o c k a d ea b o u tn cf o ro u rc o u n t r y t h eo n c sw a sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h el a t e s td e s i g nt h o u g h to fc 拌n e t ， a n dt h ea r c h i t e c t u r eo ft h eo n c sb a s e do nc j | n e tw a sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r i n a d d i t i o n ，t h e r ea r et h r e ed i f f e r e n tm e t h o d st h a tw e r eu s e dt os o l v et h ed e v i c ed r i v e o nt h ep l a t f o r mo fc 撑n e t t h eo n c sb a s e do nc 撑n e tw a su s e dt od e v e l o pt h et w oa p p l i c a t i o ns y s t e m s ， o n ew a st h ep o i n t - t o p o i n tc o n t r o ls y s t e m ( 1 0 c ka u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m ) ，t h e o t h e rw a st h ec o n t o u rc o n t r o ls y s t e m ( s t a t o rc u r v ep r e c i s i o ng r i n d i n gc n c ) i nt h el o c ka u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e m ，t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e w a sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a ln e e do ft h el o c ka u t o m a t i ca s s e m b l y s y s t e mi nt h i sp a p e r t h ec o l l a b o r a t i v em o t i o nb e t w e e nc y l i n d e ra n ds e r v om o t o rw a s s t u d i e d m e a n w h i l e ，ak e yc o d ea u t o m a t i ci d e n t i f ys y s t e mw a sd e v e l o p e d t h ee r r o r o fs y s t e mw a sa n a l y z e da n dt h et e c h n o l o g yo fe r r o rc o m p e n s a t i o nw a ss t u d i e d f i n a l l y , t h ep r o d u c t i v ep r a c t i c es h o w s t h a tt h el o c ka u t o m a t i ca s s e m b l ys y s t e mr u n s w e l lu n d e rt h eg i v e nc o n d i t i o n n o to n l yt h ek e yc o d ei si d e n t i f i e dc o r r e c t l y ，b u t a l s ot h el o c ki sa s s e m b l e de f f i c i e n t l y t h e n ，i nt h es t a t o rc u r v ep r e c i s i o ng r i n d i n gc n cs y s t e m ，t h ef o l l o w i n g m e t h o d sw e r eu s e dt oc o n t r o lg r i n d i n gq u a l i t yi nt h i sp a p e r i no r d e rt oi m p r o v et h e m o v e m e n tp r e c i s i o no fw o r k t a b l e ，t h el i n e a rs c a l ew a su s e dt om e a s u r et h eg e n e r a l e r r o ro fw o r k t a b l eo n - l i n e ，a n dt h ee r r o rw a sc o m p e n s a t e di nr e a lt i m e i no r d e rt o m a i n t a i nt h ec o n s t a n tr e l a t i v el i n e a rv e l o c i t yo fg r i n d i n gp o i n t ，t h er o t a t es p e e do f g r i n d i n gw h e e lw a sc o n t r o l l e db yt h ef r e q u e n c yc o n v e r t e r m e a n w h i l e ，t h er a d i u so f g r i n d i n gw h e e lw a sc o m p e n s a t e dt ok e e pt h ec o n t o u rp r e c i s i o no fw o r kp i e c e t h e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o w st h a tt h eq u a l i t yo fg r i n d i n gw a si m p r o v e dl a r g e l y i i k e y w o r d s ：o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，d e v i c ed r i v e ，p o i n tt op o i n tc o n t r o l s y s t e m ，c o n t o u r i n gc o n t r o ls y s t e m ，p n e u m a t i cc o n t r o l ，e r r o rc o m p e n s a t i o n ，k e y c o d ei d e n t i f i c a t i o n ，c 捍n e t i i l 插图清单 图2 1 开放式数控系统的体系结构一7 图3 2 锁芯自动组装系统硬件结构1 9 图3 3 锁芯自动组装系统软件功能结构2 1 图3 4 气动系统原理图2 2 图3 5 锁芯正反检测模块时序图2 4 图3 6 正面锁簧组入模块时序图2 4 图3 7 正面锁簧有无检测模块时序图一2 5 图3 8 叶片预入模块时序图2 6 图3 9 正面叶片组入模块时序图2 6 图3 1 0 锁芯旋转模块时序图2 7 图3 1 1插钥匙取锁芯模块时序图2 7 图3 1 2钥匙典型齿形图2 8 图3 1 3系统工作原理框图2 9 图3 1 4识别系统误差的组成2 9 图3 15温度变化的影响3 0 图4 1 数控磨床结构简图3 5 图4 2 数控系统的硬件组成3 6 图4 3 定子曲线精密数控磨床的软件功能结构3 8 图4 4 误差补偿原理图3 9 图4 5 全闭环控制框图3 9 图4 6 砂轮与工件轮廓轨迹关系图4 0 v i i 表格清单 表2 1 数据类型1 3 v i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得盒e 坠工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字菊黟签字日期：叫年，妒夥日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥目曼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金g 巴工些盔 堂一可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 趁易卅 签字日期：沙刁年，1 月刁日 | 、 电话： 邮编： 艮嫡 毽 恤 名 一y 签 k 一；叩 致谢 在本论文完成之际，回顾在合肥工业大学近三年学习期间，有太多的老师 和同学给予我很多帮助和支持。谨此表达我对他们的衷心感谢和崇高的敬意。 同时，衷心感谢安徽省数字化设计与制造重点实验室和机械零件教研室提供的 科研与实验条件。 首先要特别感谢我的导师吴焱明副教授。在吴老师的严格要求和悉心指导 下，我的课题才得以顺利完成。近三年的学习期间，吴老师不仅在学业上给予 我无私的帮助和指导，而且在生活上也给予了无私的关心和照顾。在学术上吴 老师言传身教，以他严谨的治学态度、广博的知识领域、忘我的工作热情、踏 实的工作作风为我在今后的学习工作做出了表率，使我终生受益。在论文的选 题、课题的研究到论文的撰写过程中，吴老师在每一个环节上都给予我精心的 指导和严格的把关。在论文的修改过程中，吴老师更是一丝不苟，小到一字一 词，甚至标点符号都一一指出。吴老师的真诚与无私我将永远铭记在心。在这 里谨表达我对吴老师的崇高敬意和诚挚感谢! 在课题进行过程中，还得到了董玉革教授、王纯贤副教授、朱家诚教授、 汪进副教授、吴天星副教授的热情的指导和帮助，在这里对他们表示衷心的感 谢和崇高的敬意! 感谢锁芯组装系统研制的合作单位领导和工作人员。特别感谢许永华总经 理、戚利民副总经理、金少华师傅、黄炎进师傅和徐满足师傅。感谢定子曲线 精密磨削数控系统研制的合作单位的领导和工作人员，特别感谢魏连江高级工 程师。 感谢师姐沈颖、师兄张栋、师弟丁正、高宏涛、凌飞、阚勇、师妹王军、 尹晓红给予的支持和帮助。感谢陈加超同学在课题进行中给予的帮助和合作。 感谢数字化设计与制造重点实验室和机械零件教研室的全体老师和同学， 感谢他们对我的帮助。 特别感谢爱人孙丽丽在学业上的支持，生活上的关心和照顾。还要感谢养 育我的父母，是他们的支持和鼓励，才使我有今天的成绩。衷心感谢他们! i v 作者：苏学满 2 0 0 7 年11 月2 5 日 第一章绪论 1 1 开放式数控系统的研究现状和发展趋势 1 1 1 国外数控系统的发展 自2 0 世纪8 0 年代以来，美国、欧盟和日本先后开展了开放式数控系统的 研究工作，著名的计划有： 1 美国的n g c 和o m a c 计划 i - 3 】 2 0 世纪8 0 年代，美国国防部和科学制造中心发起了n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 计划，其主要目的在于要建立一套开放式控制系统的规范。1 9 9 4 年，由美国汽车工业发起了“开放式模块化的体系结构控制器”，即o m a c ( o p e n ， m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 计划。该计划主要是由美国三大汽车公司( 即 c h r y s l e r 、f o r d 、g e n e r a lm o t o r s ) 为了解决开放式模块化控制器在汽车工业中 的应用问题而发起的。其主要目的是为了开发一种模块化的可重构控制系统， 使其能够适应新技术的发展和用户的需求，并且能够随时纳入或集成模块化软 件与硬件，使之构成一个高效的控制器，以便实现具有低成本、少维护、开发 周期短、更新换代快的控制系统。o m a c 的主要特性有开放性、经济性、可升 级性、模块化和易维护性。 2 欧盟的o s a c a 计划【4 】 1 9 9 2 年，欧盟e s p r i ti i i 基于“自动化系统中的开放式控制系统体系结 构项目提出了o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l s w i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划。该计划主要是由德国机床制造联合会( v d w ) 协 同欧盟2 0 余家厂商及科研机构共同发起的，在第二期工程提出了“分层的系统 平台+ 结构化的功能单元a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) ”的体系结构。o s a c a 的软 件结构是基于信息通信平台建立的，主要包括3 个组成部分：通信系统 ( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、参考体系结构模型( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r em o d u l a r ) 和配置系统( c o f i g u r a t i o n s y s 2 t e m ) 。互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 、可移植性 ( p o r t a b i l i t y ) 、可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 和互换性( i n t e r c h a n g e a b i l i t y ) 是0 s a c a 体系结构的主要特征。 3 日本的0 s e c 计划 1 - 3 】 19 9 5 年，由日本的t o s h i b am a c h i n ec o ，t o y o d am a c h i n ew o r k s ，l t d a n d y a m a z a k im a z a kc o r p 三个机床制造商和i b mj a p a n ，m i t s u b i s h ie l e c t r i cc o r p a n ds m lc o r p 共同发起了o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ，控 制器开放系统环境) 计划。o s e c 是基于p c 机系统的，一种具有高性能价格比 的开放式体系结构的新一代数控系统。其主要目的在于要建立一个国际性的工 厂自动化( f a ) 控制设备标准，并且能够快速响应市场的需求。o s e c 计划主 要采用了p c + 运动控制器( 即n c 嵌入式) 的硬件结构，它能够实现层次化、 模块化的灵活配置。在系统方面，o s e c 选择了以f l ( f u n c t i o n a ll a y e r s ，层次 化功能) 为基础的开放式平台。 1 1 2 我国数控系统的发展1 5 - 9 】 自从改革丌放以来，我国数控技术的开发和研究有了较快的进步和发展， 尤其是经过“六五 ( 19 8 1 1 9 8 5 ) 规划中引进国外技术、“七五”( 19 8 6 l9 9 0 ) 规划中对引进技术的消化吸收、“八五 ( 1 9 9 l 19 9 5 ) 规划中由国家组织科技 攻关对自主版权数控的开发以及“九五 ( 1 9 9 6 2 0 0 0 ) 规划中由国家组织产业 化攻关等各个阶段的实施，开发了具有我国自主版权的数控系统及其派生的相 关产品。其中主要包括中华型( 中国珠峰公司) 、航天型( 航天数控集团公司) 、 蓝天型( 中科院沈阳计算所) 、华中型( 华中科技大学) 数控系统和合肥工业大 学c i m s 研究所研制的s t a r 系列数控系统【1 0 】【l l 】。 由5 0 年代末期的开发阶段，经“六五”和“七五”期间的发展，“八五” 期间建立国产化，到“九五”期间建立产业化阶段，现在我们国家已经基本上 掌握了现代数控理论的相关技术，建立了一系列数控开发和生产基地，培养了 一批又一批数控专业人才，并且初步形成了自己的数控产业。目前，在我们国 内较具规模的相关企业主要有广州数控、航天数控和华中数控等，已经开发生 产了具有中国特色的经济型、普及型数控系统。经过半个世纪的发展和完善， 产品的性能和可靠性已经有了较大的进步和提高，并且已经开始走向了市场。 当然，目前中国数控产业还有很大的发展空间、广阔的发展市场和无限的发展 潜力。 我国数控技术的现状与国外相比，还有较大的差距。其主要表现在：系统 的技术含量较低，产生的附加值少，不具备与进口系统进行全面抗衡的能力， 只能够在低端市场占有一席之地，还不能为我国数控产业的发展起到支撑作用。 1 1 3 数控系统的发展趋势【1 2 - 2 6 】 随着制造业的信息化和全球化的进一步发展，作为制造业支撑技术的数控 技术必将向更加开放化、高速化、高精度化、智能化、网络化、集成化和绿色 化的方向发展。 1 更加丌放化 完全开放的数控系统是我们追求的最终目标。由于技术上的局限，数控系 统生产商经济方面的利益关系，以及开放式数控系统标准规范还没有完全建立 等诸多方面的原因，目前要想实现完全开放的数控系统还有一定的困难。但是， 随着技术的不断进步、开放式体系结构标准的逐渐统一，以及制造业发展的迫 切需要，数控技术也必将会向更加开放化的方向发展。 2 高速化 随着高速、超高速加工技术研究的发展和深入，高速、超高速加工的优势 已经开始逐渐体现出来，高速、超高速加工也已经逐渐成为制造业发展的必然 2 趋势。作为制造业关键技术之一的数控技术，为了能够满足高速、超高速加工 的需要，也必须相应地开发出满足高速、超高速加工要求的数控系统。 3 高精度化 随着微细制造、超精密制造技术的出现和发展，以及社会生产生活中精密 产品( 如数字录像机、硬盘驱动器和数字影像硬盘机等) 的不断涌现，作为制 造业关键技术之一的数控系统也必须能够满足超精密加工的要求。下一代开放 式数控系统必然会向着高精密化方向发展，以便数控系统的控制精度能够达到 纳米级的要求。除了伺服控制系统的控制技术外，误差补偿技术也将是一个重 要的发展方向，研究新的能够达到更高精度的误差补偿技术是数控系统发展的 重要方向之一。 4 智能化 随着人工智能技术的进步和发展，人工智能技术已经开始渗透到数控技术 的各个方面。例如前馈控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、专家控 制和学习控制等智能控制策略已经广泛应用于数控技术领域。智能数控系统应 该是一个高度集成化的数控系统，是自动编程系统、参数自动配置与调节系统、 故障自诊断系统、刀具的管理与补偿系统等子系统的集成。数控系统的智能化 不仅仅是把人工智能技术应用于数控技术和控制工程，同时，智能数控系统还 应该具有根据加工过程中加工环境和条件( 如环境温度、切削力等) 的变化自 动进行加工参数调整的功能，从而使数控系统能够真正具有智能感知的性能。 5 网络化 随着制造业的信息化和全球化的发展，数控系统的联网能力已经被提到了 非常重要的位置。数控系统的网络化可以使不同的数控机床进行联网，从而实 现中央集中的群控加工，还可以实现远程控制与无人化操作。通过联网不同的 加工设备，可以实现通信和信息的共享。由于现代化生产系统呈现分散化、网 络化制造的特点，在网络制造的模式下，数控机床就成为了网络中的一个节点， 这就要求数控系统具有联网通讯的能力。因此，网络化也是数控系统的研究热 点之一。数控系统的网络化，将能够满足生产线、制造企业和制造系统对信息 集成的需要，也可以为实现新的制造模式和系统( 如柔性制造、精良生产、计 算机集成制造、敏捷制造、虚拟制造、智能制造、并行工程等) 提供有利条件。 6 集成化 随着集成技术的发展，数控系统开始逐渐地走向集成化。集成化数控系统 既包括硬件的集成也包括软件的集成，既包括技术的集成也包括信息的集成。 集成化数控系统是一个全方位的集成系统。硬件的集成指的是把数控装置、伺 服驱动器、可编程控制器等数控系统的子系统集成到一个功能强大和通用的硬 件平台上。软件的集成指的是将各种应用软件集成为一个统一的编程环境中。 集成化数控系统主要具有高可靠性、低成本、小型化、方便用户开发和应用等 优点。 7 绿色化 随着绿色制造概念的提出，绿色制造已经成为制造业研究的一个热点，数 控系统作为制造业的关键技术之一也应适应绿色制造的理念。数控系统的绿色 化包括两个方面：一是数控系统硬件的绿色化，即数控系统硬件的制造要符合 绿色制造的要求；二是数控系统软件的绿色化，即数控系统的应用环境要符合 绿色化的概念。在数控系统开发过程中，要完全按照绿色化的要求进行，做好 数控系统的资源优化，减少数控系统资源的浪费，避免数控系统废弃物的产生。 由于数控系统的资源是有限的，为了避免系统的崩溃，必须做好系统内垃圾的 处理与回收工作，以保证数控系统能够处于良性的环境中运行，从而使数控系 统具有绿色化的特性。 1 2 开放式数控系统的结构形式【2 7 - 3 4 】 为了适应制造业迅速发展的要求，满足制造业信息化的发展趋势，数控系 统的开放化成了必然的要求。开放式数控系统具有模块化、标准化、平台无关 性、可二次开发、适应网络操作等特点，它主要面向机床厂家和最终用户，使 其可以自由地进行硬件配置，即数控装置、驱动装置、伺服电机等数控系统的 硬件构成可以自由地选择，并且可以方便地将自己的技术和特殊的应用集成到 数控系统中，以便能够快速地完成不同品种、不同档次的数控系统开发。目前， 随着制造业信息化的深入发展，开放式数控系统的研究和开发也得到了前所未 有的发展，已经开始成为数控系统发展的主要趋势。美国、欧洲、日本等都在 进行关于开放式数控技术的研究和开发，并且已经制定出了各自的开放式体系 结构标准。但是，由于各方面原因的限制，要想在短期内实现完全开放的控制 系统体系结构，还具有一定的难度和挑战。 目前，随着p c 技术的发展，p c 技术和数控技术的融合已经开始成为主要 的发展趋势。以p c 为平台的数控系统可以共享众多的p c 先进技术，这就为数 控系统的标准化、模块化和开放化奠定了硬件基础。数控系统的p c 化正在成 为开放式数控系统的一个潮流，也代表了目前数控技术发展的主要方向。目前， 基于p c 的开放式数控系统主要有3 种结构形式： 1 专用c n c + p c 型 即把p c 机嵌入到专业的数控系统中。传统的c n c 生产厂家生产的商用数 控系统( 比如西门子、f a n u c ，三菱等) 大都采用这种结构，这样的话，一方面 可以延续他们在数控技术方面长期开发过程中所取得的技术优势；另一方面， 利用p c 的优势，可以获得一定的开放性，可以向用户提供人机界面的开放， 还可以做一定量的二次开发。但是，由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统， 用户无法介入数控系统的核心，因此，这种数控系统仍然不能满足大多数用户 4 二次开发的需要。 2 p c + n c 型 即在p c 机上嵌入开放式可编程运动控制器，属于双c p u 结构，是一种便 于开发的开放式数控系统。该结构主要是由p c 机处理人机界面，加工显示等 非实时性任务，而插补计算和位置控制等实时性要求较高的任务由运动控制器 中的c p u 完成。其中，运动控制器都配有开放的函数库以供用户自行开发，并 根据实际需要构造所需的控制系统。所以，p c + n c 的数控体系结构自问世以来 就被很多厂家企业所采用。这种系统的特点是灵活性好、功能稳定、可共享计 算机的所有资料，而且还可以实现远程控制。 3 软件n c 型 软件n c 型提供给用户最大的选择和灵活性，其c n c 软件全部装在计算机 中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i 0 之间的标准化通用接口。n c 型数控的全部功能由p c 完成，其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性强， 具有很好的开放性，但是开发者的工作量非常庞大。当开放式数控系统的操作 系统采用w i n d o w s 时，又由于w i n d o w s 并不是一个实时操作系统，所以开发 者还必须解决对硬件的实时操作问题。 在以上三种形式的开放式数控系统中，基于p c + 运动控制器的开放式数控 系统，是当前比较理想的选择。在这种数控系统中，p c 机主要处理非实时部分， 实时控制由插入p c 的运动控制器来实现。 1 3 课题的来源、意义与主要研究内容 1 3 1 课题的来源 本课题来源于安徽省重点实验室建设项目一一“数字化设计与制造重点 实验室建设，其研究成果在与企业的合作得到了应用。 1 3 2 课题的意义 随着制造业的迅猛发展和先进制造技术的飞速进步，柔性制造单元 ( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制造系统( c i m s ) 已经开始逐 渐成为制造业发展的必然趋势。作为制造业自动化和信息化关键技术之一的数 控技术，也必将发挥其更加重要的作用。中国的制造业要想在世界制造业中占 有一席之地，要想打破世界数控市场对中国在数控技术上的封锁，就必须努力 研究和开发具有自主知识产权的数控系统。因此，针对具有开放式体系结构的 数控系统的深入研究，对于2 1 世纪的中国制造业的促进和发展具有举足轻重的 意义，也是使我国从制造大国转变为制造强国的关键之所在。 1 3 3 课题的主要研究内容 目前，开放式数控系统在数控技术领域得到了广泛的应用和发展。而且， 开放式数控系统一直是数控技术领域研究的热点所在。本文关于开放式数控系 统的研究主要将做以下的工作： 第一，分析和研究开放式数控系统的体系结构，根据实际需求建立一种可 行的体系结构，总结该体系结构的特点。研究基于c 群n e t 开放式数控系统的 工作机制，并研究在c n e t 环境下设备驱动存在的问题以及具体解决方案。 第二，基于c 群n e t 开放式数控系统在点位控制系统中的应用研究。实际 开发一个锁芯自动组装系统，利用c f n e t 开放式数控系统来完成锁芯的自动 组装工作，同时研究一个钥匙码自动识别系统，自动完成钥匙码的识别工作， 以便于保证锁芯的正确组装。 第三，基于c 撑n e t 开放式数控系统在轮廓轨迹控制系统中的应用研究。 利用c 撑n e t 开放式数控系统开发一个定子曲线精密数控磨床，同时研究数控 磨床在磨削过程中的质量控制策略。 6 第二章基于c f n e t 开放式数控系统体系结构 与设备驱动的研究 2 。1 引言 开放式数控系统的体系结构目前还没有形成统一的标准，其中，比较有影 响力的是美国的“n g c 和o m a c ” 3 5 】、欧洲的“o s a c a 【4 1 、日本的“o s e c ” 1 36 j 所提出的体系结构。 不管是哪一种体系结构，都在致力于建立一套标准的规范。以这种体系结 构的标准建立的数控系统，其应用系统与操作平台具有无关性，即同一应用系 统可以用于不同的操作平台，同一操作平台可以运行不同的应用系统。同时， 用户可以按照自己的需求对数控系统的功能进行增添或删减。另外，这种体系 结构还具有统一的标准接口规范，使来自不同厂家的不同产品可以协调工作。 最终目的是建立一套开放式数控系统的体系结构标准，使数控系统具有更多的 开放性，从而缩短数控系统的开发周期，适应市场快速变化的要求。 要建立统一的开放式数控系统体系结构标准，还有很长的路要走。本文在 研究现有的开放式数控系统体系结构的基础上，认为可以建立如下开放式数控 系统的体系结构来进行p c + n c 型开放式数控系统的开发与研究。 2 2 开放式数控系统的体系结构 开放式数控系统的体系结构以其开放性为最基本的特性。其中，开放性不 仅体现在硬件设备的开放性，而且体现在软件系统的开放性。随着计算机技术 的不断进步和提高，基于p c 的开放式数控系统得到了广泛的发展和应用，开 放式数控系统的开放性也得到了深入的研究和开发。根据“p c + n c ”型开放式 数控系统的特点，本文认为可以建立图2 1 所示的“p c + n c ”型开放式数控系 统的体系结构。 应用层( 用户开发平台如n e t ) 设备驱动层即通讯层( 硬件的设备驱动程序、动 态链接库( d l l ) 、各种硬件的函数类) 操作系统层( w i n d o w s l i n u x 其他操作系统) 硬件层( i p c + 运动控制器+ i 0 卡+ 其他扩展卡) 图2 1开放式数控系统的体系结构 7 在图2 1 中，硬件设备层主要包括开放式数控系统信息处理中心工业控制 计算机( i p c ) 、数控系统的核心( 运动控制器) 、i o 板卡和各种功能扩展卡。 硬件设备层是数控系统实现各种功能的物质基础，也是完成数控系统各种功能 的关键保障。该层具有一定的开放性，各种硬件设备都具有通用的标准接口， 可以根据功能的需要和性能的要求选择不同的产品以组成不同性能和不同类型 的数控系统。 操作系统层是保证整个数控系统工作的基础，它主要完成上层应用程序与 硬件层之间的通讯。常用的操作系统主要有m sd o s 、w i n d o w s 、w i n d o w sc e 和l i n u x 等。根据各种操作系统的特点以及数控系统的要求，可以选择合适的 操作系统，以便使数控系统的功能达到最佳。本文研究的开放式数控系统采用 w i n d o w s 操作系统，下面的章节将会详细介绍。 设备驱动层是开放式数控系统的各种硬件设备发挥其功能的关键保证。如 果没有设备驱动程序，所有的硬件设备在数控系统中将变得毫无意义，只能是 一些无用的、不具有任何使用价值的设备。而有了设备驱动程序，各种硬件设 备才能够得以组合在一起发挥数控系统的各种功能，并完成各种零件的加工。 当操作系统不同时，设备驱动程序的编写规则也有所不同。根据硬件所提供的 技术支持，驱动程序也会有不同的解决方法。这也将是本文讨论的重点之一， 下面的章节将对其进行详细的讨论。 应用层主要为用户开发应用模块提供平台支持，用户可以根据自己的需求 开发人机界面和各种功能模块。在该平台中，各个功能模块可以任意增删，灵 活配置。本文将采用的是目前应用比较广泛的n e t 开发平台。 图2 1 所示的体系结构具有如下特点： ( 1 ) 开放性：完全开放性是开放式数控系统追求的终极目标。开放性既包 括硬件的开放也包括软件的开放。数控系统的开放程度体现了数控系统的性能 优劣。基于p c 的数控系统在软硬件方面都具有很好的开放性。 ( 2 ) 可扩展性：在硬件方面，用户可以根据自己的需要，扩展必要的硬件 元件；在软件方面，可以根据用户的需要不断地增加功能模块，使数据系统具 有更加完善的性能。用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到系统中， 形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸。系统的功能和规模可 以灵活设置，方便修改。控制系统的大小( 硬件或元件模块) 可以根据具体应 用进行增减。 ( 3 ) 互操作性：数控系统可以在不同的开发平台上进行操作，不同的语言 之间也具有互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，可以使不同的 功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并且获得平等的相互 操作能力，进行协调工作。 ( 4 ) 可移植性：数控系统可以移植到不同的硬件设备上进行运行。系统的 8 功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型和控制机理，使构成 系统的各功能模块可以来源于不同的开发商，并且通过一致的设备接口，使各 功能模块能够运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 ( 5 ) 可互换性：构成系统的各硬件和功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可以根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行； 数控系统中的插件都具有标准的接口( i s a 接口或p c i 接口) ，这些插件可以用 不同厂商的产品进行更换。另外，操作系统和开发工具也可以用不同厂商提供 的产品进行更换。 以上所述集中体现了开放式数控系统的开放性，从而可以大大缩短产品的 开发周期，为赢得市场的竞争提供有力的保证。 下面将重点讨论设备驱动问题。 2 3 开放式数控系统的设备驱动 设备驱动程序是一种特殊的程序。首先是将硬件本身的功能告诉操作系统， 接下来是完成硬件设备电子信号与操作系统及软件的高级编程语言之间的互相 翻译。简单地说，驱动程序既提供了硬件到操作系统的一个接口，又可以协调 二者之间的关系。驱动程序既是硬件的灵魂，又是硬件和系统之间的桥梁。 开放式数控系统如何对其核心元件( 运动控制器) 进行调度，以完成其必 要的功能，是开放式数控系统首先要解决的关键问题。对于不同的开发工具、 不同的语言环境，设备驱动解决的方案也各不相同。下面将根据本文的开发工 具以及语言环境来重点讨论开放式数控系统的设备驱动。 2 3 1 开放式数控系统操作系统的选择 操作系统是开放式数控系统运行的基础平台。对于开放式数控系统来说， 并没有一个统一的操作系统平台。国内外的开放式数控系统所采用的操作系统 平台主要有以下几种方式：d o s 操作系统平台，w i n d o w s 操作系统平台， w i n d o w sc e 实时嵌入式操作系统平台和l i n u x 操作系统平台等。 d o s 操作系统是运行于16 位实模式下的单用户单任务操作系统。该操作 系统实时性好，但由于受到l6 位实模式的限制，使得系统功能和灵活性不强， 可靠性不易得到保证，尤其是网络功能薄弱，而且计算机的潜力没有得到充分 发挥【13 1 。 w i n d o w s 操作系统是一种单用户多任务图形窗口操作环境。该操作系统功 能强大，灵活性较好，易学易用。 w i n d o w sc e 是一种实时性嵌入式操作系统，多用于移动通信领域。由于 c e 的应用程序接口( a p i ) 与标准的w i n d o w sa p i 之间存在差异，原来在桌面 w i n d o w s 中包含的a p i 函数在w i n d o w s c e n e t 中是不支持的，所以开发者需 要自己利用其他办法去实现某些功能。此外，w i n d o w s c e n e t 支持的内存容量 9 和显示屏的面积也很有限，这使开发人员不得不考虑与硬件相关的因素。 l i n u x 操作系统是一种多用户多任务操作系统，其源代码公开。但是，硬 件设备的驱动程序需要根据l i n u x 操作系统驱动程序的编写规范自行编写。 通过对以上各种操作系统综合比较，本文选用w i n d o w s 操作系统作为数控 系统的操作系统。w i n d o w s 操作系统具有如下优点： 1 友好的图形界面和丰富的资源 w i n d o w s 标准的窗口系统和全新、漂亮的图形用户界面，提供了一致性的 操作界面，而且易学易用。利用w i n d o w s 的资源，可以很方便地生成各种简单 乃至复杂的菜单，还可以方便地生成数控指令编辑软件等，极大地缩短了产品 的开发周期。 2 多任务的操作系统 在执行实时加工任务的情况下，还可以同时执行在线检测、故障诊断等任 务，在不增加成本的前提下，充分地发挥了主机的性能，各个任务之间既易于 转换，又可以方便地交换信息。 3 系统提供开放式系统结构的功能接口，功能的扩充和剪裁十分方便【”】。 用户( 机床制造商) 将自己的功能以d l l 的形式进行封装，然后放在适当 的目录下即可在系统中使用。还可以使系统的结构组织得比较清晰有序，便于 功能的扩充和裁剪，以运行各种现有的软件，如c a d 、数据库等，还能进行联 网等。同时，由于w i n d o w s 本身是一种开放的操作系统，从而易于在数控系统 中实现开放的特性。 但是，由于w i n d o w s 操作系统的体系和结构庞大，实时性差，而且数控系 统对实时性的要求非常高。因此，为了达到数控系统对实时性的要求，在数控 系统中可以通过配置运动控制器等来加以实现。 2 3 2 开放式数控系统开发工具的选择 从理论上说，任何一种高级语言都可以作为数控系统的开发语言，目前数 控系统的开发工具大多采用c + + 或v c + + 。但是，由于c + + 代码不够安全，语 法和文法比较晦涩繁琐，因此开发效率较低。而作为微软推出的新一代语言， c n e t 则具有很多优势。n e t 对于最终用户来说非常重要，并且可以对其进 行跨应用程序的集成。 之所以采用v i s u a ls t u d i o n e t 作为数控系统应用程序的