（机械电子工程专业论文）基于linux的开放式数控系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 数控系统的产生剐发展都一直! - 5 汁鲜机技术密切射l 关，如似提供丛于p c 机操作 系统的丌放式体系结构的c n c 系统，使c n c 系统在软件和硬件一i - 都具有良好的丌放 性是当i j c n c 系统的研究重点之一。市场上已有的数控系统火都基于d o s 或 w in d o w s n t 系统，而这两利t 操作系统都刁；能很好的川n i j 二；1 1 ) 1 1 1 控制。i 。in u x 操作系统具 有典正的多任务、源代码全， ：放、极他的稳定性、优秀的内存管理以及强人的州络功 能等特性，使其经改造后能很好的满足数控系统的，h 兮需求舛论文以实时l i n u x 椰 工业p c 机为软、硬件平台，以c 语言、k d e o t 库以及g c c 编译器为丌发工具，进行 了计算机数控系统的研究和歼发。论文主要内容包括： 1 从数控系统的实时性、稳定性和丌放性等方面，分析了j = j l l 有p c 化数控系统支撑 s f 台的不足，讨论了基于实时l i f l u x 平台丌发c n c 系统的优势； 2 构造了基于l i n u x 的c n c 系统的体系结构，分析了该系统的优点和丌放性：剖 析了基于l i n u x 数控系统的任务调度机制；研究了在l i n u x 平台上实现实时控制的途 径，并采用r t l i n u x 内核对l i n u x 进行实时化改造； 3 对基于l i n u x 的网络通信进行了研究；提出了基于c 1 i e n t s e r v e r 模式的分和 式数控系统：分析了其结构及协议； 4 以前面的工作为基础丌发了基于实l 、jl i n u x 的滚轧机数控系统，并在青岛生建 机械厂得到成功应用。 最后，对全文工作做了总结，并提出了诸多尚待讨论的问题，为今后的 ：作确定 了b 标。历7 关键词：丌放式数控系统实时l i n u x 任务调度滚轧机 l 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 7 f h ep r o d u c t i o na n dd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mc l o s e l yc o n t a c t sw i t h t i l e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y a l l a h m g 1 l o wt o p r o v i d eac n cs y s t e mo f p c b a s e do p e r a t i n gs y s t e ma n d o p e ns y s t e ma r c h i t c c l u l e ，w h i c hc a nm a k ec n cs y s t e m b e t t e ro p e n i n gi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i so n eo ft h ef o c a lp o i n t so fc u r r e n tr e s e a r c h m o s tc n cs y s t e mi nt h em a r k e ta r eb a s e do nd o so rw i n d o w s n c u n t b r t u n a t e l y , n e i t h e ro ft h e mi ss u i t a b l ef o ri n d u s t r i a lc o n t r 0 1 l i n u xh a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha st r u e m u l t i t a s k s ，o p e ns o u r c ec o d e s ，g o o ds t a b i l i t y , e x c e l l e n tm e m o r ym a n a g e m e n ta n ds t r o n g n e t w o r kf u n c t i o n ，w h i c hm a k ei tag o o dc h o i c et b rc n c s y s t e m i nt h i st h e s i s ，ac n c s y s t e mi s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e db a s e do i lr e a l t i m el i n u xa n di n d u s t r i a l p e r s o n a l c o m p u t e r w i t hc c + + l a n g u a g e ，k d e q tl i ba n dg c c c o m p i l e r t h em a i nc o n t e n t so f t h e t h e s i si n c l u d e ： 1 d i s a d v a n t a g e s o fc u r r e n t p l a t f o r m s f o rc n cs y s t e m sb a s e do np ca r e a n a l y z e d a n da d v a n t a g e so fc n cs y s t e m sb a s e do nr e a l - t i m el i n u xa r e d i s c u s s e df r o mr e a lt i m e ，s t a b i l i t ya n d o p e np e r f o r m a n c e 2 a n o p e na r c h i t e c t u r eo fl i n u xc n c i si m p l e m e n t e d ，t h ep r e d o m i n a n c ea n d o p e nc h a r a c t e r i s t i c so f t h es y s t e ma r ea n a l y z e d t h em e c h a n i s mo fc n ct a s k s c h e d u l e rb a s e do nl i n u xi sd e s c r i b e d r e a s o n a b l y s e v e r a la p p r o a c h e s t o r e a l i z er e a l - t i m ec o n t r o lb a s e do nl i n u xa r ei n v e s t i g a t e da n dr t l i n u xi su s e d t og e tar e a l t i m el i n u xk e r n e l 3 t h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o nb a s e do i ll i n u xi sr e s e a r c h e da n dad i s t r i b u t e c n c s y s t e mb a s e do nc l i e n t s e r v e ri sp r o v i d e di n c l u d i n gt h ea r c h i t e c t u r ea n d c o m m u n i c a l i o n p r o t o c 0 1 4 b a s e do i lt h ef o r e m e n t i o n e dw o r k ，w e a l r e a d yd e v e l o p e d r o l ln u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e mb a s e do nr e a l t i m el i n u xa n d p u ti n t op r a c t i c es u c c e s s f u l l yi n q i n g d a os h e n g j i a nm a c h i n e r yf a c t o r y f i n a l l y , as u m m a r y o fw o r ki n v o l v e di nt h ep a p e ri sg i v e na n ds o m e p r o b l e m sf o rt h e f u t u r ea r ed i s c u s s e d ，w h i c hf o r mt h e o b j e c t i v e sf o rf u t u r er e s e a r c ha n dw o r k k e yw o r d s ：o p e nc n c s y s t e m ，r e a l t i m el i n u x ，t a s ks c h e d u l e r , r o l lm a c h i n e 1 l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 数控技术的发展回顾 1绪论 机床制造业是一个国家的繁础： 业，是机器大工业生产的技术基础。数控技术给 机床制造业带来的显著经济效益及广阔的发展前景，使它成为衡量一个国家制造业 水平的重要标志之一。 自从1 9 5 2 年，美国麻省理工学院伺服机构研究所成功地研制f l 世界上第一台三 坐标数控铣床以来，随着半导体技术、计算机技术的发展，数控技术也瞅得了t i i 人 的进步，并得到了广泛的推广应用。 早期的数控系统是由各种电子元器件、逻辑元q t ： lj 记忆元件组成的逻辑电路， 在各元器件之间通过固定的硬线连接搭成一个硬件装置，由硬件实现数控功能，因 此称为硬件数控。这时的数控系统是任务专一的硬件，一旦形成一种模式和功能之 后，就很难随意更改。 七十年代初，随着大规模集成电路、半导体存储器，特别是微处理器的问世， 以微处理器为核心的数控系统，l ：始得到应用，数控技术“_ j 硬件数控进入了汁算机数 控( c n c ) 的时代。计算机数控采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部的数控 功能，因此又称为软件数控。软件数控的产生，使数控功能的修改和变更可以通过 修改或重写程序来实现，提高了系统的灵活性和可靠性。存其后的2 0 多年微机 数控系统得到了广泛的应用。 八十年代是数控技术蓬勃发展的时期，数控机床进入了普及的阶段，它以商质、 ，岛效的：l i l i 工能力和良好的性能价格比得到了人多数制造行业的接受。耐州，新的研 究成果也在数控技术中得到应用，数控系统向着更高的性能、更完善的功能发展。 在结构上，随着p c 机的普及以及其性能的不断完善和提高，工业p c 逐步为1 ：业界 所接受，基于p c 体系结构的数控系统丌始应刚于t , j k i - ：产i l 。于一州ki ，c 放的 体系结构和丰富的软硬件资源，降低了数控系统；t l ：发的难度和成本，提高了系统的 稳定性和可靠性，基于p c 平台的数控系统受到了越来越多的关注，并在数控市场上 占有一席之地。 进入九十年代，信息技术带来了生产方式的深刻变革，要求制造业必须快速灵 活的响应市场需求。为了适应这种技术变革，必须要提高数控系统的柔性和信息集 1 华中科技大学硕士学位论文 成，关于数控系统体系结构的研究已成为数控技术研究的热点。1 9 8 9 年荚囡幽家制 造科学r m d ( n c m s ) 7 1 ：展了“下一, f t l - i ：作站机床控制器”体系结构的研究计划( ，l 、h e n e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r ep r o g r a m ) ，即 n g c 计划：其后，1 9 9 4 年c h r y s l e r 、f 0 1d 、( ：m 等人公司义联合开展了o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h it e c t u r ec o n t r o l l e r ) 计划。其他国家和地区c ! 王纷纷，i ：展关1 二玎放式数控系统 的研究，如欧盟的“自动化系统中丌放式系统体系结构”研究与丌发，即o s a c a ( o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 项目汁划等。虫 然目i j i 还没有得 | 统一的结论，但这一切都预示着新代数控系统的诞生。 i j 前，国际上数控技术领先的是同、德、美等国家，国外主要的生产厂家有f | 小f a n u c 、德国s i e m e n s 、荚囤 乩e n - b r a d i 。e y 、口g 班纠：f a ( ；o r 等公订j ，从它们九十 年代推出的主流产品来看，高档数控系统主要有以下特点【1 】： ( 1 ) 多轴控制与多轴联动 为了提高加工效率和加工能力，数控系统必须具有多轴控制与多轴联动功能。如 德国s i e m e n s 的8 8 0 系列有很强的扩展能力，能控制2 4 个坐标及6 个主轴，并可实 现1 6 个轴的联动控制。 ( 2 ) 人工智能图形会话编程 可进行特征造型和工艺数据库基础上的自动编程。现代c n c 有丰富的图形功能， 能彳e 屏幕上以三维显示零件构图形，并可旋转、放大，同时可模拟实际加_ 1 7 情况井 可进行二f 涉步0 别。 ( 3 ) 加工过程的实时监控 铂刀具状态检测、刀具寿命管耻、) j 库管理，以便及时检测刀j i 的路坝和破锁情 况，采取恰当的措施。i 酬时，还具有自动交换工作台和零f - t 二在线测量的功能，将数 据及时送到计算机进行处理，实现对；i j t i , _ e 过程的实时监控。 ( 4 ) 故障自渗断 数控系统的诊断功能包括三个方面：丌机诊i l l i 、运行诊断和脱机诊断。当今先进 的c n c 系统可在屏幕上显示5 0 0 余条的诊断信息，其中包括软、硬件状态，l r z j 芋t i 4 j 运 ，状念等。 ( 5 ) 多处理器及总线结构 f a n u c 、s i e m e n s 公司的最新系统都采用多处理器结构，多个c p u 并行一1 ：作，统 一管理，按照一定的协议交换控制信息和数据，构成一个完整的数控系统，具有更 高的速度和可靠性。 ( 6 ) 强大的网络功能 2 华中科技大学硕士学位论文 现代c n c 系统作为c i m s 的基础层次，具有与其它c n c 系统或上级计算机通信的 能力，以及与工厂局域网相联的能力。 我国于1 9 5 8 年，1 ：始对数控技术进行聊f 究，儿h f 米，经历了发展、停滞、引进、 自主，r 发的几个阶段。为了缩小同世界先进技术的差距，我国把研制国产数控系统 干1 1 为“八j i ”攻关项目。把数控系统的产_ k 化作为“九f i ”重点项1 1 ，- i f i i 舰划又 将数控技术列为重点攻关项目。经过十多年的努力，我国的数控技术和数控产业都 取得了很大的进步，并涌现 j | 了一批优秀的数控企业，丌发出了我国机床发展所需 要的符种档次的数控系统。 二j ：我囤电予工业棚对落后，因j l t j i , ii i ，商档的数控系统多足以通用的微型汁算 机技术为基础，丌发基于通用微型i ；i 算机软件剐硬件体系的数控系统。如北京航天 数控集团i t t 行丌发的航天l 型数控系统采j h 与通用p c 机体系结构兼容的总线式、模 块化、开放型嵌入式结构，构成了典型的前后台型的数控系统，较好地解决了多机 系统的互联，为实现实时多过程控制打下了良好的基础。我校自主开发的华中i 型 数控系统以3 2 位工控机为硬件主体，配置了具有曲面造型和自动编程的s c a d 系统 软件，能进行复杂曲面的造型、设计、数据加工规划、n c 程序生成、干涉校验、真 实感加工仿真，实现了曲面直接插补、样条曲线插补等功能。另外，沈阳计算所的 “蓝天i 型”，北京航空航天大学的c h 2 0 1 0 等数控系统也都是基于p c 平台的数控系 统，各具特色。 1 2 先进制造背景下的数控技术 随着社会需求向个性化、多样化发胜及全球化市场的形成，传统的相对稳定的 f 1 j 场已变成动态多变的市场，其主要特点是：产晶生产周期缩短，产品的更新更快； 晶种不断增加，批蹙减少；产品质量、价格和交货期成为企业竞争力的主要因素。 同时，以计算机技术为代表的新兴技术也不断地向制造业领域渗透融合，改变着传 统制造业技术的面貌和内涵。在这些新的生产和管理技术的启发下，人们从不同的 角度提出了现代制造系统和制造技术的思想、概念和方法，女i 1 7 , t ： 1 7 ；1 7 程、虚拟制造、 柔性制造系统以及计算机集成制造系统等，并最终形成了先进制造这一新的、综合 性的技术领域。 先进制造技术作为综合的技术群，是指计算机技术、信息技术、自动化技术、 新材料技术、现代管理技术和传统制造技术相结合，综合应用于制造的全过程，实 现优质、高效、低耗、清洁、灵活生产，取得理想经济效益的制造技术的总称，其 华中科技大学硕士学位论文 核心心想就足通过信息技术实脱技术与管剐、人与机； 的有效集成及商效灵活的制 造过程，以适应社会、经济和市场的环境变化。先进制造技术主要出先进设计技术、 先进制造工艺技术、制造过程自动化技术、系统管理技术等四大技术组成1 2 j 。 数控加：l 技术作为制造过程自动化的执j r 坏1 y ，足先进制造技术的核心支撑技 术之一，先进制造技术效益的取得离不) 数控技术的支持。随着微电子技术的发展 和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，数控系统的速 度、精度等各项性能指标火为提高。在先进制造的背景下，数控技术的发展呈现以 下的趋势： ( 1 ) 集成化 数控系统的集成化表现为控制功能的集成和信息功能的集成。控制功能的集成 指的是单纯的运动控制向整个加工过程的单元控制。一机多能、多轴联动的数控系 统可以最大限度的提高设备的利用率。数控系统能控制机床自动的更换刀具，把许 多工序甚至许多不同的工艺过程都集中到一台设备上完成，从而可以避免多次装央 造成的定位误差，提高加工效率。信息的集成表现为数控加工与接个制造系统的集 成，最显著的表现即c a d c m c n c 的一体化，要求数控系统能够为c a d c 洲提供友 好且丌放的接口，实现数控系统和c a m 系统的无缝连接，使数控机床能够像计算机 的外设一样执行c a d c a m 程序的计算结果。 ( 2 ) 智能化 智能化足提高加工效率和数控系统可靠性的重要手段f 3 j 。近年来，人：智能技术 办! c n c 系统中的应用研究就一直很活跃。带有自适应控制技术的数控系统可以通过 砷锄l i ：过程小对机床主轴转矩、功率、切削力、i ；j ：j 削温度、刀具磨损等参数值进行 测量，并据目标值自动地修证主轴的转速和进给量，确保数控系统处于最佳切削状 态，从i f i j 在保证质量的条件下使加。i ：成本最低或，l i 产率最高。另外，带订专家系统 的钳能敞障诊断技术可通过学刊摊耻机制_ ) f 乏确定敞障发f l i 的化霄，j l ：能伙速修复。 ( 3 ) 网络化 为了适应市场全球化和网络化制造技术的发展趋辨，数控系统的网络化功能也 | f 趋重婴。住企业| j 部，具有删络功能的数控系统f l f 以充分实现企业内部的资 | 5 渖i 信息共事，适应未来车间的面向订单的生产发展模式。在企业之间，数控系统的网 络化功能可以更好的适应敏捷制造等先进制造模式。同时，系统制造商也可以通过 网络功能来实现系统的远程诊断。 ( 4 ) 开放化 制造业要快速灵活的l 帅应市场变化，加t 设铈血在向着多样化、个性化的方向 4 牮中科技大学硕士学位论文 ! - i ：= 一= = = ；= t ；= = = 目= = ；= = ；= _ = = # = = ；= = ； 发展，川户需要把自己特有的知l 、经验和认窍等很方便的集成到系统i | o 因此， 实现数控系统的丌放化，使来自不同厂商的软硬件模块能够有效的集成在一起，针 对不同的应用要求，由用户自由选配不同的硬件和软件，并据实际的需要t 在丌放 式系统的基础上扩展其功能，丌发适合需要的专用系统，是数控系统发展的必然。 1 3 开放式数控系统的发展概况 1 3 i 开放式c n c 的产生 传统的数控，不论以f a n u c 为代表的专用芯片和印刷电路板相接合的体系结构， 还是以美国a b 公司为代表的总线式结构，厂家为了垄断市场，c n c 都采用封闭式 结构，即组成系统的硬件模块和软件结构是专用的、互不兼容的。系统各模块问的 交互方式、通信机制也各不相同，因此造成了不同厂家控制系统的相对独立彼此封 闭。这种专用体系结构的数控系统，虽然具有结构简单、技术成熟、产晶批量大、 生产成本低的优势，但随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的 缺陷。例如：数控系统的价格昂贵，交货时间长，系统结构灵活性差 4 1 。 另外，山于控制器功能与机床功能的不匹配，机床厂家和最终用户自己特有的技 术不能或只有很少一部分被纳入数控体系：由于没有统一的标准接口，无论是产品 升级服务、更换部件及增加新特性，都不得不依靠控制器生产商，另一方而，系统 的封闭性使得对它的扩充和修改极其有限，造成数控设备制造商( n c 系统中间用户) 对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成到控制系统形成自己 的产品特色，不利于主机产品的竞争力。此外，专用的硬软件结构也限制了数控系 统本身的持续歼发，使系统的丌发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，4 i 利于 数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化 频繁，竞争t f i i j 删的形势，史= = i i 符合现代制造业| f i j 信息化、敏址制_ i ! f 模式和刚络制造 模式发展的要求。 为了从根本上解决这个问题，提高数控系统的丌放性就变得非常重要，数控系统 的制造倘、集成者和朋户鄙希望“) i ：放武的控制器”，能够自山地选择数控装霄、驱 动装置、伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并用规范的、简便的方法 将这些构成要素组合起来。为此，人们提f i 了种全新的数控系统概念丌放式 数控系统( o p e nn cs y s t e m ) 。提供标准化的接口、通讯和交互模型，不同的应用程 序模块通过标准化的接口与系统交互，不同模块之间保持平等的相互操作能力。数 控系统的开放式体系结构将迅速使数控系统在通用化、智能化和网络化方面大大发 华中科技大学硕士学位论文 展，推动数控技术得到更广泛应川，提高了数控产t i 在m 场一i i 的竞争能力。 1 3 2 国内开放式数控系统的研究现状 我国数控产业，目j j l 虽然还处于发展阶段，似通过“八i ”攻关已形成的挣小i 型、航天i 型等四个基本系统，都是有自主版权的丌放式体系结构系统，都是利川 p c 机组成数控系统i5 1 。使得c n c 重点出硬件转向软件，为我国的数控产业发展缓解 了硬件生产上的“瓶颈”制约，从而：l j f i 快生产实用产品和实现舰模生产。虫1 9 9 9 年 在中国北京举行的国际机床博览会上，武汉华中数控系统有限公司率先推出了丌放 式网络数控系统原型机，能通过i n t e r n e t 远程操作控制异地数控机床；华中数控还 在江苏常柴股份公司将其模具车问的5 台加工中心和一台仿形数控机床联网，可在 远程异地设计、编程，然后通过i n t e r n e t 网络传送和共享零件加工程序，实现了 c a d c a m c n c 的网络集成，大大提高了生产效率和设备的利用率。 然而与国际比。就总体而言，我们所生产的丌放体系结构系统还仅仅处于初始 阶段，最大问题是开放性不够，接口界面还谈不上标准化，不可能实现互换和互操 作，要方便地进行二次开发的开放程度还远未达到。存在主要问题是： l 、开放式控制系统的概念不清晰，没有解决丌放控制系统的平台问题。各系统 所采用的体系结构并不一致，仍是白成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，而且 对体系结构的阐述都只限于具体实现层，没有提高到理论的、抽象的层次上来，因 而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。 2 、没有充分利用像w i n d o w s 、1 i n u x 等通用操作系统。软件开发思想与技术落 后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面l a j x c 象、软件重i j 等软件工程中的新理论、新技术，而这些证是实现开放性控制系统的关键所在。 3 、产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提供相应的) l ：发 工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的恐想或产品融入到系统中去。 4 、我国的许多高校、企业、研究所等单位都各自在进行丌放式数控系统的研究， 各自采用不同的标准，形成了各种不同的系统。不同的通讯协议和数据结构，使不 同设备之间无法实现信息交换，不同软件之间无法实现信息的传输，不同的数据库 之间无法实现数据的共享。这样的产品最终仍然是互不兼容，其结果在实质上依然 是各自封闭的丌放式数控系统。 5 、数控厂商的运行模式落后，没有适应现代高新技术企业的角色。不能有效地 集中人力物力，优化资源配置和管理，发挥出最大的作用。 如果这种情况不扭转，必然要走历史老路在国内各自为政，形成不了合力， 6 华中科技大学硕士学位论文 所生产的系统无法与国外竞争，国外厂家在新的技术条件下依然可以制约和封锁我 们。中国数控产业又将面临困难局面，为振兴、巩固、发展中国数控产业，并使其 在国际市场中占有地位，我国必须迅速组织起来丌展开放式结构控制系统研究并进 行规范化。 1 3 3 国外开放式数控系统研究的现状 九十年代中期以来，1 l i 界各国在工业控制领域肩动了多项研究计划，j r 放式数 控系统的概念及接口标准化系统模块化的设想获得广泛支持，各个研究计划逐渐出 现，对于各种协议的制定也逐渐展开。这其中最著名的包括同本的o s e c 计划、欧 洲的o s a c a 计划和美幽的o m a c 计划。 1 9 9 4 年，由东芝机器、三菱电子等6 家同本公司联合成立了名为控制器玎放 系统环境的二c 作委员会。它研究的重点是在n c 木身和分和式d n c 控制系统h ，认为 站在制造的角度看n c 是分靠式d n c 系统的一个服务器。o s e c 所谓的丌放式系统本 身就被认为是一个分布式系统1 6 】，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化 赞用的要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面的要求。o s e c 是将各 功能单元分组并结构化在一些功能层中，其丌放式系统包括了3 个功能层共7 个处 理阶层。 欧洲多家机床、控制器商及有关研究机构联合肩动的“自动化 控制的丌放系统体系结构”，简称o s a c a t 7 j ，它借鉴i s 0 的开放式系统互联模型 0 sr ，通过对现有控制系统的详细分析提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元” 的结构。o s a c a 认为一个j l ：放式控制系统应以个、i 台为丛础，山纰j ! l ；! 辑的、离 散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息，而组件与平台之问定义了很 好的接r i ，允许不同供应商提供的组件之问协调地工作。o s a c a 通过通讯系统屏蔽 r 操作系统的茬片，仪b i ：了各功能m j s ( a o ) 的i j 移机性枷! f ：搽f l f l 以及系统眦筒文 件的通片j 性。在o s a c aj l ：放j 控制系统中，应刚程序接口是系统平台向外部提供 服务的通道，保征了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性。 1 9 8 7 年，美国提出了n g c 计划，在n g c 计划中提出了“) 放式系统体系结构” 的新一代数控的概念，这个计划诈在为基于丌放式体系结构的下一代控制器提供一 个标准，以允许不同的设计人员j f ：发i q 十l i ! i 交换和牛互操作的控制器部件。 在n g c 计划指导下，o m a c 计划于1 9 9 4 年丌始启动，其目的足用更1 1 1 7 1 ：放、更_ ! j i l 模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷。该计划启动不久便公布了名 为“o t a c a p t ”的规范。( ) m a c 使用一种能支持大多数而向对象的概念的接口定义语言 7 华中科技大学硕士学位论文 i d l ，刚i d i 。的语法规范来保证它的平台无关性。i d l 。可直接被应用丌发者使i f j ，并 支持向多种编程语言的映射，如：c + + ，j a v a 和c 。o m a c a p l 假设了一个抽象的体系 来描述用户所谓的“参考模型”t 基类、模块、体系结构设计、框架细节设计。通过 对通用控制器按类的分解获得了基类，将基类分组就构成了模块，模块是组成控制 系统的即插即用元件，具有通用的接口，可以被重新利用和继承。 1 4 课题的来源、目的和意义 我困发展数控系统起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。弓l 进、消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解 决自主丌发数控系统的问题。为了摆脱这种被动的局面，就必须具有超前意识，因 此，利用现有的资金、资源、人才与技术，研制我国自己的实时多任务数控系统， 才是改变我国数控现状的唯一出路。l i n u x 是一个歼放源代码的操作系统，以p c 机 为硬件平台在实时l i n u x 环境下开发开放式数控系统，是一项紧跟数控技术发展前 沿的丌拓性开发工作。是丌发自主知识产权数控系统的一个切实可行的途径。对于 应用高新技术提高设备的性能，促进企业经济效益的提高和国民经济的振兴意义重 大。 水沦文的主要设计思想足利用工业p c 机和实时l j f l u x 操作系统的优势，设汁丌 放式、多任务、高精度的c n c 系统。目前的数控系统的操作系统平台，除了专用操 作系统外，通，玎操作系统绝人多数使用的都足d o s 或w in d o w s ，这两种操作系统川厂 c n c 尚有不少欠缺，d o s 本质上是一种单任务操作系统，在d o s 。f 的多任务j 能通过 中断技术来实现。而且，d o s 的系统接口简单，造成软件的低水平的重复开发，代码 复川率低。而w i n d o w s 平俞的4 i 稳定性和史州扎使其无法很盘f 的应j 】二r 。l iq k 控制。 今年来，1 ir l u x 操作系统以其真形的多任务、源代码全) l ：放、极佳的稳定性、虚拟内 存、) 亭库、按需求装载、优秀的内存管理以及强大的网络功能而风靡全1 l i = 界。它 继承了u n 【xf 门稳定、 放、易j j ：移午i 【等优点的，源代码对j _ j ，o 魁完全公丌的， 基于g u i 的图形化用户界面使操作简单化，山于s i e 台足免赞的，会火大降低整个数 控系统的成本。这些优点使其非常适合于工业控制。 奉文结合武汉华中数控系统有限公司同肯岛! i i 建机械，一龠作丌发滚轧机数控系 统的项目，分析了实时l i n u x 的实现原理，进行了基于实时l i n u x 的开放式数控系统 的研究，开发了基于实时l i n u x 的数控系统平台，并以此为基础，设计实现了滚轧 机数控系统本文主要研究工作概括如下： 8 华中科技大学硕士学位论文 1 概括了丌放式数控系统的发展概况以及采川l i n u x 操作系统作为数控系统平 台的原因。 。 2 对以l i n u x 为数控系统的软件平台的优越性和开放性进行分析，建立基于 l if l u xf ) 放式数控系统体系结构模型。合理划分数控系统的任务和功能模块，对数控 系统中的任务调度实现机制进行研究。 3 对l i n u x 内核进行分析，对撼于l , i n u x 的数控系统的实时摔制进行研究；利 用r t l i n u x 的实时模块对通用的l i n u x 系统进行实时化。 4 在l i n u x 系统本身提供的强大的网络功能组件的基础上，对分布式网络数控 进行了研究。 5 基于实时l i n u x 的数控系统的体系结构。利用r t l i n u x 提供的函数库j i ：发滚 轧机的实时控制模块，完成对数控加工过程的速度控制、插补控制、位置控制、实 时状态反馈等功能。利用k d e q t 库以及g e e 编译器实现人机界面。 一。 9 华中科技大学硕士学位论文 2l i n u x 平台下开放式数控系统 体系结构的研究 依靠科技创新建立我国独立、先进的数控系统体系结构，是我因数控系统技术与 产业实现跨越式发展的根本出路。因此，本文提出符合中国翻情的基于l i n u x 平台的 数控系统体系结构，为我国跟踪并最终领先世界制造业奠定一定的基础。 2 1 开放式数控系统的设计原则 i e e e 指出：“一个开放系统应具有以下的能力；能够在众多供应商提供的各种平 台上j f 确的实现应用，可以和系统的其他应j l 互操作，# 能给j j 户挺供一种统一风 格的交互方式。”结合该定义，开放式数控系统设计应遵循以下原则“： 1 可移植性：指控制系统的软件能在不同的环境( 包括硬件平台和操作系统) 下运行，即控制系统的应用软件表现出“硬件和底层的无关性”。 2 可互换性：相同功能的模块可实现相互替换。要求不同厂商的功能模块遵循 相同的接口标准和数据通信的协议，使得系统集成商和数控设备的用户能够从多家 供应商的产品中选择最为适合的部件构造系统。 3 可塑性：包括功能可塑性和性能可塑性：通过添加新的功能模块或删除旧的 功能模块可以使开放式控制系统的规模和所实现的功能发生变化；或者用功能棚同 但性能不同的模块替换系统中原有的功能模块，改变系统运行所能达到的性能指标， 适应不同加工任务的需求。 4 可互操作性：互操作性和互换性相辅相承。在模块级，提供模块之问州7 ：操 作的统一方式；在系统级，控制系统实现统对外操作和接受操作的方式。 一f ：述丌放式特性的描述也可作为衡量一个控制系统是否- 丌放和歼放程度的标 准。日前，市场上不少数控厂商都宣称自己的产品是模块化的、开放式的或具有丌 放体系结构的控制系统，但事实上，出于对“丌放式”概念的定位不同，大多数产 品是在不同层次上实现了部分的丌放。 2 2 开放式数控系统体系结构模型及组成 根据对o s a c a 、o m a c 、o s e c 开放式控制系统体系结构的分析比较可知，o s a c a 的 1 0 华中科技大学硕士学位论文 体系结构具有统一、良好和较可行的丌放性特征，而o m a c 在接口定义和软、硬f t 新 技术的应刚上略i i 优势。因此，小论文参考o s a c a i ：放式控制系统体系结构和( ) m a c 的模块接口定义和实现方法，扬长避短，构造j i ：放式数控系统的体系结构模型i i u j 。 丌放式数控系统体系结构包括系统硬件、系统软件和应用软件，如图2 1 所示。 ( 1 ) 系统硬件包含一系列逻辑一l ：独立的馊q l ：设备元件如：f 控机、各类扳卡、等。 ( 2 ) 系统软件包括操作系统、数控系统平台的各支撑软件子系统、运行平台子 系统、以及各类设备的驱动程序。 ( 3 ) 应用软件则包含和应 t j l l l 关的软件模块，如人机接r i 控制程序、图形显示、 c a d 程序等。应用软件和数控系统的运行平台通过定义好的接口标准进行通信并交换 信息。 在实际应月1 中，系统硬件、软件和应用软件有机地组合产生实际运行的系统。 因此，丌放式数控系统体系结构可用如下表达式描述： 开放式数控系统体系结构= 通用系统软件+ 特定的应用软件 + 通用硬件平台+ 特定硬件 其中，通用系统软件为开放式数控系统提供的对任何应用相同的软件系统，如平台 软件、工具软件等；特定应用软件为专为特殊应用编写的软件程序，如本地化人机 接l j 程序等；通用硬件平台提供通用系统软件的物理基础，如工控机系统：而特定 硬件则指专为某种应用选择的硬件设备，如某厂家生产的伺服、光电码盘等。 ，l ：放式数控系统的软件系统的丌放性是其整体开放性的重要保证。按照丌放体系 结构的基本要求，定义开放式数控系统软件系统定义如下： 系 心f l i 软$ l ： | l c n c 软件平台 控 制勒 操作系统 台 硬件驱动软件 t l 系统硬件 件 幽2 1 ”放武数控系统体系结构 开放式数控系统软件系统= 通用操作系统+ 开放式数控系统工具软件 十开放式数控系统运行平台+ 模块库+ 设备驱动程序 丌放式数控系统应用系统的软件结构在系统初始化阶段建立。根据用户的配置， 从模块库中选取合适的模块对象，将其嵌入到通用操作系统上的开放式数控系统运 l i 华中科技大学硕士学位论文 行、i ，台i h 获得丌放式数控系统应川系统的运行环境。即： 开放式数控系统应用实例= 通用操作系统+ 开放式数控系统运行平台 + 模块库中选取的模块+ 用户配置 + 用户本地化人机接口软件i l m i j l ：放式数控系统的基本组成如圈2 2 所示。在图2 2 中，数控通用模块指p i 。c 顺 序控制与被控机床之间的数字式输入输出接门和模拟式输入输出接口模块，数字 式r i ：牟i l i 驱动及f u 机模块，数字式进给驱动及i u 机模块，手摇脉冲产生器输入接l ：i 模 块等。数控专用模块指不同数控系统的不同机眯操作面板，特别是像电加： 中的自 适应l 乜源模块等。 豳2 2 ”放，数控系统的丛奉纰成 因此，根据丌放式数控系统的组成，对于不同的应用，丌放式数控系统可以派，卜 山和应j j 相对应的多种t 运行实例。每币i 实例实现数控系统功能_ f 榘，它们儿有榭类 似的层次性的功能描述，但同时在具体的控制框架上有差异。 1 2 躲雠耥黼 骷黻， 蝴! | 蒌 一 憾起 一一一一一一|萎 一一一一 一一一一一一 时准体川问据控。 蜘鲥m 沌应麻蜘舾应 实标o窆之数数贝 刚眦跳眇 鼢跣统蚶黝统 骀 蓦! 帅帅帅删腓叭馕曼黼 华中科技大学硕士学位论文 2 3 开放式数控系统软硬件平台的选择 开放式数控系统平台出硬件平台和软件平台组成。工业p c 以其固有的开放性、 可靠性成为- 丌放式数控系统的首选硬件平台。在普及型数控系统1 1 l 用工、i k 控制汁算 机可以实现友好统一的人机接口和复杂的上层应用功能( 如c a d 、网络等) ，并且由 于p c 机的广泛使用，可获得通用操作系统和应用软件的有力支持。 2 3 1 开放式数控系统软件平台的几种方案 开放式数控系统是建立在计算机技术上的控制系统。当今较流行的计算机操作系 统有d o s 、w i n n t ( 2 0 0 0 ) 、w i n d o w s ( 9 5 。9 8 ) 、u n i x 以及从u n i x 发展而来的l i n u x 。 从理论上讲，在任何一个操作系统下，都可以实现丌放式数控系统【2 l 。在不同操 作系统下的数控系统各有其优、缺点，现对比如下： 方案l ：实时l i n u x + 数控软件 l i n u x 是现今正被大量关注的操作系统，内核代码公开，稳定性好，丌发者在实 时l i n u x 下用c c + + 编程，可实现中断的快速响应，和d o s 系统一样，可以满足数控 系统对实时性的要求。在l i n u x 开发应用软件方便美观。可以方便地实现全软件型 的开放式数控系统。 优点： 1 实时性好，可以完成数控系统中的实时要求比较高的任务，实现全软件型的数 控系统，降低硬件成本和系统的复杂程度： 2 可快速- 丌发出实用美观的人机操作界而，和d o s 操作系统相比具有较大的优 势。 3 稳定性好，l i n u x 由于内核代码简洁高效，稳定性和可靠性较高。 4 免赞，性价比优良； 缺点： 1 在应用上虽呈上升势头，但尚未普及，要求数控系统的用户必须配备l 。i n u x 操 作系统并熟悉系统的使用有一定的阅难； 方案2 ：w i n n t + 实时任务扩展( r t x ) + 数控软件 国外数家数控厂商多采用该方法实现开放式数控系统。r t x 保证数控系统的实时 性任务在w i n n t 上实现，可实现金软件型数控系统； 优点： 1 实时性好，有专门的实时软件支撑，可以满足数控任务的实时性要求： 1 3 华中科技大学硕士学位论文 2 可快速丌发出实用美观的人机操作界面，便于升级和维护； 3 操作系统已经广泛普及，为用户熟悉，司操作性高； 缺点： 1 昂贵。除购买操作系统外，还需购买r t x ，适合用在高端产品中； 方案3 ：w in d o w s - h ) s i ， 将数控系统的实时控制任务交给d s p 完成，构成多处理器结构的数控系统。工控 机运行w j n d o w s 操作系统实现系统软件、人机界面、过程监控，系统配置等非实时 。盹仃务，在普及型、经济型和商档数控系统数控系统小均可适用。 优点： 1 可快速丌发出实用美观的人机操作界面，便于升级和维护； 2 数控系统的实时性得以保障； 缺点： 1 系统硬件设计要求高，连接情况复杂； 方案4 1w i n d o w s + d o s 将数控系统的实时性控制任务和非实时控制任务分离，系统山两台工控机组成， d o s 机完成实时任务，w i n d o w