（机械电子工程专业论文）开放式数控系统的研究开发.pdf

西华大学硕士学位论文 摘要 开放式数控系统的研究开发 机械电子工程专业 研究生邱容指导老师黎亚元 制造业当中的机械制造业从来就是发达国家整个工业和国民经济的基石。 机械制造业最基本的装备擞控机床又是这个基石中的关键。它是现代科学 技术的最前沿信息技术与传统机床相结合的产物，是先进制造技术的基 础。为了适应现代制造业用户的需求，c n c 结构正发生着巨大变化，开放式 数控系统正以它显著的优点，渐渐的取代传统的c n c 系统。 随着信息技术的飞速发展，开放式数控系统正进入一个崭新的发展阶段一 全软件数控( 亦称软件数控或软数控) 。全软件数控是指c n c 系统的各项功 能，包括插补。位控和p l c ，均由软件模块来实现。软件实现的灵活性有利于 数控系统实现更高层次的开放性。“基于p c ”是目前实现c n c 开放化比较现 实而明确的途径。本次开发的系统采用“通用p c + c n c 接口板”的系统组成 模式，p c 机既完成前端管理等非实时任务、又完成如实时插补、位置控制、 状态监测、仿真等一些实时任务；c n c 接口板只担任沟通p c 接口和物理驱动 器接口的任务。通用p c 机上的控制软件由前后端系统联合共享数据区来完成 c n c 系统的各种计算、控制、仿真等任务。这种模式的开放式数控系统提供 给用户最大的选择和灵活性，最大限度的利用了p c 的软硬件资源，价格低廉， 适应未来先进制造技术的要求。 本文第一章在分析国内外数控技术发展现状与趋势的基础上，对最有发展 前景的开放式c n c 系统的定义、体系结构、实现形式进行了详细地论述。第 二章对国际上正在研究和制定的一种新的n c 编程数据接口国际标准即 i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) 进行了初步的研究与消化。该标准的目的是提供一种不依 西华大学硕士学位论文 赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从 而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。第三章到第五章 是本文的重点，也是本文的核心。第三章对开放式系统进行了详细的体系结构 以及需求分析，根据开放体系结构设计原则建立了c n c 系统的总体结构模型， 并应用软件芯片思想，建立了c n c 系统软件结构模型。第四章重点介绍了全 软件型c n c 系统开发环境与方法的选择、软件框架的建立、数据流与数据区 的具体设计、编译译码芯片和插补芯片的设计，并对w i n d o w s 操作系统下的 全软件型c n c 系统多任务调度策略和w i n d o w s 操作系统的实时性进行了研 究。第五章对开发的控制软件作了总体介绍，并对系统的工作流程进行了分析。 第六章对本论文的工作内容进行了总结，并对下一步的工作作了展望。 关键字：开放式全软件数控s t e p n c 软件芯片面向对象 i i 西华大学硕士学位论文 s t u d ya n dd e v e l o p m e n to no p e n - a r c h i t e c t u r e c n cs y s t e m s p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i c se d 【g i n e e r i n g g r a d u a t eq i ur o n g s u p e r v i s o rl iy a y u a n t h ei n d u s t r ya n dn a t i o n a le c o n o m yo fd e v e l o p e dc o u n t r yi sb a s e d0 nt h e m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g t h em e c h a n i c a l m a n u f a c t u r i n g i sb a s e do nt h e c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n e ( n a n ci s t h er e s u l to fi n f o r m a t i o n t e c h n o l o g ya n dt r a d i t i o t t a lm a c h i n ea n di ti st h eb a s eo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g i n o r d e rt om e e tt h er e q u e s to fm o d e mm a n u f a c t u r i n gu s e lt h es t r u c t u r eo fc n ci s m a k i n gg r e a tc h a n g e t h eo p e na r c h i t e c t u r ec n c i ss u b s t i t u t i n gt r a d i t i o n a lc n cb y d e g r e e sf o ri t sd i s t i n c te x c e l l e n c e a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , o p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e mh a sb e e ne n t e r i n gu p o nan e wp h a s e ，w h i c hi sa l l s o f t w a r ec n c ， s o f t w a r ec n c0 rs o f tc n c s o f t w a r ec n cm e a n st h a ta l lt h ef u n c t i o n so fc n c s y s t e m ，s u c ha si n t e r p o l a t i o n ，p o s i t i o nc o n t r o la n dp l c ，a r ei m p l e m e n t e dw i t h s o f t w a r em o d u l e s t h ef l e x i b i l i t yo fs o f t w a r em a k e si ta v a i l a b l ef o rc n c s y s t e m s t oa c h i e v eh i e h e r - l e v e lo p e n n e s s “p c b a s c d ”i sap r a c t i c a la n dd e f i n i t ew a yt o a e t u a l i z et h eo p e n n e s so fc n cs y s t e m sa tp r e s e n t t h ec n cs y s t e md e v e l o p e di n t h i sp a p e ra d o p t st h em o d e lo f “u n i v e r s a lp c + c o n n e c t i n gb o a r d ”1 1 1 ep ct a k e s o nn o to n l ys y s t e m sm a n a g e m e n t ，w h i c hi sn o n r e a l t i m em i s s i o n ，b u ta l s o r e a l t i m em i s s i o n si n c l u d i n gr e a l t i m ei n t e r p o l a t i o n ，p o s i t i o nc o n t r o l l i n g , s y s t e m s t a t ei n s p e c t i n ga n dm a c h i n i n gs t a t es i m u l a t i n g t h ec o n n e c t i n gb o a r dt a k e so nt h e r e s p o n s i b i l i t yt oc o n n e c tp cp o r ta n dc n c m a c h i n ed r i v e t h i sm o d e lg i v e su s e r m u c ha g i l i t y i tm a k e sg i e a tu s eo fp cs o f t w a r ea n dh a r d w a r er e s o u r c e ，a n dt h ec o s t i s 】o w t h u st h ea l l - s o f t w a r ec n ci ss u i to ff u t u r ea d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u e sr e q u i r e m e n t c h a p t e ro n ed i s c u s s e st h ed e f i n i t i o n ，s y s t e r ns t r u c t u r ea n dr e a l i z a t i o nf o r mo f o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mw h i c hh a st h eb e s tf u t u r e c h a p t e rt w op r i m a r y s t u d i e sa n dd i g e s t san e wn cp r o g r a m m i n gd a t ai n t e r f a c ei n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d ， i s o1 4 6 4 9 ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ，s t e p - n c ) ，w h i c h i sb e i n gr e s e a r c h e da n dm a d ei ni n t e m a t i o n a ls c o p e t h ea i mo ft h i ss t a n d a r di st o p r o v i d ean e u t r a lm e c h a n i s mw h i c hd o e s n tr e l yo nc o n c r e t es y s t e m ，n n i f 0 1 1 1 1d a t a m o d e lw h i c hj sa b l et od e s c r i b et h ep r o d u c t sw h o l el i f ec y c l e c o n s e q u e n t l y i l i 西华大学硕士学位论文 r e a l i z e st h ep r o d u c ti n f o r m a t i o n ss t a n d a r do fw h o l em a n u f a c t u r i n gp r o c e s se v e n e v e r yi n d u s t r yf i e l d c h a p t e rt h r e et oc h a p t e rf i v ei st h ek e y a n dc o r eo ft h i st h e s i s c h a p t e rt h r e ea n a l y s e st h eo p e na r c h i t e c t u r es y s t e m ss y s t e ms t r u c t u r ea n dd e m a n d ， b u i l d sc n cs y s t e m sw h o l es t r u c t u r em o d e la c c o r d i n gt oo p e na r c h i t e c t u r ed e s i g n p r i n c i p l e ，e s t a b l i s h e sc n cs y s t e ms o f t w a r es t r u c t u r em o d e la p p l y i n gs o f tc h i p t h i n k i n g c h a p t e rf o u rd i s c u s s e st h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n ta n dd e v e l o p i n g m e t h o dc h o o s i n g ，s o f t w a r es t r u c t u r eb u i l d i n g ，d a t as t r e a ma n a l y z i n g ，s o f tc h i p so f m a c h i n i n g c o d e t r a n s l a t i n g a n di n t e r p o l a t i o n ，a n di n t r o d u c e st h em u l t i t a s k a t t e m p e r i n gs t r a t e g yu n d e rw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e m c h a p t e rf i v ei n t r o d u c e st h e c n cs o f t w a r e sf u n c t i o nc o m p o n e n t sa n ds y s t e m sw o r k f l o w ht h el a s t c h a p t e r s i xs u m m a r i z e st h ec o n t e n t so ft h i st h e s i sa n di n d i c a t e st h ed i r e c t i o nt oc o n t i n u e t h i ss t u d y k e yw o r d s ：o p e na r c h i t e c t u r e ，a l l s o f t w a r e ，s t e p n c ，s o f t w a r ec h i p ，o b j e c t - o r i e n t e d i v 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现 代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动 检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点， 对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。现代 c a d c a m ，f m s ，c i m s 等也都是以数控技术为基础。因此数控技术水平的 高低已成为衡量一个国家工业自动化的重要标志。 1 1 数控系统技术的发展 1 1 1 数控系统技术的发展历程 自从1 9 5 2 年麻省理工学院研制出世界上第一台三座标铣床以来，随着计 算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或者软件方面发展 都很快，数控系统已经经历t ) l 代，可以分为以下四个发展阶段【m 】： ( 1 ) 硬件数控阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) ： ( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段( 1 9 7 0 1 9 8 6 ) ： ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段( 1 9 8 6 今) ： ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开放与应用( 1 9 9 4 今) 。 1 1 2 数控系统技术的发展现状 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性和 通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低成本 地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时还要求 新一代数控系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定单的生产 组织和管理模式。为此，近1 0 年来，随着计算机技术的飞速发展，各种不同 层次的开放式数控系统应运而生，发展很快。目前正朝标准化开放体系结构的 方向努力。就结构形式而言，目前市场上的数控系统大致可分为4 种类型【3 】： ( 1 ) 传统数控系统： 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统 ( 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统 ( 4 ) 软件型开放式数控系统。 1 1 3 数控系统技术的发展趋势【2 叫 现代数控技术集机械制造、计算机、控制、传感检测、信息处理和光电等 技术于一体。其发展趋势表现为数控设备的“高精、高速、复合、柔性化”和 数控系统的“开放、智能、网络化”。随着计算机技术的发展，为了满足市场 的普及型和个性化需要，现代制造技术对数控技术提出了更高的要求，数控软 件的开发也就成为现代化数控领域的一项关键技术，即可读性、可维护性和可 重用性。p c 机进入数控领域极大地丰富了数控系统的软硬件资源，数控系 统体系结构上的发展趋势必将是开放性的。 1 2 开放式c n c 系统 1 2 1 开放系统的一般定义 i e e e ( i 雪际电气电子工程师协会1 对开放式数控系统的定义是1 6 j ：“a no p e n s y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u n o nav a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m s a p p l i c a t i o n ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo fi n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r 根据这一定义，开放式数控系统必须是一个全模块化的软件体系结构，它 具备相互操作性、可移植性、可缩放性和可互换性的特点，具有定义了标准协 议的通讯系统，使得各个功能模块能通过应用程序接口a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a mi n t e r f a c e ) 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系统运行之初还是之间都能够被灵活地 配置。由此，开放式c n c 具有如下特点：( 1 ) 用高级语言编程( c 语言、v c 、v b 等) 。( 2 ) 软件模块化，提高c n c 性能无需改写软件，而且可与流行软件相结合。 ( 3 ) 机械制造商和用户可以容易地开发具有个性的应用软件。( 4 ) 采用标准化接 口，可灵活选用电机，驱动装置和反馈元件。( 5 ) 操作简单，易于使用和维护。 2 西华大学硕士学位论文 1 2 2 数控系统的开放体系结构i ”j 对于开放式控制体系结构的研究，较著名的有美国的o m a c ( o r c n m o d u l a ta r c h i t e c t u r ec o n t r o l s ) 、欧洲的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 r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 和日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o r n t f o l l e r s l 计划。 在o m a c 计划中，提出了系统的基本框架，信息库管理、任务调度、人 机接口、运动控制和传感器接口等，构成了完整的体系结构。同时，还将控制 器分成为控制核心和应用编程接口两大模块，控制核心包括实时控制、数据库 管理和图形支持软件等，而应用编程接口部分则由各种a p i 接口构成。 o s a c a 提出一个“分层的系统平台+ 结构功能单元”的体系结构，保证 各种应用系统与操作平台的无关性及相互间的互操作性，开放性是十分明确 的，并规定了不同的开放层次：即应用层开放、核心层开放( 与o s a c a 部分 兼容) 和全部开放( 与o s a c a 全部兼容) 。 o s e c 体系属于层次性结构，系统按功能分层，每一层按照功能分为若干 个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层建立，下层为 上层提供所需的服务，同一层的模块间按照一定的接口关系自由调用。 o m a c 与o s a c a 体系是理想的、革命性的，力图成为自动化领域的通用 国际标准，它的范围涵盖了整个自动化领域。而o s e c 体系的目标是建立国际 性的工厂自动化控制设备标准。其重点集中在数控本身和分布式控制系统上， 因而它是可阶段性实现的，并且对数控系统的发展有直接的指导意义。 基于o s e c 的体系结构思想，微机数控系统的开放体系结构如图1 - 1 所示。 从图1 - 1 可以看出，最底层是设备层，包括采用可重构功能模块组成的机 床本体，以及具有标准接口的伺服系统、输入输出模块和智能传感器模块等， 设备层中所有设备均采用统一标准接口的模块，因此易实现互换或互用。中间 层是功能层，主要完成数控系统的运动轨迹控制和机床逻辑控制功能。最上层 是应用层，是计算机主流操作系统上的标准应用，负责提供人机界面， c a p p c a m 等的工艺规划，n c 程序的处理等。网络接口使得网络制造以及远 程监控、诊断和决策变得容易。 西华大学硕士学位论文 应用层 1 1 人机界面i | c # e c , w i i 信息处理网络应用i n i 州l 豢。i uu it o 模块li 驱动器l gn 设备层 传感器，执行器伺服电机 机床本体 f i g 1 1o p e ns t r u c t u r eo fm i c r o c o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l 图1 - 1 微机数控系统的开放式结构 在以上三个层次结构中，功能层是实现开放式数控系统的关键，它必须实 现两个层次上的开放。即向下对设备层的开放和向上对应用层的开放，对设备 层的开放是指提供一个通用的接口访问外部控制设备，使功能层具有设备无关 性；对应用层的开放是指提供一个通用的数据交换接口，接受来自应用层的命 令并把相关操作和处理后的数据送回到应用层，使功能层具有应用无关性。 1 2 1 3 开放式c n c 系统的几种实现形式 伴随着计算机软件取得的重大成果，目前开放式c n c 系统主要有以下三 种结构类型的实现形式卜1 1 】： ( 1 ) 专用c n c + p c 型即在传统的专机数控中简单地嵌入p c 技术，使得 整个系统可以共享一些计算机的软、硬件资源，计算机主要起到辅助编程、分 析、监控、指挥生产、编排工艺等工作。这种数控系统由于其开放性只在p c 部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构。如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s 8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b 9 3 6 0 等数控系统。 ( 2 ) 运动控制器+ p c 型即完全采用以p c 为硬件平台的数控系统。这种系 统近年的提法比较多，主要有基于p c 或p cb a s e 等，其中最主要的部件是计 4 西华大学硕士学位论文 算机和控制运动的控制器。控制器以美国d e l t at a u 公司生产的p m a c 多轴运 动控制器最为出色，控制器本身具有c p u ，同时开放包括通信端口、结构在 内的大部分地址空间，辅以通用的d l l 同p c 结合得最为紧密。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源，目前己达到远程控制 等先进水平。如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统、日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的 m a z a t r o l 6 4 0c n c 等。 ( 3 ) 软件型是一种最新开放体系结构的数控系统，也称“全软件式数控系 统”。它提供给用户最大的选择和灵活性，它的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加之间的标准化通用接口。用户可 以在w i n d o w s 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成 各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比，软件型开放式数控系统 具有最高的性能价格比，因而最有生命力。其典型产品有美国m d s i 公司的 o p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0n t 等。 软件型开放式数控系统的指导思想是“硬件功能软件化”，即将队硬件方 式出现的运动控制器部件用应用软件的方式来实现，这不仅不会导致任何系统 性能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性将有利于系统实现更深入 的开放性和系统性能的快速增长。 软件型开放式数控把运动控制( 包括轴控制和机床逻辑控制) 器以应用软 件的形式实现。除了支持数控上层软件( 数控程序编辑、人机界面等) 的用户定 制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制策略( 算法) 的用户定制。外围 连接主要采用计算机的相关总线标准，这类系统己完全是通用计算机主流操作 系统( 实时扩展) 上的标准应用。 软件型开放式数控的主要特征： ( 1 ) 系统的表现形式和目前常见的c a i ) c a d v i 等系统一样，完全只是一种 主流操作系统( 实时扩展) 上的应用软件( 设备驱动软件) 。 ( 2 ) 完整的机床控制器功能。 ( 3 ) 外围连接采用标准规范。伺服和离散u o 信号通过一种信号转接器连接 到运行软件数控的计算机，伺服、离散加和信号转接器的连接可以是光纤、 西华大学硕士学位论文 屏蔽双绞线等，信号转接器和计算机的连接可以是网络、i e e e l 3 9 4 ，u s b ， r s 4 8 5 ， r s 2 3 2 c ，c s i 等。 ( 4 ) 核心开放体系结构，持人机界面和运动控制算法的用户定制，对采用 智能控制策略有充分的考虑。 ( 5 ) 支持c o m 或c o b r a 等软件技术规范，可与c a d c a m 软件无缝集成。 ( 6 ) 加工单元代理( a g e n t ) 功能，支持f m s 、c i m s 、虚拟制造等先进制造的 上层应用。全软件式数控系统的一种结构模式示意图如图1 2 所示。 f i g 1 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fs o f tn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mm o d e l 图1 - 2 全软件式数控系统模式示意图 随着数控技术的迅速发展，现代化的生产对c n c 的要求也越来越高，但 是，系统之间不兼容、编程困难、智能化程度低等诸多问题大大限制了现代化 生产以及数控技术本身的发展。与此同时，人们逐渐意识到数控系统一直采用 的g 、m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) 已, 不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向 运动和开关控制的数控程序限制了c n c 系统的开放性和智能化发展，同时也 使得c n c 与c a x 技术之间形成了瓶颈，严重阻碍了机械制造业的发展。为 了克服i s 0 6 9 8 3 的诸多缺点，一种面向对象的新型数控编程数据接口国际标 准i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) 应运而生，s t e p n c 是将s t e p ( s t a n d a r df o r t h e e x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ) 向n c 领域的扩展。 1 3s t e p n c 的研究发展 西华大学硕士学位论文 1 3 1s t e p n c 产生的背景及意义 传统数控编程接口是i s 0 6 9 8 3 ( g 代码、m 代码) ，这种语言仅包括一些简 单的运动指令和辅助指令，而不包括零件几何形状、刀具路径生成、刀具选择 等信息，使得c n c 与c a d c a m 之间形成瓶颈。但是数控加工中编程人员却 要考虑许多数控加工要素：零件几何信息的转换、刀具路径的生成、进给量和 主轴速度的确定、刀具的选择等，大大降低了编程效率。概括起来，i s 0 6 9 8 3 的主要缺点如下： ( 1 ) 编程集中于刀具中心的路径，而不是工件的加工过程，加工曲线时要 分解成一系列直线或圆弧，由此带来庞大的程序量： ( 2 ) 该标准定义的编程语义多数情况下存在歧义： ( 3 ) 不同c n c 供应商的扩展指令不同，需要后置处理器，不具互换性： ( 4 ) 不支持五轴铣，不支持需要处理样条数据的高速切削等现代数控器的 高级功能： ( 5 ) 设计信息生产g 代码时丢失了尺寸公差、精度、表面光洁度等大量有 用信息； ( 6 ) 设计信息生产g 代码的过程不可逆，在加工阶段做出的修改无法反馈 到设计阶段等早期过程【1 2 1 。 为此，国际上正在研究和制定一种新的数控系统数据接口规范即 i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p n c ) ，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能 够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各 个工业领域产品信息的标准化。s t e p n c 的出现可能是数控技术领域的一次 革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影耐”l 。 s t e p n c 使c n c 系统的使用更安全，更简单，为企业、加工车间、加工 设备供应商都带来了巨大的利益，特点如下： ( 1 ) s t e p - n c 使用系统和人都能解释的生产模型来代替图形描述，据估计， 企业因此减少7 5 的画图量： ( 2 ) 使用s t e p - n c 后，可以利用工艺规划工具生成指令，使特征识别更 快、更准确，因此加工车间的数据转换时间减少3 5 ： ( 3 ) 由于s t e p n c 支持中、小型工件的五轴铣和高速切削加工，平均加 西华大学硕士学位论文 工过程加快了5 0 ： ( 4 ) 使用s t e p n c ，文件可在各加工设备互换，加工设备供应商只需做通 用接口即可，不用针对具体应用开发专用接口，简化加工设备开发难度： ( 5 ) 使用s t e p n c ，可以实现c a d c a m c n c 信息双向流动； ( 6 ) 消除了后置处理器； ( 7 ) s t e p n c 统筹考虑设计与制造模型，集成在产品数据模型中，不存在 数据传递误差，实现精确加工1 1 4 1 。 目前的数据接口 | 豆1 n o s g 9 0 g 卵 n 1 0 t 5 d 1 户吗 n 1 5s 3 0 0 0 n 2 0 f 1 0 0 0 i c a d 1 n 2 5 m 0 3 n 3 0 m 0 8 p s 0 6 9 8 3 n 3 5 g x d z 1 0 0 0 n 4 0 g 9 1c 0 1z 1 2 0 0 畸盂处理器卜 n 4 5 g 9 0 m 5 n 5 0 m 0 9 盈n 掘部分 1 数控装置l 1 ) 低层次的信息； 数控机床 2 ) 令和辅助指令： 警 3 ) 未标准化的扩 展功能。 新的数据接口工步，i i i 孔；i i 王 f i g 1 - 3c o m p a r eo ft w ot y p e so fn u m e r i c a lc o n t r o lp r o g r a mi n t e r f a c e 图1 - 3 两种数控编程接口的比较 s t e p - n c 是一种在c a d c a m 系统和c n c 机床之间进行数据转换的模 型，它使用工步( w o r k i n gs t e p s ) 这个面向对象的概念，通过详细描述加工过程 而不是机床运动来弥补i s 0 6 9 8 3 的各种不足。两种n c 编程接口之间的比较如 图1 3 所示。 从以上分析可知，使用s t e p n c 标准，可以很大程度地提高加工生产率， 获得商业利润，因此对s t e p n c 标准进行研究是工业加工行业的必然要求， 对于基于s t e p n c 的c n c 系统的研究更是世界各个数控设备生产企业的当务 之急。 西华大学硕士学位论文 1 _ 3 _ 2 国外研究现状 s t e p - n c 目前处于草案阶段( i s o1 4 6 4 9d i s ) 。 1 9 9 7 年，欧洲e s p r i t i h 计划的o p t i m a l 和m a t r a s 项目定义了第一 个基于s t e p ，面向对象的数据模型和应用于铣削的c n c 接口，导致i s 0 1 4 6 4 9 d i s 的诞生。随后欧洲针对铣削加工发起s t e p n c 计划，为发展车、磨、快 速原型加工、木材和玻璃切削等新的数据接口奠定了基础。目前s t e p n c 己 在装有s i e m e n s 、f i d i a 、欧洲o s a c a n c 数控器的原型样机上得到实现。 韩国1 9 9 9 年开始研究s t e p n c ，主要集中在铣削加工和车削加工。 美国着重于s t e p n c 的扩展以及示范验证，1 9 9 9 年开始实施模型驱动的 制造智能控制( m d l c m ) 和超级模型( s u p e rm o d e l ) 两项工程。前者主要目标是发 展s t e p n c ，使其成为一种高效、数字化的c n c 设备输入文件标准，使c n c 设备成为模型驱动的、具有智能控制的加工设备。后者最终目标是用公开的规 范来描述所有加工过程的数据【1 6 】。 1 3 3 国内研究现状 我国于9 0 年代初开始着手研究s t e p 标准，北京航空航天大学、清华大 学、哈尔滨工程大学在s t e p 理论、应用实施进行了深入的研究，涌现出大量 的科研成果，特别是国家“8 6 3 ”计划中成果更是喜人。 关于s t e p n c 的研究，国内尚处在初期阶段。1 9 9 9 年国际标准化组织在 我国召开学术研讨会，讨论s t e p n c 的前景，我国学术界对此反响甚微，有 关s t e p n c 方面的研究报道也是比较少的。时至今日人们才慢慢的将注意力 转向研究s t e p n c 标准上，更多的专家学者投入到s t e p - n c 的研究当中来。 现在国内的研究主要是集中在消化s t e p n c 标准，s t e p n c 的数据模型， s t e p n c 编程方法以及a p 2 3 8 应用协议的实施方法这些方面。 1 4 论文研究背景、内容和意义 1 4 1 课题背景 传统的数控系统大多采用封闭、专用的体系结构，具有某种专用的功能。 这种类型的数控系统虽然具有结构简单，成本低等优点，但随着数控技术的发 9 西华大学硕士学位论文 展，正暴露出越来越多的弊端。如在封闭式结构的系统中，如果要增加用户所 需的特殊功能，一般只能由系统制造商从头开始设计新的系统，不能方便的利 用己有的技术；系统制造商重复研究设计相同或相似的数控软件，造成大量的 人力，物力的浪费1 1 7 1 。 随着计算机技术的发展，系统制造商纷纷采用p c 机和模块化的集成电路 来构造具有拓扑结构的数控系统硬件平台，使得系统的硬件的可重构性和可重 用性有了很大改观。但软件的开发仍沿用传统的面向过程，数据的开发方法， 使得数控软件的可读性，可维护性和可重用性没有得到根本改观。如何建立 种通用的模块化的数控软件模型，提高数控软件的可重构能力和可重用性，成 为现代数控领域一项关键技术。 若把数控软件开发过程中的相同部分做成类似硬件组件( 如芯片) 的软件 芯片，便可加快数控机床的制造过程，提高数控机床生产对市场的反应能力。 软件芯片概念的提出是软件重用发展过程中的里程碑。软件重用是以条理的方 式，采用己有的设计，设计片断，程序文本，文档或其他的程序表示形式来支 持建造新的程序的手段。开发软件芯片就是采用面向对象技术把特定类软件中 的一些通用模块做成独立的可重用的对象类。由于面向对象技术的诸如封装， 分类，消息响应和继承等很有价值的特点，使得软件芯片和系统其他各部分的 耦合度得到了尽可能的降低，这为软件芯片的开发和使用提供了可靠保证【”l 。 1 4 2 论文课题的来源及意义 基于p c 的开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当令 数控技术的发展主流和研究热点，是新一代数控系统的关键技术。其中又以软 件型开放式数控系统为最，它提供给用户最大的选择和灵活性，它的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l ，0 之间的标 准化通用接口。与其他几种数控系统相比，软件型开放式数控系统具有最高的 性能价格比，因而最有生命力。 本项目以开放式数控系统为基础，结合1 s o 制定的新标准s t e p n c ，初 步研究基于s 1 e p - n c 数控系统的基本原理，为我国在工程实践中实现 e m a n u f a c t u r i n g ( 基于i n t e m e t 的现代制造技术) 奠定理论基础。 1 0 西华大学硕士学位论文 综合数控系统的发展趋势，我们申请了四川省科委的项目基金从事开放式 数控系统及其关键技术的研究，即“三轴三联动开放式数控系统实验平台”课 题。本论文课题就是该项目的一个重要组成部分软件型开放式数控系统的 研究开发。 1 4 _ 3 论文主要研究内容及安排 本项目的研究目的是针对s t e p 标准，对基于s t e p n c 的开放式数控系 统进行初步的研究，为s t e p n c 的普遍应用打下基础，探索相关方法和技术， 满足国内外数控加工行业的需要，提高其生产效率。 采用基于s t e p n c 的开放式数控系统，无论对控制系统开发商、机床厂 还是最终用户均有益处。对控制系统开发商，可在甚同的标准平台上建立广泛 的合作，实现厂家的协作式开发，这将大大缩短系统的开发周期，减少投资， 增强产品竞争力。 所做的主要工作分二个阶段进行： 第一阶段理论上的丰富和完善，软件的学习和编程前的准备工作。 1 、熟悉开放式数控系统的体系结构、软件平台、p c 与c n c 之间通信方 法和人机交互功能等等。 2 、学习s t e p 标准及其方法学，正确理解s t e p 实施过程和s t e p 物理文 件的结构，以此作为参考探索s t e p n c 标准的实施途径和有效手段。 3 、学习v i s u a lc + + 6 0 ，掌握必要的编程技巧和技能。 第二阶段系统的设计、编程和调试。 1 、分析对比了s t e p n c 数控系统结构与传统i s 0 6 9 8 3 数控系统，初步 探索基于p c 的软件型开放式s t e p n c 控制器。 2 、程序的总体方案设计、规划，数控程序软件模块之间数据交换的基本 操作方法。详细阐述各个功能模块的划分，设计过程，以及实现具体功能的操 作方法。 3 、程序的编制和初步调试。 1 5 本章小结 1 1 西华大学硕士学位论文 本章首先从数控系统的发展现状与趋势的角度出发，详细阐述了开放式 c n c 系统的一般定义、体系结构、实现形式以及s t e p n c 产生的背景意义和 国内外研究现状，并对本论文的课题来源、研究意义、以及论文的主要研究内 容与安排做了简要介绍。 西华大学硕士学位论文 第二章s t e p n c 标准及s t e p n c 文件结构 2 1s t e p n c 标准概述 在现代制造业中，企业使用不同厂家生产的设备，大量的产品信息需要在 这些设备之间进行传递和交换，这就产生两个方面的问题，一是产品信息可靠 传递的途径，目前使用数字传递标准通过网络传输已经解决这个问题：二是产 品数据的描述，对于零件制造来说，产品数据几何信息的描述已经由s t e p 标 准化了【”j ，在整个产品的生命周期中都能使用这种标准数据信息。但是目前产 品信息在不同设备之间进行传递的主要障碍是数控机床上以i s o6 9 8 3 ( g 代 码、m 代码) 为基础的传统数控编程方法【2 0 l 。这种语言仅包括一些简单的运动 指令和辅助指令，而编程人员却要考虑许多数控加工要素：零件几何信息的转 换、刀具路径的生成、进给量和主轴速度的确定、刀具的选择等f 2 ”，大大降低 了编程效率。 为此，国际上制定了一种新的c n c 系统标准i s o1 4 6 4 9 ( s t e p n c l ，它的 实质就是使产品模型数据库用作c n c 机床的直接输入文档，不存在单独的刀 具路径文档，没有g 或m 代码，没有后处理器，其目的是提供一种不依赖于 具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据