（机械电子工程专业论文）可重构数控系统模块化设计与开发.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 传统的数控系统相对独立彼此封闭，不同的数控厂家开发的软硬件不能互相替 换，缺乏兼容性，阻碍了数控系统的升级换代，造成了人力、物力和财力的巨大浪 费，同时也限制了数控机床生产者对市场和用户的快速响应能力。解决上述问题的 方法是建立可重构数控系统。可重构数控系统的研究目的是解决市场变化频繁的需 求与控制系统专一、框架结构固定之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统 平台，极大地增强控制系统的柔性和适应性。 本论文以w i n d o w s 和工业p c 机作为可重构数控系统的软、硬件平台，在引入 模块化概念的基础上，系统地阐述了可重构数控硬件单元( 机床模块、控制系统的 硬件模块等) 的设计。在公用组件模型( c o m ) 规范基础上，进行了可重构数控系统 软件模块的研究和开发。在通用软、硬件平台及规范基础上，推出一种具有良好重 构性的新型数控系统n h s kc n c 。 关键字：可重构数控系统硬件模块 软件模块c o m 组件 可重构数控系统模块化设计与开发 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a lc n cs y s t e m sa r ei n d e p e n d e n ta n dc l o s e t h es o f t w a r ea n d h a r d w a r et h a ta r ed e v e l p o e db yd i f f e r e n tc n cf a c t o r i e sc a n tb er e p l a c e db y e a c ho t h e r t h e yl a c kc o m p a t i b i l i t ya n db l o c ku p g r a d i n go fc n cs y s t e m s ，e v e n 1c a dt og r e a tm a n p o w e ra n ds u b s t a n c ew a s t e a tt h es a m eti m e ，t h e yh a m p e rt h e c n cm a c h i n e p r o d u c e r s r a p i d r e s p o n s i v ea b i l i t y t o w a r dm a r k e t s a n d c u s t o m e r s t h em e t h o dt os o l v et h ep r o b l e mi st oe s t a b l i s hr e c o n f i g u r a b l e c n cs y s t e m t h er e s e a r c ha i mo fr e c o n f i g u r a b l ec n cs y s t e mi st os o l v et h e c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er a p i d l y c h a n g e a b l e d e m a n da n dt h ec l o s e a r c h i t e c t u r ea n dt oe s t a b l i s hau n i v e r s a ls y s t e mp l a t f o r mt h a tw i l le n f o r c e t h ef l e x i b i l i t ya n da d a p t a b i l i t yo fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ar e c o n f i g u r a b l ec n cs y s t e mi sd e v e l o p e du s i n gw i n d o w s 9 8a ss o f t w a r e p l a t f o r m a n di n d u s t r i a lp ca sh a r d w a r ep l a t f o r m i nt h i st h e s i s t h e r e c o n f ig u r a b l es o f t w a r ea n dh a r d w a r em o d u l e so fc n cs y s t e m sa r ep r i m a r il y a c h i e y e db yu s eo fs p e c i f i c a t i o no fm o d u l ea n dt h ec o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) a 1 s ob a s e do nt h ea r c h i t e c t u r eo fd e f i n i t ec r i t e r i o nt h e t h e s i s p r o v i d e s an e wt y p ec n cs y s t e mn h s kc n cw i t he x c e l l e n tr e c o n f i g u r a h l e f e a t u r e s k e yw o r d s ：r e e o n f i g u r a b l e c n c s y s t e m h a r d w a r em o d u l e s o f t w a r em o d u l ec o mc o m p o n e n t i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言i 】 在市场竞争激烈的情况下，高质量、高效益和多品种小批量柔性生产方式已是 现代企业生存与发展的必要条件。传统的加工设备和制造方法已难以适应市场竞争 的要求。因此，自1 9 5 2 年第一台数控机床问世到如今的4 0 多年中，以电子技术为 基础，集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感技术、 信息处理技术、网络通信技术、液压气动技术、光机电技术于一体的数控技术得到 迅速发展和广泛应用，使得普通机械逐渐被高效率，高精度的数控机械所代替，从 而形成巨大的生产力，导致制造业发生了根本性的变化。特别是在相继出现的柔性 制造系统( b 习, t s ，f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、计算机集成制造系统 ( c i m s ，c o m p u t e ri n t e r g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 、智能制造系统 ( i m s ，i n t e l li g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 等、进一步说明数控技术已成为现代制 造技术的基础其水平的高低是衡量一个国家工业现代化的重要标志。 1 2 数控系统的发展历史n ”- 自从1 9 5 2 年，世界上第一台数控铣床在麻省理工学院实验室诞生以来，数控 系统已经经历了八代的发展。 ( 1 ) 普通数控系统( n c ) 如果说把最早期采用电子管制成的数控系统称为第一代数控系统的话，那么 从1 9 5 9 年开始，晶体管和印刷电路板广泛使用，标志着数控系统进入第二代。1 9 6 5 年，随着小规模集成电路的出现，数控系统进入了第三代。以上三代系统， 都是采用专用控制计算机的硬接线数控系统，我们称之为硬线系统，通称为普通数 控系统( n c ) 。其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其 迸一步的发展和应用。 ( 2 ) 计算机数控系统( c n c ) 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降，激烈地冲击着市场。数 控系统的厂家认识到，采用小型计算机来取代专用控制计算机，经济上是合算的， 许多功能可以依靠编制专用程序存在计算机的存储器中，构成所谓控制软件而加以 实现，提高了系统的可靠性和功能特色。这种数控系统，称为第四代数控系统，即 计算机数控系统( c n c ) 。 ( 3 ) 微机数控系统( m n c ) 1 9 7 1 年，i n t e l 公司研制成功世界上第一个微处理器( 4 0 0 4 ) ，开辟了计算机 应用的新纪元。微处理器在数控系统中的应用，使数控系统得以广泛地应用。从 可重构数控系统模块化设计与开发 i n t e l l 6 位的8 0 8 6 到3 2 位的8 0 3 8 6 ，以及6 4 位的p e n t i u m 系列，微处理器的性 能不断飞跃，在许多方面已经接近了小型机。以微处理器为控制核心的数控系统我们 称之为第五代数控系统，即微机数控系统( m n c ) 。 7 0 年代末、8 0 年代初，随着超大规模集成电路、大容量存储器、c r t 的普及应 用，c n c 系统进入了第六代。它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完备， 达到了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程， 三维图形动显示，校验，实时软件精度补偿等功能。在系统体的结构上，开始出现了 柔性化、模块化的多处理机结构。数控系统产品也逐步实现了标准化，系列化。 ( 4 ) 高速高精度c n c 系统 为了实现高速、高精度曲面轮廓精加工，必须提高微轮廓线的解释处理能力和伺 服驱动特性，为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，c n c 系 统应具有足够高的数据处理速度和能力。3 2 位c p u 以其很强的数据处理能力在c n c 中得到了应用，使c n c 系统进入了面向高速、高精度的第七代。1 9 8 6 年，三菱电机 公司率先推出了c p u 为6 8 0 2 0 的3 2 位c n c ，掀起了3 2 位c n c 的热潮，并逐渐成为 当今数控系统的主流。 ( 5 ) 基于p c 的开放式c n c 系统 进入九十年代，个人计算机( p e r s o n a lc o m p u t e r ，p c ) 的性能已发展到很高的阶段， 从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且p c 机生 产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此进入基于p c 的c n c 系统阶段。 1 9 9 4 年，这种基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发 展。p c 的引入，不仅为c n c 提供十分坚实的硬件资源和极其丰富的软件资源，更为 c n c 的开放化提供了基础，使之成为数控历史最具影响的发展。 1 3 可重构数控系统的产生 1 3 1 可重构数控系统产生的背景 自7 0 年代以来，传统的计算机数控系统( c n c ) 一直沿着两个主要流派发展。 一是以日本f a n u c 公司为代表的专用芯片和大印制板相结合的体系结构闭 式结构。如9 0 年代以前的s i e m e n s 、f a n u c 以及m i t s u b i s h i 系统等均属这种流派。 这种体系结构往往是以制造商特有的方式提供的。对用户来说，它只是一个被定义了 输入和输出的黑匣子，其内部细节是不得而知的。 另一流派是以美国a - b 公司为代表的总线式体系结构，采用的是非标准总线，这 是在当时激烈竞争的环境下根据自己的优势而形成的“”。 传统的数控系统采用的大多是专用设备，虽然具有结构简单、技术成熟、产品 批量大、生产成本低的优势，但随着技术的进步，越来越暴露出其固有的缺陷。传统 南京航空航天大学硕士学位论文 的数控系统在结构上提供给用户的选择有限，用户无法对现有数控设备的功能进行修 改以满足自己特殊需求；各种厂商提供给用户的系统的操作方式各不相同，用户在培 训人员、设备维护等方面要投入大量的时间与资金；当今的c n c 处于d n c 和f m s 环境中，同时还与c a d c a m c a p p 等系统实现通信，过去传统的c n c 系统缺乏标 准的人机接口。上述这些问题都严重阻碍了c n c 制造商、系统集成者和用户采用快 速而有创造性的方法解决当今制造环境中数控加工和系统集成中的问题。 另外，随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化，数控技术的发展面临着 许多新的挑战。面对不断出现的新的加工需求，数控机床生产者必须具有对市场和用 户的快速响应能力，数控系统必须具有迅速、高效、经济地面向客户的模块化特性和 软硬件重构能力，即用户能够自由地选择c n c 装置、驱动装置、伺服电机、应用软 件等数控系统的各个构成要素，软件功能的开发不依赖控制器制造商，不同开发商的 软件可以相互移植，用户的软件可运行于不同的控制器上。可重构数控系统 ( r e c o n f i g u m b l ec n cs y s t e m s ) 应运而生。 1 3 2 可重构数控系统的概念 关于可重构数控系统的定义，目前还有较大的争议。但是参照国际标准组织( i s o ) 对开放体系的定义，本课题研究的可重构数控控制系统应该是： 以分布式控制的原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造 应该是可移植的和透明的。 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，即可实现 c n c 、p l c 、r c 、c c 等在内的控制功能。 可重构数控系统体系结构中各模块相互独立，在此平台上，用户可很容易地 把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中。进行系统开发设计时，允许 各模块迸行独立开发，为此要有方便的支撑工具，控制程序设计按系统子 系统一模块三级进行，各模块接口协议应明确。 要具有一种较好的通信和接口协议，咀便各相对独立的功能模块通过通信实 现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求。通过初始化系统设置实现功 能分配。只有这样才能保证用户对系统作补充、扩展、裁减甚至是修改【1 1 。 概括地说，可重构数控系统普遍采用模块化，层次化的结构，并通过各种形式向 外提供标准的硬件接口和统一的应用程序接口，具有可移植性、可扩展性、互操作性 和可缩放性等特点。 1 4 可重构数控系统的国内外研究现状m m ， 为解决封闭式体系结构数控系统所存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相 继提出了规范化，标准化的方向发展，设计可重构数控系统的问题。它们也正代表了 当前可重构数控系统的研究与发展现状。 可重构数控系统模块化设计与开发 1 美国的n g c 计划和o m a c 计划 下一代工作站机床控制器n g c ( t h en 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 e c o n t r o l l e r ) 计划的目的是制定一套新一代开放式控制系统的规范，开发符合下一代控 制器( n o c ) 规范的产品，提供n g c 标准化的成果。n g c 的体系结构，是在虚拟机械基 础上把子系统和模块链接到计算机平台上。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型研究 并转向工业上的开发应用。与此同时，美国的三大汽车公司( 通用、福特、克莱斯勒) 为解决自身发展中碰到的问题，在n g c 计划指导下，联合提出了“开放式模块化体系结 构控制器”即o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 的开发计划，由政府支持 实施。该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提 高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术 与原有系统的集成。其主要动机是向供应商和技术开发团体公布控制器用户，尤其是 汽车制造业的需求，以期他们明白并更好地理解用户的需求，从而能在市场上购买到 满足其要求的产品。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决定了 其性质和目的，从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。 2 欧盟的o s a c a 计划 自动化系统中开放式体系结构0 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 w i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划的目标是开发出的开放式c h i c 系统碰允许机床厂对 系统作修改、扩充、扩展、裁减来适应不同用户的需要。 o s a c a 参照开放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的 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，并明确规定了不同的开放层次：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) ，见图1 1 。 图1 1o s a c a 系统平台结构 应用软件层 操作系统层 硬件层 4 南京航空航天大学硕士学位论文 o s a c a 的软件结构中有3 个主要组成部分：( c u m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、 参考体系结构模型鼢1 c e a 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 m 廿o n s y s t e m ) ， 是基于信息通信平台建立的，见图1 2 。 图1 2 0 s a c a 通信系统结构 3 日本的o s e c 计划 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 tf o rc o n t r o l l e r ) 计划，其目的是开发基于 p c 机平台的、具有高性能价格比的开放式体系结构的新一代数控系统，以适应迅速 变化的市场需求。在硬件方面。o s e c 计划采用p c + 控制卡( 将n c 专用卡插到p c 机 中) 的结构，有利于层次化、模块化、灵活配置的实现。在系统方面，o s e c 认为在 m b c p ( m e s s a g e b a s e dc o m m u n i c a t i o n p l a t f o r m ) 和f l ( f u n c t i o n a ll a y e r s ) 两种开放式平 台中，前者定义虽理想，但后者已在过去的工作中经过了长期的完善，所以，o s e c 选择了以f l 为基础的开放式平台，见图1 3 。 i 设幅c a d ，工程龇舡方法设计等孽臂 j 操作规划层：加工顺序、刀库、夹具等 l 豸 l 加工控制层：程序解释、加工模式控制等1 等 j 运动，事件控制层：组台运动，事件控制等i篓 功 l 轴，设备控制层：单轴控制，分立l ，o 控制等l 譬 1 伺服，机械执行层：电机等执行元件i詈 i 机器层：机床、机器人等 i雾 图1 4o s e c 开放系统体系结构 可重构数控系统模块化设计与开发 4 我国数控技术的发展概况 在我国数控技术的发展进程中，“八五”数控科技联合攻关，开发具有我国自主版 权的数控系统，特别是提出开发中华i 型和航天i 型两个基本系统( 就是平台) 及系列 化产品并利用基本系统发挥我国的软件优势，实施平台战略，发展我国的数控软件， 其意义是十分重要的，是我国数控发展史上的一个转折点。 在“八五”数控科技攻关中，世界上发生了2 件直接影响到我国数控科技攻关的事 件：一是美国n g c 计划( 制定开放式数控技术规范的计划) ；二是通用p c 机的飞速发 展。德国i b h 、美国舢、日本朋立等相继开发了以p c 机为平台的数控系统，美国 a m p m c o m p u t e r 公司的策略发展部行政副总裁础c k l e h r b a u m 提出“利用p c 机体系结 构设计新一代嵌入式应用”，向我们提出了新一代数控的开发问题。新一代数控的核 一t l , 是开放性。 随着微电子技术和硬件设计技术的发展，特别是市场的激烈竞争，通用p c 机的 硬件技术( 特别是其中的微处理器) 遥遥领先，为软件的开发和运行创造了较好的支撑 环境。珠峰公司和华中理工大学，利用i p c + 数控卡构成硬件平台，开发了中华i 型 和华中i 型数控系统；与此同时，航天数控集团公司( 以下简称“航天数控”) 利用通用 p c 机的体系结构设计了与通用p c 兼容的微机加上数控通用专用模板构成了单机数 控系统，作为普及型推向市场，并以此为基础与通用p c 机互连构成了典型前后台结 构的多机系统，完成了“八五”数控科技攻关任务，并为今后的发展奠定了基础：兰天 是在原7 5 0 0 系列的基础上，通过二次集成缩小化设计后与通用p c 互连构成了8 5 0 0 系列多机系统。 以上4 个基本系统，虽然由于出发点不同，采用了不同的技术途径利用通用p c 机，但就开放性而言，特别是应用系统的开放性还相差甚远却是共同的。这些系统的 开放性仍不够，整体的c n c 系统并不能实现真正开放，用户既无法重构系统功能， 也不能开发自己独特的操作界面和专用功能，同时硬件也缺乏兼容能力，所以不属真 正的开放系统。究其原因，这些系统开发的c n c 系统所采用的硬件插卡、软件结构、 数据结构及通讯协议等是专用的和封闭的，因此不仅用户无法介入，系统自身也失去 了持续开发的能力。可见，要实现系统的真正开放，必须从系统的功能划分、软硬件 组织结构、设计方法诸方面等进行深入的研究，特别是在系统的体系结构和分析设计 方法上要有所突破。 我国的数控技术与发达国家相比仍有很大差距，数控产业仍十分薄弱，而且国产 数控绝大部分是功能简单的中低档经济型。高档数控又是国外发达国家对我国进行技 术封锁的关键技术。为了促进我国数控技术的发展，使数控技术接近和赶上世界先进 水平，一方面国家正在不断调整政策，制定发展计划，为数控技术的发展提供良好的 环境；另一方面，科技工作者正在不断吸收和借鉴世界先进技术并结合我国的实际情 况，努力研制出更多更好的数控系统。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的目的及主要内容 1 5 1 研究目的 可重构数控系统是数控技术发展的必然趋势可重构的体系结构给c n c 生产厂 家、机床制造厂和用户都带来了许多益处。当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着可重 构数控系统的研究o s e c 称之为机械制造业的第三次革命m l ，正为我国数控产业 的发展提供良好的契机。 数控系统集成者和用户都希望能够在选用选择c n c 装置、驱动装置、伺服电机、 应用软件等数控系统的各个构成要素具有更大的自由度。而作为机床生产厂商，面对 市场的快速变化的需求，设计和集成系统的时间要求越来越紧迫，因此机床生产厂商 也希望数控系统的各个构成要素具有标准的接口，具有即插即用的特性。本课题研究 的可重构数控系统的模块化建立在对机床的各个构成要素的功能的逻辑性分析的基 础上，将其分解为逻辑上相互独立的模块，实现模块与功能的之间的一一对应关系， 为这些模块之间的连接制定的标准接口。模块化的构成要素能够满足用户和厂商的多 样化、多层次的要求，能够采用少量模块组合出多种产品，高效、优质地满足不同用 户的需求。 1 5 2 主要研究内容及安捧 本论文主要借鉴了国外如美国o m a c 、欧盟o s a c a 和日本o s e c 等开放体系模 型，在微软( m i c r o s o f t ) 的公用组件对象模型( c o m m o no b j e c tm o d e l ) 的技术规范 和设计思想的基础上，结合传统的面向对象和可重用设计方法，提出了一个新的可重 构数控系统模型，使c n c 系统具有用户可以介入设计、可持续开发、功能可重构重 组、可扩展、适应性强等性能，并开发出可重构数控系统样机n h s k c n c 系统。 本论文主要安排如下： 第一章“绪论”主要介绍了数控系统的发展、可重构数控系统的产生与定义及国 内外各研究机构对可重构c n c 系统的设计思想和主要成果。 第二章“可重构数控系统的结构分析”主要介绍了本课题所开发的可重构数控系 统的软硬件结构。 第三章“可重构数控系统的系统建模”概述了可重构数控系统的系统建模方法并 构建了可重构数控系统的系统模型。 第四章“可重构数控系统的物理重构”介绍了机械部件的模块化设计和控制系 统硬件平台的重构，提出了支持即插即用的可重构数控系统。 第五章“可重构数控系统的逻辑重构”介绍了本课题开发的可重构数控系统各软 件功能模块的设计及加工过程的图形仿真。 第六章“总结与展望”对本论文的工作进行了总结，并对可重构c n c 系统的进 一步研究提出了自己的一些看法。 第= 章可重掬莺r 控系统的结构分析 2 r l 数控暮麓j 乎台与结构体系的分析m 尽管数控系统从系统设计声法到系统实现方式千差万别，但其基本组成原理都是 类似的，作为一个典型的计算机应用系统，任何数控系统都离不开硬件和软件的支持 c n c 装置是数控妒束用专一= j ：i 算机，除具有一般计算机的结构外，还有与数控机 床功能有关的功能凛块结构和接口单元。c n c 装置由硬件和软件组成，软件在硬件的 支持下运行：离开软件，硬件便无法工作，两者缺一不可。硬件的组成如图2 1 。 图2 - - 1c n c 硬件构成 硬件结构中，中央处理单g ( c p u ) 实施对整个系统的运算、控制和管理。存储器 用于储存系统软件和零件加工程序，以及运算的中间结果等。输入输出接口用来交换 数控装置和外部信息。m d 狄：r t 接口完成手动数据输入和将信息显示在c r t 上。位 置控制部分是c n c 装置的一个重要组成部分，它包括：对主轴驱动的控制，以便完 成速度控制；通过伺服系统提供扭矩的输出，还包括对迸给坐标的控制。以便完成位 置控制。 c n c 装置是在硬件的支持下，执行软件来工作的。软件一般由操作系统，c n c 管理软件的和控制软件组成。其中操作系统提供基本的软件开发平台和运行支持； c n c 管理软件由零件加工程序的输入输出程序、显示程序、诊断程序、通信以及人 机界面等组成。控制软件由编译译码程序、刀补预处理程序、插补程序和位置控制程 序等组成。 c n c 系统的硬件和软件构成了c n c 系统的平台，如图2 2 所示。之所以称为 系统平台是因为。一方面，它提供了c n c 系统完整的控制功能了；另一方面，它允 许在此平台的基础上进行适当的功能扩展和开发。 南京航空航天大学硕士学位论文 通常，将c n c 装置的系统平台的构筑方式称为c n c 的结构体系，它包括系统的 软硬件组成部分的划分，各部件间的连接与约束如拓扑关系、同步关系、通讯协议 等。由此可见，c n c 系统的结构体系不仅可为系统的分析，设计和建设提供框架， 同时也是系统在整个生存周期中实现扩展更新，二次开发和维护的指导基础。 因此，系统结构体系的研究不仅直接关系到c n c 系统的开发周期与成本以及产 品质量，同时更关系到c n c 系统的中间用户。最终用户的集成成本和适用维护成本， 随着数控技术的发展，数控系统的结构体系越来越引起各界的重视。 图2 2c n c 系统平台 2 2 可重构数控系统的结构分析 传统的数控系统采用的是一种专用的封闭式体系结构。即组成系统的硬件模块和 软件结构是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同， 从而造成不同厂商的控制系统相互独立且彼此封闭。 为解决传统数控系统封闭式结构体系所存在的问题，参考西方各工业发达国家提 出的向规范化，标准化方向发展的数控结构体系，本文提出了一种可重构数控系统的 结构体系。下面从系统的功能、软件和硬件三个方面分析解剖该系统的结构体系。通 过对c n c 系统的功能分析和划分，针对可重构数控系统结构体系的需求特点，本文 采用层次化的基于d c 的可重构数控系统的功能结构，如图2 3 所示，即有三层功能 结构：应用层、控制层、驱动层。 应用层：应用层主要处理用户与系统的交互，如用户操作界面、发出加工命令， 显示、诊断、通信等，它是用户完成c a d c a m 、加工编程、控制加 工运行的管理层。应用层对用户的各种操作进行初步处理，同时把从 下面各层得到的各种信息反馈给用户。 控制层：控制层是系统的核心，它可以分为两个层次即内核和功能模块层，内 核主要完成任务的调度、实时的控制等，接受应用层的数据和命令， 控制各功能模块的操作。功能模块具体实现译码、刀补运算、插补运 算、位置控制等。 9 可重构数控系统模块化设计与开发 驱动层：驱动层主要是系统的硬件如运动控制卡、i o 控制卡、伺服单元、加 工设备等，这一层是数控系统功能的具体实行层，主要处理与硬件的 接口，通过设各驱动程序来屏蔽不同硬件之间的差异，为以上各层提 供统一的服务。 操作界面c a d c a m网络监控 l li +士n c 编程0 机床控制处理：程序解释、插补、刀补计算等 扣具运动上顺序控崩 轨迹控制分立任务控制 户标轴运动i 触发器 坐标轴控制设备控制 li 上指令上指令 执行机构执行机构 li 加工设备 应用层 控制层 驱动层 图2 3 基于i p c 的可重构数控系统三层功能结构 这种结构实现了计算机辅助设计、工艺规划( 加工顺序、刀具轨迹、切削条件等) 、 机床控制处理( 程序解释、操作模块控制、智能处理等) 、刀具轨迹控制，顺序控制 等。其中，应用层和控制层基本上是通过软件的形式在i p c 机上实现的，驱动层通过 各种插到i p c 机p c i i s a 总线插槽上的运动控制卡、i 0 控制卡来实现的。一般表现 为通过设备驱动程序定时往某一控制卡的某一地址写入或者读取数据。 可重构数控系统的结构体系的建立过程就是一个标准化的过程，它必须与软、硬 件的标准化与多样化结合起来。标准化是指在系统可重构基础上依据不同的功能需求 界定与规范软硬件功能及相互接口。多样化是指针对某种系统功能的实现，存在不同 的可供选择的多种软硬件。标准化是一个系统工程，应该把c n c 、c a d c a m c a p p 、f m s 、 c i m s 、i m s 等统一考虑。在建立了统一的标准之后，各开发商就可以根据标准来开发 出相互兼容的产品，从而有利于用户根据自己的需要来选择产品。 南京航空航天大学硕士学位论文 2 3 可重构数控系统的硬件结构 近年来，随着p c 机性能和质量的提高、数量的增加、价格的下降以及人们对p c 机熟悉程度的深化，利用p c 机的软硬件规范来发展基于p c 的可重构数控系统已成 为世界各国研究的重点。 基于p c 机的可重构数控系统可以充分利用p c 机的软硬件资源及其良好的可重构 性，使设计任务减轻：利用计算机工业所提供的先进技术，方便地实现产品的更新换 代；良好的人机界面便于操作：可重构结构便于在工厂环境内集成；由于有更多的硬 件供选择，c n c 的成本对于用户来说非常灵活。 考虑到p c 机的种种优势本文提出的可重构数控系统以工业p c 机为基础，配以 相应的数控系统必须的接口模块形成系统的硬件平台。为了使系统具有可扩展性、可 升级性和易维修性，应尽量使用通用的硬件模块。可重构数控系统是由多种模块构成， 模块通过标准的i p c 总线连接成一个整体。可重构数控系统的硬件结构可划分为基本 系统和扩展系统两大部分“”。基本系统包括工业p c 、伺服驱动单元、实现逻辑控制 的内置i o 或p l c 、网络通讯接口等。扩展系统如多轴运动控制卡，i o 控制卡则可 通过标准总线插槽增加到基本系统上，以实现系统的功能扩展。系统的硬件构成如图 2 4 所示。 l显示器键盘通信口 1 ： nn l工控计算机( i p c ) n i i 网卡多轴运动控制卡i ，o 卡 nnnnn 1 主蚕1i雾塞耋ii雾2量1i蓁曩星1i 萎爹毳盖i 图2 4 可重构数控系统硬件结构 2 4 可重构数控系统的软件结构 基于i p c 的可重构数控系统软件开发重点落实在四部分工作上，即用户输入输出 可重构数控系统模块化设计与开发 界面、系统软件平台上的n c 内核、应用软件平台上的各种功能软件模块和设备驱动 程序的编制。 用户输入输出界面实现用户的输入、系统的输出。用户输入主要是指用户输入数 控代码以及控制命令、进行系统配置等。系统输出主要是进行实时仿真、显示当前加 工状态等。 n c 内核主要完成界面与控制层间的信息交换，各种软件模块之间的相互通信、 任务之间的协调，实时向i o 控制卡发送数据或采集数据，控制各功能模块的操作以 及提供调用软件模块的接口。 各种功能软件模块包括编译译码模块、刀补预处理模块、插补模块、翻译模块等 通过内核的协调完成具体的工作。 设备驱动程序管理实际数据的传输和控制特定类型的物理设备的操作，包括i o 操作、处理中断等。设备驱动程序作为软件和硬件的过渡，负责软件内核同硬件的数 据交换。一般每一个物理设备都对应一个驱动程序。 可重构数控系统的软件结构如图2 5 所示。一方面通过设备驱动模块的隔离，使 c n c 系统的各软件模块不再依赖于硬件而独立存在，对于不同的运动控制卡、i o 控 制卡只需更换相应的设备驱动程序并通过翻译模块将数控加工程序翻译为不同的运 动控制卡所能识别的运动函数即可；另一方面各软件模块通过接口与n c 内核相连， 对于用户不同的应用需求，只需更换实现相应功能的软件模块即可。 图2 5 可重构数控系统软件结构 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章可重构数控系统的系统建模 一直以来许多数控系统，从硬件到软件，都完全由系统的生产者确定。它们常常 是作为一个完整的整体提供给用户，而用户几乎不可能将自己的软件或第三方的产品 集成到系统中去，系统的任何扩展或修改，必须完全依赖于系统生产厂家。随着各种 各样新型机床、新的加工技术不断出现的情况下，这一问题日益突出。必须尽快寻找 解决的方法。 传统的方法是在原有系统上叠加新的功能。由于用户缺乏对系统内部实现的详细 了解，为了不影响系统的正常工作，在增加新功能的同时，系统原来提供的、而今又 不再需要的功能未被删除。这种做法的弊端在于，不但会降低系统的性能，使得系统 的可理解性越来越低，并且会产生难以控制的负面影响。 导致上述情况的原因主要有：c n c 生产厂家的技术垄断与保密，缺乏通用的接 口标准从而使软件互换性差：缺乏各方面能接受的数控软件模型化方法；缺乏支持 开放性结构和软件重用的开发方法；缺乏必要的开发工具支持。 对数控系统进行模块化设计并使其具有软硬件重构能力，降低开发成本和周期， 提高系统的可维护性和可扩充性，无疑是实现提高数控机床对市场适应能力这一目的 的必由之路。国内外对此进行了大量的研究，并取得了较大进展，但目前还缺乏可重 构数控系统统一、有效的建模方法。用面向对象方法分析和设计c n c 软件，不仅使 c n c 软件具有灵活性，易于修改和扩充，减小系统的维护代价，还可以使c n c 软件 功能模块具有重用性，节省系统开发的人力、物力资源。提高软件质量和可靠性。 3 1 传统c n c 系统的功能模型及特点【l 】【2 ， 传统的c n c 系统一般采用专用计算机数控装置，它所采用的计算机是数控系统 生产厂家为其c n c 系统专门设计的，按c n c 装置内的微处理器数量可分为单微处理 器和多微处理器两类。在单微处理器c n c 中，c p u 通过总线与存储器和各种接口相 连接，采取集中控制，分时处理的方式完成对存储、插补运算、l j o 控制、c r t 显示 等多任务的处理。 多微处理器c n c 装置把机床数字控带4 这个总任务划分为多个子任务，也称子功 能模块硬件方面一般采用模块化结构，以多个c p u 配以相应的接口形成多个子系统， 每个子系统分别承担不同的子任务，各子系统间协调动作共同完成整个数控任务。 多微处理器c n c 区别于单微处理器c n c 的最显著特点是通信，c n c 的各项任 务和职能都是依靠组成系统的各c p u 之间的相互通信配合完成的。多微处理器c n c 典型通信方式有共享总线和共享存储器两类。 共享总线c n c 按功能将系统划分为若干个功能模块，其中带有c p u 的称为主模 块，不带c p u 的称为从模块。根据不同的配置可选用不同的功能模块插件板。 1 3 可重构数控系统模块化设计与开发 所有主从插件板都插在总线插槽中，通过共享总线把各个模块有效地连接在一 起，按要求交换各种数据和信息，组成一个完整的实时系统，实现c n c 系统的预定 功能，其基本功能模型如图3 一i 。 总线 图3 1 共享总线c n c 功能模型 共享存储器c n c 其基本功能模型如图3 2 ，其中中央c p u 负责数控程序的编 辑、译码、刀具和机床参数的输入；显示c p u 把中央c p u 的指令和显示数据送到视 频电路进行显示，此外还定时扫描键盘和倍率开关状态并送中央c p u 进行处理；插 补c p u 完成插补运算、位置控制、i o 控制和r s 2 3 2 c 通信等任务，还向中央c p u 提供机床操作面板开关状态及所需显示的位置信息等。 上述数控系统，在选用高性能的微处理器构成分布式处理结构时，可以获得很高 的性能，如多轴联动高速、高精度控制、很强的补偿功能、图形功能、故障诊断功能、 低层通信功能。但由于大批量生产和保密的需要，不同的数控系统生产厂家自行设计 其软件和硬件，这样设计出来的封闭式专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编程 语言、五花八门的人机界面、多种实时操作系统、非标准化接口等，不仅给用户带来 了使用上的复杂性，也给车间物流层的集成带来了很多困难。 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 e p r o m il r a m l5 1 2 il r a ml ie p r o m il r a m l5 1 2 ile p r o m 键盘l 一显示c p u = ：二习中央c p u 巨= ：= d 插补c p ul 一串口和收发器 主墓撺发生硎t c t r c 并行接口ll 反馈脉冲和处理 模拟量输出l 机床接1 3ll 反馈信号适配器 图3 - - 2 共享存储器c n c 功能模型 3 2 数控系统可重构的实现 3 2 1 实现可重构数控系统所需满足的要求 根据本文第一章所述可重构数控系统的概念，一个可重构数控系统的实现必须从 应用、功能两个角度满足所需的要求。 一、应用角度 1 满足数控加工的功能要求 可重构数控系统本身所附带的软件和硬件模块应能满足从经济型到普及型，甚至 高级型数控加工的控制需求这对于一个新型的c n c 系统结构框架尤为重要，否则 会影响系统的生存能力。 2 满足用户的特殊要求 随着社会的进步，机械产品向小批量、多品种的方向发展，数控生产商可能需要 对数控系统本身进行调整来适应这一发展：同时，由于行业或产品的特殊需要，可能 要向现有c n c 的基础上加入新的模块等等。所以，可重构c n c 系统应可以通过更新 产品、扩充功能、提供可选择的软硬件产品的各种组合以满足特殊应用要求。另外， 还应允许用户将自身的技术经验融入系统，推出自己的特色产品。 3 能对市场作出快速反应 c n c 系统本身是面向市场，同时也满足市场需求，市场需求瞬息万变，而可重 构c n c 系统的要求是不尽相同的，有的用户可能需要高端应用，而有的用户只做简 单的一般应用。为此，可重构c n c 系统应能够通过增加组件以构成功能更强大的系 统，也可以裁减其功能来适应较低的要求。 4 有利于c n c 行业形成统一的标准，降低生产成本 我国的生产与市场将迸一步融合到广阔的国际市场中去，面对激烈的市场竞争， 要使我们的产品在国际上占有一席之地，必须尽快提高产品的技术含量和性能指标， 可重构数控系统模块化设计与开发 并与国际接轨。 目前，国内外数控产品的标准很不统一，不同系统之间互不相容，因此造成了过 多的重复开发和人力物力的浪费。可重构c n c 的发展，应能促进c n c 行业形成统一 的标准，使数控系统平台化、模块化、标准化，避免各数控厂商在制定规范、开发平 台的过多投入，而将主要的精力集中到功能模块的开发与系统集成上， 从而减低生成成本，促进行业发展。 5 满足未来技术的要求 随着制造业向网络化、全球化、敏捷化模式的发展，可重构c n c 系统必须能够 对其自身现有功能及接口的扩充来适应这一发展要求。 二、功能特点 1 用户界面的重构 首先提供一个友好的界面，实现操作的简洁性；同时，用户可根据需要定制界面， 例如可以改变仿真的形式，增减显示、监控等方面的内容。 2 系统功能模块的重构 用户或开发商可根据需要选择合适的功能模块，或开发新的模块。例如，用户可 更换或自行开发自己的插补模块、翻译模块或扩展高级曲线曲面插补功能等。 3 系统控制功能的重构 系统的控制对象可以是任何厂家生产的机床，也不限制机床的加工类型，可以为 车、铣、刨床等通用机床配套，也可以为特种加工、齿轮加工等专用机床配套。 4 网络模块的重构 系统本身对另外一个并联或高层系统是开放的，两套或更多c n c 之间可以相互 操作。例如，可以从一台主控机床上来控制整个网络，控制其它c n c 的起停， 监视它们的工作状态等。 5 硬件平台无关性和可移植性 系统应该可以安装在大多数类型的计算机硬件平台上，这样才有利于广泛推广和 降低成本，而且移植方便。 3 2 2 数控系统的可重构途径- ，肼l 为适应不断发展的现代技术需求擞控系统必须能够被用户重新配置、修改、扩 充和改装，并允许模块化地集成传感器、加工过程的监视与控制系统，而不必重新设计 硬件和软件。要达到这一目的，最有效的途径就是实现重构。按重构的层次不同可分3 种途径，它们的重构层次不同，难度不等，获得的效果也相差很大。 重构人机控制接口：这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人 机控制接n ( m m c ) 中。这一手段为用户提供灵活制定适用于各自特殊要求的 操作界面和操作步骤的途径，一般适用基于p c 作为图形化人机控制界面的 系统中。 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 重构系统核心接口：此方式除了提供上述方式的重构性能外，还允许用户添 加自己特色的模块到控制核心模块中。通过重构系统的核心接口，用户可按 照一定的规范将自