（机械电子工程专业论文）基于windows操作系统的开放式数控系统研究.pdf

摘 要 i 论文题目： 基于 windows 操作系统的开放式数控系统研究 专 业： 机械电子工程 研 究 生： 杨献金 指导教师： 张明柱 教授 摘 要 现代机械制造工业对数控系统提出了更高的要求，设计和开发一种可根据用 户需求，迅速建立一个开放式的原型数控系统，适应市场对产品多样化的需求， 成为数控系统的发展方向。windows 操作系统具有多任务操作特性，支持多线 程，可实现数控系统实时多任务控制，因此在 windows 操作系统平台下研发开 放式数控系统是一个重要发展方向。本文完成的主要研究工作如下： 1. 在全面分析开放式数控系统的发展趋势以及传统数控系统存在的不足的基 础上，提出了基于 windows 操作系统平台，采用 ipc 机+运动控制卡模式和主 从式结构对开放式数控系统进行了研究和开发。其中以 gt- 400- sv 运动控制卡 作为数控系统下位机的核心，构成多轴运动实时控制单元；以 ipc 机作为上位 机进行非实时性任务的处理。通过总线通讯和双端口 ram 通讯方式，以及制定 的上下位机数据传送通讯协议，保障了上下位机的实时数据通讯，实现了直线和 圆弧插补，运动加减速控制等实时运动控制内容。在需求分析的基础上，以 ipc 为硬件基础，根据数控系统功能设计了系统层次结构模型，给出了系统的拓扑结 构和系统开放性的实现方法，进行了系统硬件和软件的总体设计。 2. 在硬件体系结构上，采用模块化方法搭建和扩展硬件系统。选择 ibm- pc 总线作为功能模块连接的总线标准，选择具有多个 eisa 插槽的母板构成硬件连 接底板，插接符合标准要求的微型计算机板(上位机)和运动控制卡(下位机)，搭 建了基本的数控系统构架。用户能够通过插接符合 ibm- pc 总线标准的功能板块 扩展数控系统的硬件，组成满足自己要求的系统，实现了硬件的开放性。 3. 在软件体系结构上，上位机运行主流的windows操作系统，下位机运行 c/os嵌入式计算机实时操作系统。将数控系统的软件功能，根据时间紧迫要 求，划分为强实时性任务、弱实时性任务和非实时性任务；根据对硬件i/o的操 作要求，划分为操作类和非操作类。将实时性强的和i/o操作的功能主要安排给 运动控制器执行。对各功能进行分类封装，建立了通用类库。定义了应用程序编 程接口(api)，通过该接口能把用户专用软件模块扩展到系统中，使系统达到了 一定的开放性。 河南科技大学硕士学位论文 ii 4. 针对数控系统多任务控制这一特点，对windows平台下的多线程技术、任 务调度策略以及进程间的通讯进行了深入的分析。进而根据数控系统的功能特 点，把系统任务分为系统总控进程、人机界面进程、轨迹规划进程和运动控制进 程，各进程又划分功能相对独立的子线程，通过设定线程的优先级，利用多线程 调度策略和中断机制技术，实现了对数控系统弱实时任务的控制，利用下位机实 现了对数控系统强实时任务的控制。系统采用消息、共享内存和命名管道三种通 讯机制，实现了进程间的通讯，保障了各功能模块协同完成加工任务。 5. 在数控系统软件开发上，以vc+为开发工具，以面向对象的模块化方法 设计了人机交互界面软件模块、加工程序预处理模块、译码模块和插补模块，实 现了上位机对数控加工代码的编译、系统参数设定和刀具补偿等功能；开发了运 动控制功能模块，实现了数控系统的回参考点、点动控制、增量控制、运动加减 速控制、主轴控制、进给量调整等基本功能。 调试结果表明，采用运动控制卡+ipc 机模式，以运动控制卡为系统实时运 动控制的核心构建和设计的数控系统，软件系统人机界面友好，组件维护方便， 实现了多种运动控制功能，使系统具有一定的开放性。 关 键 词：数控系统，运动控制卡，windows 操作系统，工业 pc 机，线程 论文类型：应用研究 abstract iii subject: the research of open style numerical control system based on windows os specialty: mechanical and electronic engineering name: yang xianjin supervisor: zhang mingzhu professor abstract modern machinery manufacturing industry has brought forward higher request to numerical control system, which can according to consumer s request to design promptly an open numerical control system prototype to adapt to the market request for diversifies product. it has become the direction of numerical control system development. windows os has multi- job operating characteristics and supports multi- thread that may realize real- time multi- job control of numerical control system. so under the windows os platform, it is an important development direction of open numerical control system. this article completed main research work as follows: 1. in view of comprehensive analysis development trends of open style numerical control system as well as shortcomings of the traditional numerical control system, this article put forward to based on windows os platform and used ipc machine+motion control card mode and master- slave structure of nc system to research and develop the open numerical control system. with gt- 400- sv motion control card as the cnc machines next- bit machine s core, a real- time multi- axis motion control unit was constituted. with ipc machine as the host computer, the tasks of non- real time were carried out. through the bus communication, dual- port ram communication and the development of the upper and lower machine data transmission protocol, the article ensured upper and lower machine real- time data communication. a linear and circular interpolation, motion acceleration and deceleration control of the content of real- time motion control were achieved. based on the analysis of demand, with ipc as the hardware foundation, according to numerical control system functional, the system hierarchy model was designed. the system topology structure and implementation of an open approach to the system were given. the hardware and software structure of system were designed. 2. in the hardware architecture, the modular method was used to build and expand the hardware system. ibm- pc bus standard was chosen as functional modules 河南科技大学硕士学位论文 iv connected standard bus. a number of eisa slots were selected to constitute a hardware connection motherboard. the basic framework of cnc was built by plugging the standard request of micro- computer board (the upper machine) and motion control card (the lower machine). users can expand the numerical control systems h ardware by plugging functional blocks which conform to the ibm- pc main line standard to satisfy system requirements. the openness of system hardware was realized. 3. in the software architecture, the upper computer ran mainstream os. the lower machine ran c / os real- time embedded computer operating system. according to the time constraints of software functions of cnc system, they were divided into strong real- time tasks, weak real- time tasks and non real- time tasks. according to the hardware i/o performance requirements, they were divided into operating and non- operating category. motion controller carried out strong real- time and i/o operations tasks. various functions were encapsulated. a common functional class library was established. application programming interface (api) was defined which users could extend the user- specific software function to the system. the certain openness of system was enabled . 4. in view of the characteristics of multi- task control of numerical control system，under the windows platform，the multi- threading, task scheduling strategy and the inter- process communication were deeply analyzed. then according to the characteristics of numerical control system function, the system tasks were divided into system overall control process, the human- machine interface process, the trajectory planning process and motion control process. each process was also divided into relatively independent of functional sub- thread. the cnc system realized the weak real- time control tasks by setting the thread priority, using multi- threading scheduling policy and interrupt mechanisms. the cnc system realized the powerful real- time control tasks by the lower machine. the inter- process communication were realized by using the messages, sharing memory and named pipeline three kinds of communication mechanisms. the system made each functional module coordinate to complete the processing tasks. 5. in the numerical control system software development, the vc+ was taken as the development tool. the object- oriented modular method was used to design the human- computer interaction interface software modules, processing pre- processing module, decoding module and interpolation module. the upper machine to numerical abstract v control processing code compilation, system parameter settings and tool compensation function were achieved. the motion control functional module was developed. the numerical control system realized many basic functions, such as return to the reference point, jog control, incremental control, the moving control of acceleration and deceleration, spindle control, the feed adjustment function and so on. the debugging results indicated that the numerical control system was built and designed by using motion control card + ipc machine pattern. motion control card was taken as real- time motion control s core of the system. software system m an- machine interface was friendly. the components maintenance was convenient. many kinds of motion control functions were realized. it made the system have certain openness. key words: cnc system, motion control card, windows operating system, industrial pc, thread dissertation type: application research 第 1 章 绪论 1 第1 章 绪论 数控技术(numerical control 简称 nc)是以文字、数字和符号等组成的数字 量指令编程来实现对机械或其它设备动作进行自动控制的技术。数控技术首先在 机床行业广泛应用，随着数控技术的成熟和发展，打破了传统的机械设计理念， 对传统的制造业产生了巨大的冲击，其高精度、高效率、高速度的特点，使机械 制造业产生了巨大的变化。 本章首先对数控系统的产生与发展、定义以及需求进行研究分析，然后对开 放式数控系统在国内外的研究现状和发展趋势进行研究和总结，提出采用运动控 制器+ipc 机模式，对数控系统进行研究与开发的优点和意义，然后指出本课题 研究的主要内容。 1.1 数控系统的产生与发展 市场的需求是促进生产力发展的最重要动力。随着装备制造业的发展，对零 件的规格和加工质量提出了更高的要求，在传统的机床上进行加工，不仅生产效 率很低，而且精度很难得到保证。为了解决这些问题，由美国麻省理工学院和帕 森斯公司联合，于 1952 年成功研制出了世界上第一台数控机床。之后数控技术 得到了快速的发展和大量应用。 数控系统的发展经历了多个阶段。第一阶段是从 19521970 年的硬线数控 阶段(nc)。此阶段的数控系统是利用数字逻辑电路来组建的机床控制专用计算 机，即硬件连线数控。随着电子技术飞速发展，此阶段经历了电子管、晶体管和 集成电路数控机床三个时代1。 第二阶段是从 1970 年到现在的计算机数控阶段(cnc)。随着电子技术和计 算机技术的蓬勃发展和交叉，微型计算机成为了数控系统的关键核心部件，于是 便步入了计算机数控的阶段。此阶段也经历了小型计算机、微型计算机和 pcnc(基于 pc)的数控系统三个时代。 随着数控系统技术逐渐趋于成熟，数控系统产品已经涵盖了高中低挡的不同 系列，极大地促进了社会生产力的发展。但随着信息技术的发展和经济全球化， 传统的数控系统难于满足市场和用户新的加工需求，如对结构复杂和高强度材料 的加工，以及高精度的加工等。因此迫切需要一种具有模块化功能的开放性数控 系统，能够适应市场需求和用户的要求，快速地建立或搭建一个数控原型系统满 足多种加工功能的控制要求。 河南科技大学硕士学位论文 2 1.2 开放式数控系统 1.2.1 开放式数控系统的定义 传统数控系统是专用封闭性的系统，存在兼容性差，对系统扩充和修改难和 更新换代慢，且通讯能力差，界面不灵活等缺点。为解决这一问题，必须研究和 开发一种柔性的数控系统，使其可根据市场或用户的需要，在硬件体系结构上， 可重新配置系统，并能随最新的计算机技术成果进行升级。在软件功能模块上， 为满足用户对特殊功能的需求，可对系统功能进行扩充或扩展，或者限制一些模 块的功能，迅速建立一个原型控制系统，供用户使用，满足市场或用户的多变需 求，所以对具有柔性的开放式数控系统的研究和设计是具有实用价值的。 对开放式数控系统的研究和设计目的是：解决市场或用户的需求与封闭专用 的控制系统之间的矛盾，建立一种能够运行在多种平台上，具有统一和良好的人 机交互界面，具有模块化和可扩充性等开放性特点的新型控制系统。在硬件体系 结构和软件系统功能模块上允许用户能够快速、经济地建立原型系统，响应用户 和市场新的加工需求。 一个具有开放性的系统应具有能运行在不同计算机平台上以及与其他系统互 操作的能力，并且具有统一的人机交互界面，其基本特征是3,5： 1. 用户界面的开放 界面简单易于操作，有向导提示，用户可根据需要定制 界面，如限制或扩充某些按钮的功能等。 2. 功能模块的开放即满足用户特殊功能需要 主要从数控系统体系结构的模 块化和软件功能的模块化两方面入手，用户可根据市场或自己的特殊需要，选择 功能模块或专用的功能模块添加到系统中。 3. 网络通讯模块的开放 数控系统在网络技术的支持下，可以高速进行数据 交换、共享和异地控制等，实现实时运动控制。可通过网络与另一并联系统或高 层系统相互操作，如由一台主控机来控制其它数控系统的启停和状态监视等。 4. 平台无关性 系统应不依赖于特定的 os 平台和硬件平台，可在各种计算 机硬件平台上运行，便于应用推广。 1.2.2 开放式数控系统的需求分析 市场的需求决定生产的发展方向，而促使数控系统向开放性方向发展也是如 此。这种需求主要有生产系统的需求、机床厂或用户对特殊功能的需求和控制器 生产商对高质量产品的追求以及市场竞争力，表现在以下几个方面7： 1. 数控加工生产系统的需求 随着计算机和网络技术的发展，在分散的网络 第 1 章 绪论 3 化加工制造生产系统的模型下，分散型的生产系统要求低层制造设备(如子系统) 的控制系统能与 pc 机相互兼容，能通过标准的接口进行数据通讯、交换和共享 信息。制造设备的数控系统等将成为这个分散型网络模型中的一个子系统或模 块，因此数控系统必须具有接入网络的开放性能。 2. 对特殊功能的需求 传统的数控系统几乎都是专用封闭的全功能型数控系 统，但对用户而言，并不需要所有的加工功能，而只需要加工特定零件的功能， 因此就需要研究和开发一种具有开放性模块化结构的数控系统，可以根据用户的 需求，允许用户扩充、扩展或重新配置自己的数控系统。 3. 控制器生产商追求的推动 随着计算机技术的发展，出现了机床制造厂与 数控系统设备制造厂形成互动的数控发展趋势，如大隈铁工等，放弃了 fanuc 系列的数控系统，根据自己多年的加工和开发经验独立开发生产的 osp 系列磨 削数控系统，很受用户的欢迎。 因此研究和开发新的数控系统的目标是软硬件具有高度的模块化结构，且功 能相互独立，具有良好的柔性，方便用户对系统进行二次开发。 1.2.3 开放式数控系统的结构形式 目前各种层次和类型的开放式数控系统正朝着具有开放体系结构和标准化的 方向发展。当今国内外基于 pc 的开放式数控系统结构形式可分为三种模式： 1. pc 嵌入 cnc 型。 2. cnc 嵌入 pc 型(即运动控制卡+ipc 机)。 3. 全软件 cnc 型。 通过对这 3 种模式的对比，第 2 种模式即智能运动控制器+ipc 机模式，此 种模式是基于上下位机双 cpu 型的数控系统。在 ipc 机的扩展槽中插入用高速 dsp 作为 cpu 的智能运动控制卡为下位机，来完成实时性控制任务；ipc 机作 为下位机负责非实时性任务的处理。两个 cpu之间通过双端口 ram 和 pc 总线 来实现通讯，系统数据传输快、响应迅速，且可利用 ipc 机内丰富的软硬件资 源，借助 nc 板卡的可编程能力，编程处理灵活，能够实现系统核心结构的部分 开放。因此，运动控制卡+ipc 机模式是当前研究和设计开放式数控系统的首 选，是整个数控系统性能好坏的关键。 1.3 开放式数控系统的研究状况 虽然传统数控系统的控制器已成为市场的主导，得到用户的欢迎，但是一种 专用封闭性的数控系统。随着计算机和数控技术的迅猛发展，数控机床与计算机 河南科技大学硕士学位论文 4 更加紧密地联系在一起，传统数控系统满足不了新的加工要求，促使在新的环境 下，数控系统必须向具有开放式的控制系统转变，以满足市场对多品种和多功能 控制系统的需求8,13,14。 1.3.1 国外研究现状 国外各发达国家对开放式数控系统的研究与开发，其中比较有代表性的是： 美国的 ngc(next generation controller)计划、日本的 osec(open system environment for controller)计划和欧盟的 osaca(open system architecture for controls within automation system)计划。 1. 美国的 ngc 计划 该计划的目标是建立一个开放式系统的体系结构标准 规范，为基于这一标准规范的控制器提供统一的标准，并找到解决传统数控系统 的封闭和专用问题所在。允许设计人员对具有互操作性和互换性的控制部件进行 开发，如软件和硬件，而且只有基于此标准规范下的控制器才具有体系结构上的 开放，并能随最新的计算机技术进行升级，ngc 系统体系结构如图 1- 1 所示。 图1- 1 ngc系统体系结构 fig.1- 1 ngc system architecture 2. 日本的 osec 计划 该计划于 1995 年由日本 6 家公司共同提出，目的是 建立一个国家际性 fa (工厂自动化)控制设备的标准，其研究重点是数字控制器 本身和分布式控制系统，开发新一代基于 pc 平台，具有开放体系结构的数控系 统，osec 计划的体系结构参考模型如图 1- 2 所示。 第 1 章 绪论 5 图 1- 2 osec 系统体系结构参考模型 fig.1- 2 osec system architecture reference model 3. 欧洲的 osaca 计划 该计划的设计原则是模块化和对系统重组，目标是 研发自动化系统领域中开放式控制系统的体系结构，即为机器人和数控系统等自 动化设备定义独立于硬件平台，且与机床制造商无关的参考模型结构，osaca 系统体系结构如图 1- 3 所示。 图 1- 3 osaca系统体系结构 fig.1- 3 osaca system architecture 河南科技大学硕士学位论文 6 1.3.2 国内研究现状 我国数控技术起步于 1985 年，经过 50 多年来对国外数控技术的引进、消化 吸收和科技攻关，以及后来国家实施的产业化研究。到目前为止，我国已开发出 具有市场竞争力和自主知识产权的中国品牌数控系统，如北航数控集团研制和开 发的开放型和模块化结构的航天 i 型，是一种前后台型控制系统，能够很好地满 足数控系统实时多任务控制的要求。这表明我国对数控系统研究和开发的成功， 为我国数控产业涉足高中档数控系统的开发提供了技术支持，在战略上意义重 大。但由于中国软硬件基础薄弱，加之采用了封闭的技术路线，对开放式多轴运 动控制的研究还处于萌芽状态。 1.3.3 开放性数控系统的发展趋势 随着计算机技术、数控技术、控制理论和人工智能等多学科的发展和交叉， 数控系统在软硬件体系结构方面发生巨大的变化，数控系统的发展趋势将集中在 以下几方面8： 1. 充分提高数控系统的性能 主要集中在研究和开发具有高可靠性、高速度 和高精度、柔性化、集成化和智能化的数控系统。 目前已部分实现，如数控厂商为改善机床的动静态性能，采用带有高速 cpu 芯片和位置检测反馈元件的交流伺服系统，提高加工精度和效率。为适应 制造自动化和市场发展的需求，促使数控系统向柔性化(fmc、fms)和网络化方 向发展。随着人工智能和机器人技术的发展，数控系统应具有能够根据加工过程 中参数的变化，自动优化工艺参数和加工过程等自适应控制功能。 2. 市场的推动 为了适应市场的发展需要，数控系统应具有个性化(增减或 限制一些数控功能)和良好统一的人机交互界面，方便用户使用以及根据需要对 系统进行二次开发，如可采用对话方式指导用户对数控程序进行编辑、校验、修 改以及存储等工作。 3. 在体系结构上增强数控系统的开放性 (1) 加强数控系统对体系结构开放性的研究，对硬件部分可重新配置，系统 硬件可利用计算机技术的新成果进行系统升级，采用面向对象的模块化设计方法 设计数控系统软件模块的功能，能根据用户的加工需要裁剪或添加专用的功能模 块到系统中。 (2) 确定开放的标准 此标准应当科学合理地对定义硬件结构和软件模块的 接口，只有这样才能实现系统的互操作性即开放性。 第 1 章 绪论 7 1.4 开放式数控系统开发的关键技术 基于 windows 平台的开放式数控系统研究和开发的关键技术为： 1. 合理选择软硬件开发平台 合理、高效的软硬件开发平台是进行数控软件系统研究、开发的支撑和前提 基础。因此搭建一个既能满足数控系统功能模块要求，又具有丰富的软硬件开发 资源，便于对系统升级换代以及二次开发的开发平台是研发的首要任务。 2. 采用性能优越的软件伺服控制 伺服控制是数控机床系统实现运动控制的 最终执行部分，对加工精度起着至关重要的作用，所以如何利用软件系统实现伺 服控制是数控系统中一项极为重要的研究内容。 3. 采用高速高精度插补算法 目前大多数机床的运动轨迹控制都采用粗和精两级插补策略，但受系统硬件 插补采样频率的制约，无法满足高精度和高速度的加工要求，只适用于低、中速 场合。因此，根据开放式数控系统运动控制的特点，采用高速高精度插补算法成 为推动数控机床实现产业化和实用化的关键技术。 4. 设计可靠、易维护和柔性的数控软件系统 数控软件系统集成了人机交互界面、程序管理、伺服控制和轨迹控制等任务 模块，是数控软件程序设计中极为复杂和重要的一项工作。 1.5 本课题研究的主要工作内容 本课题针对传统数控系统存在的问题以及国内外数控系统发展的特点，提出 了研究和设计具有开放性的数控系统是必要的。 对开放式数控系统研究与开发的主要工作内容如下： 1. 全面了解数控系统的产生与国内外发展史、组成原理以及工作流程。充分 了解开放式数控系统的前沿技术动态和发展趋势。了解 windows 操作系统的多 线程技术和中断处理技术等，明确基于 windows 平台下数控系统多任务实时控 制的原理和处理策略，实现数控系统实时多任务控制功能的要求。根据数控系统 的功能，制定设计方案和设计原则、设计层次结构模型、建立系统平台拓扑结构 以及开放性的实现途径和实现方法。 2. 搭建系统试验平台，包括硬件结构平台和软件系统结构。在硬件体系结构 上，采用以运动控制卡+ipc 机的系统组成模式。以通用 pc 机主板为母板，选 择 ibm- pc 总线作为功能模块的连接标准，选择开放的 isa 标准总线插槽，搭 建了数控系统的硬件平台，实现系统在硬件体系结构上的开放性。在软件系统结 构上，把系统中功能相对独立的功能模块进行封装，设计通用类库，并定义应用 河南科技大学硕士学位论文 8 程序编程接口(api)标准。通过该接口，结合对通用类库功能的继承，实现把软 件专用模块扩展到系统之中，使系统达到一定的开放性。 3. 以面向对象的模块化开发方法，明确数控系统应具有和特有的功能模块， 设计出数控系统软件功能模块结构图。根据系统实时性的要求，把系统个任务设 计成若干进程，把进程进一步划分，细化为功能相对对立的子线程，建立通用类 库。利用 windows os 多线程技术和线程调度策略，实现上位机对非实时性任务 的管理，下位机对强实时性任务的控制。通过总线通讯和双端口的 ram 通讯方 式以及制定上下位机的通讯协议，保障了上下位机的实时数据通讯，实现直线和 圆弧插补，运动加减速控制等实时运动控制内容。通过采用消息、共享内存和命 名管道三种通讯机制实现系统进程间的通讯，保障各功能模块协同完成零件程序 加工任务。 4. 采用智能运动控制卡+ipc 机模式，以 gt- 400- sv 高性能智能伺服运动控 制卡(器)为数控系统实时运动控制的核心，在 windows 操作系统平台下，采用 microsoft visual c+ 6.0 编程工具，按照面向对象的模块化软件设计原则，实现 对人机交互界面、加工程序预处理模块、运动控制模块(如自动加工模块和点动 控制模块)等功能模块的设计，其中人机交互界面可进行数控加工程序的管理， 显示数控机床刀具的当前坐标、进给速度和回零状态等信息。 5. 对译码软件功能模块、插补、刀具补偿等其他功能模块的设计，如对数控 代码进行校验，以对话框的方式提示用户代码错误所在，方便用户修改，并将译 码后的目标代码存放在工作寄存器缓冲队列中，确保单段和自动运行等功能的执 行。进一步实现其他功能按钮的操作，如快速移动、增量控制、主轴正反转及停 和回参考点等操作功能。 第 2 章 开放式数控系统总体设计 9 第2 章 开放式数控系统总体设计 在上一章对开放式数控系统分析的基础上，本章采用运动控制卡+ipc 机模 式，以运动控制卡为数控系统实时运动控制的核心，ipc 机为数控软件系统开发 的硬件平台，对开放式数控系统的总体结构进行设计。根据系统的功能特点，对 系统的开放进行分析，规划了系统的设计原则、层次结构模型和拓扑结构，以及 开放性实现的方法。最后设计数控系统的硬件平台和软件体系结构。 2.1 数控系统的总体设计 根据所开发数控系统的特点，数控系统的总体设计方案如下： 1. 选择 ipc 机、主轴变频器和高性能智能运动控制器 在本数控系统中，ipc 机选用 cpu 是 piii1.8g的研华 ipc 机 610 型，支持多 种电源，具有电源、电压和硬盘状态 led 指示，具有 i/o 接口和 14 槽开放的 isa 总线无源底板。运动控制卡选用基于 dsp 的 gt- 400- sv 高性能运动控制 卡，具有标准的 dll运动控制接口函数库，可同步控制多个轴协调运动。主轴变 频器选用具有微处理器和通讯功能的 vfd007m21a 型号和 0.75kw 的台达通用 型主轴变频器，通过 rs232 通讯接口实现与 ipc 机之间的数据通讯。 2. 选择进给伺服系统 进给伺服系统包括伺服电机和伺服驱动器，本数控系统的交流伺服电动机和 驱动器分别选用 yaskaw - ii 系列的 sgmah- 08aaa41 和 sgdm- 08ada。 3. 连接运动控制器、伺服电机、伺服驱动器和电控箱等硬件设备 按照各硬件设备的接线说明对试验平台进行搭建，如图 2- 1 所示。 图 2- 1 硬件连接图 fig.2- 1 hardware connection diagram 河南科技大学硕士学位论文 10 4. 数控系统软件程序的开发 (1) 根据开放式数控系统的发展趋势和设计原则，设计层次结构模型和系统 拓扑结构，以模块化的思想设计软件系统的功能模块、选择软件系统的操作平 台、了解并掌握多线程技术、中断技术原理及其应用和数控系统的工作流程等。 (2) 以运动控制卡为系统实时运动控制的核心，掌握其运动控制接口函数的 使用和调用方法。采用 vc+ 6.0 编程工具，以面向对象的模块化开发方法，对 数控系统的软件系统功能模块进行设计。 2.2 系统的开放分析 2.2.1 系统设计原则 数控系统设计的基本思想是：既要兼顾数控系统的开放性，易于利用最新的 科技成果和技术，能根据用户的需求对系统进行二次开发，又要兼顾到与传统的 数控系统的兼容，扬长避短，保证所开发的数控系统在技术上、柔性和通用性上 的延续。只有这样的数控控制系统才能方便用户操作、学习以及推广使用，也有 利于对系统进行二次开发和维护。系统的设计原则为15,18,20： 1. 在支撑平台上，以通用 pc 为开发平台，pc 体系结构被称为工业标准体 系结构。pc 机具有强大的系统开发工具和丰富的支持软件，便于用户快速响应 市场变化，开发相应的应用软件。目前是实现硬件开放化的有效途径。 2. 结构上模块化 在硬件体系结构上，选用 ibm- pc 总线作为硬件功能模块 的连接标准，如采用具有开放的 isa 扩展插卡槽。可根据用户需要，添加符合总 线标准的功能模块到系统中，实现硬件的开放性。在软件体系结构上，按任务的 实时性要求，对数控系统各功能任务进行逻辑分析，将任务细化为相对独立的功 能模块，建立模块间的对应关系，但力求使各功能模块高内聚低耦合，进行封 装，建立通用类库，并为这些功能模块间的连接定制标准接口。 3. 实现与接口的分离 各功能模块均是由实现部分和接口部分组成的。实现 部分是功能模块行为特征的实现代码，客户不能访问实现部分，只能调用。接口 部分提供了功能模块的功能特征，即具有怎样的行为方式。实现部分与接口部分 的分离，使接口部分只为用户提供了接口的使用指南和说明，实现的信息是隐藏 的。但是支持对功能模块的修改。 4. 充分利用 windows 系统的优势 windows 操作系统具有高效的开发工具、 丰富的软件支持以及集成的开发环境，可用来改善控制系统的程序编制、故障诊 断、用户界面等功能。具有 win32api 应用程序接口开发标准。windows 操作系 第 2 章 开放式数控系统总体设计 11 统还具有许多可以利用的设备驱动程序，方便扩充系统硬件。 5. 系统功能的扩展性 可采用的实现方法有：模块化设计，并预留有专用软 件接口的方式，方便用户插入专用软件模块；为用户提供编程规范和定义 api， 供用户编制所需的功能模块。通过这两种方法，使系统能够兼容和集成最新科技 成果，把现有的第三方软件或硬件模块集成到控制系统中，也可根据用户需要添 加个性或专用模块到实际的控制系统环境中，迅速响应制造业市场的变化。 2.2.2 系统设计的实现方法 在硬件体系结构上，以ipc机为硬件平台，以windows为操作系统，基于 ibm- pc总线作为功能模块的连接总线标准，选择具有开放性的多个eisa插槽母 板来构建开放式、模块化的运动控制平台。从系统开放的角度出发，设计系统层 次结构模型。将具有开放性的ibm- pc标准总线引入到系统之中，为系统硬件的开 放性提供了基础。 在系统软件的实现方法上，以模块化为原则，采用面向对象的程序设计方 法。将数控系统的软件功能，根据时间紧迫要求，划分为强实时性任务，弱实时 性任务和非实时性任务。运动控制卡来完成实时性控制任务，ipc 机作负责非实 时性任务的处理。运动控制卡与 ipc 机之间通过双端口 ram 和 pc 总线通讯方 式，实现数据通讯。对数控系统任务进行划分，设计成功能相对独立的功能模 块，进行封装，建立通用类库。借鉴组件对象模型技术(component object model 即 com)，定义应用程序编程接口(api)程序，并为该接口定义一个全局唯一的标 识符，使系统利用该标识符实现模块间的连接。用户可以根据应用环境的需要， 通过该接口，并结合对建立的功能通用类库的继承，把用户专用软件模块扩展到 系统中，或对系统功能模块进行修改，构建新的数控系统。其中 com 技术是微 软公司为提高软件的复用度提出的一种组件技术，目的在于建立组件与组件形态 的接口标准，提高软件的复用性，使利用不同语言编写的组件具有互操作性。 2.3 系统平台层次结构设计 由于数控系统是由实现不同功能的功能模块组成，所以从概念和应用角度 上，将整个数控系统分为不同的功能层次，各层次实现各自的功能。对系统层次 化的优点是有利于实现系统功能的互换性、柔性，方便用户根据需要对系统进行 功能的增加或剪裁。数控系统功能的层次化是按照与硬件联系的紧密性和对零件 程序加工信息处理的先后顺序，来决定各功能层次之间的上下级关系。每一功能 层均以下一功能层为基础，即建立在下层之上，通过接口向上一功能层提供服务 河南科技大学硕士学位论文 12 (处理后的信息)，但屏蔽处理过程，增强了安全性。层次结构设计使用户方便替 换或更新层内功能模块，并不会影响上层应用功能的正常运行，使系统的开发更 为简单。 开放的运动控制平台应是分层的层次结构25,28,29，层次化的数控系统，使系 统具有开放的环境，使设计更为简单，系统结构具有灵活性等多重属性。根据开 放式体系结构数控系统功能的特点，对系统功能进行分析和划分，在 windows 平 台上的数控系统功能层次结构模型，如图 2- 2 所示。 图 2- 2 运动控制平台层次结构模型 fig.2- 2 hierarchy model of motion control platform 由图可知，系统由应用控制层、开放接口层、操作系统驱动层和物理层(机床 和 ipc 机)四个功能层次组成。其中，除了操作系统驱动层外，系统中各功能层次 均是模块化插件的集合，分别承担着不同的任务处理工作。各层的定义如下： 1. 应用控制层 该层由扩展外部应用控制模块和基本外部应用控制模块组 成。主要负责人机交互，如 nc 代码编写、导入以及解释、操作方式的选择和发 送加工命令等处理工作，是下层运动控制处理的管理层。应用控制层在对用户操 作处理的同时，接收下层的各种信息反馈，并实时反馈给用户。其中基本外部应 用控制模块，是一个独立的进程，是系统运动控制基本功能模块组件的集合，包 括轴运动、逻辑控制，数据通讯、任务调度等组件。扩展外部应用控制层是系统 用户根据应用的需求，对系统进行扩充，如仿真、诊断等。