（机械电子工程专业论文）基于面向对象技术的开放式数控卷板系统软件的研究.pdf

摘要 开放式数控系统是数控系统的研究热点和发展方向，本文针对数控卷板 系统工艺规程，对数控卷板系统软件设计进行了深入的研究。 本文分析了国内外开放式数控系统发展的历史和现状，建立了开放式数 控卷板系统模块化的体系结构，提出了面相对象的开放式数控卷板系统软件 的设计方法。 本文采用面向对象的方法和u m l 技术对数控卷板系统的动态结构和静 态结构进行分析，深入剖析系统的任务调度机制和抽象层次，建立了开放式 数控卷板系统的软件体系结构；分析了卷板系统可能发生的故障和发生故障 的原因，建立知识库和推理机，完成了具有故障诊断、实时跟踪监测功能的 智能监测模块设计；在w i n d o w s 9 8 平台用v c 6 0 完成了代码的实现；进行了 模拟卷板试验，验证了开放式数控卷板系统软件体系的正确性。 本文研究了开放式数控卷板系统软件设计中的关键性技术：开放式数控 卷板系统的柔性、开放式数控卷板系统的实时性、多线程的同步机制与上下 位机的通讯技术。 关键词：开放式数控系统，u m l ，p m a c 多媒体定时器，故障诊断 a b s t r a c t o p e n a r c h i t e c n l r cc n c s y s t e mh a sb e c o m es t a t e o g t h e a r ta n dat e n d e n c yi n t h ef i e l do f n u m e r i c a lc o n t r 0 1 i nt h i s p a p e r , a c c o r d i n g t ot h e p r o c e s so f m e t a lp l a t e b e n d i n g ，t h es o f t w a r eo fo p e na r c h i t e c t u r ec n cb e n d i n gs y s t e mi s t h o r o u g h l y r e s e a r c h e d i nt h i s p a p e r , t h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o n o fo v e r s e a sa n dd o m e s t i c r e s e a r c ho i l o p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e ma r e s u m m a r i z e d ，f u r t h e r m o r e ，t h e s t r u c t u r eo ft h e o p e n a r c h i t e c t u r ec n cb e n d i n g s y s t e m i sb u i l t u p ，t h e o b j e c t o r i e n t e ds o f t w a r ed e s i g na p p r o a c ho ft h eo p e na r c h i t e c t u r ec n cb e n d i n g s y s t e mi sp r e s e n t e d ， u s i n gt h eo b j e c t o r i e n t e dm e t h o da n du m lt e c h n o l o g y , t h i sp a p e ra n a l y s e s t h es t a t i ca n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h eo p e nc n c b e n d i n gs y s t e mi nd e t a i l ， t h o r o u g h l ya n a t o m i z e st h em e c h a n i s mo f t a s kc o o r d i n a t i o na n dt h ea b s t r a c tl a y e r s ， s e t su pt h es o f t - w a r ea r c h i t e c t u r eo ft h eo p e nc n c b e n d i n gs y s t e m t h i sp a p e r a n a l y s e st h ep o s s i b l ef a n l ta n dt h er e a s o no f t h ef a u l t ，b u i l d su pt h ee x p e r ts y s t e m a n dt h ei n f e r e n c e m a c h i n e ，d e s i g n s t h e f a u l t yd i a g n o s i sm o d u l ea n do n - l i n e m o n i t o r i n gm o d u l e t h ep a p e rr e a l i z e st h ec o d e si nt h ep l a t f o r mo fw i n d o w s 9 8 u s i n gc + + l a n g u a g e a n dt e s t i f i e st h ev a l i d i t yo ft h es o f t w a r e , b yc o m p l e t i n gat e s t o nt h es o 自p w a r ep l a t f o r mo ft h eo p e nc n c b e n d i n gs y s t e mi na s i m u l a t i v eb e n d i n g c o n d i t i o n t h i sp a p e re s p e c i a l l yi n t r o d u c e st h ec r i t i c a lt e c h n i q u eo fd e s i g no nt h eo p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m ：t h et e c h n o l o g yo f f l e x i b i l i t y 、t h er e a l - t i m et i m e r 、t h e s y n c h r o n i z a t i o no f m u l t i - t h r e a da n dt h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e ra n dl o w e r l a y e r s k e yw o r d s ：o p e n a r c h i t e c t u r ec n c s y s t e m ，u m l ，p m a c ，m u l t i m e d i a t i m e r , f a u l t yd i a g n o s i s l l 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘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了谢意。 学位论文作者签名：签字日期沁吖年月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨叠盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：认日u 佯 导师签名) 叠琢波 签字日期：p 。f 年、内 日琢= 一“彬肌 弋7 、 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开放式数控系统的概念和内涵 根据系统工程的有关理论，“系统”是指相互作用和相互依赖的若干组 成部分按一定的规律结合而成的具有特定功能的有机整体。顾名思义，“开放 式数控系统”是按照“开放化”原则将系统作用范围内的有关硬件和软件组 织成的具有特定功能的有机整体。 i e e e “1 的定义为：“a no p e ns y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e s t h a te n a b l e p 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 oi u no n av a r i e t yo f p l a t f o r m sf r o mm u l t i p l e v e n d o r s ，i n t e r o p e r a t ew i t hs y s t e m sa p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r ”( 开放式系统提供这样一些功能，他们能在不同厂商 的各种不同平台上运行，能与其他系统相互兼容，并且具有一致风格的用户 界面。) n i s t “1 ( n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r do ft e c h n o l o g y ) 将开放式系统的要 求归纳为可互操作性、可移植性、可派生性和可互换性，它认为：“开放式体 系结构是能够实现所有功能的控制器，而构成这种控制器的所有硬件和软件 都能从现有的大量资源中获得。” l u n d h o l m “1 对开放性的定义是模块化、可移植性、可派生性和可扩展性。 o m a c 1 “1 ”1 ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 对开放控制 的定义是开放的、模块化的、可派生的、经济的和可维护的。 s h o f i e l d “1 的定义是：“开放式体系结构控制器的软件和硬件具有柔性， 硬件的基本配置可以改变，软件可以在控制的各个层面上改变，可以适用高 级的监控技术；允许第三方开发商开发硬件和软件，这样有利于新技术的发 展；开放式体系结构控制器易于集成其他系统：在控制层上，集成用于机床 的协调，在系统层上，集成利用控制器的高级传感器和控制算法实现高层次 的规划功能。” w r i g h tp a u l ”1 认为装备有开放式体系结构控制器的机床作为单机可以生 产小批量高精度器件，在敏捷制造中可以作为基于网络的设备，与工厂的其 它部分进行双向通讯，另外开放式体系结构应该具有即插即用的兼容性。 g ef a n u c “1 将开放性的定义为将最优秀的c n c 技术和其他自动化技术 相结合从而提高用户的生产率的能力，他认为应该将p c 领域的成就加到机床 控制器中而不是取代机床控制器，他不主张将c n c 控制功能分开，而是将p c 的柔性和c n c 的可靠性相结合。 综合上述对开放式系统的定义，总结了开放式数控系统具有的一些特征： 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) ：可移植性指在不同的平台或者控制器上运 行相同的系统组件的能力。这里的组件指硬件装置或软件组件，可移植性体 现了系统的柔性，可移植性在p c 领域取得的巨大成功说明可以利用不同平台 的优势和不同平台的发展提高生产的效率。 ( 2 ) 可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：可互造作性是指系统组件之间可以 互相协作，这种协作是通过定义一系列的标准数据语义、行为模式、物理接 口、通信机制和交互机制来实现的。显然总线式设计是实现互操作性的关键。 如s o s a s 的模块之间通过一个“系统接口”获得预期的系统功能。 ( 3 ) 可互换性( i n t e r e h a n g e a b i l i t y ) ：可互换性是指市场上同类产品的互 换能力，可以选用具有相同功能但成本较低、容量和可靠性较高的产品，如 运动控制卡的选用即可依据此项原则，避免成本浪费。 ( 4 ) 可派生性( s c a l a b i l i t y ) ：可派生性是指通过对系统某些组件进行降级 和升级即可增减系统功能的能力，这样可以不必重新购买整个系统。如通过 增加寄存器或传感器到总线上即可增强系统功能。 ( 5 ) 易获得性( a v a i l a b i l i t y ) ：构成开放系统的模块( 硬件或软件) 不依 赖于某一特定的供应商，其来源可以有多种，功能相似、接口相同的模块之 间可以互换。 ( 6 ) 可扩展性( e x p a n d a b i l i t y ) ：可扩展性指开放系统的功能可以方便的 进行扩展。 ( 7 ) 模块化( m o d u l a r i t y ) ：开放系统由一系列功能模块( 硬件和软件模 块) 通过“搭积木”的方式组成。 ( 8 ) 即插即用( p l u g a n d p l a y ) ：开放系统采用模块化的结构组织，且各 模块具有“热插拔”的即插即用能力。 开放式数控系统是开放系统的一种实现，自然地具有上述开放系统的各 项特征，可以将开放式数控系统的所有特征归纳为抽象层面上的三个特征： 柔性、集成和标准化。柔性包含模块化、可重构、可扩展性和可派生性的思 想；集成包含可互操作性和即插即用的含义，标准化包含可移植性、易获得 性和可互换性的要求。 1 2 开放式数控系统的国内外现状 1 2 1 国外开放式数控系统现状 早在1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性， 开始了名为“下一代控制器”n g c ( n e mg 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 ) “”1 的计划。随后1 9 9 4 年，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽 车公司又启动了称为“开放式、模块化体系结构控制器”o m a c 的计划，使用 2 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 这种结构，可以使制造者减少最初投资，缩短开发时间，把使用者的专业技 术集成在系统上，提供软硬件模块的“即插即用”。 与此同时，欧洲也提出了“自动化控制体系中的开放式体系结构”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 lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) “1 的概念， 提出了新型控制器的原则是：可组配、模块化和开放式，其核心技术是数字 接口通讯技术和通讯协议。 日本在1 9 9 4 年正式启动了由东芝机器公司、丰田机器厂和m a z a k 公司三 家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统提出的“控制器开放系 统环境”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 rc o n t r o l l e r s ) “1 计划，其目的是 建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。 v d w ( 德国机床制造联合会) 在总结多年科研成果的基础上，提出了对 未来控制方案的要求，也就是对开放式数控系统体系结构的要求：模块化结 构、连续性、公用的标准化接1 ：2 、生产时间和费用的优化、满足工业应用环 境下的质量标准、操作界面简易、类型大小可变且装配灵活、开放固化的控 制接口( 硬件和软件) 、提供项目规划和设计的辅助工具、服务、维护、诊断、 修改和培训、优秀的性能价格比等。 韩国的t w k i m “7 1 等基于开放结构的概念，把数控系统硬件分成三个 部分：硬件实时任务( h a r dr e a l t i m et a s k ) 、软实时任务( s o f tr e a l t i m et a s k ) 和非实时任务( n o n - r e a l - t i m et a s k ) ；软件也相应的分为应用级、系统级和设备 级，详细讨论了开放式数控系统的分层结构。 1 2 2 国内开放式数控系统现状 国内的开放式数控系统主要分四种形式： 第一种是基于软件芯片的开放式数控系统“7 “2 “”。以华中理工大学为 代表提出了- t e e 基于软件芯片的开放式数控系统的实现模式。在该实现模式 中，通过对数控软件的标准化与规范化的研究，运用面向对象的机制，把数 控系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有稳定、通用接口 的可以重用的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块的功 能。例如插补功能就由插补芯片来完成。并且通过建立一个数控系统软件芯 片集成开发环境一数控系统软件芯片库用来对软件芯片进行管理，用户可以 对软件库芯片进行检索、浏览及维护，还可以添加自己制作的软件芯片。用 户在组装数控系统或者进行二次开发的时候，可以将已有的软件芯片按照自 己所要求的功能进行组装，这样开发一套新的数控系统将节省比较多的时间。 第二种是基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统“”。现场 总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用双线电缆或光缆可以 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 在上百台设备之间实时传递上千路的信号。现场总线接口和数据交换大多遵 循s e r c o s 协议。基于现场总线技术的以上特点，可以通过s e r c o s 实现工 业控制计算机和数字伺服系统、传感器和可编程控制器i o 之间的实时通信。 在基于p c 机和数字伺服现场总线s e r c o s 技术的开放式数控系统中，其硬 件结构只有两块板卡组成，其中一块是工控p c 计算机母板，另一块是s e r c o s - - m a s t e r 卡；其系统软件采用w i n d o w s 9 x 或n t 操作系统并进行实时控制功 能扩展，使它能够满足数控系统的实时性要求。c n c 系统软件由n c 内核和 p l c 内核组成：其应用软件向用户提供一个应用环境和一组标准的系统功能 函数。用户可以在应用软件层编写程序，调用n c 内核的控制功能，以自己所 要求的方式控制系统的运行，与自己的产品匹配，满足特殊控制功能的要求， 也可以在系统上直接运行来自其他软件开发商的应用程序和开发工具。 第三种是基于w i n 9 x n t 的开放式数控系统“。结合数控系统实时 性的要求和w i n 9 x n t 的抢占式事件驱动方式与多任务处理的特点，在 w 1 n 9 x n t 下有两种方法可以实现数字控制功能：( 1 ) 单机控制模式，整个 系统由一台计算机外加一些功能模块组成，这种控制模式在硬件成本上是最 经济的，但是在软件的开发上是最复杂的。在这种控制模式下能够迅速吸收 计算机技术的最新成果，具有很好的机动性和可扩展性，可以很方便地将新 的算法采纳进来，实现不同数控系统之间的资源共享，也可以很容易地实现 物理设备和操作系统的更新换代。( 2 ) 上下位机通讯模式，这种模式具有更 大的灵活性，尤其对于已经习惯d o s 和汇编编程的人来说，在这种控制模式 下，主要的问题是解决w i n 9 x ，n t 与这些模板的通讯问题和系统响应的实时 性问题，采用这种控制模式具有快捷方便和便于实现远程制造的优点。圈1 - 1 给出了上下位机通讯模式的开放式数控系统应用平台的典型结构。 ji 蕞掣山幽划岬i i l j l 通讯系统 i l ；i 操作系统 ji 操作系统i ；i 硬件 ii 硬件 i !- r 控机开放式运动控制器 图1 - 1 上下位机通讯模式开放式数控系统应用平台的典型结构 第四种是基于l i n u x 的开放式数控系统 i o 1 8 1 ( 2 3 1 , 这种数控系统不需要传 统硬件和控制卡，它的硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准 化接口，软件是由开放式c n c 内核和功能模块组成。通过一台p c 机就可完 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 成所有的c n c 功能。虚轴机床就像一台p c 标准外设设备，类似于一台打印 机，它在p c 的控制下就可以实现所有可能的动作。利用l i n u x 内核的开放性， 构造一开放的c n c 内核，用户可以利用这个内核开发出所需的各种功能，构 成高性能数控系统。各种应用软件完全独立于具体的数控机床，机床生产厂 生产不同类型的数控机床时，硬件都是p c 及其功能扩展模块，它将彻底摆脱 来自控制系统硬件的限制。不同的厂家和型号的同类数控机床可用同一软件。 1 3 开放式数控系统软件的发展概况n “m 2 ”“”1 数控系统软件随着数控系统的发展不断发展，计算机技术的不断进步，经 历了由数字控制( n c ) 专用软件到计算机控制( c n c ) 软件的发展阶段，不断地向 智能化、网络化、开放化发展。 在传统的非开放式的c n c 系统上插上一块专门开发的个人计算机模板， 使传统的c n c 实现了个人计算机的特性，d o s 的操作环境和字符界面，通过 汇编指令和专用工具来编写数控程序，通过d o s 系统的行命令来执行数控程 序，控制数控系统的运行。当一个加工程序完成后需要加工相似的工件，n c 代码在d o s 下需要重新编写，重复工作量大。对于金属切削加工类企业而言， 产品品种多、不易定型、设计和制造周期长，尤其是批量小、工艺复杂的产 品，形成了从设计到产成品全过程周期长、成本明显增加的状况。 随着w i n d o w s 操作系统的产生和发展，v c 、d e l p h i 、c # 等高级语言的 出现，c n c 数控软件的编程更加方便，c n c 软件开发重点在于根据控制卡的 设备驱动程序和软件库进行二次开发，设计标准风格的用户界面，实现上下 位机的实时通讯，用户可以灵活的使用和操作。但是这种系统软件不具有扩 展性、可移植性、可重用性的特点。 1 4 课题的提出及研究意义 我们要从“制造业大国”迈向“制造业强国”目标，用数控技术改造或 装备制造业是必经之路。 随着海上采油工程的急速发展，海上石油导管架及海上采油平台制造工 程的生产需要急剧扩大，各种管材卷制、切割及焊接工作量大量增加，过去 靠进口的装备，有的已不适应生产的需要，有的故障频频，急需设计制造国 产化专用数控装备。数控自动卷板机，数控自动切管机及数控焊接装置等特 殊数控系统的研制是适应生产需要而提出的。基于面向对象技术的开放式数 控卷板系统软件的课题的研究，就是要解决变化频繁的需求与封闭控制之间 的矛盾，建立一个统一的、可重构的软件平台，具有模块化的组织结构，增 强的系统柔性，而且使用户根据自己的需要来更换系统的模块，扩展系统的 功能，迅速适应生成的需求。同时具有功能强大的智能监测系统，随时跟踪 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 监测系统发生的故障和预测可能发生的故障，保证系统长期稳定的运行。 1 5 论文研究的主要内容 本文根据数控卷板系统工艺规程的要求，利用面向对象的新理论、新技 术，采用一种开放式、模块化软件设计方法设计开放式数控卷板系统软件。 主要内容如下： ( 1 ) 阐述开放式数控系统的概念和国内外发展现状，开放式数控系统软 件的现状，指出本文要解决的问题和采用的关键性技术。 ( 2 ) 分析开放式数控系统的体系结构，分析卷板系统的结构和功能，建 立开放式数控卷板系统体系结构，从硬件的开放性和软件的开放性分析开放 式数控卷板系统的控制器p d a c 的开放性。 ( 3 ) 采用u m l 语言进行开放式数控卷板系统软件的系统建模，在 w i n d o w s 9 8 下的v c + + 6 0 平台来实现代码的设计，完成一般数控系统软件 的功能，如系统管理、加工程序读入、状态信息管理、位置计算、实时通讯 等；还具有专用数控系统软件的特殊功能，如系统的急停处理、卷板参数和 进给次数计算、卷板运动仿真、智能监测等：同时实现多线程、多媒体定时 器、多媒体在线帮助和p l c 程序的设计。 ( 4 ) 完成开放式数控卷板智能监测系统的设计，研究开放式数控系统软 件设计过程中的关键性的问题，开放式数控卷板系统软件的柔性、开放式数 控卷板系统的实时性、多线程的同步机制和上下位机通讯技术。， ( 5 ) 介绍开放式数控卷板系统软件的测试和实验，验证软件体系结构的 正确性。 6 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 “开放式数控系统体系结构”是一个动态发展的概念，至今不存在国际 上公认的定义，不同的协会和组织对开放式数控系统的体系结构有不同的侧 重。本章对o s a c a 、o m a c 、o s e c 、华中i 型体系结构进行分析，从可实 现的基础上，建立了开放式数控卷板系统的体系结构，分析了开放式运动控 制器p m a c 的开放性。 2 1 开放式数控系统的开放模式 目前，大量的供应商提供了各种各样的开放式数控系统体系结构，构成 了解决所有自动化系统的形形色色的途径。综合各种体系结构的特点，可以 分为三种不同层次的开放模式“”“。如图2 - 1 所示。 虚线将控制系统分为人机控制层和控制内核层两个层面。人机控制 ( m a n m a c h i n ec o n t r o l ，m m c ) 是操作人员与控制器进行交互和对被控设备 所进行的操纵。控制内核是c n c 系统完成实时加工过程调度和控制的核心部 分，一般和系统的实时性相联系。三种方式的区分就是基于对这两个层次的 开放的不同处理来区分的。 稀措莛糇管 开放体系 结构。 凹曰图由 基重 瓶c 层 c = 3ic = l 删j 丌：= = r 卜j j _ l _ l 卜叫u 上卜 控制 匮傅 丙核层 图2 - 1 开放式数控系统体系结构开放的层次 ( 1 ) 开放的人机接口人机接口( m a n - m a c h i n e i n t e r f a c e ，m m i ) 指 有关操作人员操纵设备的界面和其编程界面的部分。这种开放方式允许开发 商或用户构造或集成自己的模块到人机控制接口中。这一手段提供给用户灵 活定制适合于各自特殊要求的操作界面和操作步骤的途径。一般使用在基于 p c 的作为图形化人机控制界面的系统中。 ( 2 ) 开放系统核心接口这种方式除了提供上述方式的开放性外，还允 许用户添加自己特殊的模块到控制的核心模块中。通过开放系统的核心接口， 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 用户可以按照一定的规范将自己特有的控制软件模块加入到系统预先留出的 内核接口上，这一手段使用户有可能将不同卖方的模块集成上去。 ( 3 ) 开放体系结构开放体系结构o s a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 的 解决方案是当今技术世界富有哲理的鳃决方案。它试图提供从软件到硬件， 从人机操作界面到底层控制内核的全方位的开放，在开放体系结构的标准及 一系列规范的指导下，扩充及剪裁生搬硬套或灵活定制，全套引进或按需集 成，最终配置完成功能可繁可简、性能可强可弱、价格可高可低、不唯一依 赖单一卖方的总成系统，而且这一系统仍然具备再一次无限重组的能力。 2 2 开放式数控系统的体系结构 体系结构就是用图形和其他叙述工具综合描述一种复杂系统的组成和与 开发过程。开放式数控系统的体系结构不是现有控制系统体系结构的集合， 而是在博采众长的基础上，反映控制系统体系结构未来发展的产物，它将引 导开放式数控产品的发展，并对技术的发展起一定的指导作用。 2 2 1o s a c a 系统的体系结构 o s a c a ( o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o l w i t h i n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 借鉴i s o 的o s i 开放系统互联参考模型，提出了一个“分层的系统平台+ 结 构功能单元“”“”“4 “”的结构，其系统平台结构图如图2 - 2 所示。 图2 - 2o s a c a 开放式数控系统参考模型结构 o s a c a 认为开放式数控系统是以一个系统平台为基础，由一组逻辑的、 离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息；系统平台由系统硬 件和系统软件组成，系统软件包括操作系统、通讯系统和可选的应用程序如 数据库、图形系统之类；系统平台通过a p i 对外提供服务 3 7 1 a p i 是a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 访问系统平台的唯一途径，保证了系统平台的硬件无关 性和操作无关性。 2 2 2o m a c 系统的体系结构 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 o m a c 没有指定一个固定的体系结构，也不提供系统硬件平台和软件平 台的信息，不指定操作系统。o m a ca p i 由基类和模块来描述抽象的体系结 构： ( 1 ) 基类：通过对通用控制器按类的分解获得，基类定义了控制器的类 层次结构。 ( 2 ) 模块：将基类分组组成模块，模块是组成控制系统的即插即用的元 件。 系统设计分两个阶段：第一阶段，体系结构设计，将拟订的具有特定功 能的系统分解为o m a c 模块；第二阶段，框架细节设计，细节化单个对象的 a p i ，即对象的属性和方法，采用o m a ca p i 或扩展该a p i 构成应用系统。 o m a c 采用“搭积木”的思想构造控制系统“”1 4 0 1 ，在完成上述系统 设计之后，预制具有通用接口的模块，形成模块库或者积木盒。构造系统时 只需从库中选取模块组装即可，模块可被重用和继承。o m a ca p i 采用i d l ( 接口定义语言) 的语法规范来保证其平台的无关性，i d l 支持大多数的面向 对象的概念，支持向多种语言编程的映射。 2 2 3o s e c 系统的体系结构 日本东芝机器公司、丰田机械公司等六家公司组成控制器开放系统环境 o s c e ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t f o rc o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 研究会，以日本 国际机器人和工厂自动化研究中心提出的参考模型为基础，提出了一个七层 的开放体系结构参考模型“”“”1 4 t 1 并定义了每一层的功能如表l 一1 所示： 表1 - 1o s e c 开放结构参考模型 分层各层功能 产品规划层产品进度时间、产品管理、产品设计 操作计划层产品信息收集、加工过程设计 加工进度的执行、操作面板输入的处理、显 通讯层 示与报警 加工轨迹的产生、加工条件修正、机床固有 几何控制层 情况调整 驱动控制层插补运算、离散i o 指令输出、伺服同步 电气控制层指令执行、马达驱动控制 机械装置层机床、选件 2 2 4 华中i 型数控系统的体系结构 我国的华中理工大学和珠峰公司采用i p c + 数控卡的方案构成硬件平台， 开发了华中i 型和中华i 型数控系统1 4 5 1 其体系结构如图2 3 ： 华中i 型数控系统是将数控专用模板嵌入通用p c 机，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系统和外部i o 之间的标准化 天津大学硕士学位论文第二章开放式数控卷板系统的体系结构 通用接口。用户可以在w i n d o w s n t 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。 图2 3 华中i 型数控系统体系结构 2 3 开放式数控卷板系统的体系结构 开放式数控卷板系统是在三辊不对称卷板机结构的基础上，分析了三辊 不对称卷板的运动学关系，以p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i sc o n t r o l l e r ) 可编程多轴控制器( p m a c 内置p l c 功能) 作为c n c 模块，工控机系统为系 统支撑单元的双c p u 开放式数控系统。 图2 - 4 上辊万能式三辊卷板机结构图 2 3 1 三辊不对称卷板机结构 三辊不对称卷板机又称上辊万能式三辊卷板机，它既可以实现对称卷板 也可以实现不对称卷板。上辊万能式三辊卷板机的结构如图2 - 4 所示： 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 该种机型采用上辊横移的方式实现不对称弯曲，横移电机通过皮带轮、 圆柱减速器、蜗轮减速机、丝杠螺母带动左、右机架及上辊实现横移，具有 良好的同步性、机械白锁性和移动的平稳性等优点。由于上辊的升降和横移 彳亍程均采用线型磁尺传感器进行数字显示和控制，糖度可达o 1 m m 。横移电 机自带制动器，可以使上辊准确地停在所需位置。使用过程中，如果横移电 机的功率小于实际载荷时，皮带和皮带轮之间将发生打滑，可以保护设备不 受损。 由于该种机型的下辊只有旋转动作而没有移动动作所以在每个下辊的中 部各设有一个支撑辊及托辊，以减小下辊的变形挠度，保证了所卷简体的质 量。托辊采用丝杠螺母、斜铁来调整自身的高度，可以方便的调至托辊和下 辊紧密贴合。 该种机型采用一台下辊驱动电机，通过行星减速器、开式齿轮直接驱动 两个下辊旋转，使设备结构紧凑、重量轻、占地面积小。卷板机不对称弯曲 时，靠近上辊一侧的下辊所需驱动功率远远大于另一侧下辊所需的驱动功率， 约占总驱动功率的6 0 7 0 。如采用两下辊单独驱动方案，则两台驱动电机 的总功率约为单台驱动电机功率的1 _ 3 倍。对于具有不对称弯曲功能的卷板 机，采用一台下辊驱动电机明显优于采用两台下辊驱动电机。下辊单独驱动 方案适用于对称式三辊卷扳机。 上辊万能式三辊卷板机采用液压传动实现上辊的升降，上辊的两个液压 缸既可同步动作，亦可单独动作，可以方便地将上辊调节水平或倾斜( 用于 卷制锥筒) 。对于有些种类的上辊万能式三辊卷板机，上辊的升降和加压还可 以分别用快慢两种速度，以提高生产率。翻倒架的翻倒和复位是由液压缸驱 动的，在卷制的过程中，液压缸保持一定的压力，这样可以避免翻倒架由于 卷制时间过长而发生倾斜。 2 3 2 三辊不对称卷板的运动关系 卷板机在卷板时，是通过下辊正、反转使板料来回送进，上辊下压，使 板料产生变形。当需要对称卷板时，上辊不必横移，若是不对称卷板，上辊 应在一定的高度进行横移，其运动关系参照图2 - 5 具体描述如下： 对于上辊万能式三辊卷板机，上辊的横移定义为x 轴( 向板料送进的方 向为正，其在两下辊正中间位置时x 为0 ) ，上辊的升降定义为y 轴( 向下为 正，上辊在最高点时y 为0 ，上辊的升降分为翻倒侧升降y f 和固定侧升降 y g ) ，下辊的旋转定义为z 轴( 向板料送进的方向旋转为正，其0 位置是在卷 板开始时设置的) ，而使下辊产生预变形的托辊的升降定义为h 轴( 向上使下 辊产生变形为正，其0 位置在托辊和下辊接触的临界位置) 。 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 i 璺f2 5 卷板运动关系图 卷板时，由送料装置送进板料，当板料和下辊接触后，可以由下辊正转 送进板料，使板料和挡料装置接触，这时上辊在0 位置，此过程由手动完成。 正式卷板开始后，根据下传的各种位置参数，卷板机自动完成卷制全过程， 即按照卷板工艺，顺序完成各工步。对称卷板和不对称卷板的唯一区别在于 上辊是否参与横移运动，上辊有横移运动的是不对称卷板，上辊不横移的是 对称卷板。 2 3 3 数控卷板系统卷板工艺过程 从宏观上看，卷板过程基本分为三个阶段：第一是上料找正阶段，这个 阶段采用半自动方式；第二是卷制阶段，需要实现自动和手动双重功能，并 且二者可适时切换；第三是点焊落料阶段，这一阶段也采用半自动方式。因 此，控制系统采用了断续工作方式。 为了提高设备使用的安全性、运行的可靠性、维护的方便性、操作的灵 活性，设计的电控系统有两种工作方式。手动操作：可以通过操作面板上的 控制按钮控制卷板机某一单独的动作，便于设备的调试和点动；操作手柄设 有上辊上升、上辊下降、翻倒侧降、固定侧降、上辊前移、上辊后移、下辊 正转和下辊反转点动操作，便于就近操作。自动操作：可以通过操作面板上 的手动、自动旋钮选择自动操作，上位机通过输入的板材参数进行计算，适 合自动卷制的，便把计算结果传给下位机的自动p l c 程序，进行自动卷制。 自动卷制时，操作面板和操作手柄上的按钮通过软件设计为停止功能，从而 提高了控制便利性。由于卷板工艺的不确定性，在自动卷制的过程中，通过 软件设置软中断，同时使能面板和手柄上的按钮，便于手动点动压头操作。 2 3 4 开放式数控卷板系统的硬件结构 卷板设备数控系统设计时采用了“p c + 适配器”的结构形式构建数控系统 硬件平台，其中以工控机( p c ) 为主控计算机，组件采用商品化模块，总线 采用i s a 总线形式；以p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 为系统从机，进而 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 构成了主从分布式的结构体系。其中工控机作为上位机，负责各种资源管理， 对下位机的程序调度与控制，与下位机实时通讯，以及人机交互功能的实现； 可编程多轴运动控制器作为下位机，完成对卷板机运动部件的位置控制和各 种辅助操作的动作控制，系统其他配置均采用标准模块的嵌入形式。这种设 计方案充分兼顾了控制系统的可靠性、高效性，便于软件系统开发，易于设 备集成，乃至维护和升级等多方面的考虑。 卷板设备数控系统选用的是一种特殊的开环控制方式，如图2 - 6 所示。其 特殊性是在这种控制系统中最后输出的位置由编码器或线型磁尺反馈回控制 器p m a c ，但这种反馈量只是控制输入信号的通断，而不是参与控制。从外 图2 - 6 卷板设备数控系统方案 表形式上看，是闭环控制；但从其原理上看又是开环控制。这种结构线路简 单，成本低，便于维修，并且能够达到卷板精度的要求。 + 图2 7 给出了开放式数控卷板系统的硬件体系结构图。主要包括以下模 块： p c 总线p m b c 图2 7 开放式数控卷板系统硬件体系结构 ( 1 ) 研华工控机采用p i i l 8 5 0 ，内存1 2 8 m ，硬盘1 0 g ，标准p c 总线， 系统配置了支持1 0 2 4 7 6 8 点阵，2 4 位真彩色的显卡和1 7 ”高分辨率彩色显示 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 器。 ( 2 ) p m a c 模块p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l e a x i sc o n t r o l l e r ) 可编程 多轴控制器是美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司推出的完全开放体系结构，在 p c 平台上运行的控制器。 ( 3 ) 位控模块位控板使用的是p m a c 附件8 s 即步进电机接口板，共 两块，可接四轴。i o 接口板使用的p m a c 附件3 4 a a ，具有3 2 i n 3 2 0 u t 光电隔 离开关量输入输出点，实现卷板机大量的开关量控制。 ( 4 ) i o 模块p m a c 和位控模块的接口和p m a c 与卷板设备开关量的 接口组成了i o 模块，这种卷板设备数控系统的执行元件并不是伺服电机，其位 置反馈是通过线型磁栅尺和旋转编码器来实现的，使用j m a c h 口接了四组传 感器，来实现位置反馈。 ( 5 ) 测量模块磁栅尺使用的是上海机床研究所生产的x c c 型线型磁 栅，精度可达o 0 5 m m ，满足数控卷板机的要求，共四根。编码器使用的是分 辨精度为1 0 2 4 线的正交旋转编码器。 开放式数控卷板系统软件是利用面向对象的软件开发技术，综合功能抽 象和数据抽象，实现了数控软件的可扩展性、多态性、可重构性。将数控卷 板系统按功能划分成若干功能模块，用u m l 语言进行建模，用c + + 语言设 计各个模块。开放式数控卷板系统软件的体系结构的设计和实现将在下一章 详细介绍。 2 4 开放式数控卷板系统控制器的开放性 开放式数控系统的核一t h , 是具有开放性的运动控制器。p m a c 是二十世纪 九十年代推出的，主要提供了机床功能、机器人特性、计时检测及通用自动 化的性能，可处理运动控制、逻辑控制、资源管理及主机的交互工作。d e l t a t a u 成功的将m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 用于p m a c ，加上专用的用户门阵列芯片， 结合p c 机的柔性，使得p m a c 对系统的控制非常成熟、可靠。p m a c 最大 的优点是站在用户的立场，方便、快捷、稳定、可靠，全面开放，使用户在 使用p m a c 组建自己的系统时犹如一个建筑师设计房屋、桥梁，尽显自己的 才华，而一切又都那么容易。 2 4 1 硬件结构的开放性 ( 1 ) p m a c 适应多种硬件平台，可在i b m 及其兼容机上运行，在w i n 9 5 、 9 8 、2 0 0 0 及w i n n t 及l i n u x 下运行及开发，具有p c 、s t d 、v e m 、p c i 、1 0 4 总线及串口脱机运行的功能，方便用户选用适合自己的主机。同时底层的控 制程序只针对p m a c ，所以同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行。 ( 2 ) p m a c 适用于所有电动机，包括普通的交流电动机、直流电动机、 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章开放式数控卷板系统的体系结构 交、直流伺服电动机、步进电动机、直线电动机、陶瓷电动机等，也适用于 液压马达，控制精度可达5 n m ，对于不同的电