（载运工具运用工程专业论文）开放式数控系统的研究与应用.pdf

摘要 摘要 当今数控系统一方面朝着智能化、集成化和网络化发展，另一方面朝 着高级化，复杂化和个性化方向发展。为此，数控机床要求能实现接口通 讯开放化、机床结构模块化、控制功能专门化和操作系统个性化，从而开 放式数控系统便成了数控系统的发展趋势和研究热点。 本文先从剖析数控系统的基本原理和功能结构着手，指出了数控系统 的开放需求以及开放原则和开放方式，进而研究了开放式数控体系的基本 结构模型，即虚拟模块系统加上配置系统和组件库。接着文中对开发开放 式数控系统的几种关键技术进行了研究，具体内容包括操作系统平台的选 取、运动控制技术及运动卡的选择、基于c a n 现场总线技术的硬件开发方 法和基于c o m 的组件化软件开发方法。 同时，基于上面的理论和技术，本文开发了一套开放式自动焊接数控 系统。重点分析了整个系统结构的具体设计方法，并对核心功能模块进行 了实际开发。另外，还对该系统的开放性进行了分析和实验检验，结果不 但表明了文中所研究的开放式数控系统基本理论的正确性，而且验证了所 开发的应用系统具备了可移植性、可互换性、可裁减性和可互操作性等开 放式数控系统的基本特征。 关键词：开放式数控系统，运动控制，自动焊接 t o d a y o 呵cs y s t e mi so ni 协w a yt oi l l t e l l 蟾e n c e ，i n t e 掣a t i o na i l dn e t w o r k ， a sw e n 勰a d v 锄c e ，c o n l p l i c a t i o n 锄ds p c c i a l t y 1 1 l e r e f b f ec n cm a c h i n cs h 叩l d b e w i u l 叩e ni n t e 嘞c e 衄髓i 咖i o n ， m o d u l a r i z e dm a c h i n cs t r u c t l 眦， s p e c i a l i z c dc o n 缸d lf u n c t i 彻强di n d i v i d u a l i z e do s t bm e e tm ec o m m 觚d s ， o p c na r c h i t e d l l r ca 呵cs y s t c mi sb e c o m i n gt l l et r e n do f ( n cs y s t 鼬，卸dt h c f b h c 惦f o rm a n y 血s t i t u t 鼯 a tf i r s t ，t l i ep a p e ra n a l y z c st h eb 勰i cp r i n c i p l e 粕df i l n c t i o n a ls t m c t u r co f c n c s y s t e m ，粕da p p o i n l so u tt h cf e q u i 删n e n t s ，p r i n c i p l e s 柚dm e t l l o d so fa 屺 s y s 把mf o ro p c n ；t l i e nr e s e a r c h c si n t ot h eb 够i ca r c h i t c c t cm o d e lw h i c hi s c o m p 0 衄do fv i 咖a lm o d l l l es y s t e m ，c 0 蚯g l l r a t i 蚰s y s t c ma n dc o m p 咖锄l l i b 删呼皿ep a p c ra l s os t i l d i c ss c v e r a lk c yt e c h n o l o 舀髂t od e v e l 叩0 p ( n c s y s t c m ，t h o 缸eo sp l a 咖，m a c 壮dm e t h o d sd c v d o p c df b rh 幽a r c b 嬲e do nc a n 锄ds o 胁a r cb 瓠e do nc o m a tt t l es a m et i m e ，b a s c do nt h em e n t i e dt h e o r i e sa n dt e c l l l l o l o 百c s ，锄 o p c na d c h i t e c t u r cc n cs y s t c m a u t 0 一w e l d i n gi sd e v e l o p c di nt h i sp a p e r t 1 l e d e s i g l l i n gm e t h o df o rt h ew h o l es y s t c ms t m c t u r ei ss t a t e di nd c t a i l 柚dt h e k c m e lf l l n c t i o n a lm o d u l e sa r ed e v e l o p e dp r a c t i c a l l y m o r e o v e r ，t h eo p e n i l l g a b i l i t yo f t h es y s t e mi st e s t e da n da i l a l y z e di nt h ep a p c r w h a ti sa n a l y z e d 锄d t e s t e dm 趾i f e s t st h a tt h e t h e o r yf o ro p e n i n gc n cs y s t e mi sc 0 玎e d ，1 k c h a r a d e r sf o rt r 柚s p l a n t ，i n t e r c h a n g e ，r e d u c t i o n 壮dm u t u a lo p e r a t i o ni n 血c s y s t e ma r ev a l i d a t e d 1 【e y w o r d ：o p e na r c h i t e 咖r ec n c s y s t c m ，m a c ，a u t o - w e l d i n g i l 第一章绪论 性和可维护性，优秀的性能价格比。总之，一个开放式系统能够在众多平 台上运行，能与其他系统进行互操作，并能给用户提供统一风格界面的系 统。虽然开放式系统很难形成统一的定义，一般都采用mee 1 0 0 3 0 的定义： 能够在众多平台上运行，能与其它系统进行互操作，并能给用户提供统一 风格界面的系统。根据这一定义，开放式数控系统必须是全模块化的体系 结构它应具有以下几个主要特征： 互操作性：提供标准化接口，通信和交互机制； 可移植性：允许在不同的系统平台上运行系统组件； 可剪裁性：根据用户需求增加和减少系统的功能； 可互用性：一个组件替换另一个组件的能力。为了评估一个控制器的开放程度可以使用下面的准则 互操作性：应用模块不需修改就可在不同平台上运行，而且还保持性 能： 可移植性：不同数目的应用模块毫无冲突地在同一个平台上运行： 可剪裁性：应用模块以一致的方式在一起工作，按照定义的方式交换数据；可互用性：根据用户的需求采用应用模块的功能、硬件的规模和性能。13开放式数控系统的研究动态有关开放化活动的历史，可追溯到80年代初以map为代表的厂内通信网络标准化活动。当时，针对构成工厂自动化系统的n僦床、工业机器人等自动化设备之间的通信，提出了有关设备控制器的通信标准协议mms(多路传输调制协议1。因此为在不同厂商的控制器之间进行通信提供了可能，但是各控制器只是被当作一个要素加以利用。舳年代后期，由于市场的需求和各国各企业的竞争，出现了开放式控制器的概念。许多国家政府、行业组织、大学开展了大量关于开放结构控制器的研究与开发工作。一0mac1994年美国三大汽车制造商联合发表了有关他们对未来开放式模块化控制器需求的白皮书，并在同年成立了0mac用户组织。该组织旨在建立开放体系结构控制系统需求和操作经验的知识库，这些需求和操作经验来 第一章绪论 自于用户、软件开发商、硬件制造商、o e m 厂商；加速促进工业界和政府 开发的a p l ( 应用程序接口) 集中成为一个a p 蝶合，以满足一般的使用需求； 与欧洲、日本的用户组织合作寻求通用的国际a p 舔准；在控制系统制造商 中促进开放体系结构控制系统的开发：在开放体系结构的控制技术的开发、 实现和商品化方面获得技术和非技术方面通用的解决方案。 o m a c 没有定义一个固定的参考结构，但是定义了用于建造不同类型 控制器的模块集。o m a ca p i 的目标是使控制系统销售商提供标准组件，机 床供应商把这些组件配置到机床控制系统中，然后把这控制系统和机床交 付给最终用户。o m a ca p i 应用涉及的范围从单轴控制器到多轴控制器。 o m a c 工作组努力使0 m a ca p i 规范成为被业界承认的标准。o m a ca p i 使用基于组件的方法获得即插即用的特性，使用界面类指定a p l o m a c a p i 包含不同“尺寸”和“类型”的即插即用元件组件、模块和任务。组件是一 种可复用的软件，它是应用程序的一个建造块；模块是组件的容器：任务 是用于封装可编程功能行为的组件，功能行为由一系列步骤组成。这些步 骤包括启动、停止、重起、暂停、继续，在控制器运行时这些步骤可能循 环多次。0 m a ca p i 使用微软的c o m 技术进行集成，这样控制系统卖主可 以集中精力进行专用软件的开发。使用c o m 的主要问题是，尤其在 w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统下，缺乏硬实时抢占性调度，但是可以对 w i n d o w s 2 0 0 0 作实时扩展让其具有硬实时性。 目前的a p l 版本中共有1 4 个模块，它们用u 界面定义语言) 表示。许 多模块有子模块，每个模块都有详细说明，如轴模块有1 0 多个子模块，4 0 0 多种方法。o m a c 没有定义基于o m a c 控制器的信息子结构，资料表明， 目前至少实现了四种原型系统，但它们都有不同的子结构和开放环境。图 1 1 给出了o m a ca p l 控制器的功能图。 h m i 模块负责人和机器的交互，包括数据显示，命令处理，事件监视 等。任务协调模块负责序列化操作指令，协调基于可编程任务系统中不同 的模块，任务协调模块可以被认为是控制器中最高层的有限状态机。任务 产生器模块把专用的控制程序转换为一系列中性的暂对任务。轴组模块负 责协调单个轴的运动。轴模块负责运动轴的伺服控制。控制规则模块负责 伺服控制环的计算。 4 第一章绪论 函r 掌心垴 璧竺k 出l ? 划 c 量上毪侵翌 一i 云甄曲匮悯 到物理1 0 点 到同络 刊物理d 点 判髓络 图1 1 开放模块结构控制器a p i 功能图 o m a c 也处理别的与之相关的事务f 如h m i w i i l d o w s 下的实时环境，新 型的n c 编程语言s t l 讲n q ，但是目前没有严格的进度安排，所以开发速度 相当缓慢。 二o s a c a o s a c a 始于1 9 9 0 年，1 9 9 2 年5 月被欧盟认可，纳入欧盟e s p r i i i 项目 计划中。o s a c a 以统一欧洲制造商的利益，制订一个与制造商无关的开放 式控制器。该计划最初的指导思想是要以n c 装置、机器人控制器、可编程 逻辑控制伊l c ) 和单元控制建立通用化结构。1 9 9 6 年4 月公布了o s a c ai l l 最终报告和o s a c a 手册，并建立了一个系统软件的测试环境，这是 o s a c a 成熟的标志。其后，0 s a c a 进行了几个面向应用的项目，出现了几 个和o s a c a 相适应的控制器和应用程序，证明了o s a c a 的互操作性。 0 s a c a 的主要问题是自从1 9 9 8 年以来没有任何的改进了，由于它是9 0 年代 初制订的，有些软件解决方案己经过时。 0 s a c a 的基本结构是“分层的系统平台+ 功能单元”。o s a c a 认为一个 开放式控制系统应以一个系统平台为基础，由一组离散的组件组成，控制 系统本身不带有平台的任何信息，在组件和平台之间定义了很好的接口， 允许不同供应商提供的组件协调工作，符合规范的控制器可运行于不同的 第一章绪论 系统平台上。o s a c a 的三个主要组成部分为通讯系统，参考结构，配置系 统。通讯系统定义了控制器中不同应用模块间交换信息的界面，它独立于 硬件和系统软件；参考结构确定了控制器的功能单元，并给出了它们的外 部接口；配置系统启动时装载应用模块，根据配置信息对模块初始化，在 各个模块问建立连接。o 鲫嗽用了上述结构，充分保证了“开放”的各个 特征，即互操作性、可移植性、可裁剪性、互用性。 0 s a c a 的基本组成单位是功能单元a o ，用面向对象的方法指定每个功 能单元的接口，每个接口一般包括数据接口和过程接口。数据接口是由几 个支持对数据结构执行读写操作的变量对象组成，数据可以是简单的类型 也可以复杂的类型如队列，结构，联合等，通过使用正式模板指定接 口对象的所有特征例如名字、类型、数据的访问权限等。过程接口是 由过程对象组成，过程对象通过有限状态机描述应用模块的动态行为。状 态机用于描述静态状态、动态状态以及状态的变迁，其中状态的变迁负责 处理参数的输入输出。应用程序模块间通过通信平台传递数据：过程接口 的模板由明确的描述、静态状态表、动态状态表、变迁表组成，过程接口 通过本地和远程调用激活专用功能。 三o s e c ，r o p 1 9 9 4 年日本6 家企业发起的o s e ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n 嘶究会致力 于标准型“开放化控制器”的共同开发，也可以说是尽快建立一种能够让各 种设备自由组合的环境。1 9 9 5 年9 月发表其研究成果0 s e gi ( o p e ns y s t e m e n v i 姗e mf d rc 0 n 协d l l e r sv e r s i o n1 0 1 和其原型系统，1 9 9 6 年发布其研究成 果o s e gi i ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc 0 n t r o l l e r sv c f s i o n2 o ) 和其原墼 系统。0 s e c i 是个抽象的结构，因为在实际结构建立之前，开放式控制器 的优点和方向需要讨论，o s e c l i 是个可实际执行的实用结构。o s e c 。i 针 对开放化用户需求规定了7 层结构的参考模型，同时还提出了描述f a 的语言 f a d h f a c t o r ya u t o m a l i o ne q u i p m c n t sd c s 硎p t i o ni _ a n g u a g e ) 。 o s e c l l 定义 了开放控制器的标准平台，这个平台允许最终用户、机床制造商、控制器 卖主，软件卖主和系统集成商家很容易把自己的组件集成到该平台上。 四我国开放式数控系统的研究动态 我国在开放式数控系统方面缺乏统一的规范和参考模型的指导，基本 上处于各自为政，独立探索的阶段。近年来，我国的广大数控研究者相继 第一章绪论 开发出了如中华i 型、蓝天i 型、航天i 型、华中i 型等开放式数控系统。其中 以华中i 型较具代表性，采用工业p 吼上配适配器卡的结构，基于通用3 2 位 工业p c 机和d o s 平台，具有较好的模块化、层次化特征，系统配套能力强， 扩展与伸缩性较好，其它数控系统也各有优点。但从数控系统发展的趋势 来看，这些系统开放程度有限，体系结构先进性不足，存在许多需要改进 的地方。 开放式数控系统的概念不清晰，没有解决开放式数控系统的平台问题。 各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，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。 软件开发思想与技术落后，没有充分利用面向对象、软件重用等软件 工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放式数控系统的关键所在。 此外，数控系统的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家，没有提 供相应的开发工具和环境，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品 融入到系统中去。 国内华中科技大学魏仁选、周祖德等提出了一种基于软件芯片的开放 式数控系统的实现模式；王振华、朱国力等提出基于现场总线的开放式数 控系统；郭长旺、朱国力等做了基于组件技术的开放式数控系统研究；林 弈鸿等研究了开放式数控系统的构造、界面与协议；中科院沈阳计算机所 雷为民、乔建中等提出“软件数控”的新概念；黄金庆、刘明烈等开发了基 于开放式结构的高性能数控系统；北京航空航天大学郁极等开发了基于数 字伺服现场总线技术的开放式数控系统，并进行了基w i n d o w s 3 x 9 5 n t 的 开放式数控系统研究；此外南京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工 业大学和浙江大学等在开放式数控系统的应用、模块化设计、系统建模等 领域进行了一些积极的探讨。 1 4 本课题的研究内容 本课题是华北石油管理局的技术改造项目，受到了河北省科技厅的资 金资助。课题的研究目标是研究一种开放式结构体系的数控系统，并将其 应用在自动焊接数控设备上，开发出自动焊接数控系统，代替石油制管行 第一章绪论 业依靠国外进口设备或是手工焊接作业。 本文先从剖析数控系统的基本原理和功能结构着手，指出了数控系统 的开放需求以及开放原则和开放方式，进而构建出了开放式数控系统的基 本结构，接着对开发开放式数控系统的几种关键技术进行了研究。 另外，本文还介绍了一种开放式数控系统的应用研究实例，即开放式 自动焊接数控系统的开发情况。可以说它是在前面各章节所论述的基本理 论与技术上的一种实际运用方法和开发实例。 最后本文对开放式数控系统的研究进行了总结，给出了本文的结论， 指出了作者在本文未完成的工作和今后工作的研究内容。 第二章数控系统的功能结构分析 第二章数控系统的功能结构分析 2 1 数控系统的基本原理 根据i s o 的定义：数控系统是一种自动阅读输入载体上事先给定的数据 并将其译码，从而使机床移动和加工零什的控制系统。它的工作原理是通 过各种输入方式，接受加工零件的各种数据信息，经过译码、处理、插补， 生成各坐标轴的参考位置，把各坐标轴的参考位置送到轴控制器中，驱动 轴的运动，使各个坐标轴能精确地运动到所要求的位置。 图2 1 描述了系统的机床控制单元以及各单元问的数据交换。数控系统 分一般分为两部分：人机界面和机床控制器。 c n c 厂机床控镧嚣、 # 慷 丘馕 遗度1 r遣度 人 位置i f 位置 轴 机 mf 箍 界 面 璃如 状态 l1 袖 冷却 指夸 o i 眦已 羹出 主轴 开挟 t 图2 1c n c 机床控制模犁 人机界面足人和机床控制的连接通道，负责管理命令和控制，同时监 视系统的状态。机床控制器是数控系统的主要组成部分，主要负责机床的 控制。机床控制器由两部分组成：控制装置和p l c 装置。 数控机床上有两类控制信息：一类是控制机床进给运动坐标轴的位置信 息。这种控制的核心作用是保证实现加工零件的轮廓信息，它由控制装置 完成。另一类控制信息主要是开关量信号的顺序控制，如机床的启停、紧 急处理等，一般是由p i c 装置完成。 人机界面负责把位置和速度信息送到控制装置，把开关命令送到p l c ， 并从p l c 和控制装置处接收反馈( 如实时位置和速度等) ，显不机床的状态， 并从p l c 和控制装置处接收反馈( 如实时位置和速度等) ，显不机床的状态， 第二章数控系统的功能结构分析 控制装置处理人机界面的输入( 如轴位置、n c 程序等) ，控制工件的加工， 传送m 代码等到p u ：装置，并接收p “壤置的反馈。 2 2 数控系统的功能划分 数控系统的功能模块可以划分如图2 2 所示。系统中的各级功能模型自 上而下再进行细分得到“系统一子系统一模块”的树状层次结构。整个数控系 统的功能分为5 大类。这5 大类是人机控制、运动控制、逻辑控制、位置控 制和故障诊断，其中运动控制、逻辑控制、位置控制、故障诊断组成机床 控制器。下面就5 大类功能简单作一介绍。 图2 2 数控系统功能图 一人机控制 人机控制是机床或机床部件的外部实体，如机床操作员，机床网络管 理系统，机床c a d o w 和其他制造执行系统( 溉s 1 ，允许这些实体控制机 床。它为机床的准备工作提供实体，也为利用和管理机床及其计算资源提 供实体。它包括操作控制数据输入f 包括直接在操作面板上手工输入、串口 输入、磁盘输入和其他制造执行系统通过网络的输入等) 、输出和显示子模 块，由人机界面构成。 二运动控制 运动控制使机床根据给定的指令或零件的信息产生指定自由度的运 l o 第二章数控系统的功能结构分析 动。它主要是协调各个轴的运动，为位置控制器提供精确的位置指令。它 典型的一个业务流程是对零件程序译码，进行刀具补偿等数据处理，然后 进行粗插补，为各位置控制器提供位置值，它包括粗插补、预处理两个组 件。 三逻辑控制 逻辑控制负责执行器的运行和机床内置传感器数据的采集，并保证执 行器执行和数据采集的一致性。它分为逻辑任务和i o 点两个子模块，逻辑 任务主要执行换刀、主轴、冷却液等控制；i ，o 点主要负责从机床内置传感 器和变换器中采集数据，根据采集的信息执行不同的逻辑操作和转换。逻 辑控制任务一般是由p l c 完成。 四位置控制 位置控制是在给定的约束范围内各个轴执行运动指令所有必须的方 法，这些指令通常是周期性的。位置控制一般分为开环控制和闭环控制。 开环控制时主要是把细插补得到的坐标位置给定值送到伺服装置：闭环控 制时是把细插补得到的坐标位置给定值与通过传感器检测到的位置实际值 进行比较，以确定位置偏差，并产生一个控制信号，驱动进给电机，把位 嚣偏差减小到零或减小到微小的数值。在位置控制中还要完成位置回路的 增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定 位精度。 五故障诊断 故障诊断就是监视系统运行过程中，各个任务的执行情况，以及在出 现故障时识别故障类型和部位，并试图恢复它。故障诊断既可以在系统运 行过程中进行检查和诊断，也可以在系统运行前或故障停机后进行诊断， 还可以通过网络进行诊断。 此外，还有如网络功能、图形功能、自动编程、仿真加工等其他的功 能。随着应用需求的变化和n c 技术的发展，数控系统的功能会有所改变， 其功能模块的划分也会有所变化。 2 3 数控系统的软件模块 c n c 系统指的是为实现c n c 系统各功能而编制的专用软件，即存放于 第二章数控系统的功能结构分析 内存储器中的系统程序。由于c n c 系统的功能设置于与运动方案各不相同， c n c 系统在结构上和规模上差别很大。一般来说，c n c 系统由以下几个部 分组成： 一输入数据处理程序 输入数据程序的任务是接受输入的零件程序，并对它进行预处理。一 般c n c 的预处理包括：对使用i s 0 或e i a 代码的零件程序进行翻译、整理， 按所规定的格式进行存放；对零件程序的加工指令进行译码，对坐标数据 进行“十翻二”转换；对编程轨迹进行刀具半径编程计算，以得到刀具中心 的运动轨迹，并且处理程序段的转换问题；对插补计算及速度控制过程中 要用到的一些常用数据进行预计算等。当然，不同功能的c n c 系统，其预 处理的具体内容不尽相同，但其目的都是相同的：即为插补运算节约时间。 c n c 系统对输入的数据处理程序的实时性要求不高，它可以在加工前或加 工过程中的空闲时间进行。输入数据处理的充分一些，可减轻加工过程中 对实时性较强的插补运算及速度控制程序的负担。 二插补运算程序 插补运算程序完成n c 系统中插补器的功能，也就是实现坐标轴脉冲分 配的功能。由于现代微型计算机具有完善的指令系统和必要的算术子程序， 给插补运算提供了许多方便，可以采用一些更方便的数学方法提高轮廓控 制的精度，而不必顾忌会增加硬件线路。插补运算是实时性很强的程序， 要尽可能减少该程序中指令的条数，即缩短进行一次插补运算的时间，因 为这个时间直接决定了插补进给的最高速度。有些c n c 系统中，还采用粗 插补与精插补相结合的方法，软件只做粗插补，即每次插补一条微小直线 段：硬件再将此微小直线段分成单个脉冲输出，完成精插补。这样既可以 提高进给速度，又可以使计算机腾出更多的时间进行必要的数据处理。 三速度控制程序 速度控制程序的目的就是控制脉冲分配的速度。即根据给定的速度代 码( 或与其相应的速度指令) ，控制插补运算的频率，以保证按预定的速 度进给。在速度明显突变时，要进行自动的加减速控制，避免速度突变造 成驱动系统的失步。速度控制可以完全由软件方法( 程序计时法) 实现， 也可以保留用速度译码控制震荡器的硬件线路，经中断或程序询问进入一 次插补运算，达到速度控制的目的。此外，用软件对速度控制数据进行处 第二章数控系统的功能结构分析 一个好的管理软件，除了协调整个数控专用软件，实现零件加工过程 的实时控制之外，还可以插入一些其它工作，例如加工状态显示、故障诊 断、进行自动编程等工作。 管理程序常见的结构形式有三种即前后台型、中断型和顺序控制型。 2 4 1 前后台型 前后台型的c n c 系统中，整个系统软件分为两大部分，即前台程序和 后台程序。前台程序是一个实时中断服务程序。它几乎承担了全部的实时 功能，如插补、位置控制、机床相关逻辑和监控等。后台程序是一个循环 运行程序，一些实时性要求不高的功能，如输入、译码、数据处理等插补 准备工作和一些管理工作均有后台程序承担。所以后台程序又称为背景程 序。 在背景程序循环运行的过程中前台的实时中断程序不断定时插入，两 者密切配合，共同完成零件加工任务。如图2 1 3 所示，程序一经启动，经过 一段初始化程序后便进入背景程序循环。同时开放定时中断，每隔一定时 间间隔发生一次中断，执行一次中断服务程序，执行完毕后返回背景程序。 如此循环往复共同完成数控的全部功能。这种前后台管理程序一般适合单 微处理机集中式控制，对微处理机性能要求比较高。 一 ，黼、 j 、。兰1 卜、 ，一酶卜、 两一 垒 丁一 致一 图2 3 前后台型管理程序 1 4 高 塾n整矾型 第二章数控系统的功能结构分析 操作，如果属于自动操作就不在响应手动按钮的操作。在自动工作状态下 微机处于等待状态，等待数控启动键的按下，当操作人员按下数控启动键 后，控制装置就立即进入数控工作状态。 数控程序放在ra m 区，在数控启动后，c n c 装置按照码逐段读入， 送入规定的工作区内。同时将有关的辅助指令送入强电控制电路，执行相 应的操作。在读入过程中逐段将坐标值进行十翻二运算。并且进行坐标计 算及齿隙处理。当强电执行完成后，主程序就可以进入加工程序。 i 至亘重亘至卫 t 至匠圃 墅堕窭亟驷 】匝垂遁圈 亟蓝圃 ， 二亟鎏珂 口熏壹萤e 口 “。 ” j b y y c 夏垂委口 图2 4 顺序控制管理框图 c n c 装置在接到强电回答信号后，即可根据g 指令进行相应的加工运 算( 例如插补运算) ，并且根据运算结果向x 或是y 坐标步进电机发出进 1 6 第二章数控系统的功能结构分析 给脉冲。每发出一个进给脉冲，都将进行终点判别，如终点未到则继续加 工；如到终点，则进一步判别是否有加工结束指令，如有则进行加工结束 处理，否则就读入下一段加工程序，继续上述各项程序。 2 5 本章小结 本章的内容是对数控系统的基本原理和功能结构进行剖析，同时对传 统的数控系统结构进行分析，本章内容是为下一章开放式数控系统理论的 提出所作的理论上的铺垫。17 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 3 1 数控系统的开放需求和原则 从应用的角度，开放式体系结构c n c 系统的设计目标是使系统能够最 大限度促进c n c 系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快速而又有创造 性的解决当今制造环境中数控加工和系统集成的问题。使其不仅能够为设 备自由地选择、更新或重构c n c 系统，配备合适的伺服执行部件、传感器、 p m c 等外设，而且保证所开发的系统与外设之间应具有强大的信息通讯能 力，使之能灵活地运用于综合化的制造系统环境之中。 表现在功能上，一个开放式的。犯系统应该能够做到： 用户界面的开放能够提供一个统一风格的操作界面，实现操作的简 洁性；同时，用户可根据需要定制界面，例如可以改变仿真形式、增减显 示内容、扩展远程监控等功能 功能模块的开放用户或开发商可按需选择合适的功能，或开发新的 模块。例如，系统集成商可以更换或自行开发插补模块、翻译模块或扩展 高级曲线插补功能等，以适应新的加工需求。 控制功能的开放系统的控制对象可以是任何厂家生产的机床，不限 制机床的加工类型，可以为车、铣、刨床等通用机床配置，也可以通过加 入或开发新的功能模块为特种加工、齿轮加工等专用机床配置。 网络模块的开发数控系统对另外一个并联系统或高层系统是开放 的，它们之间可以通过网络相互操作。例如，可以有一台主控机来控制整 个网络，控制其它c n c 系统的起停，监控其工作状态。 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，以利于应用推广和降低成本，并且移植方便。 为了全面支持上述开放式数控系统的开放理念和要求，应遵循如下的 开放式数控系统体系结构设计原则： 结构上以模块化、分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级 式的控制结构，其结构应该是可移植的和透明的。 功能上支持以模块为单元按需重构，便于实现系统的多样化、多层 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 次用途，能够快速响应制造业市场的变化。 开发方法上系统中模块相互独立，允许进行独立开发，控制软件按系 统一子系统一模块三级开发、集成，各模块接口协议应明确，便于系统厂， 机床厂和最终用户开发集成自己的个性化模块，扩展专用功能。 支撑平台上以通用p c 为基础平台，采用性能良好的标准化通讯接口 协议，支持系统集成，实现各相对独立的功能模块问的通信和互操作，并 满足实时控制的要求。此外，还需开发适当的集成工具，支持系统的初始 化设置功能分配，以保证机床厂、用户能够对系统进行必要的扩展、裁减 或修改。 3 2 数控系统的开放方式 从体系结构上看，数控系统分为专用数控系统和开放体系结构数控系 统。专用数控系统是个封闭体系结构的数控系统，不能由用户定制，对它 功能的扩展、改变和维护，都必须求助于系统供应商。为了解决这些问题， 出现了开放体系结构控制系统的技术。随着通用p c 机的发展和普及，特别 是开放型计算机的发展，出现了基于p c 的开放式数控系统，它既可利用p c 机的丰富的软硬件资源，也可分享计算机领域的最新成就。 如何使传统的专用型封闭式系统走向开放，不同的系统开发商和研究 机构对此提出了一些解决方案。美国g m 公司认为，机床控制器可实现各种 程度的开放，最高程度的开放是以软件为基础的控制器，它带有各种功能 模块，可以很容易地增加或交换，而控制器本身是独立的硬件平台。雷为 民等认为从实现技术角度看，开放式系统将会经历5 个开放程度由浅入深的 主要发展阶段：1 在专有系统硬件中简单嵌入p c 技术；2 系统硬件采用p c 加相应的控制模块；3 专有的数控软件；4 运动控制功能由独立的运动控制 器完成；5 运动控制器通常由以p c 插件形式的硬件或通过网络连接的嵌入 式系统实现。在第三类开放系统基础上，运动控制器通常以应用软件的形 式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，支持运动控制策略的用户 定制；在第四类开放系统基础上，体系结构面向对象，各功能部件支持网络 分布，主要核心部件支持即插即用。o m a c 把开放式系统分为三个层次： 1 开放环境控制器，这里的开放环境是指p c 机和通用操作系统，在这个环 1 9 呻璋曜鬻凇暾嘲莲浑皑i 上刨踞化之处；和髫霹r 要彬可阱 酎? 璎堪国瞪嗡溷脚。曩篓暨垒二瞄涩博；玉髓璎强篙z 嘉篑立替赁譬 蕈| ? 龠笛拓；薛鹱班嚣怼她戮蹑羹飘琰秘j 溺囊孵：塞羹之瞒女撵错痛罐毒 强洲囊；算葛爆壤壤蠢裂蠼端。药笮叠往笛翁辐并抖；毹融剥吲廷藏 瓣翻萎萋簸堕妊骶蹦坛。 耋蓦j 肆冶萎委鏊蘑中 断优先级关系。该系统的 主c p u 为8 0 8 6 ，共有1 1 个级别的中断服务程序，其中0 级别为最低级， 1 0 级别为最高级。 表21 中断优先级功能表 优先级主要 功能中断源 0初始化开机进入 1 c r t 显示，r o m 校验，图像显示主程序 2数控程序段显示，刀具补偿计算进给速度控制 1 6 m s 3数控键盘输入。输出信号处理 1 6 m s 4磁泡存储器传送数据结束处理问题硬件 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 它负责管理命令和控制，同时监视系统的状态。本系统的人机界面的功能 可以归纳为三个：首先是显示功能，即显示数控系统的状态信息，如当前 轴位置，速度等；其次是命令功能，如用户可以设置手动模式，选择轴， 然后控制轴；最后人机界面在事件发生之后，必须能够提醒用户。人机界 面是人机控制的一部分。人机界面使用面向对象的方式编写的，采用传统 的m v c 模式设计。m v c 是指类的模型，视图控制器( m o d e i ，v i 删c 缸o l l c r ) 三元组，模型m o d d 是应用对象，视图c w 是它在屏幕上的表示，控制器 c o n 仃o l l e r 定义用户界面对用户输入的相应方式。人机界面和机床控制器的 关系如图3 4 所示。 图3 4 人机界面和机床控制器的关系 3 4 2 机床控制器软件结构 一机床控制器数据流 数据流模型是用来描述系统的一种常用的方法。它描述系统的逻辑模 型，以及信息在系统中流动和处理的情况。数据流模型看起来和控制工程 师熟悉的硬件系统相似。它已被成功应用于许多领域，如仿真、信号处理、 数据采集与处理，科学可视化领域等。设计数据流只需考虑系统必须完成 的基本逻辑功能，完全不需要考虑如何具体地实现这些功能，所以它是软 件设计最好的起点。本文通过对数据流分析把控制系统功能降解为多个组 件，并用数据流模型构建控制系统。 数据流图描述系统的数据流，它是一种用来表示信息流程和信息变换 过程的图解方法，它把系统看成是由数据流联系的各种功能的组合。图3 5 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 表示本系统机床控制器的数据流图，它指明该系统的输入输出数据流，数 据是如何流经整个系统以及对数据操作的处理过程。数据流分为两个部分， 实框是非实时部分，虚框是实时部分。实时和非实时之间的存储池，主要 是用于实时和非实时部分通信，它们通过r t f i f o 和共享内存进行通信。 【囤卜司囹 獬萋舞 l 壹公o 。弋止匈， 博? ；j ：拶l ：箨 l机床 图3 5 机床控制器的数据流模型 二机床控制器软件实现结构 图3 6 给出了本系统机床控制器的实现结构。清晰的软件结构和灵活的 软件形式促进了软件重用。同时，在开发机床控制软件时，提供了一种把 不同专业的人员区分开来的途径。该系统的实现分为两个相互独立的部分： 创建应用领域专用软件组件和使用已创建组件集成单个应用程序。在实时 部分，组件采用任务模块，采用配置文件集成。 在非实时部分使用一般的编程语言( c ，j a v a ) 等生成功能模块，采用脚本 语言进行集成。在这里为了提供统一的接口，所有的组件都采用任务模块， 采用配置文件集成。 三系统平台 图3 7 给出了本系统的系统平台。这个平台通过吸收硬件、操作系统的 特性封装了计算系统的细节，这样中间系统的可靠性使应用软件很容易移 植，也使应用软件模块具有在分布式异质环境中的互操作性。横向表示系 统的工具软件如配置环境等。纵向表示系统的任务模块，如机床控制器所 第三章开放式数控系统的基本理论和结构组成 有的功能模块，它们都是即插即用的组件。这些模块可以根据需要选配， 形成不同的机床控制器。 崔倒： 一一实时肿 图3 6 控制系统软件实现结构 第四章开放式数控系统的关键技术研究 第四章开放式数控系统的关键技术研究 4 1 操作系统平台的选取 运行在p c 上的操作系统很多，但由于数控系统是个实时多任务的应用 程序，因此只有部分操作系统可用于数控系统。下面就各个操作系统的实 时性能做一比较，以便为在开发数控选择开发平台时提供参考依据，并为 实验系统选择一个适合的平台。 4 1 1 通用操作系统 如果用通用操作系统，时间精度很可能被操作系统本身延迟。通用操 作系统本质上是不可预测的，导致实时处理的不可靠性( 即使是相对较可靠， 计算简单的任务) 。通用系统如m i c m s o f tw i n d o w s9 5 9 8 仕旺陀0 0 0 ，m a c j n t o s h 0 s ，u n i x 等，都是多任务系统，意味着它们允许计算机同时运行几个进程。 它们通过分时技术允许多个任务并发，在所有活动任务问分配资源。分时 的一个直接后果是实时精度不能保证，因为一个任务结束到中断之前的延 迟，响应性关注是在指定中断之后操作系统为中断提供服务的时间。因此 对数控系统来说，简单提高反应时间不能解决时问约束问题，因为可确定 性主要是确保条件、事件出现和由此引起的动作开始、结束的时间在一个 准确的时间间隔内。在c n c 系统中，条件、事件是由操作员的指令f 紧急停 止，移动x 轴等) 或是机床的状态( 如刀具破损等) 引起的。实际上，需要满足 时间约束的情况主要是和系统安全( 如对突发事件的反应等) 以及切削精度 ( 更高的精度响应插补周期) 有关，因此数控系统具有硬实时任务。硬实时任 务指必须满足最后期限的限制，否则会给系统带来不希望的破坏或者致命 的错误。 系统如m i c r o s o f tw i i l d o w s9 5 9 8 ，n 1 ：2 0 0 0 ，m a d n t o s ho s ，u n i x 等，都是 多任务系统，意味着它们允许计算机同时运行几个进程。它们通过分时技 术允许多个任务并发，在所有活动任务问分配资源。分时的一个直接后果 是实时精度不能保证，因为一个任 x 第四章开放式数控系统的关键技术研究 束之前，系统被任务b 抢占，如果有更多活动任务，系统可能在返回到任务 a 之前执行其他的任务。一种解决方法是当任务完成或者新任务产生时，操 作系统根据任务分配资源，这个方法确保没有单个任务独占操作系统而优 化了系统的平均性能，但是在时间上带来了很多不确定因素。 很多时候，程序员使用软件中断满足任务的最后期限，这就是强迫操 作系统在一个给定的时间响应中断并提供服务，然而由于中断的分辨率很 低( 如l i n l l x 是1 0 0 h z ) ，这个方法只在任务实时性较低的情况下使用( 也就是说 任务的速率比中断的速率还要低) 。还有就是对操作系统底层的修改，如提 高中断频率，改变任务的优先级等方法可以提高一些操作系统的实时精度， 但是这样的改变对操作系统的性能有一定的损坏。 4 1 2 实时操作系统 一d o s 许多控制系统包括数控系统仍然使用d o s 。d o s 之所以能够保证系统 的实时性，只是因为它不是多任务系统它每次只执行一个任务。d o s 只专注于一个任务，这样可以保证任务的实时性。不过d o s 已经过时了， 使用起来很不方便，它不具有现代操作系统的特征，同时缺乏相应的图形 软件支持，开发环境比较简陋。如果利用d o s 开发控制系统一般采用下面 的办法。 d o s 本身不支持实时功能，也没有多任务的处理能力。但是d o s 具有 响应中断和调用中断服务程序的能力。d o s 的中断响应时间很短，可以满 足实时性要求。如果中断信号是周期的，则可执行周期性任务。如果中断 信号是非周期的，则可以执行非周期性任务。周期性任务是利用p c 机内部 时钟或外部时钟定时触发中断实现任务的周期性。将需要实现数控系统周 期性控制功能放置在时钟中断服务程序内，定时触发，即可周期地执行这 些实时功能。 二r t o s 实时处理的另一种解决方案是使用一个高度专用的实时操作系统 ( r t o s ) 如v x w o r k s ，q n x ，r e a i i x 等。这样的系统很是吸引人，因为它 们是专门为实时处理设计的，是硬实时操作系统。然而r t o s 费用很高，尤 其考虑到i 汀0 s 缺乏一般非露时应用的功能，如缺乏图形界面等。而且它们 第四章开放式数控系统的关键技术研究 w i n d o w sc e 是个很小的，可配置的，连接性好的实时操作系统。它适 合于设计简单，功能比较单一的小型实时控制系统。如设备控制、数据采 集等。这些系统要求响应时间一般在l 嬲左右，同时运行的线程不是很多。 从操作系统实时性的定义来看，w i n d a w sc e 并不能很好地满足对外界事件 的实时响应。w i n d o w sc e 不适合应用在大中型的硬实时系统中，因为这些 系统中必须处理大量的中断，而且系统中运行了数尽众多的线程。 五r t u n u x i j n l l 】【是类u i l i 】【操作系统大家族中的一员。从9 0 年末，i j 加x 这位相对较 新的成员突然变得非常流行，并且跻身于有名的商用u i 】【操作系统之列。 l 抽溉的一个重要应用是r t l 劬x r 1 ：i j n 呱实现了一个小的实时核心，它 只运行两个进程，实时进程( 高优先级，保证时间) 和标准的n 肌x 操作系统 ( 低优先级，可被实时进程中断】。r t i _ j u x 既可以保证实时进程的时间特性， 同时也可以作为标准的多任务i j n u x 提供服务。例如，在r r _ i j 加x 上运行图 形、图象软件的同时控制机器设备，因此r t u n 呱的功能特别强，另外， i j n u x 不是商业化的操作系统，它遵循g n u 公共许可证，源