（机械电子工程专业论文）基于com技术的开放式数控系统软件研究与开发.pdf

一 量主里旦竺垫查塑茎塾垄墼堡墨竺竺堡堕壅皇茎茎 a b s t r a c t m o s tt r a d i t i o n a lc n c s y s t e m sa r em a d ew i t hc l o s e dc o n t r o la r c h i t e c t u r e w h i c ha r e d e p e n d e n t o nm a n u f a c t u r e l e n l a r g e m e n t s o ff u n c t i o n a l i t yo ft h ec n cs y s t e m so r m o d i f i c a t i o nt ot h es y s t e m sa l w a y sa r ev e r yd i f f i c u l t o p e nc o n t r o lt e c h n o l o g yi sb r o u g h t u pi nt h i sc i r c u m s t a n c e d e s i g n e db yo p e n c o n t r o lt e c h n o l o g y , t h ec n c s y s t e m sa l eb u i l do nao p e np l a t f o r m ， w h i c ha r ee x t e n d a b l e ，s c a l e a b l e ，p o r t a b l ea n di n t e r o p e r a b l e u s e r sc a r lm o d i f yo re x t e n d t h ec n c s y s t e m si no r d e r t oa d a p tt on e wo rt h e i ro w nn e e d s t h i st h e s i su s e st h et e c h n o l o g yo fc o m ，a n dr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p st h eo p e nc n c s y s t e m t h ec o m c n cm o d e ls y s t e mh a sb e e nb r o u g h tu pb a s e dw i n d o w sa n dp ca s s o f t w a r ep l a t f o r ma n dh a r d w a r e p l a t f o r m f o l l o w i n ga r et h em a i n w o r ka n dr e s u l t s ： 1 、t h e p a s t 、c u r r e n ta n d t h ed e v e l o p m e n tt r e n do f c n c s y s t e ma r ei n v e s t i g a t e d t h ec n c a r c h i t e c t u r ei si n v e s t i g a t e dt o o ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n tt ot h ec n c s y s t e mc a p a b i l i t i e s a n d d e v e l o p m e n t t h en e c e s s i t y a n d i n e v i t a b i l i t y o ft h e o p e n n e s s h a v eb e e n d e m o n s t r a t e d b a s e do nt h er e s e a r c hr e s u l t so ft h ew o r l d ，t h ea d v a n t a g e so f o p e nc n c s y s t e ma r ed i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d 2 、b a s e do nt h ed e e p l yu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n go ft h eo m a c 、o s a c a c r i t e r i o n ， t om e e tt h eo p e n r e q u i r e m e n t so f t h ec n c s y s t e m ，am o d u l a r i z e df r a m e w o r ko fo p e n c n cs y s t e mh a sb e e nb r o u g h tu pb a s e do nt h e i n v e s t i n ga n da n a l y s i s o ft h e a r c h i t e c t u r eo f t h ec n c s y s t e m ，w h i c hh a sr e a s o n a b l el a y e rl e v e la n dg r a n u l a r i t y 3 、t h eo p e nd e s t i n a t i o no ft h ec n cs o f t w a r ei sa n a l y z e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo fu s i n g c o m t e c h n o l o g y t od e v e l o pc n cs o f t w a r ei sa t t e s t e d b a s e do nt h ea d v a n c e ds o f t w a r e d e v e l o p i n gm e t h o d ，t h e c n cs o f t w a r ep l a t f o r mi s d e s i g n e d ，u s i n go b j e c t - p r i e n t e d a n a l y s i sa n db e h a v i o r - b a s e dm o d e l i n g ， 4 、t h em o d e lc n c s y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do n t h ew i n d o w sa n dp c p l a t f o r m ， w h i c hh a sp r o v e dt h ec h a r a c t e r so f o p e nc n c s y s t e m k e y w o r d s ：c n c t 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 o m t e c h n o l o g y i i 南京航空航天大学硕七论史 第一章绪论 数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术 水平与发展趋势。数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测 等现代科学技术成就而发展起来的一门科学技术，数控技术的应用不但给传统制造业 带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和 应用领域的扩大，它对影响国计民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的 发展起着越来越重要的作用。 数控系统是数控技术的核心，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工 质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要 的影响。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础 性战略技术，越来越得到世界各国的高度重视和大力发展。 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控机床的产生与发展 二战以后随着科学技术和社会的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零 件加工质量的要求越来越高。为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求机 床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程实现自动化。在汽车、拖拉机等大 量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的投资费 用大，生产准备时间长，这与现代化大生产的要求极不适应。数控机床就是在这种条 件下发展起来的一种用用数控装置控制的、适用于精度高、零件复杂的单件、小批生 产的高效自动化机床。 第一台数控机床诞生于1 9 5 2 年美国麻省理工学院，到现在先后经历以下几个阶 段1 2 1 3 i ： ( 1 ) 硬件数控阶段 早期的数控装置是采用数字逻辑电路来“搭”成的，因而被称为硬件连接数控。 1 9 5 9 年，晶体管取代了笨重的电子管，缩小了体积，使得工业应用成为可能，诞生 了第二代数控系统。1 9 6 5 年出现t d , 规模集成电路构成的n c ，体积更小，功耗更低， 提高了可靠性，n c 发展到第三代。这一阶段的数控系统，各种控制功能均出硬件逻 辑完成，称为“硬件”数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低， 因而限制了其进一步的发展和应用。 南京航空航天大学硕七论史 第一章绪论 数控机床是信息技术与机械制造技术相结合的产物，代表了现代基础机械的技术 水平与发展趋势。数控技术是综合应用了电子技术、计算技术、自动控制与自动检测 等现代科学技术成就而发展起来的一门科学技术，数控技术的应用不但给传统制造业 带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和 应用领域的扩大，它对影响国计民生的一些重要行业( i t 、汽车、轻工、医疗等) 的 发展起着越来越重要的作用。 数控系统是数控技术的核心，其功能强弱、性能优劣直接影响着数控设备的加工 质量和效能发挥，对整个制造系统的集成控制、高效运行、更新发展都具有至关重要 的影响。因此，数控系统技术不仅作为数控发展的先导技术，而且作为制造业的基础 性战略技术，越来越得到世界各国的高度重视和大力发展。 1 1 数控技术的发展 1 1 1 数控机床的产生与发展 二战以后随着科学技术和社会的发展，机械产品的形状和结构不断改进，对零 件加工质量的要求越来越高。为了保证产品的质量，提高生产率和降低成本，要求机 床不仅具有较好的通用性和灵活性，而且加工过程实现自动化。在汽车、拖拉机等大 量生产的工业部门中，大都采用自动机床、组合机床和自动线。但这种设备的投资费 用大，生产准备时间长，这与现代化大生产的要求极不适应。数控机床就是在这种条 件下发展起来的一种用用数控装置控制的、适用于精度高、零件复杂的单件、小批生 产的高效自动化机床。 第一台数控机床诞生于1 9 5 2 年美国麻省理工学院，到现在先后经历以下几个阶 段1 2 1 3 i ： ( 1 ) 硬件数控阶段 早期的数控装置是采用数字逻辑电路来“搭”成的，因而被称为硬件连接数控。 1 9 5 9 年，晶体管取代了笨重的电子管，缩小了体积，使得工业应用成为可能，诞生 了第二代数控系统。1 9 6 5 年出现t d , 规模集成电路构成的n c ，体积更小，功耗更低， 提高了可靠性，n c 发展到第三代。这一阶段的数控系统，各种控制功能均出硬件逻 辑完成，称为“硬件”数控，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低， 因而限制了其进一步的发展和应用。 璀十c o m 技术的开放式数控系统软件研究开发 ( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段 7 0 年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算 机出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。1 9 7 0 年在美国芝加哥数控展 览会上，首次展出了以小型计算机为核一t l , 的计算机数控系统( c n c ) ，标志着数控系 统进入了计算机为主体的第四代。至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成， 从此系统进入了“软联接”数控时代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软联接c n c 系统，象征着数控系统进 入了以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积， 降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 7 0 年代米、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， 具备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。在系统体系结构上，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。 ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段 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h ”。 ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用 进入九十年代，个人计算机( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的性能提高很快，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。数控系统从此进入第八代基于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。 1 _ 1 2 现代数控技术的发展趋势 随着计算机技术和信息科学的发展，数控技术的发展将呈现出如下发展趋势“”： 璀十c o m 技术的开放式数控系统软件研究开发 ( 2 ) 计算机数控系统的发展和完善阶段 7 0 年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，通用小型计算 机出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。1 9 7 0 年在美国芝加哥数控展 览会上，首次展出了以小型计算机为核一t l , 的计算机数控系统( c n c ) ，标志着数控系 统进入了计算机为主体的第四代。至此，原来由硬件实现的功能逐步改由软件完成， 从此系统进入了“软联接”数控时代。 1 9 7 4 年，首次出现了采用微处理器芯片的软联接c n c 系统，象征着数控系统进 入了以微机为背景的第五代。这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积， 降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。 7 0 年代米、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， 具备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。在系统体系结构上，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。 ( 3 ) 高速高精度c n c 的开发与应用阶段 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h ”。 ( 4 ) 基于p c 的开放式c n c 的开发与应用 进入九十年代，个人计算机( p c ，p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的性能提高很快，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。数控系统从此进入第八代基于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。 1 _ 1 2 现代数控技术的发展趋势 随着计算机技术和信息科学的发展，数控技术的发展将呈现出如下发展趋势“”： 堕皇堕! 堕墨查兰竺! 堡兰 ( 1 ) 高精度、高速度 尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的， 高精度、高速度的内涵也在不断变化。目前f 在向着精度和速度的极限发展，其中进 给速度已达到每分钟几十米甚至数百多米。 ( 2 ) 智能化 智能化是为了提高生产的自动化程度。“。智能化不仅贯穿在生产加工的全过程 ( 如智能编程、智能数据库、智能监控) ，还要贯穿在产品的售后服务和维修中。即 不仅在控制机床加工时数控系统是智能的，就是在系统出了故障，诊断、维修也都是 智能的，对操作维修人员的要求降至最低。 ( 3 ) 软硬件的进一步开放 数控系统在出厂时并没有完全决定其使用场合和控制加工的对象，更没有决定要 加工的工艺，而是由用户根据自己的需要对软件进行再丌发，以满足用户的特殊需要。 数控系统生产商不应制约用户的生产工艺和使用范围。 ( 4 ) 基于p c 的n c f 在被更多的数控系统生产商采用。它不仅有开放的特点，而且结构简单、可靠 性高。但是作为发展方向似乎并未被普遍认同，且将来向着超精密和超高速的极限发 展对动态实时检测和动态实时误差补偿要求很高时，它未必就是发展方向。不过，目 前作为一个发展分支还是一种趋势。 ( 5 ) 网络化 便于远距离操作和监控，也便于远程诊断故障和进行调整。不仅利于数控系统生 产厂对其产品的监控和维修，也适于大规模现代化生产的无人化车间，实行网络管理， 还适于在操作人员不宜到现场的环境( 如对环境要求很高的超精密加工和对人体有害 的环境) 中工作。 1 1 3 我国数控技术的发展 我国的机床数控行业起步于1 9 5 8 年1 ，到6 0 年代末7 0 年代初，已经研制出一 些晶体管式的数控体统，并用于生产。但由于历史原因，并没有取得实质性的成果。 数控机床的品种和数量都很少，稳定性和可靠性也比较低，只在一些复杂的、特殊的 零件加工中使用。 直到8 0 年代初，我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进的c n c 装置 及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。这些数控系统性能比较完善，稳 定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后，得到了用户的认可，结束了我国数控 堕皇堕! 堕墨查兰竺! 堡兰 ( 1 ) 高精度、高速度 尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的， 高精度、高速度的内涵也在不断变化。目前f 在向着精度和速度的极限发展，其中进 给速度已达到每分钟几十米甚至数百多米。 ( 2 ) 智能化 智能化是为了提高生产的自动化程度。“。智能化不仅贯穿在生产加工的全过程 ( 如智能编程、智能数据库、智能监控) ，还要贯穿在产品的售后服务和维修中。即 不仅在控制机床加工时数控系统是智能的，就是在系统出了故障，诊断、维修也都是 智能的，对操作维修人员的要求降至最低。 ( 3 ) 软硬件的进一步开放 数控系统在出厂时并没有完全决定其使用场合和控制加工的对象，更没有决定要 加工的工艺，而是由用户根据自己的需要对软件进行再丌发，以满足用户的特殊需要。 数控系统生产商不应制约用户的生产工艺和使用范围。 ( 4 ) 基于p c 的n c f 在被更多的数控系统生产商采用。它不仅有开放的特点，而且结构简单、可靠 性高。但是作为发展方向似乎并未被普遍认同，且将来向着超精密和超高速的极限发 展对动态实时检测和动态实时误差补偿要求很高时，它未必就是发展方向。不过，目 前作为一个发展分支还是一种趋势。 ( 5 ) 网络化 便于远距离操作和监控，也便于远程诊断故障和进行调整。不仅利于数控系统生 产厂对其产品的监控和维修，也适于大规模现代化生产的无人化车间，实行网络管理， 还适于在操作人员不宜到现场的环境( 如对环境要求很高的超精密加工和对人体有害 的环境) 中工作。 1 1 3 我国数控技术的发展 我国的机床数控行业起步于1 9 5 8 年1 ，到6 0 年代末7 0 年代初，已经研制出一 些晶体管式的数控体统，并用于生产。但由于历史原因，并没有取得实质性的成果。 数控机床的品种和数量都很少，稳定性和可靠性也比较低，只在一些复杂的、特殊的 零件加工中使用。 直到8 0 年代初，我国先后从日本、德国、美国等国家引进一些先进的c n c 装置 及主轴、伺服系统的生产技术，并陆续投入了生产。这些数控系统性能比较完善，稳 定性和可靠性都比较好，在数控机床上采用后，得到了用户的认可，结束了我国数控 基于c o m 技术的开放式数控系统软件研究与开发 机床发展徘徊不前的局面，使我国数控机床在质量、性能及水平上有了一个飞跃。 1 9 8 6 年至1 9 9 0 年期间是我国数控机床大发展的时期。在此期间，通过实施国家 重点科技攻关项目“柔性制造系统技术及设备开发研究”及重点科技丌发项目“数控 机床引进技术消化吸收”，推动了我国数控机床的发展。”1 。 1 9 9 1 年以来，一方面从日、德、美等国购进数控系统，另一方面在积极开发、 设计、制造具自主版权的中、高档数控系统，并且取得了可喜的成果。我国的数控产 品已覆盖了车、铣、镗铣、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单 元等品种达3 0 0 多种。 1 2 开放式数控系统的产生与研究、发展 1 2 1 开放式数控系统的产生背景 数控技术的出现改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面，其柔性的工作方 式，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，大大提高了对现代化工业生产需求 的适应能力。将数控技术应用到实际生产中，可以大幅度缩短产品的制造周期，提高 产品的加工质量，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显著的经济效 益及广阔的发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平的重要指标之一。 然而，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。不断出现的新的加工需求，要求数控系统具有迅速、高效、经济地 面向客户的模块化特性和软硬件重构能力，而且这种重构能力所需的成本和周期较目 前将有大的改观。逐步降低生产厂家对控制系统的高依赖性，大幅度降低维护和培训 费用，改变以往数控系统封闭性设计模式，适应未来车间面向任务和定单的生产模式， 使得低层的生产控制更简单、有效。基于这种机制，生产厂家无需向系统供应商提供 任何自己技术秘密。在这种需求的驱动下，开放式数控系统( o p e nn u m b e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ) 应运而生。 1 2 2 开放体系结构数控系统的研究进展 近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军 共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构( n g c ) ”，欧共体的“自动化系统中开 放式体系结构( o s a c a ) ”，日本的o s e c 计划等，国内一些高校及企业也把目光投 向了这一领域啪。 ( 1 ) 美国的n g c 和o m a c 计划 基于c o m 技术的开放式数控系统软件研究与开发 机床发展徘徊不前的局面，使我国数控机床在质量、性能及水平上有了一个飞跃。 1 9 8 6 年至1 9 9 0 年期间是我国数控机床大发展的时期。在此期间，通过实施国家 重点科技攻关项目“柔性制造系统技术及设备开发研究”及重点科技丌发项目“数控 机床引进技术消化吸收”，推动了我国数控机床的发展。”1 。 1 9 9 1 年以来，一方面从日、德、美等国购进数控系统，另一方面在积极开发、 设计、制造具自主版权的中、高档数控系统，并且取得了可喜的成果。我国的数控产 品已覆盖了车、铣、镗铣、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单 元等品种达3 0 0 多种。 1 2 开放式数控系统的产生与研究、发展 1 2 1 开放式数控系统的产生背景 数控技术的出现改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面，其柔性的工作方 式，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，大大提高了对现代化工业生产需求 的适应能力。将数控技术应用到实际生产中，可以大幅度缩短产品的制造周期，提高 产品的加工质量，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显著的经济效 益及广阔的发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平的重要指标之一。 然而，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。不断出现的新的加工需求，要求数控系统具有迅速、高效、经济地 面向客户的模块化特性和软硬件重构能力，而且这种重构能力所需的成本和周期较目 前将有大的改观。逐步降低生产厂家对控制系统的高依赖性，大幅度降低维护和培训 费用，改变以往数控系统封闭性设计模式，适应未来车间面向任务和定单的生产模式， 使得低层的生产控制更简单、有效。基于这种机制，生产厂家无需向系统供应商提供 任何自己技术秘密。在这种需求的驱动下，开放式数控系统( o p e nn u m b e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ) 应运而生。 1 2 2 开放体系结构数控系统的研究进展 近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军 共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构( n g c ) ”，欧共体的“自动化系统中开 放式体系结构( o s a c a ) ”，日本的o s e c 计划等，国内一些高校及企业也把目光投 向了这一领域啪。 ( 1 ) 美国的n g c 和o m a c 计划 基于c o m 技术的开放式数控系统软件研究与开发 机床发展徘徊不前的局面，使我国数控机床在质量、性能及水平上有了一个飞跃。 1 9 8 6 年至1 9 9 0 年期间是我国数控机床大发展的时期。在此期间，通过实施国家 重点科技攻关项目“柔性制造系统技术及设备开发研究”及重点科技丌发项目“数控 机床引进技术消化吸收”，推动了我国数控机床的发展。”1 。 1 9 9 1 年以来，一方面从日、德、美等国购进数控系统，另一方面在积极开发、 设计、制造具自主版权的中、高档数控系统，并且取得了可喜的成果。我国的数控产 品已覆盖了车、铣、镗铣、加工中心及齿轮机床、折弯机、火焰切割机、柔性制造单 元等品种达3 0 0 多种。 1 2 开放式数控系统的产生与研究、发展 1 2 1 开放式数控系统的产生背景 数控技术的出现改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面，其柔性的工作方 式，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，大大提高了对现代化工业生产需求 的适应能力。将数控技术应用到实际生产中，可以大幅度缩短产品的制造周期，提高 产品的加工质量，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显著的经济效 益及广阔的发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平的重要指标之一。 然而，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。不断出现的新的加工需求，要求数控系统具有迅速、高效、经济地 面向客户的模块化特性和软硬件重构能力，而且这种重构能力所需的成本和周期较目 前将有大的改观。逐步降低生产厂家对控制系统的高依赖性，大幅度降低维护和培训 费用，改变以往数控系统封闭性设计模式，适应未来车间面向任务和定单的生产模式， 使得低层的生产控制更简单、有效。基于这种机制，生产厂家无需向系统供应商提供 任何自己技术秘密。在这种需求的驱动下，开放式数控系统( o p e nn u m b e r i c a l c o n t r o ls y s t e m ) 应运而生。 1 2 2 开放体系结构数控系统的研究进展 近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心( n c m s ) 与空军 共同领导的“下一代工作站机床控制器体系结构( n g c ) ”，欧共体的“自动化系统中开 放式体系结构( o s a c a ) ”，日本的o s e c 计划等，国内一些高校及企业也把目光投 向了这一领域啪。 ( 1 ) 美国的n g c 和o m a c 计划 南京航守航天人学顺l 。论义 1 9 8 7 年，里根政府为振兴美国的机械制造业，出台了n g c ( t h e n e x t g e n e r a t i o n w 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 ) 研究计划。该项目由美国国家制造科学中心( n c m s ) 与空军共同领导，于1 9 8 9 年开始实施。 n g c 计划主要是进行三个方面的研究：( 1 ) 新代控制器；( 2 ) 低价控制器： ( 3 ) 丌放化模块结构控制器。这为基于开放式体系结构的下一代机械制造控制器提 供一个标准。基于这一标准的控制器具有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发 展的特点。图1 i 表示了n g c 的体系结构。 计算机r 台 虚拟机械 _ 作站管理 图1 1n g c 系统体系结构 ( 3 ) 欧盟的0 s a c a 计划 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 l l i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划是欧 盟为了增强其机床和控制器制造商在世界市场中的竞争力而制定的研究项目。该项目 由德国斯图加特大学的制造控制技术研究所( i s w ) 主持，参加单位来自欧盟国家的 i1 家主要机床制造厂、控制器生产厂和高等院校。该计划共分为三个阶段，其中第 一阶段和第二阶段主要是完成o s a c a 规范、应用指南，并依照o s a c a 规范开发了 标准的通用系统平台和软件模块“”啪“1 。目前o s a c a 计划已经进入第三阶段，其 主要成果有：1 ) 定义了不依赖任何厂家的开放式数控系统的基本规范；2 ) 拟定了中 性的可以用于数控系统、机器人、可编程控制器和单元控制器的统一结构：3 ) 开发 了第一批示范性的应用软件模块。 0 s a c a 的目标是为数控等自动化设备定义一个独立于硬件平台、与制造商无关的 丌放式控制系统参考结构，这些自动化设备不仅包括机床数控( n c ) ，机器人控制 ( r c ，r o b o tc o n t r o l l e r s ) ，还包括可编程控制器( p l c ，p r o g r a m a b l e l o g i c a l 基于c o m 技术的开放式数挖系统软件研究与开发 c o n t r o l e r s ) 和单元控制器( c c ，c e l lc o n t r o l l e r s ) 。遵循o s a c a 规范的控制器 产品将提供更强的客户定制功能，缩短新产品开发的周期，降低产品的开发、维护、 培训和文档建立的费用。其体系结构如图l 一2 所示。 ( 3 ) r 本的o s e c 计划 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 f ) 计划是在日本国际机器人 和工厂自动化研究中心( i r o f a ) 建立的开放式数控委员会的倡导下，于1 9 9 5 年由东 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 信息系统公司共同组建的“。其目的是建立一个国家性的工厂自动化控制设备标准， 并开发新一代基于p c 平台、性能价格比高的开放体系结构数控系统。 o s e c 提出的开放式数控系统参考模型如图i - 3 所示“”。这一结构包括了零件 造型、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、轴控制等功能，并对各层 之阳j 的接口制定了协议。这一标准所取得的成绩如下：1 ) 提出了o n c 参考模型，并 转化为实装模型：2 ) 开发了基于个人计算机的接口系统；3 ) 提出并开发了o s e l 语 言：4 ) 开发了控制接口及语言处理器。 ( 4 ) 国内研究现状 我国在9 0 年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研 发，代表产品有华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型。它们均是以p c 为平台构 成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放特性，但还不具备开放数控的 本质特征，主要问题在于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 结构仍是白成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，所谓开放仍停留在p c 平台的丌 放层次上。其次是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 件工程的新理论、新技术，而这些正是实现数控系统开放性的关键所在。近来，以华 中理工大学为代表提出了一种基于“软件芯片”开放式数控的实现模式，采用面向对 象技术的继承和派生原理，提高数控软件的重用性。但这种方法只能获得软件原代码 级的可重用，尚存在着互操作能力差、可移植能力弱、扩展不便等不足。 1 3 本文研究背景及设计思想 1 3 1 本文研究背景 数控系统的体系结构开放化早己为世界各国机床制造商所认识，开放式数控系统 已成为数控系统发展的新浪潮，许多发达国家和地区的研究机构纷纷投入巨资对其进 6 基于c o m 技术的开放式数挖系统软件研究与开发 c o n t r o l e r s ) 和单元控制器( c c ，c e l lc o n t r o l l e r s ) 。遵循o s a c a 规范的控制器 产品将提供更强的客户定制功能，缩短新产品开发的周期，降低产品的开发、维护、 培训和文档建立的费用。其体系结构如图l 一2 所示。 ( 3 ) r 本的o s e c 计划 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 f ) 计划是在日本国际机器人 和工厂自动化研究中心( i r o f a ) 建立的开放式数控委员会的倡导下，于1 9 9 5 年由东 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 信息系统公司共同组建的“。其目的是建立一个国家性的工厂自动化控制设备标准， 并开发新一代基于p c 平台、性能价格比高的开放体系结构数控系统。 o s e c 提出的开放式数控系统参考模型如图i - 3 所示“”。这一结构包括了零件 造型、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、轴控制等功能，并对各层 之阳j 的接口制定了协议。这一标准所取得的成绩如下：1 ) 提出了o n c 参考模型，并 转化为实装模型：2 ) 开发了基于个人计算机的接口系统；3 ) 提出并开发了o s e l 语 言：4 ) 开发了控制接口及语言处理器。 ( 4 ) 国内研究现状 我国在9 0 年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研 发，代表产品有华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型。它们均是以p c 为平台构 成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放特性，但还不具备开放数控的 本质特征，主要问题在于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 结构仍是白成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，所谓开放仍停留在p c 平台的丌 放层次上。其次是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 件工程的新理论、新技术，而这些正是实现数控系统开放性的关键所在。近来，以华 中理工大学为代表提出了一种基于“软件芯片”开放式数控的实现模式，采用面向对 象技术的继承和派生原理，提高数控软件的重用性。但这种方法只能获得软件原代码 级的可重用，尚存在着互操作能力差、可移植能力弱、扩展不便等不足。 1 3 本文研究背景及设计思想 1 3 1 本文研究背景 数控系统的体系结构开放化早己为世界各国机床制造商所认识，开放式数控系统 已成为数控系统发展的新浪潮，许多发达国家和地区的研究机构纷纷投入巨资对其进 6 基于c o m 技术的开放式数挖系统软件研究与开发 c o n t r o l e r s ) 和单元控制器( c c ，c e l lc o n t r o l l e r s ) 。遵循o s a c a 规范的控制器 产品将提供更强的客户定制功能，缩短新产品开发的周期，降低产品的开发、维护、 培训和文档建立的费用。其体系结构如图l 一2 所示。 ( 3 ) r 本的o s e c 计划 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 f ) 计划是在日本国际机器人 和工厂自动化研究中心( i r o f a ) 建立的开放式数控委员会的倡导下，于1 9 9 5 年由东 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 信息系统公司共同组建的“。其目的是建立一个国家性的工厂自动化控制设备标准， 并开发新一代基于p c 平台、性能价格比高的开放体系结构数控系统。 o s e c 提出的开放式数控系统参考模型如图i - 3 所示“”。这一结构包括了零件 造型、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、轴控制等功能，并对各层 之阳j 的接口制定了协议。这一标准所取得的成绩如下：1 ) 提出了o n c 参考模型，并 转化为实装模型：2 ) 开发了基于个人计算机的接口系统；3 ) 提出并开发了o s e l 语 言：4 ) 开发了控制接口及语言处理器。 ( 4 ) 国内研究现状 我国在9 0 年代中期已开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研 发，代表产品有华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型。它们均是以p c 为平台构 成的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽有一定的开放特性，但还不具备开放数控的 本质特征，主要问题在于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 结构仍是白成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，所谓开放仍停留在p c 平台的丌 放层次上。其次是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 件工程的新理论、新技术，而这些正是实现数控系统开放性的关键所在。近来，以华 中理工大学为代表提出了一种基于“软件芯片”开放式数控的实现模式，采用面向对 象技术的继承和派生原理，提高数控软件的重用性。但这种方法只能获得软件原代码 级的可重用，尚存在着互操作能力差、可移植能力弱、扩展不便等不足。 1 3 本文研究背景及设计思想 1 3 1 本文研究背景 数控系统的体系结构开放化早己为世界各国机床制造商所认识，开放式数控系统 已成为数控系统发展的新浪潮，许多发达国家和地区的研究机构纷纷投入巨资对其进 6 南京航空航天大学硕e 论文 行研究和研制，并已取得了一定的进展。商业和市场的分析也证明了这一观念有着潜 在的巨大市场。在pc 机上开发cnc ，也己成为大多数国家nc 同行的共识”。 我国发展数控系统起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。 引进、消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无法从根本上解 决自主开发数控系统的问题。为了摆脱这种被动局面，就必须具有超前意识，因此， 利用现有的资金、资源、人才与技术，开展丌放式体系结构的研究，研制我国自己的 实时多任务数控系统，才是改变我国数控现状的唯一出路。我国的数控产业只有走开 放式体系结构道路，才有可能在整个数控产业界及学术界展开广泛及多层次联合，在 产品的设计与开发过程中有效地对产品、资金、技术等进行重组，进一步缩短新产品 的丌发周期、提高开发效率、降低开发成本，增强产品在国际、国内市场上的竞争力， 促进我国数控产业的进一步健康发展，缩短我国与世界先进水平的差距。 开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本性突破，是当今数控技术的发展 主流和研究热点”“，更是新一代c n c 的关键技术。本论文针对通用数控系统的开放 化具有结构先进、起点高、覆盖面广的特点进行研究，是一项紧跟数控发展前沿的研 究与开发工作，对于应用高新技术提高设备的性能，促进企业经济效益和振兴国民经 济意义重大。 1 3 2 本文的研究内容与设计思想 本论文主要借鉴了国外如西欧o s a c a 、日本o s e c 和美国o m a 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 ，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，研究开放式c n c 系统的软件体系结构与开发方法，基 于对系统的静态功能与动态行为的建模与分析，提出一个层次化、组件化的开放式数 控软件结构，以及基于c o m 规范的组件化c n c 系统软件开发方法，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、适应性强等开放性能， 并开发出开放式系统样机c o m c n c 数控系统。 本论文的主要设计思想是利用工业p c 机和w i n d o w s 操作系统的优势”1 ，设计具 有丌放特征的数控系统