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基于p c 的数控系统软件设计研究 摘要 论文以“s k k 8 系列防爆带压开孔机数控系统”的开发实践为基础，理论与实际结合 作为出发点，介绍了“产业数控机械”概念、技术内涵。论述了基于p c 的数控系统的硬 件设计、软件设计，软件工程在数控系统软件设计中的应用，并以软件工程思想为指导， 深入的研究了数控系统的界面设计，升降速控制算法设计。论述开放式数控系统国内外 现状，讨论了当前开放式系统数控硬件结构、软件结构。分析了全软件数控概念、技术 内涵。 分析了常规l i n u x 的体系结构及其实时性能。论述了l i n u x 实时内核的实现技术， 以实时l i n u x 为软件平台的开放式数控系统的体系结构，最后对数控技术的发展进行展 望。 关键词：开孔机软件工程开放式数控系统l i n u x 实时性基fp c 。 ? 一7 t h er e s e a r c ho fs o f t w a r ed e s i g no fc n cs y s t e m b a s e do np c a b s t r a c t 1 h ep a p e ri sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fc n cs y s t e mo fb o r em a c h i n e ，t h e o r y c o r m e c t e dw i t hp r a t i c e ，i n t r o d u c e st h ec o n c e p t i o na n dt e c h n i c a li n t e n s i o no f ”i n d u s t r yc n cm a c h i n e ”t h ep a p e rd i s c u s st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f c n cs y s t e mb a s e do i lp c ，a n dt h e a p p li c a t i o no fs o f t w a r ee n g i n e e r i n gi nt h e s o l l t w a r ed e s i g no fc n cs y s t e m u n d e rt h ei n s t r u c t i o i lo fs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h e t h e s i ss t u d i e st h ei n t e r f a c ed e s i g no fc n cs y s t e m ，c o n t r 0 1a l g o r i t h mi ns p e e d u p a n ds p e e d d o w n t h ep a p e rs t a t e st h ec u r r e n ti n t e r n a la n de x t e r n a ls t a t u so fo p e n c n cs y s t e m ，d i s c u s st h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fo p e nc n c ，a n a l y s e s t h ec o n c e p t i o na n dt e c h n i c a li n t e n s i o no fs o f t w a r ec n c t h ep a p e ra n a l y s e st h ea r c h i t e c t u r ea n dr e a l t i m ep e r f o r m a n c eo fg e n e r a l l i i h x ，d i s c u s st h ei m p l e m e n tt e c h n o l o g yo fr e a l t i m ek e r n e l o fl i n u x ，a n dt h e a r c hit e c t u r eo fo p e nc n cs y s t e ma tt h ep l a t f o r mo fl i n u x a tl a s t ，t h cp a p e rp r o s p e c t t h ed e v e l o p m e n to fc n ct e c h n o l o g yi nf u t u r e k e y w o r t l s ： b o r em a c h i n es o f t w a r ee n g i n e e r i n g o p e nc n cs y s t e m l i n u xr e a lt i m ep e r f o r m a n c e b a s e0 np c 致谢 在我的硕士学位论文完成之际，特别地向我的导师韩江致以最衷心的感谢。感谢导 师在我近三年的硕士阶段学习和生活中所给予的无微不至的关怀；感谢导师在我学位论 文的选题、调研、撰写等过程中所给以的悉心指导。导师严谨的治学态度、献身科研的 探索精神、诲人不倦的指导作风、精湛的学术造诣给我留下了极为深刻的印象，使我终 生受益。 感谢合肥工业大学c i m s 所王治森老师、楮学宁老师、杜晓荣老师对我的关怀与指 导。 感谢合肥工业大学c i m s 所何凯老师、张勇老师对我多方面的无私的教导和帮助。 感谢高鄂博士在我课题研制中遇到困难时所给予的热心解答和指导。 感谢马治堂师傅，徐万斌老师在我实验时耐心的配合和帮助。 感谢c i m s 所的所有老师、同学、工作人员对我的支持和帮助。 日期：2 0 0 2 1 0 1 6 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其f 世人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 盒塑亟垒丝丕垡 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已在论文中作了明确的 说明并表示致谢。 学位论文作者签名歹巧主魏签字日期：泐2 年) 7 月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鱼鱼：竺丝奎堑有关保留、使用学位 论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查询和借阅。本人授权锄墨兰进经可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：了巧方彰导师签名：彩沁 一 u 签字日期：弘旺年f 月约签字日期：渺a 上年，1 月f 日 学位论文作者毕业后去向：考博 工作单位；南京航空航天大学 通讯地址：南京航空航天大学3 2 4 # 电话： 邮编：2 1 0 0 1 6 插图清单 图卜1产业数控机械硬件结构6 图l 一2产业数控机械控制系统结构框7 图2 一t基于p c 数控系统硬件结构1 0 图2 2基于p c 数控系统软件结构1 1 图2 3背景程序与实时中断程序的关系示意图1 2 图2 一- 4中断型结构模式1 3 图2 5硬件磨损曲线1 4 图2 - 6 软件磨损曲线1 5 图2 7软件复杂性1 5 图2 - - 8软件成本1 5 图2 - - 9树型用户界面结构1 8 图2 一l o 编程界面 1 9 图2l l 开孔界面1 9 图2 1 2 主界面2 0 图21 3 类开发过程2 2 图2 一1 4 类p a r a m e t e r i n p u t c l a s s 测试模块2 7 图2 一1 5 汉字库的建立和使用2 8 图2 一1 6 线性升降速规律 2 9 图2 - 1 7 指数升降速规律 2 9 图2 一1 8 降速过程3 0 图2 一1 9 降速过程中的低速段3 1 图2 2 0 升速过程流程图 3 2 图2 2 1 匀速过程流程图3 3 图2 2 2 降速过程流程图 3 4 图2 2 3 低速过程流程图3 5 图2 2 4 刀具与管道相对位置3 6 图2 2 5 运动参数链表 3 7 斟2 2 6 开孔界面3 7 图3 1 数控专用模板嵌入p c 机结构4 1 图3 2软件结构4 l 图3 3p m a c 加p c 机数控系统结构4 3 图3 - 4p 姒c 实时控制软件模块 4 4 图3 5全软件数控4 7 图4 一lw i n d o w sc e 所支持的微处理器5 0 图4 2r t l i n u x 系统结构图 5 l 图4 3 r t l i n u x 虚拟中断管理 5 2 翻4 q基于r t l i n u x 数控系统体系结构5 4 第一章：绪论 1 1 数控技术发展史 二次世界大战以后不久，美国空军为了解决飞机零件和检查装置的复杂加工的 问题，一直在研究开发一种装置用来加工一种样板，作为直升飞机叶片轮廓的检查 装置。在e n i a c ( 电子数字积分计算机) 的启发下，采用数字控制控术进行机械加工 的概念提出来了。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院( m i t ) 与帕森斯公司进行合作，发明了世界第一台 三座标数控铣床。控制装置大约由2 0 0 0 多个电子管组成，大小约为一个普通实验 室那么大。伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液 动机速度。其插补装置采用脉冲乘法器。这台n c 机床的研制成功标志着n c 技术的 开创和机械制造新时代一数控时代的开始。数控系统的发展主要经历了以下几个 阶段： ( 1 ) 1 9 5 2 1 9 5 8 年：电子管数控系统。 ( 2 ) 1 9 5 9 1 9 6 4 年：晶体管数控系统。 ( 3 ) 1 9 6 5 1 9 6 9 年；中、小规模集成电路数控系统。 ( 4 ) 1 9 7 0 一1 9 7 3 年：小型计算机数控系统。 ( 5 ) 1 9 7 4 1 9 8 6 ：p c 机数控系统。 ( 6 ) 1 9 8 6 一现在：基于p c 的开放式数控系统。 前三个阶段的数控系统主要是由电路的硬件和连线组成，所以称为接线逻辑数 控系统( w i r e dl o g i cnc ) 或硬件数控系统。它的特点是具有很多硬件电路和连接 结点。电路复杂，可靠性不好。( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) 阶段的数控系统主要是由计算机硬 件和软件组成，称cnc 数控系统。它最突出的特点是利用存贮在存贮器里的软件 控制系统工作。因此也称软件数控系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性 高。 我国数控系统的开发与生产，通过“六五”、“七五”引进、消化、吸收，“八五” 攻关和“九五”产业化，取得了很大的进展，性能和质量显著提高、功能价格比有 优势，我国具有自主版权的数控系统产业开始形成，在市场上具有一定竞争力，逐 步提高了市场占有率。已拥有具有自主知识产权的从低档到高档的产品，实际上 已突破国外对我国的限制，逐步形成了以航天数控集团，华中集团、机电集团、蓝 天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业，以及北京法那科、西门子数控( 南 京) 有限公司等合资企业的基本力量，为我国数控系统产业化奠定了基础。我国数 控系统产业在“八五”攻关中，普及型以上的系统全部转向了“基于p c ”做为硬 件平台。 1 2 数控技术发展过程中的几个关键技术 数控技术的发展已有5 0 年历史，它是在多种技术交叉的基础上发展起来的。 i 电子元件技术的发展 正如上面指出的，数控的发展阶段是根据电子元件的发展阶段划分的5 0 年代 初世界上第一台数控系统是由电子管组成的，系统占空间体积大、运算速度慢。1 9 4 7 年美国贝尔实验室诞生了晶体管，1 9 5 8 年美国德克萨斯仪器公司发明了集成电路， 从此微电子技术突飞猛进。根据摩尔定律，微处理器性能( 按芯片上的晶体管数量 定义) 每1 8 个月翻番；不断缩小特征尺寸，以增加芯片上晶体管的数量，从而也 提高了电路的处理速度。6 0 年代每块晶片( 1 0 c m 2 ) 有l o 个晶体管，7 0 年代后每l o 年增加1 0 0 0 倍。 集成电路发明后4 0 年晶体管的尺寸降低了t 0 0 万倍。由于微电子技术的发展， 对数控技术起着极大的推动作用。大大减少了占有的空间，提高了系统的可靠性， 也提高了性能。 2 软件的应用 1 9 7 0 年，在芝加哥展览会上，首次展出了c n c 数控系统，最早的c n c 是由小型 机控制的。大约在同时，英特尔公司发明了微处理器；1 9 7 4 年，美、日等相继研制 出以微处理器为核心的c n c ，有时也称为m n c 。由于它具有许多的优点，这种c n c 系统得到了飞速的发展。它采用计算机存贮器里的程序完成数控要求的功能。其全 部或部分控制功能由软件实现。数控系统软件完成管理和控制两种任务。管理任务 包括：输入、i o 处理、通信、显示和诊断等。控制任务包括译码、刀具补偿、速 度处理、插补、位置控制等。采用半导体存贮器存贮加工零件程序还可以代替穿孔 纸带进行加工，这种程序容易显示、检查、修改和编辑，因而减少系统的硬件配置， 提高系统的可靠性。另外，采用软件控制大大增加了系统的柔性，降低系统的制造 成本。常用的c n c 软件结构有前后台型软件结构和中断型软件结构。 目前c n c 系统的软件还包括c a d c a m 。通过c a d c a m 生成的g 代码直接送到c n c 系统控制机屎的运动。 3 伺服技术的发展 伺服装置是数控系统的重要组成部分。伺服技术的发展建立在控制理论、驱动 系统及电力电子技术的基础上。5 0 年代初，世界第一台数控机床的进给驱动采用液 压驱动。由于液压系统单位面积产生的力大于电气系统所产生的力，惯性小、反应 快，因此液压系统成为当时nc 系统的进给伺服系统。当时的富土通公司从m i t ( 麻 省理工学院) 吸收第一台n c 技术后、开始用伺服阀电液系统作为进给驱动系统，然 后在1 9 5 9 年很快就推出了电气液压脉冲马达进给系统，7 0 年代初期，由于石油危 机，加上液压对环境的污染以及系统笨重、效率低等原因，英国g e t t y s 公司开发 出大惯量直流伺服电机，它静力矩和起动力矩大，调速范围较宽，此外电机本身的 惯量大，可直接驱动负载，1 9 7 4 年f a n u c 公司很快就引进了并在n c 机床上得到了 应用。从此，开环系统逐渐由闭环系统取代，液压伺服系统逐渐由电气伺服系统取 代，电伺服由直流伺服到交流伺服的转变。采用电伺服技术的初期，指令为模拟 控制；这种控制方法噪音大，漂移大。由于数字控制可以克服上述缺点，因此越来 越多地得到应用。 4 可编程控制器的采用 在7 0 年代以前，n c 控制器与机床强电顺序控制主要靠继电器进行，由于继电 器存在接触不良，触点熔焊、磨损、线圈烧断等现象，严重影响控制的可靠性，因 此迫切需要新的控制器。1 9 6 9 年美国d e c 公司研制出世界第台可编程序控制器 l ，l c ，1 9 8 7 年i e c ( 国际电工委员会) 把它定义为：可编程序控制器是一种数字运算 电子系统，专为在工业环境下运用而设计。它采用可编程序的存贮器，用于存贮 执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、和算术运算等特定功能的用户指令，并通 过数字或模拟输入、输出，控制各类机械、生产过程。可编程序控制器及其辅助设 备都应按易于构成一个工业控制系统，且它们所具有的全部功能易于应用的原则设 计”。p l c 很快就显示出优越性：设计的图形与继电器电路相似；形象直观；可以 方便地实现程序的显示、编辑、诊断、存贮和传送；p l c 消除了继电器的缺点，很 快在nc 机床得到应用。使用p l c ，大大减少了系统的占有空间，提高了系统的快 速性和可靠性。 5 传感器技术的发展 n c 系统与机械相连，它能控制的精度除受机械的因素影响外，闭环系统还主要 取决于传感器精度，特别是位置和速度传感器；随着对机床精度要求的不断提高、 也对传感器的分辨率和精度提出更高的要求。于是出现了具有”细分”电路高分辨率 的传感器，比如，f a n l j c 公司研制的编码器通过细分可做到分辨率为1 6 4 x1 0 的 6 次方。利用它，可以构成高精度n c 系统，这就为超精控制及加工创造了条件。 1 3数控技术在国民经济中的作用 由上所述可以看出现代数控技术集机械制造技术、计算机技术与现代控制技术、 传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术与一体， 是现代制造技术的基础，它的发展和应用，标志着生产和控制领域一个崭新时代的 到来，使世界制造业的格局发生了巨大变化。 数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使 用给机械制造业生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和 辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基 础，现代c a d c f 蝴、f m s 、c i m s 、f a ( 自动化工厂) 等，都是建立数控技术之上的。 数控技术是国际商业贸易的重要构成，发达国家把数控机床视为具有高技术附加 值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。 因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平重要基础性产 业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生 产过程数控化，是当今制造业的发展方向。专家们曾预言：机械制造的竞争，其实 质是数控技术的竞争。有鉴于此，发达国家把提高数控技术水平作为提高制造业水 平的重要基础，竟相发展本国的数控产业。日本由于数控技术高度发展使其制造业 迅速崛起，美国要挽回其失去的地位，欧洲要适应市场竞争的需求，从而以数控技 术为主要标志的现代制造技术成了美国、日本、欧洲等工业国家竞争的焦点之一。 美国、日本、意大利、西班牙、印度等国，都采用了一些扶植本国数控产业发展的 政策措施。中国政府正采取各种有效措旖大力发展中国的数控产业，把发展数控技 术作为振兴机械工业的重中之重。数控技术在制造业扩展与延伸所产生的辐射作用 和波及效果对机械制造业的产业结构、产品结构、专业化分工方式、机械加工方式 及管理模式、社会的生产分工、企业的运行机制等正带来深刻的变化，它对国民经 济的发展起着重要的促进作用。 1 4 数控系统发展趋势 随着加工技术的发展，数控系统的功能也不断地发展，未来数控系统将向以下 几个方向发展：高精高速、多轴联动、柔性化、误差补偿、联网、安全。【2 i 1 高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采 用了高速c p u 芯片、r i s c 芯片、多c p u 控制系统、电主轴融合技术以及由高分辨 率检测元件，智能控制器、自动检测和自动识别技术，数字信号处理器( d s p ) 构成 的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措旖，机床的高 速高精商效化己大大提高。 2 柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统软件及硬件均采用模块 化设计，功能覆盖面大，系统配置灵活。适用于车床、铣床、钻床、磨床、加工中 心及电加工机床等各类设备，而且还使系统易于扩充功能和升级。群控系统的柔性， 同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整， 从而最大限度地发挥群控系统的效能。 3工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着 多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一 次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的 复合加工。 4实时智能化在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动 设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引 入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采 用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 5 高可靠性选用高速的p i i i 等新型高性能c p u 作为系统的运算和控制核心。c p u 主要完成系统管理、人机交互、动态显示、预处理和插补计算等任务。提高系统集 成度，严把质量关，在软件设计、电源设计、接插件设计、接地与屏蔽设计等方面 采用强抗干扰、高可靠性设计，从而全面提高系统的可靠性。 6 插补和补偿方式多样化多种插补方式如直线插补、圆弧插补、圆柱插补、空 间椭圆曲面插补、螺纹插补、极坐标插补、螺旋插补、n u r b s 插补( 非均匀有理b 样 条插补) 、样条插补( a 、b 、c 样条) 、多项式插补等。多种补偿功能如间隙补偿、垂 直度补偿、螺距和测量系统误差补偿、与速度相关的前馈补偿、温度补偿、带平滑 接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等。 7内装高性能p l c 数控系统内装高性能p l c 控制模块，可直接用梯形图或高级 语言编程，具有直观的在线调试和在线帮助功能。编程工具中包含用于车床铣床的 标准p l c 用户程序实例，用户可在标准p l c 用户程序基础上进行编辑修改，从而方 便地建立自己的应用程序。 8 操作方便。用户界面图形化，图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用， 人们可以通过窗口和菜单进行操作，以便快速编程、三维彩色立体动态图形显示、 图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。 利用多媒体技术，增加触摸屏操作功能及语音提示功能，使系统的使用更加方便。 9加工信息获取的自动化。在加工信息获取方面，往上实现c a d c a m c n c 一体 化，使复杂工件的加工更加容易；往下增加实物映身加工功能，实现无程序数控加 工。 1 5 课题来源、意义及该课题在国内外的概况 1 5 1 课题来源，意义 u 晚撵 “s k k 8 系列防爆带压开孔机”是由安徽同发设备股份有限公司和合肥工业大学 c i m s 研究所共同承担的安徽省“九五”重大科技攻关项目( 追加) ，其数控系统 由合肥工业大学c i m s 研究所研制配套。安徽同发设备股份有限公司是一家高科技 民营企业，为了调整产品结构，提高产品技术含量，开发研制“s k k 8 系列防爆带压 开孔机”，将数控技术应用于带压开孑l 设备中，开发出新一代机电一体化高新技术 产品。 应用数控技术，提供高性能、自动化、防火防爆在线带压开孔设备，保证管网 建设中的安全、快速、灵活和可靠是管道输送行业装备的发展趋势，该项目科技攻 关产品是该产业的关键产品。该产品的研制填补国内外空白。 本人参与了开孔机数控系统的软件设计，取得了较好的实际效果，并在此基础 上就基于p c 的数控系统软件设计进行了系统的分析和研究。 1 5 2 该课题在国内外的概况 从数控技术5 0 年的发展历程可以看出，基于p c 机数控系统可充分利用p c 机丰 富的软硬件资源，它是数控系统的发展方向，随着微电子技术的发展，计算机的运 算速度的提高，数控系统中越来越多的任务和功能逐渐由软件来完成，软件在数控 系统中的作用越来越大，因此本论文“基于p c 的数控系统软件设计研究”具有重 要的理论意义和现实意义。 1 6 “产业数控机械”概念、技术内涵 1 6 1 “产业数控机械”概念 随着数控技术的普及和推广，数控技术不断应用在各种行业的自动控制设备上， 我们称之为“产业数控机械”，如“系列防爆带压数控开孔机”。“产业数控机械” 是把数控技术应用到各种设备中，实现设备的自动控制，提高设备的工作效率，减 轻工人劳动强度，用高新技术改造传统产业，实现产品的结构升级而开发的数控机 械产品。它着重于各种物理量( 温度，压力，流量，位移，速度等) 的检测和控制， 而传统的机床数控着重运动轨迹控制。 1 6 2 “产业数控机械”技术内涵 i 产业数控机械硬件组成( 图卜1 ) ( 1 ) 主机按照预先存放在内存中的程序、指令，不断通过过程输入输出设备采集 被控对象的运行状况信息，并按程序中规定的控制算法，或由操作员通过键盘 输入的操作命令自动进行运算和控制，及时产生控制命令，并通过过程输入输 出设备传给被控对象，以实现对被控对象自动控制的目的。 ( 2 ) 外部设备它包括输入设备，输出设备，外存储器和通讯设备。 输入设备：主要是键盘，用来输入程序，数据，操作命令。 输出设备：主要是打印机和显示器。 外存储器：包括硬盘和软盘，兼有输入输出功能。 通讯设备：可与其它控制系统或管理计算机通信，以组成规模更大，功能更强 对， 的网络控制系统。 ( 3 ) 7 程输入输出设备：包括模拟量输入输出通道( a d ，d a ) 5 h 数字量输入输出( i o ) 通道。 ( 4 ) 被控对象：是指广义被控对象，它包括被控对象及测量仪表和执行机构。测量 仪表把被控对象需要监控的各种参数( 温度，压力，流量，位移，速度等) 转换为 电信号( 模拟或数字) ，执行机构把计算机输出的数字模拟控制信号转变为相应的 控制动作。 系统总线c p u n a mn o m 幸寺幸 被控对象 图1 - 1 产业数控机械硬件结构 2 产业数控机械控制系统结构图( 见图卜2 ) 主机 r ( k ) + 量 图1 - 2 产业数控机械控制系统结构框 ( 1 ) 控制系统工作过程如下 被控量的设定量r ( k ) 与检测反馈量y ( k ) 进行比较，得两者误差项e ( k ) ，然后 按某种控制策略计算控制输出数字量u ( k ) ，经模拟转换后为u ( t ) ，经伺服放大 推动执行机构动作。 ( 2 ) 控制策略采用p i d 算法 p i d 控制是指一类由反馈系统偏差的比例( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 的线性 组合构成的反馈控制规律。它具有原理和控制结构简单，易于工程实现，鲁棒性强， 实用面广等一系列优点，多年来直是工业控制中应用最广泛的一类基本规律，其 控制规律为【3 l u ( t ) = i ( p 卜+ 丢胁肌n 警l ，式中 k 。 比例系数 n积分时间常数 t o微分时间常数 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制虐，所以 上式中的积分和微分不能直接使用，只能用数值计算的方法逼近，进行离散化处理， tz k t ( k = 0 ，1 ，2 ) j ：e ( f ) d rz 了1 圭e ( ，r ) = 了壹e ( j ) j = 0 i = o d e ( t ) 。e ( k t ) - e ( k - 1 ) t ： 出丁 e ( t ) 一e 瞅一1 ) 】 丁 u c p = 砩十扣+ t o k ( k ) - t e ( k - 1 ) = 鼯( k ) + k i ke ( ，) + k d ) 一e ( 七一1 ) 1 t计算机采样周期 t 采样时刻 k采样序号，k = 0 ，1 ，2 u ( k )第k 次计算机输出值 e ( k )第k 次采样时刻输入偏差值 e ( k 1 、第k 一1 次采样时刻输入偏差值 瞄 积分系数k a = k p t t i k d微分系数k d = k p t o f f 1 7 本论文的主要研究内容 论文以“s k k 8 系列防爆带压开孔机数控系统”的开发实践为基础，理论与实际 结合作为出发点，介绍“产业数控机械”概念、硬件组成、控制策略。第二章对基 于p c 的数控技术进行了深入的研究。研究了基于p c 的数控系统的硬件设计、软件 设计，以软件工程思想为指导，研究了数控系统的界面设计，升降速控制算法设计。 第三章研究了开放式数控系统软、硬件结构，及全软件数控。第四章介绍了当前数 控系统各种软件平台和普通l i n u x 内核结构，分析了普通l i n u x 不能直接作为硬实时 操作系统的原因，详细研究了增加实时内核r t l i n u x 得到硬实时l i n u x ，基于硬实时 l i n u x 的数控系统体系结构。第五章总结了研究成果，并对今后的研究作了进一步的 展望。 第二章基于p c 的数控系统软硬件设计 2 1 总体设计思想 为了使数控系统能够长期、可靠、方便地在工业环镜中运行，在制定数控系统 总体方案时必须重点考虑了以下几个方面： 2 1 1 加强系统可靠性 影响数控系统可靠性的因素很多，硬件规模和硬件的制造工艺水平往往是影响 可靠性的关键因素【“。因此，在开发数控系统时应选用高性能的c p u 作为系统的 运算和控制核心，并尽量用软件来实现数控系统的功能。在系统的具体硬件构成上， 选用国际市场上质量好、可靠性高的工控p c 作为数控系统硬件平台，尽量从市场 上购买硬件，减小自制硬件数量。此外，在软件设计、电源选用、接插件设计与选 用、接地与屏蔽设计等方面采用强抗干扰、高可靠性设计，从而全面提高系统的可 靠性。 2 1 2 提高大容量n c 程序的存储和联网功能 现代数控机床加工的零件越来越复杂，往往需多轴联动加工，导致n c 程序很 大。为方便大容量n c 程序的存储和处理，在数控系统中除设置大容量固态电子盘 外，还配置大容量高可靠性硬盘。另外，为了方便大容量程序和数据的高可靠性快 速传递，以及将c n c 与其它设备组成f m s 或c i m s ，可增加数控系统联网功能。 当系统工作于联网方式时，不仅可通过通讯系统与网上的计算机( 管理计算机、监 控计算机、c a d c a m 计算机) 交换信息和实现资源共享，而且上级管理计算机可 直接控制数控系统的运行，并实时获取数控系统和机床的有关状态信息。因此，数 控系统不仅可以与工厂局域网，i n t e m e t 相联接，实现车间和工厂级集中管理、集中 控制，而且还可以实现远程管理、远程控制以及远程服务和技术支持。 2 1 3 提高数控系统的控制精度 数控系统的控制精度是保证机床加工精度的关键。因此，在数控系统开发中应 该把它放在重要位嚣加以解决。如，提高数控系统的最小分辨率，采用高速高精度 闭环插补算法，提高轨迹生成精度；增强位置闭环控制能力；增加补偿功能等。 2 1 4 提高使用方便性 提高数控编程的方便性，是提高数控系统使用方便性的关键。因此，数控系统 除提供全屏幕编辑进行手工编程外，还应该配置自动编程系统，从而大大提高数控 编程的速度和智能化程度，大大方便了普通用户的使用。另外，因为现代工人都比 较熟悉个人计算机，数控系统在操作方面应采用标准计算机键盘或与其兼容的薄膜 键盘等输入设备，也可用软盘、移动磁盘、串行通讯、网络系统等输入零件程序。 此外，数控系统中应设置仿真功能，便于用户在加工前检查零件程序的正确性。 2 2 基于p c 的数控系统硬件结构 数控系统硬件总体结构如图2 1 所示。 c 嗡f c a 毓 监控 管理计算机 计算机 计算机 i 网络系终 兰示器i i乇业# c f 软盘 键盘l 硬盘 i 操作面板l无源底板 工控电源 l 一 1l1) r 比 旧l 阳5 旧i 旧l 篮 l llt 机床主机 图2 1 基于p c 数控系统硬件结构 从上图可看出，该系统由高性能工控p c 硬件平台、数控操作面板( 包括l c d 显示器，键盘) 、数控接口板卡( i o 板，d a 板) 和驱动执行机构等组成。p c 硬件平台包括工控电源、无源母板、工控p c 主板和软盘驱动器、硬盘驱动器等。 数控操作面板上有液晶显示器和薄膜键盘等。数控接口板卡是计算机与外部执行装 置间进行信息交换和转换的通道，对内它通过无源母板与工控p c 主板相连，对外 通过屏蔽电缆与驱动执行装置相连接。 该系统的驱动执行环节包括四个子系统：进给轴控制与驱动子系统；主轴控制 与驱动子系统；开关量控制系统。 迸给轴控制与驱动子系统由伺服电机、检测装置、传动机构及执行部件等组成， 它的作用是保证机床各进给轴严格按照计算机发出的控制指令运动。该系统可采用 开环、半闭环、闭环等多种控制方案，可接受光栅、编码器等检测装置的检测信息， 并通过数字化信息控制伺服电机运动，从而保证机床各轴的运动精度。 主轴控制与驱动子系统的功能包括两方面：主轴转速的调速控制，以满足宽范 围切削速度的要求；主轴转角的精确控制，以满足加工螺纹时的主轴与迸给轴的联 1 0 动控制和换刀时的主轴精确定位控制要求。 开关量控制系统完成机床的逻辑顺序运动控制，如主轴起停控制、刀具交换、 工件装夹、冷却开关、行程保护等任务。开关量控制系统与其它模块相配合，共同 完成机床工作过程的控制。现代机床的强电顺序控制由p l c 来完成，p l c 消除了继 电器的缺点，提高了系统的快速性和可靠性。 2 3 基于p c 的数控系统软件结构 数控系统软件为实时多任务系统，系统中的各任务在数控实时操作系统控制下 协调进行。系统中的各模块功能如图2 - 2 ： 数控实时操作系统 图2 - 2基于p c 数控系统软件结构 1 数控实时操作系统：它是数控系统软件中的核心子系统，它对系统中的资源进 行统一管理，对各任务进行动态调度，协调各模块的高效运行，并辅助完成各 任务间的通讯和信息交换。 2 信息预处理：该模块完成输入信息译码，完成轨迹插补前的坐标转换和刀补运 算。 ：j 轨迹插补：它是数控系统的核心模块，其任务是根据信息预处理给出的希望轨 迹和从检测装置获得的实际轨迹信息，实时生成机床各坐标轴的移动指令，并 完成机床运动的加减速控制。 4 运动控制：该模块是数控系统的另一核心模块，它根据插补运算结果，通过高 速算法对机床各坐标轴进行高精度位置控制，并完成主轴转速与转角的控制任 务。 5 加工仿真模块：该模块以动画方式对数控加工过程进行动态仿真，从而可在加 工前检验参数输入正确性和机床运动合理性。 6 开关量控制：对系统中的开关量进行逻辑运算，按p l c 的原理控制机床的逻辑 顺序运动。 7 方式控制：它由自动方式、栖i 方式、手动连续、手动增量、联网控镪j 等字模块 组成。在每一方式下显示自己的方式界面，并在相应窗口中显示系统提示信息 进行操作引导。 8网络通讯：该系统通过网络接口和通信软件与上级计算机联网，与网上计算机 交换信息和实现资源共享。上级管理计算机可直接控制数控系统的运行，并实 时获取数控系统和机床的状态信息。 2 4 基于p c 的数控系统软件结构模式 所谓结构模式是指系统软件的组织管理方式，即系统任务的划分方式，任务调 度机制，任务间的信息交换机制以及系统的集成方法等【5 1 。结构模式要解决的问题 是如何组织和协调各个任务的执行，使之满足一定的时序配合要求和逻辑关系，已 满足数控系统的各种控制要求。目前，数控系统软件结构模式主要有两种：前后台 型结构模式和中断型结构模式。 2 4 1 前后台型结构模式 这种结构模式把c n c 装置软件划分为两部分：前台程序和后台程序，前者主要 完成插补运算、位置控制、故障诊断及机床开关逻辑控制等实时陛强的任务，它是 一个实时中断服务程序，由d o s 的8 号中断功能来实现【6 】。后台程序也称背景程序， 在背景程序循环过程中，它完成显示、系统输入输出和预处理( 包括译码、刀补计 算及速度计算) 等弱实时性的任务，前后台相互配合来完成零件的加工任务。它们 工作过程是，系统启动后，经过初始化，开始背景程序循环，在景程序循环过程中， 不断地定时被前台中断程序所打断，来插入完成各种实时控制任务。整各系统的运 行情况如图2 3 所示。 初始化 实时中断 图2 - 3 背景程序与实时中断程序的关系示意图 前后台型结构采用优先抢占调度和顺序调度相结合的任务调度机制。前台程序 的调度是优先抢占式：前台和后台程序内部各子任务采用的是顺序调度。前台和后 台程序之间及前后台程序内部各子任务之间通过缓冲区实现信息交换。 前后台型结构特点：前台和后台程序内部无优先等级和抢占机制，所以实时性 差。但它模块关系简单，耦合度小，系统维护和扩充方便。前后台型结构仅适用于 控制功能较简单的系统。在开孔机数控系统中，采用了这种结构模式。 2 4 2 中断型结构模式 1 2 这种结构模式除了初始化程序之外，将整个系统软件的各种任务模块按照实时 性要求分别安排在不同级别的中断程序中，整个软件是一个多重中断系统，由中断 管理系统( 硬件和软件组成) 对各级中断服务程序实旖调度管理。其软件结构如图 2 - 4 所示。 采用中断型结构模式的系统的中断级别较多，可把实时性强的任务放在中断级 别高的中断服务程序中，应此这种结构模式的实时性好。但是中断级别多，模块的 关系复杂，耦合度大，系统的维护和扩充麻烦。 中断返i 旦f 图2 _ 4 中断型结构模式 2 5 软件工程在数控系统软件开发中的应用 软件工程是门研究如何用系统化、规范化、数量化等工程原则和方法去进行 软件的开发和维护的学科【7 l 。它包括两方面内容：软件开发技术和软件项目管理。 软件开发技术包括软件开发方法学、软件工具和软件工程环境。软件项目管理包括 软件度量、项目估算、进度控制、人员组织、配置管理、项目计划等。统计数据 表明，大多数软件开发项目的失败，并不是由于软件开发技术方面的原因，而是由 于不适当的管理造成的。软件工程对各种类型软件开发具有普遍指导意义，数控系 统软件的开发也应以软件工程原则和方法为指导。 2 5 1 软件的概念与特点 软件的开发与运行常常受到计算机硬件的限制，对计算机系统硬件有着不同程 度的依赖。软件是计算机系统中与硬件相互依存的另一部分，它是包括程序、数据 及相关文档的完整集合。其中程序是按事先设计的功能和性能要求执行的指令序列 【8 l 。数据是使程序能正常操纵信息的数据结构；文档是程序开发、维护和使用有关 的图文资料。当前在产业界的经济活动中，相对于机器设备等有形实体而言，则可 以把技术条件、管理法规、人员素质这样的无形因素称为广义的软件。本文只讨论 狭义的软件。软件的特点： l 软件是一种逻辑实体，而不是具体的物理实体。因此它具有抽象性，这是它与 计算机硬件或其他工程对象明显的区别的特点。它可以保存在各种媒介中，但 无法看到软件的形态，只有运行才能看到软件特性。 2 软件的生产与硬件不同。软件开发过程没有明显的制造过程。硬件一旦研制成 功，可以重复制造，在制造过程中进行质量控制，以保证产品的质量。而软件 是通过人的智力活动，把知识与技术转化成信息的一种产品。软件研制成功后 可以大量低成本复制。软件的质量控制必须着重在软件开发方面下功夫。 3 软件在运行和使用期间，没有磨损和老化问题。机械电子设备在运行和使用中， 其失效率大都遵循如图2 5 所示的u 型曲线。 失 效 塞 图2 - 5 硬件磨损曲线 左半翼，因为硬件刚投入使用，各零件尚未配合好，容易出现问题。经过一段 时间磨和，就可以稳定下来。右半翼，因为设备经历了相当长时间的运转，出现磨 损老化，使其失效率越来越大。图2 6 显示软件失效情况，因软件无磨损，老化问 题，所以无u 型曲线右半翼。但软件存在退化问题，在软件生成期中，不断发现 以前没有发现的故障，以及用户新的要求，必须多次修改软件，而每次修改必不可 免的引入新的错误，使软件失效率升高，导致软件退化。 失 效 塞 图2 - 6软件磨损曲线 4 软件的开发与运行常常受到计算机硬件的限制，对计算计系统有着不同程度的 依赖。为了解决依赖性问题，在软件开发中提出了软件的移植问题，并且把软 件的可移植性作为衡量软件质量的因素之一。 5 软件是复杂的。软件的复杂性来自它所反映的实际问题的复杂性，程序的逻辑 结构是复杂的，因为要能够处理各种可能出现的情况。应用软件的开发还要涉 及到其它领域的专业知识，对软件开发人员提出了更高的要求。数控系统软件 开发人员必须具有机械，电子技术，控制原理，计算机编程等知识。软件技术 的发展滞后于复杂的软件需求，随着时间的推移这种滞后现象越来越明显，如 图2 7 。任何把软件开发看成简单工作的观点都是愚蠢的，也是危险的。 软 件 复 杂 性 时间 1 9 5 07 08 5 9 5 时间 图2 7 软件复杂性 图2 - 8 软件成本 6 软件成本昂贵。软件的开发必须要投入大量的，复杂的，高强度的脑力劳动， 导致软件成本很高。软件成本占整个应用系统总成本的比例逐渐增大，如图2 8 。 软件开发具有很大风险性，即使对软件开发投入巨资，也不一定能获的结果。 全国有许多科研院所及企业从事数控系统的开发，但是真正能够市场化的产品 并不多。 2 5 2 软件工程过程 软件工程过程是为获得软件产品，在软件工具支持f 由工程师完成的一系列软 件工程活动。每个软件开发商都可以规定自己的软件工程过程对同一软件产品不 同开发商会制定不同的软件工程过程i9 1 。但是，所有的软件工程过程都包含四种基 本的活动。 1 软件规格说明：规定