（机械制造及其自动化专业论文）基于pc的开放式焊接数控系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于p c 的开放式焊接数控系统的研究 摘要 焊接是一种常用的金属连接方法，广泛应用于生产过程中。现在， 焊接作为一门不可缺少的独立机械制造技术在机械加工行业扮演着重要 的角色。为了提高焊接质量，减轻劳动强度，实现焊接自动化，数控技 术被引入到了焊接领域。本文紧跟数控技术的发展，提出了研制基于p c 的开放式焊接数控系统的课题。本文主要的研究内容包括提出开放式焊 接数控系统的参考模型、设计基于p c i 总线的四轴联动运动控制卡、开 发完整的系统驱动程序、开发轨迹插补模块驱动程序以及设计友好的人 机交互界面。 本文首先介绍了焊接装备的发展现状以及国内外数控系统的研究动 态和应用现状，研究了基于p c 的c n c 系统的开放性原则，并根据本课 题的研究现状和国内的实际情况，提出了开放式焊接数控系统的参考模 型。该模型采用模块化设计分层的模块结构，各模块执行相应的功能， 并且在各层次之间具有相应的接口标准，这充分体现了系统的模块化、 可重构、可扩展、开放式的数控系统体系特征，为整个开放式焊接数控 系统的软硬件开发奠定了基础。 本文根据对计算机总线以及运动控制芯片的介绍，提出了开发基于 太原理工大学硕士研究生学位论文 p c i 总线和四轴运动控制芯片s m 5 0 0 4 的四轴联动控制卡。本文使用 p c i 9 0 5 2 桥接口芯片实现了i s a 卡同p c i 总线的连接，并使p r o t e l 9 9 s e 设计了运动控制卡的印刷电路板，同时进行了印刷电路板的抗干扰设计。 针对数控系统软件开发的复杂性，按照软件工程的思想自底层向上 开发方式对程序进行了模块化、结构化的设计，将系统软件划分成底层 驱动程序和上层应用程序两个独立而又能相互协调的部分。底层驱动程 序负责实现数控系统的包括设备的初始化和对象创建等本文采用 w i n d o w s d d k + d r i v e r s t u d i o + v i s u a lc + + 6 0 驱动开发工具，开发了完备 的w d m 设备驱动程序，列举了关键例程的源代码和实现过程。 上层应用程序的开发是在v c + + 平台上利用其所附的m f c 库进行的。 首先利用动态连接库的形式实现了对驱动程序的调用，通过修改i n f 文 件完成了驱动程序的安装；在轨迹插补模块中开发了基本的焊接数控系 统的插补驱动，主要是直线插补、圆弧插补、以及位模式插补驱动；在 人机交互模块中开发了友好的用户界面，实现对从界面输入的数控程序 的语法检查，并实现了系统的可视化参数配置。 关键词：焊接数控系统，p c i 总线，w d m 驱动程序，应用程序， 人机交互界面。 i i 一奎堕里三查塑主婴壅生堂焦堡苎 s t u d yo fp c - b a s e dc n cs y s t e m o nw e l d i n g a b s t r a c t w e l di sac o m m o nm e t h dm e t a l - m e t a ll i n k i n g ，w h i c hi sw i d e l ya p p l i e dt o m a c h i n i n gp r o c e d u r e n o w a d a y s ，w e l dh a sb e e np l a y i n ga ni m p o r t a n tr o l ei n m a c h i n i n ga n dm a n u f a c t u r ep r o c e d u ea sa ni n d i s p e n s a b l em a c h i n o f a c t u r e t e c h n o l o g y i no r d e rt oi m p r o v i n gw e l dq u a l i t ya n da l l e v i a t i n gl a b o r i n t e n s i t y a n dr e a l i z ew e l da u t o m a t i z a t i o nt h et e c h n o l o g yo fn u m b e rc o n t r o lh a sb e e n i n t r o d u c et ow e l df i e l d t h i sp a p e rf o l l o w st h er e c e n t l yd e v e l o p m e n to fn c t e c h n o l o g ya n dp u t sf o r w a r dt h i sr e s e a r c hp r o j e c t t h ep r i m a r yc o n t e n to ft h i s p a p e ri n c l u d e st h a tb r i n g sf o r w a r dak i n do fr e f e r e n c em o d e lo f o p e n i n gc n c s y s t e mo nw e l d ，d e s i g n sf o u ra x i sl i n k a g ec a l i s t h e n i c sc o n t r o lc a r do fb a s e d o np c ib u s ，d e v e l o p sw h o l ed r i v e r p r o g r a mo fc n cs y s t e ma n dt r a c k i n t e r p o l a t i o n m o d e ld r i v r p r o g r a m ，a n dd e s i g n s f r i e n d l y i n t e r f a c eo f u s e r 。c o m p u t e r t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i t u a t i o no ft h er e s e a r c h e so fc n c s v s t e ma n d w e i 嗵e q u i p m e n t si nt h ew h o l ew o r l da t f i r s t ，a n d t h e 口r i n c i p l e so f c h a r a c t e r so nt h ep c - b a s e dc n c s y s t e m a c c o r d i n gt ot h es i t i l a t i o na th o m e a n dt h er e q u i r e m e n t so ft h i s p r o j e c t , t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dt h er e f e r e n c e i i i 太原理工大学碗士研究生学位论文 m o d e lo ft h eo p e n i n gc n c s y s t e m t h i sm o d e l h a sb e e na d o p t e dt h es t r u c t u r e o f l a y e r e dm o d l l l eb l o c k ，e a c ho fb l o c k sc a r r i e so u tf u n c t i o na c c o r d i n g l y , a n d t h ei n t e r f a c e sa c c o r d i n g l yh a v eb e e nm a d ea m o n gl a y e r s i te m b o d i e sm o d u l e ， r e c o n f i g n r a b l e ，e x p a n d a b l ea n do p e n i n gc h a r a c t e r so fc n cs y s t e m ，w h i c hc a n b eu s e da st h eg u i d a n c eo fd e t a i l e dd e s i g no f s o f t w a r ea n dh a r d w a r e b a s e do nt h i si n t r o d u c eo ft h ec o m p u t e rb u sa n dc a l i s t h e n i c sc o n t r o lc h i p ， t h i sp a p e rp u t sf o r w a r df o u ra x i sl i n k a g ec a l i s t h e n i c sc o n t r o lc a r do fb a s e do n p c ib u sa n ds m 5 0 0 4 - f o u ra x i s l i n k a g e c o n t r o l c h i p t h i sp a p e r h a s i m p l e m e n t e dt h e l i n ko fi s ac h i pa n dp c ib u sm a k i n gu s ef o rp c i 9 0 5 2 b r i d g e - i n t e r f a c ec h i p ，d e s i g n e dp r e s sc i r c u i tp l a n ko f c a l i s t h e n i c sc o n t r o lc a r d u s i n gp r o t e l 9 9 s ea n ds m d i e di t sa n t i - j a m m i n gq u a l i t y i na l l u s i o nt ot h ec o m p l e x i t yo ft h es o f t w a r ee x p l o i t a t i o n ，w ed e s i g n e d t h ep r o g r a mi nm o d u l a r i z a t i o na n dc o n f i g u r a t i o na c c o r d i n gt ot h ei d e ao f b o t t o mt ot o pa n dm e a s u r e dt h es o f t w a r eo f ft w op a r t sw h i c ha r ed e p e n d e n t a n dh a r m o n i o u sw i t he a c ho t h e r t h eb o t t o md r i v e rp r o g r a mc a r r i e so u tt h e f u n c t i o no fi n i t i a l i z i n ge q u i p m e n ta n de s t a b l i s h i n go b j e c t so fc n cs y s t e m a d o p t i n gt h ed e v e l o p m e n tt o o lo fd r i v eo fw m d o w s d d k + d r i v e r s t u d i o + v i s u a lc p + 6 0 ，t h i sp a p e rd e v e l o p e ds e l f - c o n t a i n e dw d md e v i c ed r i v e ra n d s p e c i a l i z ec r i t i c a lc a s eo r d e rc o d ea n di m p l e m e n tp r o c e s s t h e d e v e l o p m e n to ft o pa p p f i c a t i o np r o g r a mi sd e s i g n e dm a k i n gu s eo f i t sm f cw a r e h o u s eo n v c + + p l 翻谊札f t r s to fa l l ，t h i sp a p e r h a s i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 i m p l e m e n t e dt h et r a n s f e ro fd r i v e rm a k i n gu s eo fd y n a m i c l i n kl i b r a r i e sa n d c o m p l e t e dt h ei n s t a l l a t i o no fd r i v ep r o g r a mu s i n gr e w o r ki n f f i l e s m o r e o v e r ， t h i s p a p e rh a sd e v e l o p e dt h ei n t e r p o l a t i o n d r i v e ro fb a s i cw e l d i n gc n c s y s t e mi n c l u d i n gl i n ei n t e r p o l a t i o n ，c i r c l ei n t e r p o l a t i o na n db i ti n t e r p o l a t i o n i nt h el a s t ，u s e ri n t e r f a c eh a sb e e nd o n ei nt h eu s e r c o m p u t e rm o d u l e ，t h e p h r a s i n gc h e c k - u po fc n cm a c h i n i n gp r o g r a m h a sb e e ni m p l e m e n t e da n dt h e s y s t e m v i s u a lp a r a m e t e rc o n f i g u r a t i o nh a sb e e ns u c c e e d k e yw o r d s ：c n c s y s t e mo nw e l d i n g ，p c ib u s ，w d md r i v e r ，a p p l i c a t i o n s o f t w a r e ， u s e r - c o m p u t e ri n t e r f a c e v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：么垒堑日期：抛厂fp 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名日期 导师签名：钰敷一日期：加，乡孑 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 焊接是一种常用的金属连接方法，广泛应用于生产过程中，自2 0 世纪初发展至 今，已用百余年的历史，但直到上世纪5 0 年代才显示出在工业及制造业上的重要性。 现在，在各工业国家，焊接作为一门不可缺少的独立机械制造技术在机械加工行业 扮演重要的角色“1 。 我国是一个制造业在国民经济中占主导的地位制造业大国，被称为世界工厂。 但是我国的制造业的发展水平与国外发达国家相比尚有很大的差距，主要表现在先 进装备的设计和制造能力差，成套设备和集成系统依赖于国外进口；工业自动化水 平低，数字化技术应用程度不高等。这些都已经成为制约我国制造业乃至其他行业 经济发展的关键瓶颈之一。1 。尤其在焊接领域，由于我国的焊接自动化技术发展与应 用起步较晚，使得我国的焊接自动化水平与国外相比更是差距明显。 随着电子技术、计算机技术、网络技术的迅速发展和普及，现代机械制造业的 基础技术发生了质的变化。为了提高我国的制造业水平，缩短与国外发达国家在制 造业方面的差距，国家提出了加速制造业发展的指导方针，即加速制造业信息化， 以信息化带动工业化，工业化促进信息化。因此，在现阶段，我国的制造业正面临 着一个难得的发展机遇。而焊接作为机械制造业的重要组成部分，提高焊接自动化 水平，发展高效率的焊接技术和装备，是提高机械制造业水平的重要途径之一。 1 1 焊接装备( 技术) 的发展现状及发展趋势 目前，焊接生产方式主要有三种方法：手工焊接；计算机半自动焊接；机械焊 接脚。各种焊接生产方法在其生产方式中所占的比重高低，是判断一个国家机械制造 水平高低的重要标准之一。然而焊接方式的改变，与焊接装备水平的提高息息相关。 为了提高焊接质量，减轻劳动强度，改善工作环境，减少污染，各种半自动、自动 焊接装备逐步地代替了部分手工焊接。随着科学技术的发展以及工业生产的需要， 太原理工大学硕士研究生学位论文 各种新型焊接方法如摩擦焊等相继出现“1 ；各种焊接质量检测方法如：焊缝自动跟踪 检测技术，各种自动无损检测技术相继应用于焊接工程中。：各种自动焊接装备相 继研制成功，极大地提高了焊接自动化水平。 目前，焊接装备的发展正朝以下几个方面发展”“”： ( 1 ) 向高精度、高质量方向发展。以与机器人配套的焊接变位机为例，其重复定 位精度已达0 0 5 m ，粳米操作机的行走机构的定位精度已达0 i m m 。 ( 2 ) 大型化。焊接装备向多参数、重型化和大型化方向发展。 ( 3 ) 数字化。焊接装备的数字化控制虽较传统金属切削加工机床复杂，但实施数 字化控制更为重要，焊接数字控制不但能提高效率，而且可以提高焊接质量，改善 工作环境，同时可使焊接柔性制造系统( c f m s ) ，焊接集成制造系统( c c i m s ) 的构建 成为可能。 ( 4 ) 智能化和网络化。智能化能够对焊接参数和原始工件进行优化选择，进而实 现焊接过程的全自动化。而网络化则可使企业的网络信息系统实现无缝连接，对提 高焊接制造工程的敏捷性具有重要意义。 我国的焊接装备及焊接自动化技术研制起步较晚。2 0 世纪5 0 年代初期，我国建 设了一批大型现代化骨干企业，开始研制自动焊接设备，发展焊接自动化技术。到 了2 0 世纪7 0 年代，才在上海、成都、长春等地陆续建成一批专门生产焊接工艺设 备的制造厂，进入到2 0 世纪9 0 年代，随着国内焊接工艺装备的需用量增加，各地 又相继成立了多家焊接装备生产厂。迄今，我国已有2 4 家焊接装备生产企业吼”。 在焊接装备的品种方面，2 0 世纪8 0 年代，大多是较简单的焊接操作机，变位机，回 转工作台等，成套性较差，自动化程度低。8 0 年代后期，由于大量引进了国外较先 进的成套焊接设备，促进了我国焊接装备的技术进步。随着集成电路和计算机技术 的发展，在焊接装备中部分已采用了交直流伺服电机、步进电机、p l c 可编程控制器、 工控机等，各种数控焊接机和焊接机器人也用于了焊接生产中，极大地提高了我国 焊接制造业水平啪。经过几十年的发展，我国的焊接技术及装备取得了巨大的成就， 主要表现在： ( 1 ) 各种半自动化、自动化的切割机及焊接机更多地代替了手工操作。 ( 2 ) 各种焊接装置及焊接自动化技术得到了发展。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 将计算机技术应用到了焊接领域，提高了焊接水平。 但是，从总体来看，我国焊接自动化技术与国外发达国家相比差距依然很大， 焊接机械与自动化工作量的比重不高，9 0 年代中期，我国焊接机械与自动化工作量 的比重已超过2 0 n 1 1 ，九五期间，我国加大了焊接自动化技术发展与应用的力度全 面推进焊接行业的自动化进程。目前，我国焊接自动化工作量的比重约占4 0 ，而一 些工业发达国家都在5 0 以上n 2 1 ，这说明我国的焊接自动化水平还非常的低。为了全 面提高我国的焊接技术水平，就必须将电子技术、计算机技术、自动控制技术、软 件工程引入到焊接领域中，这有这样，才能不断的提高焊接自动化的水平和焊接质 量。从我国焊接自动化装备的现状以及焊接装备的发展趋势和工业生产的要求来看， 要迅速实现焊接工程的完全自动化，构建焊接柔性加工系统( c f m s ) 以及焊接集成 加工系统，其中最重要的一个环节就是将数控技术引入到焊接领域，因此数控焊接 系统已成为焊接技术及装备的研究方向之一。 1 2 数控系统概况 数控技术是集机械制造、控制理论、电子学、计算机技术和精密检测技术等学 科基础上发展起来的- - 1 7 交叉学科“”。它是提高产品质量，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 了深刻的变化。数控技术是实现自动化、柔性化、集成化的基础，数控技术是关系 到国家战略地位和体现综合国力水平的重要基础性产业，其水平的高低是衡量一个 国家制造业现代化程度的核心标志。实现加工机床及生产工程的数控化，是当今制 造业发展的方向“1 。 1 9 5 2 年，美国研制成功世界上第一台三坐标数控铣床，标志着数控技术的诞生。 该机床的数控装置是基于电子管和继电器的机床数控装置，因此，该数控系统被称 为电子管数控系统，即为第一代数控系统。到2 0 世纪5 0 年代末，有固定布线的晶 体管元器件电路所组成的第二代数控系统一一晶体管数控系统研制成功。随着集成 电路技术的发展，数控技术也进一步发展，1 9 6 5 年出现了第三代数控系统集成 电路数控系统，它的实用性、柔性、易维修性有了一定程度的改善。计算机技术的 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 发展，使得计算机被引入数控系统成为可能。1 9 7 0 年，第四代数控系统一一小型计 算机数控系统出现了，它使得数控系统柔性、实用性、易维修性、环境要求以及对 任意机床的适应性方面都获得了质的改善。1 9 7 4 年，第五代数控系统微型计 算机系统诞生。现在，基于p c ( p c b a s e d ) 的第六代数控系统一开放式数控系统 已经出现并将逐渐完善成熟“。 1 3 开放式数控系统 传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算 机之间不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，维修升级困难，与计算机技术的迅猛 发展相比，数控系统发展严重滞后“”，这一现状已经不适应当今制造业市场变化与 竞争，也不能满足现代制造业向信息化，敏捷制造模式发展的需要“”。针对这种情 况，许多国家开始研究基于p c 的开放式数控系统。 研究开放式数控系统的目的是解决变化频繁的要求与封闭控制系统之间的矛 盾，从而建立一个可重构的系统平台。目前，对于开放式数控系统的定义还存在争 议，i e e e 的定义为：“符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的不同平台上，可 以与其他的系统应用相互操作，并且据有一致风格的用户交互界面“”。”开放式数控 结构普遍采用模块化层次化的结构，并向外提供统一的应用程序接口。开放式数控 系统具有以下基本特征啪“”： ( 1 ) 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运行； ( 2 ) 可伸缩性，c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的 大小( 硬件或软件模块) ，可根据具体应用增减： ( 3 ) 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制 系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上； ( 4 ) 可扩展性，c n c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统中， 形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸； ( 5 ) 可互补性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标准 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。 2 0 世纪9 0 年代以来，计算机技术发展迅速，p c 的性能有了显著的提高，使得 它作为数控装置的控制系统成为可能。仅几年来，基于p c 的数控系统成为c n c 发展 的主要方向。与以前的数控系统相比，p c n c 具有如下优点嘲： ( 1 ) 成本低。采用p c 作为控制系统的核心，可以节省开发专用硬件的费用， 从而大大降低数控系统的成本。 ( 2 ) 具有开放性。p c 总线是种开放性总线，这使得p c n c 体系结构具有开放 性，模块化，可嵌入的特点。 ( 3 ) 软件开发环境完善。市场上大量的p c 软件开发工具是系统开发工作量大 大减少。 ( 4 ) 软件资源丰富。各种c d c m 软件，工厂管理软件，通讯软件多媒体软件 可以大大提高图形显示，动态仿真，变成和诊断功能。 ( 5 ) 有良好的通讯功能。通用p c 的结构很容易与其它计算机系统货数控系统 通讯，利用成熟的网络技术，可使f m s ，c i m s 成为可能。 目前，开放式数控系统主要用以下几种结构魄“1 ： ( 1 ) p c 嵌入c n c 。在c n c 内部加装p c ，p c 与c n c 之间用专用总线连接。其优点 是容易实现；缺点是原形c n c 部分不能实现开放化。 ( 2 ) c n c 嵌入p c 。运动控制板或整个数控单元插入到个人计算标准插槽中。 专用c n c 单元内容包括加工轨迹生成等几乎所有的c n c 处理功能。这种类型的优点 是能充分保证系统的性能，软件的通用性强且变成处理灵活。 ( 3 ) 全软件c n c 。c n c 的功能处理全部由p c 完成，并通过装在p c 扩展槽中的 结口卡对伺服系统进行控制。其优点是编程处理相当灵活，软件的通用性强；缺点 是在通用p c 上进行实时处理比较困难，较难保证系统的性能，而且难以利用原型c n c 的资源，还有许多的问题需要进一步研究。 目前，c n c 嵌入p c 、全软件c n c 这两种形式是主流。根据以上三种形式的有优 缺点并结合但仅数控技术、计算机技术等的发展，决定在新开发的开放性焊接数控 系统采用较流行c n c 嵌入p c 形式。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 国内外研究现状 由于开放式数控系统具有以前数控系统所不具有的优势，因此为全球制造业所关 注，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。目前，欧洲、美国和日本等都在 进行开放式数控系统体系结构的研究，并相继推出了各自的开放式数控系统规范。主 要的研究计划：美国的n g c o n e x tg e n e r a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e r ) 计划；欧盟的 o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t c m ) j 计划；日本的 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t 妇c o n t r o l l e r ) 计划等。 ( 1 ) 欧盟的o s a c a 计划简介 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 t - m 项目计划 中。o s a c a 以统一欧洲制造商的利益，制定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( p 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 & i i 的最终报告和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，o 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。o s a c a 的主要问题是自从1 9 9 8 年以来，没有任何改进了， 由于它是9 0 年代初制定的，有些软件解决方案已经过时了【2 4 】。目前o s a c a 主要取 得以下成果：定义了中型的开放式数控系统规范；制定了中性的可以用于数控系统、 机器人及可变成控制系统和单元控制器的统一结构；开发了一批示范性的应用软件模 块。 o 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 控制系统应该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系统平台上。 o s a c a 的软件结构有三个主要组成部分：通讯系统、参考结构和配置系统。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，在各个模块间建立连接。o s a c a 采用了上 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 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 性瞄】。 ( 2 ) 美国的n g c 计划简介 美国是最早提出开放式数控系统的国家，在1 9 8 9 - 1 9 9 4 中，美国国防部委托马丁 马锐塔航天研究所研究并提出了n g c 计划，作为开放性接口的提案，企图通过实现 基于相互操作和分级软件模块的“开放式系统体系结构标准”即s o s a s ( s p e c i f i c a t i o n f o r a n o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e s t a n d a r d ) 找到解决传统数控系统存在的“专用、封闭” 问题。 n g c 被看作是一个计划、规范和基本原理，他的目标是产生、制造并批准一个 能够成为工业标准的开放式系统控制器规范。其主要用9 个功能设计概念来代表控制 要求。其分别是：分级使得控制结构，指出功能性的分解；分布式的控制适应在单个 工作站的多极控制；按系统、子系统和模块进行分类；虚拟机械方便了模块间的相互 交换和相互操作的能力；控制程序由三级设计表示；信息通过中型制造语言传递；公 共的l o o k 和f e e l 是人机接口的一部分；信息库管理所要求的信息，并包括实时数据； 传感器操作部件的操作按标准协议进行。以上9 个功能设计概念对实现s o s a s 很重 要，但这绝不是s o s a s 的全部内容。s o s a s 为广泛的应用提供了柔性和不同的等级， 这对降低费用、提高n g c 的扩展能力以及简化集成意义重大 2 s l 。 ( 3 ) 日本的o s e c 计划简介 1 9 9 4 年日本六家企业发起的o s e 研究会致力于标准型“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o s e c i 和其原型系统，1 9 9 6 年发布o s e c i i 。o 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 i 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 l ( f a c t o r ya u t o m a t o ne q u i p m e n t sd e s c r i p t i o n l a n g u a g e ) 。o s e c i i 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很容易把自己的组件集成到该平台上。 o s e 研究会是一个在主要控制器生产厂家提议下从事开发n c 和基于p ch m i 间接口标准a p i 的研究小组。它的研究成果p a p i 规范与1 9 9 9 年7 月发布，2 0 0 0 年 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 0 月出版。p a p i 定义机床控制系统的控制和显示功能的接口a p i ( 主要是指c n c ) ， 该a p i 包含了系统的主要功能，如系统控制手动操作和程序执行等，因为这个原因， 它被命名为p a p i ，即主要的a p i 。根据c n c 的功能把a p l 分成三类：c n c 系统a p i ， c n c 设备a p i ，c n c 应用a p i 。目前该说明只包括第一类的全部和第三类的部分。 p a p i 主要用于三类系统：现有的c n c p c ，一般类型的c n c + p c ，软件控制器的 c n c 鲫。 近年来，我国在开放式数控系统的研究方面也取得了很大的大进展，相继开发出 华中系列数控系统、蓝天系列数控系统以及航天系列数控系统等。这几种类型的系统 都有各自的特点，并且也都在进一步的发展之中。但是由于目前中国刚刚开始进行开 放式系统的标准化工作，在硬件资源不断更新、控制器产品种类的不断增加的情况下， 势必会造成系统开发的难度增加，阻碍中国控制技术的发展，进一步拉大同发达国家 在数控领域方面的差距。 1 5 选题的目的和意义及研究内容 ( 1 ) 选题的目的和意义 针对我国焊接技术及装备的现状，结合数控技术的最新发展，本课题提出开发 一个基于p c 的焊接数控系统，从而建立一个统一的可重构系统平台，以解决传统数 控系统因结构封闭而难以满足变化频繁的需求之间的矛盾，增强系统的柔性。该系 统为4 轴联动的数控系统，可以解决诸如空间直线插补、圆弧直线插补、空间曲线 如空间螺旋线、相贯线以及箱体类或容器类的内部焊接等的焊接操作，极大的提高 焊接效率与焊接质量，减少手工操作及降低焊接劳动强度，并可降低强光对操作者 的辐射以及减少对环境污染。并且基于p c 的焊接数控系统是一个结构开放、功能模 块化、标准化的焊接系统，可以解决研制数控各种焊接机的关键技术，并在与 c a d c a m 、c a p p 等实现数据共享的基础上，可最终构建成先进的f m s 、c i m s 系 统。基于p c 的焊接数控系统将从根本上解决传统焊接数控系统的缺陷，为我国焊接 制造业提高管理水平、经济效益提供技术支持，并可使我国的焊接技术提高到一个 新的层次，缩短与发达国家在焊接技术方面的差距，增强我国机械制造业的国际竟 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 争力。 ( 2 ) 本论文完成的主要工作 数控系统的开发是一项系统的工程，包括系统硬件的构造和软件的开发，这其中 又涉及到运动控制卡的设计、驱动程序的开发、实时性、开放性、通信、数据缓冲和 插补算法等许多方面的内容。本文对基于p c 的焊接数控系统主要作以下几个方面的 研究： ( 1 ) 对焊接数控系统进行总体设计，建立系统模型； ( 2 ) 构建基于p c 的开放型数控焊接机床的硬件系统，完成四轴联动联动运动控 制卡设计，其中装夹焊把的垂直轴为主轴- ij 轴，其余各坐标轴依据右手定则确定； ( 3 ) 对系统驱动程序进行设计开发； ( 4 ) 进行上层应用程序的开发，进行数控系统插补软件的设计开发，设计友好 的用户界面。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章开放式焊接数控系统的总体设计 在进行系统的详细开发之前，必须进行系统的总体设计，总体设计必须满足所开 发系统的基本需求，并且对系统的各个子模块以及子模块之间的相互作用和关系有全 局的理解，为下一步的详细设计创造一个优秀的整体框架，并对每个子模块做出详细 的功能定义。 2 1 数控系统设计的指导原则 根据前面对数控系统发展的介绍知，新设计的系统应为开放式的数控系统，并 根据开放性数控系统应具有个基本特征，提出新设计的系统应该满足以下几个原则： ( 1 ) 最大可能的利用p c 机软件、硬件技术。随着技术的发展，p c 机的性能不 断提高，硬件成本不断下降，充分利用p c 的硬件资源可以极大的减低系统成本。同 时，p c 机上提供了丰富的软件资源，可以方便的提供各种功能，如友好的界面、图 形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等。采用标准的程序开发工具 和通用的编程语言可以明显缩短系统开发周期，便于生产商和用户添加自身具备独 特技术技巧的功能模块。 ( 2 ) 模块化。为使焊接数控系统的具有开放性的功能，系统的设计应采用模块 化( 包括系统的硬件和软件) 的结构。各模块之间使用标准的接口，实现模块之间 的标准连接，模块的开发和运行可以单独进行。模块化的构成要素能够满足生产商 和用户的多样化多层次的要求。 ( 3 ) 可扩展性。开放性数控系统可使用户或二次开发者安全有效地将自己的软 件集成到个人计算机中，形成自己的专用系统。其方法有二：一是固定模块内部结 构，预留插入用户专用软件接口；二是提供用户程序接口函数，供用户创建专用模 块。 ( 4 ) 可移植性。系统模块化保证了在同一软硬件平台上，具有相同功能要素构 成的可移植性。但由于软硬件平台的多样性，需要实现在多种软硬件平台上的可移 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 植性。这就要求所定义的数据结构、命名习惯、用户接口外观等有利于不同平台的 实现。就软件来讲，采用分层设计或客户服务器模式设计应用程序，将与硬件有关 的部分置于底层，便于替换，实现移植。 ( 5 ) 具有动态配置系统。为实现更为灵活的配置和更友好的界面，开放式数控 系统能够实现在系统启动、运行状态下完成系统的动态配置；其实现是基于拓扑结构 的动态生成，包括构成要素、参数化构成要素的功能、构成要素之间的信息流的组织 等。 2 2 焊接数控系统的参考模型 根据系统设计的指导原则，我们提出了开放性数控系统的参考模型，如图2 1 。 在这模型中，系统分为软件系统和硬件系统两部分，并且每部分都有不同的模块组 成；在软件系统，软件层又分为上层应用软件和系统软件模块两部分。下面对各模 块功能进行介绍。 ( 1 ) 上层应用软件功能模块介绍。上层应用软件又可细分为人机界面、i s o 代 码处理、管理、监控、插补运算、过程控制、网络通讯、外部接口以及主控等各模 块。下面对其中的部分模块进行分析。 1 ) 人机交互界面模块。此模块主要完成数控代码的编辑和系统参数的设定，如 设定系统工作模式( 自动、手动、点动等) ，图形显示模式，系统初始化设定，坐标 偏置设定、刀具参数的输入等。 2 ) 预处理模块。首先要对数控代码进行词法和语法分析，然后对数控代码进行 译码、刀具补偿计算、粗插补计算等预处理，得到细化的插补段数据。 3 ) 轨迹插补模块。该模块主要解决系统的插补功能的实现以及怎样将插补的数 据转化成插补脉冲送往伺服机构的问题。 4 ) 过程控制模块。在从i o 及插补运算得到的信息的帮助下，通过插补控制机 床执行机构按n c 指令指定的路径和速度运动。 5 ) 监控模块。负责控制器的输入和输出，对焊接工程中各种状态进行监控和检 测。 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 ) 外部接口模块。外部接口模块提供各种系统接口，如焊接专家系统接口、焊 外部接口各模块 厂 外部接口模块 l 软 人机界面l_ j预处理模块 件 系 系 管理模块l统_ j轨迹插补模块 统 主 应用软件 控 监控模块l 模 _ j 过程控制模块 块 p l c 模块l_ j 网络通讯模块 c n c 系统应用软件 了亡 系统 j 操作系统 软件 i 驱动程序 l 丁亡 运动控制卡 执 2 。令 i 阳接口模块f i 运动黼蟆块i l j 硬件 p c 机j 、 r 一 行 兀 系统 、叫 件 。：- 一4 。 扩展卡 图2 - 1 开放式焊接数控系统模型 f i g u r e 2 1t h em o d u l eo f c n cs y s t e mo nw l d i n g 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 接c a d c a m 系统、数据库系统等，这些接口有助于c n c 系统与外部的其它系统的连接 和集成。 7 ) 系统主控模块。其是c n c 系统应用软件层的核心，负责整个系统的协调处理， 保证系统的高效运行。 ( 2 ) 系统软件模块介绍。 系统软件模块可分为操作系统和底层驱动程序两个模块。操作系统模块采用通用 的操作系统，如w i n d o w s 操作系统或l i n u x 操作系统，为用户提供良好的图形接口和 应用程序接口；驱动程序模块则实现对硬件设备的直接访问。 ( 3 ) 硬件系统各模块介绍。 同软件一样，焊接数控系统硬件系统也采用模块化设计。其主要有运动控制卡及 物理执行元件模块等。物理执行元件模块包括各种执行元件，如电机驱动器、各种继 电器、行程开关、十字滑台等等。运动控制卡的设计包括p c i 总线接口模块及运动控 制模块，在上一层则是通用p c 机的硬件系统。以上这些模块共同构成焊接数控系统 的硬件层。 由图2 1 可以看出，数控各个功能部分均采用了模块化设计，模块之间采用分层 结构，并在各层之间制定相应的接口标准从而使每一个都能实现互换。这样不同的模 块可以有不同的生厂商生产，并发挥各自的优势，共同组成一个高性能的系统。在通 用的操作系统下，c n c 系统软件可以与外部程序集成在一起；并且在通用的操作系 统上由各种开发工具如v b 、v c + + 等，这将使得数控系统的开发难度减低；同时由 于通用操作系统支持常用的网络通讯协议并有很多的网络应用开发工具，使得c n c 系统网络通讯模块开发难度降低。总之，图2 1 所示的焊接数控系统的模型图体现了 开放式系统的总体原则。 2 3 本章小结