（机械制造及其自动化专业论文）基于pc的磁性研磨机床数控系统的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 y7 8 8 5 0 ；j 基于p c 的磁性研磨机床数控系统的研究 摘要 随着复杂曲面零件的广泛应用，数控加工技术在制造业中 起到了越来越重要的作用。磁性研磨作为- - i 0 0 表面光整加工技 术，实现其数字控制对于将它应用到更广阔的领域具有重要意 义。本文针对磁性研磨机床实现三轴联动控制及加工空间曲面 的要求，对基于p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 的c n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 系统进行了研究和开发。 本文首先介绍了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、实时性原则，并根据本 课题的研究现状和国内的实际情况，制定了磁性研磨机床数控 系统的总体实现方案，为进一步实现系统的软、硬件结构构造 和详细设计给出了一个总体参考模型。 本文在w i n d o w s 平台下用v i s u a lc + + n e t2 0 0 3 开发了基本 的程序界面和数控系统预处理程序。运用软件工程的自顶向下 开发方式对预处理程序进行了模块化、结构化的设计。针对预 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 处理程序运行的特点设计了一种可扩展、可重构的实现方案， 在预处理程序中对每个处理环节，用标准c + + 语言设计了各种 数据结构和数据缓冲区，并在系统中实现了译码、插补和预处 理测度等功能。 对数控系统中的关键的空间插补算法进行了研究，论述了 空间直线插补和平面圆弧插补的基本算法，推导了空间圆弧插 补的一种坐标转换的递推算法。并通过设计w i n d o w s 的高精度 多媒体定时器实时中断程序，对预处理的数据结果进行m s 级 的输出调用，从而验证了预处理程序运行的正确性，保证了插 补数据输出的实时性。 最后，论文针对数控系统复杂的实时控制任务对于软件设 计带来的难点，应用机械系统实时控制软件的面向对象分析方 法建立了一个控制系统的“任务状态”体系模型，并在该模型 基础上研究了系统的任务调度处理和任务的状态转换逻辑。将 面向对象的分析设计方法学应用在了实时控制系统中，在软件 工程的整体设计层次上为下位机通讯及控制系统的实现打下了 良好的基础。 关键词：磁性研磨、计算机数控系统、数据结构、预处理、 太原理工大学硕士研究生学位论文 任务状态体系 n i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d yo fp c b a s e dc n cs y s t e m0 n m a g n e t i ca b r a s i v em a c h i n et o o l s a b s t r a c t w i t ht h eb r o a du s eo fp a r t sw i t hc o m p l e xc u r v e s ，t h en c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) m a c h i n i n gt e c h n o l o g yh a st a k e nam o r ea n d m o r ei m p o r t a n tp a r ti nt h em e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n gf i e l d t h e r e a l i z a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o l l e dm a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n gi so f g r e a ts i g n i f i c a n c ef o rt a k i n gi ti n t oa w i d e rf i e l d f o rt h eb a s i c r e q u i r e m e n ti s t h r e e a x i sc o n t r o l l e di ns p a c ec u r v e sm a c h i n e do n t h e m a g n e t i c a b r a s i v em a c h i n e t o o l s ，t h ec n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s y s t e mb a s e do np c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) i s r e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di nt h i st h e s i s t h i st h e s i s p r e s e n t s t h es i t u a t i o no ft h er e s e a r c h e sa n d 查堡里三! 壁堕主堕窒生堂丝堡塞 a p p l i c a t i o n so fc n cs y s t e mi nt h ew h o l ew o r l da t f i r s t a n dt h e p r i n c i p l e so fr e a l t i m ea n do p e nc 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 ma r ep r o b e d a c c o r d i n gt ot h e s i t u a t i o na th o m ea n dt h e 。e q u i r e m f so ft h i sp r o j e c t ，t h ew h o l es c h e m eo fc n c s y s t e mo n m a 驴e t l c ia b r a s i v em a c h i n et o o li sd e s i g n e d s o m ed e s i g np r i n c i p l e a n dac o n c e p tm o d a lo ft h ep c - b a s e dc n c s y s t e ma r c h i t e c t u r ei s p r o p o s e d ，w h i c hc a nb 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 t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h eu s e r si n t e r f a c e o fs o f t w a r ea n dt h e p r e t r e a t m e n t a p p l i c a t i o no fc n cs y s t e ma r ed e s i g n e dw i t hv i s u a lc + + n e t 2 0 0 3o nt h ew i n d o w s p l a t f o r m d u r i n gt h ed e v e l o p m e n t ，t h ei d e a o ft o pt ob o t t o mi ns o f t w a r e e n g i n e e r i n ga n dd e s i g nf a s h i o no f m o d u l a r i z a t i o na n ds t r u c t u r ea r e u s e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r s o fe a c hp r o c e s so f p r e 拄e a t m e n t ，t h ed a t as t r u c t u r e sa n dd a t ab u 恐r s a r er e a l i z e dw i t h s t a n d a r d c 十+ p r o g r a m m i n gl a n g u a g e t h e f u n c t i o n so f d e c o d i n g a n d i n t e r p o l a t i o n i nt h e p r e t r e a t m e n t a p p l i c a t i o na r ef u l f i l l e d t h ek e yi n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c t h e o r yo fc n cs y s t e mi s d i s c u s s e d a n dt h ei n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i co f s p a c el i n ea n dp l a n e v 太原理工大学硕士研究生学位论文 a r ci sr e s e a r c h e d a r i t h m e t i co fs p a c ea r c si n t e r p o l a t i o nu s e dt h e m e t h o do fc o o r d i n a t et r a n s f o r m a t i o ni sd e s i g n e d b yt h er e a lt i m e i n t e r r u p t i v ea p p l i c a t i o n o ft h em u l t i m e d i at i m e ro fw i n d o w s d e s i g n e d ，i to u t p u t t h ed a t at ? o m p r e t r e a t m e n tp r o c e s s i n m i l l i s e c o n dt i m e s ot h ec o r r e c t n e s so fp r e t r e a t m e n ta n dc h a r a c t e r o f r e a lt i m ed a t a so u t p u ta r ep r o v e d l a s t l y , t h i sp a p e ra i m sa tt h ed i f f i c u l t yt h a tc o m ef r o mt h e c o m p l i c a t e dr e a l - t i m ec o n t r o lt a s k ，a n dat a s k - s t a t es t r u c t u r em o d e l w i t ho b j e c t - o r i e n t e dd e s i g ni nc o n t r o ls o f t w a r ef o rm e c h a n i c a l s y s t e m sw i t hr e a l t i m ec o n t r o li sb u i l t a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h e d i s p a t c h i n go fc o n t r o lt a s k sa n dt h es t a t et r a n s i t i o nl o g i co ft a s k s a r ed i s c u s s e d t h eo o a d ( 0 b j e c t - o r i e n t e da n a l y s i sa n dd e s i g n ) m e t h o di su s e di nar e a l t i m ew o r l d ，a n dt h i si st h eb a s e o f r e a l i z a t i o no fs y s t e mo nt h el e v e lo fw h o l ed e s i g ni ns o f t w a r e e n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：m a g n e t i cf i n i s h i n g ，c o m p u t e rn u m e r i c a l c o n t r o ls y s t e m , d a t as t r u c t u r e ，p r e t r e a t r n e n t ，t a s k - s t a t es t r u c t u r e v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 i 引言 第一章绪论 装备制造业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和 现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业( 如信 息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业) 的使 能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于 生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就 是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术 和装备中最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高 制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界 上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采 取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键 技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术 为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国 力和国家地位的重要途径【l 】 2 l 【3 】。 磁性研磨是一种新型的零件表面光整加工技术，已取得了一些有价值 的研究成果。但是，其目前的应用范围仅限于比较简单的平面，内外圆柱 表面的磁性研磨光整加工【4 】【5 1 ，都是利用简单的进给和机床运动来保证加 工表面质量，使磁性研磨加工的应用范围受到极大的限制，。对于许多具有 复杂表面形状的工件则无能为力。因此有必要研究磁性研磨加工的三轴联 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 动进给数字控制系统。 1 2 磁性研磨光整加工 1 2 1 磁性研磨简介 磁性研磨光整加工技术( m a f m a g n e t i ca b r a s i v ef i n i s h i n g ) 是利用辅 助磁场来进行精密表面研磨的一种加工方法。磁性研磨的基本原理是：在 给定的磁场中，填充一些磁性磨料，在磁场的作用下，这些磨料紧密地、 有规则地排列起来，形成“磁刷”，将工件置于“磁刷”中并给出运动方 式，磁性磨料间产生相对运动与工件形成的磁压力对工件表面产生微量磨 削，从而实现对工件表面的光整加工f 6 】a 1 9 3 8 年前苏联工程师k a r o g o w 正式提出m a f 这一概念，随后前苏联 不少学者一直致力于磁性研磨光整加工的研究和推广应用工作，并在这一 领域取得了大量研究成果。后来，保加利亚、德国、日本、韩国和中国都 纷纷开始磁性研磨加工的研究 7 1 。在磁性磨料制备、平面及内外圆柱表面 的光整加工工艺方面提供了很多有效的方法。 我国对磁性研磨光整加工技术的研究是从8 0 年代中期开始的，虽然 起步较晚，但是由于科研人员的不断努力奋斗，已经取得了很多突出的研 究成果，缩小了与国外研究的差距。目前，国内进行磁性研磨光整加工技 术的主要研究单位有哈尔滨科技大学、哈尔滨工业大学、太原理工大学、 大连理工大学等，都取得了一定的研究成果。然而，在这些成果中，尚未 针对空间曲面磁性研磨机床及其数控系统的研究。为此，将数控技术应用 于磁性研磨加工具有重要的理论意义和实际应用价值。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 2 磁i 生研磨的数控加工技术 将数控技术应用在磁性研磨加工上，能极大的改善磁性研磨的加工效 率和质量，特别是三轴联动进给控制的应用，能实现空间曲面的磁性研磨 加工。 图i - 1 ( a ) 示意了平面磁性研磨的数控加工，永磁磁极装在机床的t 轴上，其旋转运动为主运动。进给运动由工作台带动工件沿x 轴和y 轴 平移来实现，从而完成平面的磁性研磨。 图1 - 1 ( b ) 示意了空间曲面磁性研磨的数控加工原理，永磁磁极的旋 转运动为主运动，同时它也在数控系统的控制下完成z 轴方向的进给运动。 进给运动仍然由工作台带动工件沿x 轴和y 轴方向移动实现。 图l 一1 磁性研磨平面加工与曲面加工的对比示意图 f i g 1 - 1s k e t c h m a p o f c o m p a r i s o n b e t w e e n m a g n e t i c a b r a s i v em a c h i n i n gap l a n ea n dab e n d 由此可以看出，将数字控制的磁性研磨加工应用到曲面上，除了主轴 的旋转主运动外，x 、y 、z 轴必须根据一定的指令格式，按照一定的加工 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 路线协调进给，这就是磁性研磨机床数控系统的三轴联动控制。 1 3 数控技术及其研究动态 1 3 1 数控技术 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控 装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透 形成的机电一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域： ( 1 ) 机械制造技术；( 2 ) 信息处理、加工、传输技术；( 3 ) 自动控制技术；( 4 ) 伺服驱动技术；( 5 ) 传感器技术；( 6 ) 软件技术等”。 纵观数控技术发展历史，不难看出数控技术的发展是逐步跟踪计算机 技术的发展而不断发展的，从1 9 5 6 年至今，大致经历了如下四个阶段： 第一阶段：1 9 5 6 年1 9 7 4 年，专用硬件n c 的时代； 第二阶段：1 9 7 5 年1 9 8 9 年，专用计算机数控时代，即微处理器n c 的时代( p - p c ) ； 第三阶段：1 9 9 0 年1 9 9 5 年，p c b a s e d 的c n c 时代； 第四阶段：1 9 9 6 年至今，全p c 开放式智能化数控的研究。 前三个阶段的n c 装置存在着以下局限性： ( 1 ) 不能自由地从信息网上选取信息； ( 2 ) 体系结构不开放，用户接口不完善，机械厂家和用户不能自主 地根据需要对数控系统进行裁剪，用户自身的技术诀窍不能方便地融入， 以怠u 造出自己的名牌产品； ( 3 ) 不能充分地利用已有的通用软件资源； ( 4 ) 不能自由地获取外部的工况信息； 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 体系结构繁多，不利于批量生产、提高可靠性和降低成本，削 弱了市场供应能力和竞争能力，同时限制了数控技术的发展。 近年来美国、欧共体、日本等纷纷采取措施，投入大量的财力，联合 各厂，甚至多国进行合作，研究新一代的数控系统，数控技术正处在向全 p c 开放式体系结构数控平台时代转折，这一转折t f 是适府了计算机技术、 信息技术、网络技术等的发展的必然结果。 由于现代机械加工业逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展，因此 新一代数控技术就必需强调具有开放式、智能化的特征。数控技术在机械 制造领域的应用以机床的控制为主。近几年来世界发达国家纷纷采取措 施，投入大量的人力、财力组织优势力量进行新一代开放式体系结构和具 有智能型功能的数控技术开发与研究，包括美国的n g c ( t h en e x t g 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 0 1 ) 和o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o a t r o t t e r s ) 计划、欧共体的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c l ：l _ i t e c t u r e f 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 s ) 计划、日本的o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划等f 8 1 1 9 1 1 0 。 1 3 2 开放式数控系统及软数控系统 1 3 2 1 开放式控制系统 开放结构意味着对不同的人提供不同的系统。作为开放式数控系统的 最终用户可以在标准的硬件和软件平台上，根据自己的需要，选购不同的 厂商提供的软硬件功能模块，重构自己的系统。因此开放式系统的两个基 本特征是：中性卖主和组件集成。 根据i e e e1 0 0 3 0 的定义：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，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】： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 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； 可裁剪性：根据用户需求增加和减少系统的功能； 互用性：用一个组件替换另一个组件的能力。 数控系统的丌放性有不同的层次，美国g m 公司认为，机床控制器可 以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。 在当前存在的各种形式的数控系统中，基于p c 的开放式数控系统的 开放程度最高。这种系统的实现依赖于各种实时、非实时的任务模块的标 准化的接口，二次用户根据这些标准接口及最终用户的数控机床的要求进 行二次开发，开发出符合实际要求的功能模块，就可以得到专用的数控系 统。 1 3 2 2 软数控系统 随着通用p c 技术发展到相互兼容、操作系统统一、为用户提供开发 平台和推出开放性体系结构的阶段，数控系统可以是通用计算机上的一种 标准应用程序，而不再是包含有多个插件板的专用硬件系统，软件数控不 仅是硬件功能的软件化实现，其更重要的内涵体现在一种开放的体系结 构。由于软件相对于硬件来说具有高度的灵活性，使得数控系统的可扩展 空间和系统交互性能都比较突出，而且可以充分借鉴相关学科的最新成 果，从而促进数控技术本身的快速成长。 由于世界上具有深厚硬件开发技术实力的公司不是特别多，而且相对 于其它的竞争对手来说具有绝对的优势，而在我国微控制器硬件开发的底 子比较薄弱，因此基于p c 标准平台开发软件数控系统也不失为赶超先进 国家数控技术的一条途径。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 2 30 m a c 简介 1 9 9 4 年美国三大汽车制造商联合发表了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0 m a c 用户组织。该组织旨在：建 立开放体系结构控制系统的需求和操作经验的知识库，这些需求和操作经 验来自丁- 用户、软件开发商、硬件制造商、o e m ( o r i g i n a le q l i j p m e n t m a n u f a c t u r e r ，原设备制造商) 厂商；加速促进工业和政府开发的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ，应用编程接口) 集合的开发，以满足 一般的使用和需求：与欧洲、日本的用户组织合作寻求通用的国际a p i 标 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【1 2 】。 o m a c 没有定义个固定的参考结构，但是定义了用于建造不同类型 控制器的模块集。o m a c a p i 的目标是使控制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，最后交给最终用户。 o m a c a 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o 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 i 。o m a c a p i 包含不同尺 寸和类型的即插即用元件一组件、模块、任务。组件是一种可复用的软件， 是应用程序的建造块；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、重启、 暂停、继续等，控制器运行时循环执行。 o m a ca p i 使用微软的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ，组件对象 模型) 技术进行集成，这样控制系统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，c o m 不具备跨平台性质，只能在微软的w i n d o w s 操作系统下使用，但是w i n d o w s 并不具备硬实时抢占性调度，只能通过实 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 时扩展让其具有硬实时性。 目前的a p i 版本中共有1 4 个模块，它们用i d l ( 界面定义语言) 表 示。许多模块又有子模块，如轴模块有l o 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，它们都有不同的模块结构和丌放环境。图1 - 2 给出 了o m a c a p i 的结构图。 到物理i o 点到网络 图1 20 m a ch p i 结构图 f i g 1 - 2o m a ca p i s t r u c t u r e 到物理i o 点到网络 h m i ( h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，人机接口) 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种不同的模块。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时任务。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。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 o m a c 也处理别的与之相关的事务( 如h m i ，w i n d o w s 下的实时环 境，新型的n c 编程语言s t e p n c ) ，但目前没有严格的进度安排，所以 开发速度相当缓慢。 1 3 2 4o s a c a 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 - i l l 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 a i 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。 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 的三个主要组成部分为通讯系统，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。 o s a c a 的基本组成单元是功能单元a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) ，用面 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 向对象的方法指定每个功能单元的接口，接口一般包括数据接1 2 1 和过程接 口。数据接口是由几个支持对数据结构( 数据流) 进行读写操作的变量对 象组成，数据可以是简单的也可以是复杂的的类型如结构、联合( c 语言 支持的自定义类型) 等，通过使用正式模板指定接口对象的所有特征，如 名字、类型、数据的访问权限等。过程接口足山过程对象组成，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。状态的变迁处理参数的输入输出。应用程序模块 问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、 动态状态表和变迁表组成。过程接口通过本地和远程调用激活专用功能 1 3 1 。 1 3 2 ，5o s e c f a o p 简介 1 9 9 4 年日本六家企业发起的o s e ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n t ) 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 i o n e q u i p m e n t sd e s c r i p t i o nl 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。 与o s e 研究会同时，m s t c 成立了开放是控制器技术委员会( j o p o c ) ( 从1 9 9 6 年到2 0 0 0 年) ，它受j o p ( j a p a n f a o p e n p r o m o t i o n f o r u m ) 的 领导，现在j o p 更名为f a o p 。j o p o c 的目标是为不同的公司就有关开 放式控制器标准提供一起讨论和工作的平台，有5 0 多个厂家参与j o p o c ， 】0 太原理工大学硕士研究生学位论文 它们包括日本的主要控制器卖主，机床生产厂家，系统集成商，用户和大 学。 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 l 规范与1 9 9 9 年 7 月发布，2 0 0 0 年1 0 月出版。p a p l 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 1 4 l 。 1 4 本文的研究意义和主要内容 1 4 1 论文研究的意义 随着磁性研磨加工技术的快速发展及应用，目前急需为磁性研磨机床 设计一种能适应多种加工任务的数控系统。当前国际上关于数控技术的一 系列计划和发展，给目前我国的数控界带来了严峻的考验，同时，由于技 术更新的加快，为我国数控技术发展带来了重大机遇。因此，应抓住数控 技术转型的机会和吸收计算机技术的最新成果，开发出符合我国国情的新 一代磁性研磨机床数控系统，这对于磁性研磨技术的应用具有重要的意 义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 2 论文的主要内容 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，这其中又涉及到实时性、开放性、通信、数据缓冲和算法等许多方面 的内容。鉴于系统的开发步骤，本文的研究目的是构造一种满足磁性研磨 加工空间曲面要求的数控系统，选定的开发环境是符合数控系统发展趋势 的p c 机。为此，本文针对基于p c 的磁性研磨机床数控系统做了以下研 究： ( 1 ) 研究了基于p c 的数控系统的硬件体系结构，对数控系统软件进 行了模块化划分，并建立了系统的数据流模型。 ( 2 ) 应用m i c r o s o f t v i s u a l c + + n e t 2 0 0 3 平台开发了磁性研磨机床数 控系统的上位机软件。设计了软件的用户界面，实现了代码的语法检查和 数控系统的可视化参数配置功能。开发出了数控系统的预处理程序，包括 预处理过程中的各种数据结构和缓冲区的设计，并c + + 用编写了包含译 码、插补等计算的预处理程序核心代码。 ( 3 ) 对空间曲线的插补计算方法进行了研究，利用坐标变换推导出 了空间圆弧插补的递推算法。 ( 4 ) 本文利用w i n d o w s 的高精度多媒体定时器对预处理程序进行了 插补数据输出的实时验证。 ( 5 ) 进行了p c 数控系统中的上下位机通信机制的研究，运用机械系 统实时控制软件的任务状态体系理论和面向对象的分析和设计思想研究 了下位机的控制系统的软件构造，为下位机的通信及控制实现奠定了基 础。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章基于p c 磁性研磨机床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 系统需求分析 数控系统的软硬件结构是在需求的基础上定义的，基于p c 磁性研磨 机床数控系统的需求可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 磁性研磨数控的基本需求 磁性研磨属于表面光整加工技术的一种，它一般处于工艺流程中的最 后一步，为了使磁性研磨机床能适应多种不同的加工任务和三维曲面加工 的要求，本文研制的数控系统以实现三轴联动为最基本要求，并在此基础 上实现可扩展和重构。软件的可扩展性也是本系统最重要的内容之一。 ( 2 ) 实时性 系统按照固定的、预先确定的时间或时间间隔执行操作，也就是必须 具有可确定性，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 作员的指令或者是机床的状态引起的。实际上，需求满足时间约束的情况 主要是和系统安全以及切削精度有关，因此数控系统具有硬实时任务。硬 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 实时任务是指必须满足最后期限的限制，否则会给系统带来性能的损失甚 至是致命的错误。 ( 3 ) 重用性 数控系统的重用性是指数控系统的软件模块在构造新的数控系统过 程巾被重新使用的能力。必须设训出一种合理的软件构造方式，使其能够 适应不同硬件结构的具有开放性的系统。数控软件的重用可以减少数控软 件的开发所需的费用和时间，提高数控软件的开发质量，生产更加标准化 的数控软件，增强数控软件系统的互操作性，且有利于提高数控软件的可 维护性和可靠性。 ( 4 ) 开放性 开放性数控系统提供标准化的接口、通信和交互机制，允许系统的部 件应用于不同的控制器或硬件平台上，可以根据用户需求增加或减少系统 的功能，也就是说系统模块之间的接口简单，具有较低的耦合性。 ( 5 ) 易于开发维护 系统的整体设计必须要使系统的开发维护易于进行。一个优秀的整体 设计方案的优势在后续的详细设计和软件维护升级过程中会非常明显的 体现出来。 2 2 基于p c 的数控系统 p c 机进入数控领域极大地丰富了数控系统的硬软件资源，有利于实 现总线式、模块化、开放式的数控系统，使其具有很高的性能价格比。p c 及i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ，工业p c ) 的软硬件通用化程度很高， 配以现代的可视化的窗口操作系统提供的各种a p i 接口和各种软件协议的 标准，使得基于p c 的数控系统具有先天的开放性特征。尤其是近些年p c 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的性价比越来越高，面向对象程序设计理论的成熟，使得近年来国内外众 厂家竞相开发基于p c 的数控系统，一时呈现百家争鸣的态势。 2 2 1 开发基于p c 数控系统的优势 首先，p c 的硬件是标准化产品，性能可靠，互换性好，价格低廉， 性能高。无论是从处理器的频率还是存储器的容量来看，p c 上总是有最 高的性能，p c 上的字长一般也高于其它微控制器的字长，一定程度上提 高了浮点数的运算精度。 其次，采用p c 作为数控系统的硬件平台，意味着不必再花时间和资 金设计专用的硬件。 第三，p c 上的软件资源相当丰富。通用的图形化窗口操作系统提供 了文件管理、应用程序并行调度、进程间通信、网络通信和数据库功能等 等，都可直接或间接地支持数控系统的开发和运行。系统软件开发以操作 系统和高级语言为基础，简化了数控系统的软件实现，编译和调试相对来 说容易得多。因此不仅可以大大缩短系统的开发周期和减少资金投入，而 且管理维护工作也很方便。对于现代先进制造技术应具有开放性数控 ( o n c ) 与分布式数控( d 咐c ) 或基于总线控制的特征，采用p c 构造数 控系统，数控系统的大部分甚至是全部功能是在标准硬件上用模块化的软 件实现的，也就具有了开放性的特征。另一方面，我们可以方便的利用其 标准的网络软硬件协议实现d n c 功能，所做的工作不过是增加一个d n c 软件模块来实现系统到网络与网络到系统间的信息交换。采用p c 数控系 统也有利于数控系统与流行的商业c a d c a m 软件( p r o e 、u g 、 m a s t e r c a m ) 的集成。 以p c 构成数控系统的硬件平台时，应选用标准配置的i p c 。相对于 普通p c ，i p c 更突出了其可扩展性和抗干扰性，能够在相对恶劣的现场环 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 境下稳定运行，而且其软件与个人p c 完全兼容。 2 2 2 基于p c 数控系统的硬件 2 , 2 2 1 硬件平台 数控系统是一种专用的控制系统，它由硬件和软件两部分构成。在四 十多年的发展历史中，数控系统经历了几代的发展，迄今为止，己经成为 以微型计算机为基础的控制系统。随着计算机性能的提高，微处理器的处 理速度越来越高，相应芯片的体积却越来越小，硬件系统对数控系统开发 者的约束也越来越少。随着开放体系结构思想的推出，计算机技术正向着 统一操作系统、相互兼容、三维多媒体的方向发展，这种发展趋势给数控 系统带来了新的发展空间。 ( 1 ) 微处理器 c n c 硬件中最重要的是微处理器，可用于c n c 系统的微处理芯片很 多，如i n t e l 的8 0 5 1 、8 0 9 6 、8 0 x 8 6 、p e n t i u m 系列等，近年来，c n c 所使 用的微处理器处理速度不断提高，在c n c 中甚至采用r i s c ( 精简指令集 计算机) 芯片和6 4 位芯片，在运动控制中为了提高采样频率，还采用了 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理) 芯片。尤其是近几年，计 算机的硬件系统性能不断提高、c p u 的时钟频率从几兆到今天的以g 作 为单位，制约计算机整体速度的c p u 和存储器之间的速度不匹配的问题 也通过增加一到两级高速缓存( c a c h e ) 得到改善。其他如i o 接口、通讯功 能、显示技术等都得到了很大的发展。f a n u c 6 系列和s i e m e n s 8 1 0 系统， 它们的时钟频率只有8 m h z ，而今天个人微机的时钟频率一般都达到了1 5 g h z 的水平。计算机的整体性能从八十年代初到现在己经提高了至少千 倍以上，而且这个速度还在不断加快。 ( 2 ) 存储器 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 0 5 1 系列单片机的随机数据存储器最大允许容量是6 4 k b ，但是现代 最普通的p c 的内存都达到了百m b 的数量级，整整增加了几千倍的容量， 这对于构造运算复杂、数据量大的数控系统来说，开发的存储空间管理工 作量就小了很多。 而且，可以用空间挠时间的设计方法来加快数据的处理，节省基本数 据运算的c p u 占用率，让c p u 有更充裕的时间处理运动控制和插补等中 断的执行，这也间接的提高了插补控制精度。 ( 3 ) 通用总线 总线是由地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 和控制总线( c b ) 组成， 它是计算机系统的信息通路，采用总线技术便于简化设计、生产和装配。 总线是通过连接器( 或称i o 插槽) 与外插接板连接。标准通用型总线的 种类很多，p c 机所使