（机械制造及其自动化专业论文）基于com技术的开放式数控软件原型系统开发.pdf

摘要 数控系统正逐步向着灵活性、组件化、可重构的开放式体系结构的方向发展。 用软件复用，软件重构等软件开发新技术对开放式数控系统进行研究，已成为一 种趋势。 本论文紧密结合开放式数控技术的发展现状，在系统阐述c o m 技术的概念及 特点的基础上，分析了基于c o m 技术下的开放式数控系统的基本概念、特点、目 标和需求，提出了实现开放式数控系统所应满足的基本规范： 对国内外的开放式体系结构进行了分析研究，根据开放式数控系统特点，参 考o s a c a 体系结构，提出了基于c o m 技术的开放式数控系统的体系结构，并对 之进行了深入分析； 根据组件化软件开放性的特性，对数控系统组件按照功能特性和内部逻辑结 构进行了合理的、全面的，系统的划分；根据c o m 规范，提出了开发数控组件的 基本方法，利用c o m 技术的二进制语言无关性、进程透明性、可重用性及接口规 范性等特点，对数控系统的各组件模块进行了开发： 分析了开放式数控系统组件闻数据流关系及任务调度，把所开发的组件在开 发环境中进行链接，开发出了数控软件原型系统。该原型系统具有一定的开放性， 并能对运动轨迹进行模拟。 最后对基于w i n d o w s 平台的数控系统实时性控制进行了分析，用v x d 编程技 术，在解决w i n d o w s 环境下数控系统实时控制方面进行了研究。 关键词：开放式数控，c o m ，任务调度，实时控制 英文摘要 a b s t r a c t c n cs y s t e mi s g r a d u a l l yd e v e l o p i n gt o w a r df l e x i b l e , c o m p o n e n tm o d u l a ra n d r e c o n f i g u r a b l eo fo p e nc n cs y s t e m ss t r u c t u r e i t sb e g i n n i n gar e s e a r c hd i r e c t i o ni n o p e n c n c s y s t e mw i m t h es o f t w a r er e u s ea n d r e - c o n f i g u r a b l et e c h n o l o g y t h i sp a p e ri nw e l l - k n i tc n c d e v e l o p m e n ts t a t e s ，b a s e do n t h ee x p o u n do f c o n c e p t s a n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p o n e n tt e c h n o l o g y , o p e nc n cs y s t e m sb a s a l c o n c e p t s ， c h a r a c t e r i s t i c s ，g o a l sa n dd e m a n d sa r ea n a l y z e db a s e d o i lc o ma n d o p e nc n cs y s t e m s c o n t e n t e db a s a lc r i t e r i o n sa r e p u tf o r w a r d r e s e a r c h e dt h ec h i cs y s t e ms t r u c t u r e so ff 0 i 谫辨a n dh o m e l a n d ，b a s e do no p e n c n c s y s t e mc h a r a c t e r i s t i c s ，r e f e r e n c e d0 s a c as y s t e ms t r u c t u r e ，a no p e nc n c s y s t e m s t r u c t u r eb a s e do nc o mi sp r o d u c e da n da n a l y z e d t h o r o u g h l y a c c o r d i n g t oo p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p o n e n ts o f b c c a r e ，c o m b i n e dw i t ho p e n c n c s y s t e ms t r u c t u r eb a s e d o nc o m ，t h ec n c s y s t e m sc o m p o n e n t sa r em a r k e do u t l o g i c a l l ya l l s i d e da n ds y s t e m i ci nt e r mo fc o m p o n e n t sf u n c t i o n sa n di n s i d el o g i c s t r u c t u r e s b a s e do nc o m c r i t e r i o n ，d e v e l o p m e n tc n cc o m p o n e n t s b a s i cm e t h o d i sb r o u g h t f o r w a r d w i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fb i n a r y l a n g u a g ei r r e l e v a n t ，t h r e a d t r a n s p a r e n t ， r e - c o n f l g u r a b l e a n dn o r m a t i v ei n t e r f a c eo fc o mt e c h n o l o g y , o p e nc n cs y s t e m c o m p o n e n t s a r ed e s i g n e d a n a l y z e dt h ei n t e r - c o m p o n e n t s d a t a - f l o wr e l a t i o n sa n dt a s ks c h e d u l e r s ，c o n n e c t e d w i t ht h ed e v e l o p e d c o m p o n e n t s o n d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t , ac n cp r o t o t y p es y s t e mi s d e v d o p e d t h i sc n cp r o t o t y p es y s t e mh a ss o m eo p e n i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n ds i m u l a t e s t h em o t i o nt r a c k s l a s t l y t h ec n c s y s t e m sr e a l t i m ea n dm u l t i t a s kc h a r a c t e r i s t i c sb a s e d0 nw m d o w s f l a ta r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e di n s o l v i n gt h ec n cs y s t e m sr e a l - t i m ei n t e r m i ti n w i n d o w se n v i r o n m e n t b y v x d t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：o p e n c n c s y s t e m ，c o m ，t a s k ss c h e d u l e r , r e a l - t i m e c o n t r o l h i 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 自2 0 世纪6 0 年代世界上第一台数控机床问世以来，随着微型计算机、通信、 电子、检测、控制和机械等各相关技术的发展，数控技术( n u m e r i c a lc o n t r o l 简 称n c 技术) 也日新月异的飞速发展，并已成为先进制造系统( f m s ，c i m s 等) 中不可缺少的基础技术f 】。】。近年来，各种数控机床的柔性、精确性、可靠性、 集成性和宜人性等方面的功能越来越完善，它在自动化领域中的占有率也越来越 高。数控技术己深入到各行各业，尤其在机械电子等工业领域的应用非常广泛， 它已是现有企业技术改造和机电一体化新产品设计的重要技术手段之一，是现代 制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格 局发生了巨大的变化。 数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业，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 5 - 9 。专家们预言：机械制造的竞争，其实 质是数控的竞争。现在，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，竞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要求，从而以数控技术 为主要标志的现代制造技术成了美国、日本和欧洲等工业国家竞争的焦点之。 美国、日本、意大利、西班牙、印度等国都采取了一些扶植本国数控产业发展的 政策措施。我国政府正积极采取各种有效措施大力发展数控产业，把发展数控技 术作为振兴机械工业的重中之重。数控技术在制造业的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，对 国民经济的发展起着重要的促进作用。 我国的数控技术与国外有较大的差距，我国的计算机数控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 ) 系统在国内外市场上的占有率极低。因而进行开放式数控系 统的研究，对提高我国的加工技术和机械产品在国际市场的竞争力，具有重要的 理论价值和实际意义。 1 2 开放式数控系统的研究背景 在规模化大生产初期和中期，数控系统的产生、发展和推广应用给制造业和 数控系统生产厂商带来巨大的经济效益。数控系统的开发始终属于数控系统生产 重庆大学硕士学位论文 厂商独立的商业行为，在很大程度上严格保密 1 “ 。这种独立的设计模式导致不 同厂商的数控系统在内部结构、实现方法和表现风格上各不相同，形成了各自独 立的标准和规范体系。这一阶段的数控产品被称为“封闭式数控系统”。但随着计 算机技术的迅猛发展，这种封闭式的数控系统也逐渐显示出主要的弱点：专用性 强，通用性差，软件为制造商所有，互不兼容，所采用的体系结构，标准，通信 协议，数据结构也不相同，这样不便于功能的扩展和各种软件的支撑，更新，软 件移植性差，组网通信差，对机床制造商和用户的水平要求较高。然而，随着市 场需求的逐步变化，现代制造工业对适合中、小型加工且具有良好柔性和多功能 的机床与制造系统的需求日益增加，原有封闭式体系结构的数控系统越来越不能 满足数控系统用户，数控系统生产厂商和系统集成厂商对日益多变的生产要求。 而现代制造业的发展，对数控系统又提出了更高的要求：从完成功能上看， 一方面数控系统必须适应d n c 、c a d c a m 、f m s 及c i m s 的发展，有一个可以 集成不同开发商提供的软件并适合联网需要的平台；另一方面，随着中小批量生 产趋势日益增强，以及数控系统在信息、汽车、冶金、纺织、印刷、军工等行业 应用的日益增多，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本地构筑面向用 户的控制系统。这就要求数控系统具有模块化和可重新配置的特点。从使用的角 度看，新型数控系统应能运行于各种计算机软硬件平台上，并提供统一风格的用 户交互环境，以便于用户的操作、维护和更新换代。新一代数控系统一开放式数 控系统的提出正是适应了数控技术这一发展的需要。开放式数控系统就是要能够 在普及型个人计算机的操作系统上，轻松的使用系统所配置的软件模块和硬件运 动控制插件卡，机床制造商和用户能够方便地进行软件开发，能够追加功能和实 现功能的个性化。建立在通用操作系统之上于设备无关的软件设计、统一风格的 人机操作界面，能集众家之所长、实现模块可替换、结构可重组、功能可重塑的 开放式数控系统，可以给开发商和用户提供从开发到应用的较大柔性和便利。 1 3 国内外开放式数控系统的研究现状 1 3 1 国外开放式数控系统研究现状 进入2 0 世纪9 0 年代以来，发达工业国家已经采取许多措施投入大量的人力、 财力，组织产、学、研各方厦力量，对开放式数控进行研究，开发。其中比较有 影响的是：美国的下一代工作站，机床控制器n g c 和“开放式、模块化体系结构 控制器”o m a c ；欧共体的“自动化系统中开放体系结构”o s a c a ；日本的o s e c 计划 1 5 , 1 7 , 1 9 , 2 2 。它们的主要任务都是要制定开放式控制系统的体系结构标准，以 便在这种标准支持下，各个开发者能分别开发出具有互换性和互操作性的系统功 能模块，通过标准化接口，可将不同制造商提供的功能模块组合成所需的系统。 2 ( 1 ) 欧洲国家的o s a c a 计划 “自动化控制系统中的开放式体系结构o s a c a ( o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o ns y s t e m ) ”是1 9 9 0 年由欧共体国家2 2 家控制器开发商、 机床生产商、控制系统集成商和科研机构联合发起，并于1 9 9 2 年5 月正式得到欧 盟的认可，纳入欧盟e s p r i t - m 项目计划。它分三个阶段实施。第一阶段为 o s a c a i ，在1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南的定制；第二阶段 为o s a c a i i ( e s p r i t 9 1 1 5 ) ，在1 9 9 6 年4 月结束，完成了按规范对标准的通用 的系统平台开发，并用来调试、验证、扩展第一阶段的各种规范i 第三阶段为i d a s o s a c a - ( i n f o r m a t i o n d i s s e m i n a t i o na n d a w a r e n e s s a c t i o n ) ，于1 9 9 7 年1 月开始， 着手推广o s a c a 思想及前期工作成果，进而为使o s a c a 成为自动化领域的通 用国际标准而努力。o s a c a 通过对现有控制系统的详细分析，提出一个“分层 的系统平台+ 结构功能单元”的结构。o s a c a 认为一个开放控制系统应该以一个 系统平台为基础，由一组逻辑上离散的部件组成，控制系统本身不带有平台的任 何信息；在平台之间定义了很好的接口，允许不同供应商提供的组件之间协调工 作；控制器可以运行在不同的系统平台上。 ( 2 ) 美国的n g c 和o m a c 计划 n g c ( t h en e x tg 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 ec o n t r o l l e r ) 下一代工作站， 机床控制器计划来源于1 9 8 7 年美国总统里根签署的一项命令，旨在推动美国工业 界形成一个广泛的伙伴关系，以利于同国外的竞争。该项目由美国国家制造中心 ( n c m s ) 与空军共同领导，由m a r t i n m a r i e t t a 公司为主承包商，于1 9 8 9 年开始 实施。n g c 是一个实时加工控制器，要求适用于各类机床的数控系统控制和周边 装置的过程控制。n g c 与传统数控系统的显著差别是基于“开放体系结构”。其 首要目标是开发开放式系统体系结构标准规范s o s a c ( s p e c i f i c a t i o n f o ra l lo p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) 用来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。 该计划已于1 9 9 4 年完成了n g c 原型研究，并已转入工业开发应用。 美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福 特和通用等公司在n g c 计划的指导下于1 9 9 4 年开始了一项名为“开放式、模块 化体系结构控制器( o m a c ) ”计划。该计划的目标是降低控制系统的投资成本和 维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提高软硬件模块的“即插即用” 和高效的控制器重构机制，使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适 应需求的变化。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决定了它 产品化、实用化步伐不可能很快。o m a c 自身也意识到这一问题，目前正逐步同 o s a c a 等进行联合。 ( 3 ) 日本的0 s e c 计划 3 重庆大学硕士学位论文 日本的o s e c ( o p e ns ) r s t e me n 、r i m n m e n tf o rc o n t r o l l e r ，控制器开放系统环 境) ，由东芝、丰田、m a z a k 、三菱电子及s m l 等公司共同组建。其目的是建立 一个国际性的工厂自动化控制设备标准。 o s e c 讨论的重点是在n c 和分布式控制系统上。o s e c 认为，从制造的观点 看，n c 是分布式制造系统的一个服务器。o s e c 所谓的开放系统本身被认为是一 个分布式系统，它满足用户对制造系统不同配置的要求、最小化费用的要求和应 用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面的要求。o s e c 的结构的确有其独 到之处，但o s e c 的系统结构是局限于数控系统的直接描述，适应性不强。到目 前为止，与其他开放体系结构一样，也只是处于实验阶段，并未形成商业化的产 品。 1 3 2 国内开放式数控系统研究现状 我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“八五”、“九五”的近二十年的发展， 基本上已经掌握了数控技术中的关键技术，建立了数控开发和数控生产基地，培 养了一大批数控人才，初步形成了中国自己的数控产业 2 0 川。耳前国内比较有代 表性的数控系统研究主要有以下几种： ( 1 ) 基于软件芯片的数控系统 前华中理工大学提出了基于软件芯片的数控系统的实现模式。在该实现模式 中，通过对数控软件的标准化与规范化的研究，运用面向对象的机制，把数控系 统的功能进行抽象，并进行封装，将数控软件设计成具有稳定通用的接口，可以 重用的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块功能，并通过建 立一个数控系统软件芯片集成开发环境一数控系统软件芯片库用来对软件芯片进 行管理，用户可以对软件芯片库进行检索，浏览以及维护，还可以添加自己制作 经过测试证明合格的新的软件芯片。 ( 2 ) 基于现场总线技术的数控系统 现场总线技术可以将大量的并行信号转化为串行信号，利用电缆或光缆可以 在上百台设备之间实时传递上千路信号。数控系统软件由n c 内核和p l c 内核组 成；其应用软件向用户提供一个应用环境和一组标准的系统功能函数。用户可以 在应用软件层编写程序，调用n c 内核的控制功能，以自己所要求的方式控制系 统的运行。 ( 3 ) 衍生式数控系统 清华大学提出的一种衍生式计算机数控系统模型。衍生式计算机数控系统是 指，采用传统的专用数控系统作为新系统的一个独立的部件，其结构和功能不变， 而系统的网络和扩充功能则由其它独立的功能部件承担。衍生式数控系统充分利 用了传统的专用数控系统和开放式数控系统的优点，并将二者有机结合起来，起 4 1 绪论 到了从专用数控系统向开放式数控系统演化的桥梁作用。 ( 4 ) 机床数控软件化结构体系 西安交通大学提出的机床数控软件化结构体系的数控系统模型，其基本思想 是采用工业p c 机+ 基于p c 的完备数字机床结构，在p c 上运行工艺软件，所生 成的设备动作信息由串口传递给完备数字机床。完备数字机床接受符合i s o 标准 的文字地址程序段格式、函数、样条、表格或逐点给出的伺服系统位鼍参考信号， 它相当于允许用户自由定义插补算法，从而大大加强了两轴以上的多轴联动设备 加工程序编制的灵活性，使数控机床加工复杂曲线( 曲面) 的能力，速度和精度 都有所提高。 1 - 3 3 国内在开放式数控系统研究中存在的问题 同国际相比，就总体而言，目前所进行的开放式数控系统的研究还处于初始 阶段，最大的问题就是开放性不够，接口界面还谈不上标准化，还不能实现互换 和互操作，要方便地进行二次开发的开放程度还远未达到 3 j 0 1 。存在的主要问题 是： ( 1 ) 开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放式控制系统的平台问题。 各系统所采用的体系结构并不一致，乃自成体系，而且对体系结构的阐述都只限 于具体实现的层次，没有提高到理论的、抽象的层次上来。 ( 2 ) 产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂商，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。 ( 3 ) 我国的许多高校、企业、研究所等单位都各自在进行开放式数控系统的 研究，各自采用不同的标准，形成了各种不同的系统。不同的通讯协议和数据结 构，使不同的设备之间无法实现信息交换，不同的软件之间无法实现信息的传输， 不同的数据库之间无法实现数据的共享。 为振兴、巩固、发展中国数控产业，并使其在国际市场中占有地位，我国必 须迅速组织起来展开开放式数控系统的研究并进行规范化。 1 4 开放式数控的概念 开放式数控的概念最先出于二十世纪八十年代末，它产生的直接动力是各国， 各企业对国际市场的竞争 1 6 , 1 s 1 。到目前为止，开放式系统规范尚未统一。但我们 认为开放式数控系统应具备以下特点： ( 1 ) 开放性：提供标准化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入。 ( 2 ) 互操作性：提供标准化的接口、执行模块、通讯和交互装置。 ( 3 ) 可移植性：不同应用程序模块能运行于不同厂商生产的系统平台上，同 时系统的软件平台也可运行于类型和特性不同的硬件平台上。 5 重庆大学硕士学位论文 ( 4 ) 易扩展性：通过特定的功能模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功 能。 ( 5 ) 互换性：允许不同性能、不同可靠性和不同执行能力的功能模块互相替 代，而不影响系统的协调运作。 按照i e e e 对开放式系统的定义，一个开放式系统应具有以下能力：经过实 现的应用程序能够在不同的厂商的多个平台上运行，能与其它系统的应用程序互 操作，且具有一致性的人机交互界面。这个定义是针对信息技术的中的开放性而 言的。参照i e e e 对开放式系统的定义，我们认为：一个真正意义上开放式数控 系统必须提供不同程序协调运行于系统平台上的能力，提供面向功能对象的动态 重组工具，提供统一标准化接口的应用用户界面。开放式数控系统应主要实现三 个开放： ( 1 ) 面向数控机床用户开放。由于传统数控系统的封闭特性，这给用户在选 择、使用和维护上带来了极大的不便。而开放式数控系统，由于采用标准的系统 平台，功能模块具有统一的接口规范，能对任何用户实现开放，用户可根据自己 的需要来选购不同的功能单元，即插即用，构筑自己所需的控制系统，也可按需 要增减系统功能，实现最优化，最合理的系统配置。 ( 2 ) 面向高级应用程序开放。高级应用程序主要指的是加工系统的动态监控 系统( d m c ) ，包括提高定位精度和加工轮廓精度的误差自适应控制、对刀具工件 机床系统的模态参数识别、改善工况和表面质量的自适应控制，刀具破磨损的在 线检测、机床设备的故障预报与诊断等，开放式数控系统旨在实现数控系统与高 级应用程序的集成，从而提高加工系统的功能。 ( 3 ) 面向制造系统的高层开放。在i s o 的工厂自动化五层参考模型中，数 控系统属于最低层设备层。开放式数控系统由于具有标准的接口规范，容易实现 和工作站层的通讯，从而实现和技术信息系统( t i s ) 、管理信息系统( m i s ) 和 质量保证系统( q a s ) 的集成，为网络化制造奠定信息基础。 1 5 课题研究的目的，意义及内容 1 5 1 课题研究的目，意义 通过对开放式数控系统体系结构及软件标准化，规范化的研究，建立基于 c o m ( c o m p o n e n t o b j e c t m o d e l ) 技术开放式数控系统体系结构，运用c o m 组件 软件设计方法，对开放式数控系统组件进行开发，开发的数控软件具有配置灵活 性，模块互换性，可移植性和软件兼容性等特点，可以解决数控软件开发中相同 或类似模块重复开发的问题。减少软件开发中的重复劳动，提高数控软件开发的 生产效率，降低数控产品成本和开发周期。这种开放式数控系统体系结构具有面 6 1 绪论 向最终用户需求，用户可以根据自己需求对数控系统进行灵活配置。这种开放式 体系结构对促进数控技术的变革，打破封闭式的数控系统结构，减少对国外数控 产品的依赖，提高企业的经济效益，具有一定的现实意义。 通过本课题的研究，探讨开放式数控系统的具体实现机制，为推动我国传统 型数控系统向开放式数控系统转化，开发具有自主知识产权的数控产品提供一定 的参考。 开放式数控系统在国际上被称之为制造业的第三次革命，已成为传统数控系 统的换代产品。目前，国内外对开放式数控系统的潜在需求量较大，积极开发开 放式数控系统具有重要的经济价值和广阔的市场前景。 本论文课题来源于重庆市科委应用基础项目“开放式数控原型系统的研究”， 合同号( 6 7 7 6 ) 。已于2 0 0 2 年1 2 月通过重庆市科委组织的专家组验收。 1 5 2 课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容是： ( 1 ) 对开放式数控系统的基本概念，目标和需求进行了深入分析，提出了本 课题研究的目的及意义。 ( 2 ) 分析了基于c o m 技术的开放式数控系统体系结构及其组件模块的划 分，研究了开放式数控系统的系统平台。 ( 3 ) 分析了c o m 规范及c o m 实现技术。采用c o m 规范作为数控组件的 开发标准。 ( 4 ) 在w i n d o w s 操作系统下用c o m 技术对开放式数控系统组件进行开发。 ( 5 ) 分析了开放式数控系统组件间数据流关系及任务调度。 ( 6 ) 分析了基于w i n d o w s 平台的数控系统实时控制，用v x d 编程技术解决 w i n d o w s 环境下数控系统实时中断问题。 1 6 小结 本章概述了开放式数控系统的研究背景，分析了国内外开放式数控系统的研 究现状及存在的不足，提出了开放式数控系统的概念和本课题研究的目的，意义 及内容。 7 2 开放式数控系统体系结构研究 2 开放式数控系统体系结构研究 2 1 数控系统的信息来源 数控系统是控制数控机床按加工工艺要求进行加工的实时控制系统。和其它 计算机控制系统一样，它也由信息输入、信息处理和输出控制三部分组成。 1 ) 数控系统的输入信息主要有： ( 1 ) 加工程序信息：它可通过数控系统的数据输入键盘、磁盘、磁带等输入 装置输入。其包括数控机床的运动轨迹和辅助动作信息。 ( 2 ) 操作面板信息：它通过机床的操作面板向数控系统发布操作命令，控制 机床相应动作。 ( 3 ) 坐标轴反馈信息：它包括坐标轴的位置、速度、力矩等信息，对不同的 系统这些信息不是必须的。 ( 4 ) 传感器反馈信息：包括位置传感器、压力传感器、速度传感器等反馈的 信息。 ( 5 ) 上位机控制信息，车间自动化系统的调度控制信息。 ( 6 ) 其它智能装置或系统发出的信息，在一条生产线上需要多台设备和装置 协调工作的连锁信息。 ( 7 ) 环境信息，包括环境温度、湿度、粉尘等信息。 2 ) 数控系统的信息处理功能主要有： ( 1 ) 加工程序预处理：主要完成对加工程序的数据格式变化、编译、处理、 效验等功能为运动轨迹规划、插补运算和逻辑运算做准备工作。 ( 2 ) 刀具补偿：对刀具的半径、长度的变化进行补偿，保证在不同刀具和刀 具磨损时能得到相应的补偿以保证工件的加工精度。 ( 3 ) 运动轨迹规划和插补：根据加工程序预处理和刀具补偿结果，经特定算 法求取一定周期内每轴的运动增量，通过控制对应电机的运动完成加工程序规定 的运动轨迹。 ( 4 ) 逻辑运算：根据加工程序信息、机床动作顺序、各种开关量反馈信息和 操作信息来决定相应的机床动作和连锁保护。 ( 5 ) 伺服控制：完成伺服闭环控制功能，包括伺服系统位置、速度反馈豹采 集等。 ( 6 ) 人机接口控制：包括人机接口界面的显示、机床信息的显示和操作信息 的接受处理工作。 ( 7 ) 网络接口控制：通过网络和各种系统交换信息。 9 重庆大学硕士学位论文 ( 8 ) 监控与故障诊断：对加工时的各种信息判断加工系统工作的状况是否正 常，并能尽量定位故障范围，方便维修。 ( 9 ) 高级控制算法：采用自适应控制等现代控制理论研究成果提高加工速度 和加工精度。 3 ) 数控系统的输出控制信息主要有： ( 1 ) 伺服控制信息：控制伺服系统的速度和力矩控制信号。 ( 2 ) 辅助动作控制信息：它包括刀具交换、工作台交换及夹具、液压、气压 等其它辅助装置的控制信号。 ( 3 ) 状态显示信息：在操作面板上显示机床或系统的各种工作状态。 ( 4 ) 人机接口显示信息：在人机接口装置显示刀具和工件的相对位置、速度 及其它操作需要的信息。 ( 5 ) 上位机反馈信息：为车间自动化系统和上位监控系统提供必须的信息。 ( 6 ) 其它系统的互锁信息：向生产线上的其它装置提供必须的信息，保证各 装置能协调可靠工作。 由此可知，数控系统的功能控制框图如图2 1 所示。 人机接口卜一 运动轨迹规划 二- 叫伺服系统 逻辑运算 儡服控翩 操作面板p 塑兰丝 人机接口控制j g 塑辐辅助执行机构 网络接口控制 加工程序 监控与故障诊断 主轴命夸 f 上位机 e 二二；一 高级控制算法 、= 叫主轴系统 千信息反馈 l 图2 1 数控系统控制框图 f i 9 2 it h e c o n 心o l 曲m ec h a r to f c n c s y s t e m 所以，从数控系统的信息来源方式来看，数控系统的开放性应主要表现在信 息输入、信息的处理、信息的输出控制这三个方面以及这三个方面的联系通道上。 2 2 开放式数控系统体系结构 2 2 1 现有开放式数控系统体系结构的比较 基于通用p c 机的数控系统可以充分利用微机的软硬件资源，充分利用计算 机工业所提供的先进技术。当前利用现有p c 机的软硬件规范设计开放式数控系 1 0 2 开放式数控系统体系结构研究 统，从研究进展和实现技术上看，主要有以下3 种： ( 1 ) 专用数控系统+ p c 主板 采用传统数控专用模板( 包括内置式p l c 单元、带有光电隔离的开关量i o 单元，多功能模板) 嵌入通用p c 机构成数控系统。系统可以共享计算机的一部 分软硬件资源，计算机的作用在于进行辅助编程、监控，编排工艺等工作。与传 统的c n c 系统相比，具有硬件资源的通用性及软件的再生性。尽管这类系统已 经具备了开放式的某些特点，并可适应不同用户需求而灵活配置，但由于数控系 统的开放性仅限于p c 部分，而专用的数控部分仍处于封闭结构，且其运行在d o s 操作系统下，使得p c 机的潜力未能充分发挥，系统的功能和柔性也受到限制。 但是这种利用p c 机设计数控系统的技术，使数控系统的重点由硬件转向软件， 消除了硬件生产上“瓶颈”的制约，从而可能加快实用产品的开发速度。而且这 种数控系统+ p c 主板毕竟使数控向开放式体系结构迈出了一大步。 ( 2 ) 通用p c + 开放式运动控制器 系统完全采用以p c 为硬件平台的数控系统。其主要部件是计算机和运动控 制器。机床的运动控制和逻辑控制由独立的运动控制器完成。具有开放性的运动 控制器是该系统的核心部分，它是由p c 硬件插件构成的。以美国d e l i at a u 公司 推出的p m a c ( p r o g r a m m a b l e m u l t i p l e - a x i s c o n t r o l l e r ) 开放式多轴控制器为代表， d e l t at a u 公司根据n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机加p m a c 控制卡构成的 p m a c 开放式数控系统，获得了良好的应用效果。这种开放式控制系统目前是较 为先进的技术，但是它仍然存在以下的不足：数控系统的核心部分运动控制和伺 服控制仍是封闭的，这使得用户仍然要依赖于专用运动控制卡，还没有达到整个 控制器产品的硬件通用化。在界面风格和通信协议上还没有形成统一的标准，使 得软件的可重用性，跨平台性不强。 ( 3 ) 完全p c 型全软件式的数控系统 全软件式数控系统虽然还没有形成产品，还处在理论研究中，但它代表了数 控系统的发展方向，将对数控系统产生革命性的影响。由于p c 机性能的日新月 异和操作系统技术的不断进步，使得以硬件方式出现的运动控制器部件，在可预 见的时间内，完全可以用应用软件的方式来实现。这中“硬件功能软件化”不仅 不会导致任何系统性能的损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台的无关性将有 利于系统实现更深入的开放性和系统性能的快速增长，这正是“全软件式数控” 的基本思想。全软件式数控把运动控制器( 包括轴控制和机床逻辑控制) 通常以 应用软件的形式实现。除了支持数控上层软件( 数控程序编辑，人机界面等) 的 用户定制外，其更深入的开放性还体现在支持运动控制簧略( 算法) 的用户定制。 全软件式数控系统是开放式数控系统的一个里程碑，是开放式数控的高级阶 重庆大学硕士学位论文 段，它不仅强调核心控制策略的用户开放性，对智能控制也有充分的考虑；而且 更加注重标准化和集成性，兼容数控领域的主要标准的同时，更加向计算机技术 靠拢，并力图使数控系统成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。数控系 统的主要功能部件均表现为应用软件的形式，这种实现形式上的变革使得系统可 以更方便、更广泛地应用计算机技术的先进成果，简化系统实现的难度，缩短研 发周期，有助于技术刨新：软件化实现也大大增强了系统的伸缩性和可调节性， 从而使其体系结构高度开放性的实现成为可能。 2 2 2 开放式数控系统体系结构 根据开放式数控系统的特点，参考o s a c a 提出的“分层的系统平台+ 结构化 功能单元”的体系结构【2 ”】，及完全p c 型全软件开放式数控系统思想，我们把 开放式数控体系结构分为两部分：应用软件层和系统平台。应用软件即系统控制 对象的各个组件模块，不同的开发商开发的组件能有效运行于系统平台上，它们 之间通过规范的接口进行交互。系统平台由系统硬件和系统软件组成，系统平台 也是基于开放式的体系结构，系统硬件由功能需求决定。系统核心软件包括操作 系统、通讯系统、动态实时配置系统、图形系统等。系统平台提供的服务是通过 标准应用程序接口a p i 来实现的。接口是应用组件进入系统平台的唯一途径，它 一方面隐藏了系统平台的一系列服务实现的真实过程，使系统独立于硬件和操作 系统，另一方面提供各种功能模块在平台上的统一接口。在这系统平台上，用户 可以任意选购不同厂商提供的不同功能的组件来构建自己所需要的数控系统，也 可根据特殊需要自己设计增加或减少功能模块。系统内部通讯参考o s i ( o p e n s y s t e mi n t e r c o n n e c t i o n ) 模型，采用面向消息的通讯机制；系统与外部上级的通讯 基于标准协议；系统与内部下层系统的通讯采用标准的驱动接口和域总线。开放 式数控系统体系结构如图2 2 所示。 数插刀速人操轴诊 据补补度机作伺断 输运预控交组服组 入 算处制互件控件 预组理组组制 处件组件件组 理件件 组 件应用软件层 配置系统应用程序接口层 通讯系统层 操作系统层 系统平台 硬件层( 设备接口，计算机硬件) 图2 2 开放式数控系统体系结构 f i 9 2 2t h e s t r u c t u r es y s t e mo f o p e nc n c s y s t e m 1 2 2 开放式数控系统体系结构研究 2 2 3 开放式数控系统组件模块的划分 根据组件化软件开放性的特性及其开放式数控系统体系结构的特点，我们将 数控系统的各功能模块按照功能特性及其内部逻辑结构进行合理的划分，将数控 系统软件中不少独立性强，功能明显且集中的模块做成组件，将各子功能做成组 件的方法。组件接口开放，在此基础上可构建新的系统或添加新的功能模块。如 遇到系统外界软、硬件环境发生变化，或用户需求有所更改，并不需要对整个组 件进行修改，只需对受影响的组件进行修改，然后重新组合就能得到新的数控软 件。数控系统组件划分： ( 1 ) 入机交互界面组件。包含的功能：界面显示、面板操作读入、坐标，轨迹的 显示如( 刀位轨迹、刀位坐标显示及故障指示) 。 ( 2 ) 输入数据预处理组件。包含的功能：语法检查、译码、对坐标数据进行转换、 对插补计算过程中要用到的数据进行预计算。 ( 3 ) 刀补预处理组件。对解释后的数据进行刀补预处理及插补前的准备工作。 ( 4 ) 插补运算组件。包含的功能：完成插补器功能和坐标轴脉冲分配功能。 ( 5 ) 轴伺服控制组件。在处理输入、输出组件和刀补预处理组件提供的信息的前 提下，通过精确插补，控制机床按指令指定的路径和速度运动。 ( 6 ) f o 组件。执行控制器的输入和输出。 ( 7 ) 操作组件。包含参数设置、点动操作、自动操作、及局部参数设置。 ( 8 ) 诊断组件。包含在运行中发现系统故障，并指出故障类型等。 ( 9 ) 其它组件。如刀具管理，数控加工模拟显示等。 用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) 技术开发各组件模块的 具体功能，各组件模块在协同工作时通过相互问的标准接口完成实际的任务。 这些组件可由数控厂商定制开发，用户也可以自行开发，或者采用外包开发 等方式，但它们必须遵循统一的组件开发标准及接口规范，这样开发的组件就能 在开发环境中组装、链接、调试组成满足用户需求的数控产品。数控厂商和用户 也可以根据自己对数控系统的功能需求，增加或删除某些功能，从丽开发出具有 个性化和灵活配置的数控产品。各组件在开放式数控系统中的组装简图如图2 3 所示。 1 3 重庆大学硕士学位论文 定制生产在开发环境中 用户应用 人机交互界面组件l i连接 输入数据预处理组件 用户 组 使用 件 刀补预处理组件 的数 定 i组合 控系 制 插补组件 统 开 发 轴伺服组件 诊断组件 l调试 其它组件 系统 1 【- 一 升级 图2 3 各组件在开放式数控系统中的组装简图 f i 9 2 3t h ea s s e m b l i n gs k e t c ho f c o m p o n e n t s i no p e nc n c s y s t e m 2 - 3 开放式数控系统平台选择 工业p c 机以其固有的开放性、可靠性成为开放式数控系统的首选硬件平台。 在普及型数控系统中用工业p c 机可以实现友好统一的人机接口和复杂的上层应 用功能( 如c a d ，网络等) ，并且由于p c 机的广泛使用，可获得通过操作系统 和应用软件的有力支持。 开放式数控系统是建立在计算机技术上的控制系统。当今较流行的计算机操 作系统有d o s 、w i n d o w s 、u n i x 以及l i n u x 。从理论上讲，在任何一个操作系统 下，都可以实现开放式数控系统。但在不同操作系统下的数控系统各有优、缺点。 ( 1 ) l i n u x 操作系统l i n u x 是现今正被大量关注的操作系统，内核代码公 开，稳定性好，开发者在实时l i n u x 下用c 编程，可以实现中断的快速响应，和 d o s 系统一样，可以满足数控系统对实时性的要求。在l i n u x 开发应用软件方便 美观。可以方便地实现全软件型的开放式数控系统。但目前l i n u x 操作系统尚未 普及，要求数控系统的用户必须配备l i n u x 操作系统并熟悉系统的使用有一定的 困难。 ( 2 ) w i n d o w s + d o s 操作系统将数控系统的实时性控制任务和非实时控 制任务分离，系统由两台工控机组成，d o s 完成实时任务，w i n d o w s 和d o s 机 之间可用网络连接进行数据和命令交换。这种方式人机界面开发方便，便于升级 和维护，也可实现远程监控。但是系统的软件和硬件均相对复杂，d o s 对网络通 1 4 2 开放式数控系统体系结构研究 讯和上层应用软件的支持较弱，开发相对困难，由于采用双计算机模式，系统成 本较高。 ( 3 ) w i n d o w s 操作系统将数控系统的计算量大( 表现为执行时间长，需 要处理的速度比较快) 而且实时性要求较高的实时控制任务交给d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ) 完成，构成多处理器结构的数控系统。w i n d o w s 操作系统实现 系统软件、人机界面、过程监控、系统配置等非实时性任务和一些功能简单的实 时任务。这种系统可以快速开发出实用美观的人机操作晃面，便于升级和维护， 数控系统的实时性也可得以保障。 综上所述，采用w i n d o w s 操作系统具有可靠性高、操作简便、可移植性好、 性价比适中等特点，在普及型、经济