（机械制造及其自动化专业论文）基于运动控制芯片mcx314数控系统开发平台的研究.pdf

摘要 随着先进制造技术的发展，数控技术在功能上向着网络化、柔性化、智能化 的方向发展，在性能上向着高速、高精、高效的方向发展，在体系结构上向着开 放式的结构体系发展。目前，开放式数控技术已成为数控技术的研究热点，它在 很大程度上决定了数控系统功能的扩展和性能的提高。当今国际上对开放式数控 还没有一个统一的定义，在具体实现方式上也没有达成共识，最常见的实现方法 是基于p c 的开放式数控，它的优势是充分利用p c 的丰富资源和已在国际上形 成标准化的接口来构建数控系统，缺点是无法摆脱掉p c 的不足。因此本论文提 出基于运动控制芯片m c x 3 1 4 ，利用嵌入式m c u 和实时r t o s 来构建数控系统 应用程序开发的硬件和软件平台，探寻数控系统开发设计的新途径。 本论文的研究内容可分为数控系统硬件平台的搭建，底层硬件设备驱动程序 的设计，r t o s 的移植，f f s 文件系统的设计，应用程序框架的搭建和基于任务 的软件二次开发技术的探讨。数控系统硬件平台的搭建研究分析了m c x 3 1 4 适 合数控系统设计的功能和特点，m c 6 8 3 7 6 作为系统主控制芯片的优势以及根据 数控系统功能要求搭建出了数控系统运行的硬件平台；底层硬件设备驱动程序的 设计依据软件设计模块化和层次化的思想，提出硬件设备驱动层设计的两层结 构：基本驱动层和接口驱动层，基本驱动层向下对硬件进行封装，接口驱动层向 上为上层软件提供服务；r t o s 的移植主要分析了r t o s 的结构和运行特点以及 数控系统中应用软件的运行特征和组织方式，简单分析了肛c o s - - i i 的特点和应 用于论文研究的数控系统的优势；f f $ 文件系统设计主要是基于f l a s h 存储芯 片的特点提出了f f $ 文件系统设计的分层结构，并对各层的功能和实现方法及 策略进行了研究探讨；应用程序框架的搭建首先分析了应用程序与任务的关系， 数控系统任务的划分，然后从主程序、中断服务程序和任务编程框架三个方面进 行了研究；基于任务的软件二次开发技术主要从两方面对系统的二次开发进行了 分析：任务内部功能的扩展二次开发和新任务的二次开发。 关键词：开放式数控，嵌入式系统，r t o s ，文件系统，二次开发 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa m tn ct e c h n o l o g yi si m p r o v i n gt o w a r d sn e t w o r k , f l e x i b i l i t ya n di n t e l l i g e n c ei nf u n c t i o n , h i 班s p e e d h i g hp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c y i nc a t t i n gp e r f o r m a n c ea n do p e nc n ci na r c h i t e c t u r e n o w a d a y s ，o p e na r c h i t e c t u r ei s a l r e a d yt h eh o t s p o to fn cr e s e a r c hw h i c hh a sg r e a ti m p a c t so nf u n c t i o ne x p a n s i o n a n dp e r f o r m a n c ei m p r o v e m e n to fc n c b u tt h ed e f l r f i t i o na n dr e a l i z a t i o nw a yo f o p e nc n ci sn o ti n t e r n a t i o n a l l ye n m m o ny e t , a n dn o wt h eu s u a lo f i e nc n ci sb a s e d o ni p c t h ea d v a n t a g eo fw h i c hi st h a ti tm a k e sf u l ll l s oo ft h er i c hl l o s o r r c ea n d i n t e r n a t i o n a l l ys t a n d a r di n t e r f a c e so fp ct od e s i g nc n ca n dt h ed i s a d v a n t a g eo f w h i c hi sn o ta b l et og e tr i do ft h es h o r t c o m i n g so fp c s ot h i sp a p e rp r o p o s e sa m e t h o do f b u i l d i n gt h ep l a t f o r mo f c n cs y s t e mh a r d w a r ea n ds o r w a r cf o rd e s i g n i n g a p p l i c a t i o np r o g r a m sb yu t i l i z i n ge m b e d d e dm c ua n dr t o sb a s e do l lt h em o t i o n c o n 缸 o lc h i pm c x 3 1 4i no r d e rt os e e kan e ww a yo f d e s i g n i n gc n cs y s t e r n n c o n t e n t so ft h i sd a p e f8 1 oi n c l u d i n gt h eb u i l d i n go fc n ch a r d w a r ep l a t f o r r a , t h ed e s i g no fb o t t o mh a r d w a r ed r i v e r s ，r t o st r a n s p l a n t , f f sf i l es y s t e md e s i g n , t h e b u i l d i n go fa p p l i c a t i o np r o g r a mf r a m ea n dt h er e s e a r c ho ns e c o n dd e v e l o p m e n to f s o f t w a r eb a s e do l lt a s k i ta r cd i s c u s s e di nt h ep a r to f b u i l d i n gh a r d w a r ep l a t f o r mt h a t m c x 3 1 4i sf i tf o rc n c d e s i g na n dm c 6 8 3 7 6 i ss u i t a b l ef o rb e i n gt h em a i nc p uo f c n cs y s t e m a n dt h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fc n ci sp u tf o r w a r db ym e a n so f a n a l y z i n gt h ef u n c t i o n so fc n c t h et w o l a y e rs t r u c t u r eo fh a r d w a r ed r i v e r si s p r o p o s e di nt h ep a r to fb o t t o mh a r d w a r e - d r i v e rd c s i g mt h eb a s a ld r i v e rl a y e rt h a t e n c a p s u l a t e st h eh a r d w a r ed o w n w a r d sa n dt h ei n t e r f a c ed r i v e rl a y e rt h a t 辩t v e ss u p e r l a y e rs o r w a r eu p w a r d s i nt h ep a r to fr t o st r a n s p l a n t , t h es t r u c t u r ea n dr u n n i n g c h a r a c t e r i s t i co f r t o sa n dt h eo r g a n i z a t i o np a t t e r na n d r u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co f c n c a p p l i c a t i o np r o g r a m sa r ed i s c a s s e d , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fp c o s - - i ia n dt h e r e a s o nt h a ti ti sf i tf o rc n cd e s i g na r os i m p l ya n a l y z e d n 地l a y e rs t r u c t u r eo ff f s b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co ff l a s hi sp r o p o s e di nt h ed e s i g no ff f sf i l es y s t e m , a n dt h er e s e a r c h e sa r e ：d o n eo nt h ef i m c t i o na n dr e a l i z a t i o nw a yo fe v e r y1 a y e r i nt h e p a r to fb u i l d i n go fa p p l i c a t i o np r o g r a mf r a m e , t h er e l a t i o n sb e t w e e na p p l i c a t i o n p r o g r a m sa n dt a s k sa n dh o wt od i v i d et h ea p p l i c a t i o np r o g r a m si n t ot a s k sa r e d i s c u s s e df i r s t l y , a n dt h e l lr e s e a r c h e so nt h em a i np r o g r a m , t h ei s r t v i c ep r o g r a m a n dt h ef r a m eo ft a s kp r o g r a m m i n ga r ea l s od o n e i nt h er e s e a r c ho i ls e c o n d d e v e l o p m e n to f s o f t w a r eb a s e do nt a s l ( t h es o f t w a r es e c o n d - d e v e l o p i n gt e c h n o l o g yi s d i v i d e di n t ot w oa s p e c t s ：t h ei n n e rf u n c t i o ne x p a n s i o no fat a s ka n dt h ec r e a t i o no fa n e wt a s k k e yw o r d s ：o p e nc n c ，e m b e d d e ds y s t e m ，r t o s ，f i l es y s t e m , s e c o n dd e v e l o p m e n t 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘茎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均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 们鹚 签字日期：沙歹年月2 - o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘茎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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲矽弼 签字日期：w 厂年j - 月妒日 导师签名 签字日期 第一章绪论 1 1 课题的提出和意义 第一章绪论 从1 9 5 2 年第一台数控机床在美国问世，至今已有5 0 多年的历史。计算机数控 ( c n c ) 从7 0 年代中期出现，到现在已有3 0 多年了，数控技术已日趋成熟。特别是 近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机与c n c 技术的紧密结合，使得开发和生产c n c 系统的技术被越来越多的自动化装备生产 厂所掌握。因此，就当今全世界范围来说，c n c 技术已经不再被少数几个国家的 几个c n c 系统生产厂所垄断，到8 0 年代末，几乎每个工业发达的国家都有自己的 数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所需要的数控系 统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售数控系统。因 此，c n c 系统生产厂之间的竞争更为激烈，数控技术的发展进入了新的阶段。 数控技术与先进制造技术密不可分，先进制造技术涵盖的主要内容有四大方 面，即先进的制造工艺与装备、柔性与自动化的制造过程、先进的设计方法与手 段、科学的组织与系统管理技术汹。其中先进的制造工艺与装备，柔性与自动化 的制造过程都与数控技术直接相关，随着计算机技术，网络技术，自动控制技术， 人工智能技术的不断发展，在数控技术的发展过程中已不再仅仅考虑零件加工的 简单制造层面，而是将数控设备作为整个网络化、智能化制造系统的一个单元节 点。当今，在数控系统的设计过程中，主要考虑以下几点因素：( 1 ) 网络化和数 字化制造，数控系统应具有很强的网络通讯功能以实现设备级，车间级，工厂级 乃至全世界范围内的网络通讯，便于制造企业对遍布世界各地的制造工厂进行科 学的组织和系统的管理，便于整个企业内部的制造资源以及企业之间的制造资源 在全世界范围内流动，提高制造资源的利用率，实现真正意义上的网络化制造， 充分利用c a d c a m 等计算机辅助设计和制造软件来提高零件设计，工艺分析和制 造过程的效率，缩短加工周期，提高加工效率和加工质量，除在数控系统的设计 过程中集成c a d c a m 软件的部分功能，主要将设计的重点放在c n c 与上位计算机的 通讯方面，从最开始的r s 2 3 2 串口通讯，发展到利用i n t e r n e t 或i n t e r a c t ，以及现 在的各种工业现场串行总线，从最初的简单零件程序的传输，到现在的现场设备 的实时控制，动态诊断和动态测试技术，从最初的被动加工到现在正在兴起的 s t e p n c 技术；( 2 ) 高速、高精、高效加工，高速加工源于德国的c a r l s a l o m o n 博士1 9 2 4 年开始进行的一系列实验，以他于1 9 3 1 年4 月发表的超高速加工理论为 第一章绪论 标志嘲。高速加工对数控系统及其外围控制元件的设计有着更高的要求，首先， 数控系统应具有多轴控制和多轴联动功能，具有n u r b s 曲线插补功能，配备功能 强大的后置处理软件，运算速度快，仿真能力强，且具备程序运行中的“前馈” 功能。在工件的一次装卡中就能完成各个工序的加工，能够做到零件从毛坯到成 品的连续加工；在零件程序编辑方面，手工编程已不能满足要求，必须应用高效 的c a d c a m 软件，缩短零件从设计阶段到加工阶段的时间；在执行机构的设计上， 进给驱动轴采用直线伺服电机驱动，进给速度最大可达2 0 0 m m i n ，在主轴的设计 上，出现了转速高达几万转的高速电主轴，大大提高了切削进给速度，不但能获 得高的生产效率，而且由于高速切削给加工工件带来不同于低速切削的加工状态 ( 比如由于加工速度高，切屑排除快，加工产生的热量还未来得及传给工件，就 被切屑带走了，因此高速加工工件热变形小) 使加工出的工件拥有更高的精度。 高精加工除了要求数控机床能进行高速加工获得高的加工精度外，还要求数控系 统能够具有高精度的切削进给控制功能，比如前馈控制，快速而均匀的加减速控 制，多轴联动控制，强大的程序段预读功能和对程序段的预处理能力，全面和 全方位的机床加工过程的在线监测和诊断能力以及相应的安全机制；( 3 ) 数控系 统体系结构的不断变化，数控系统的发展始终随着计算机技术的发展而不断发 展，从最初封闭专用结构到现在的开放式结构，从起初最开始的多家发展到为日 本、德国等少数大公司掌握的封闭技术再到开放式结构的提出，世界各国充分利 用工业计算机技术的优势竞相发展本国的数控技术，目前开放式体系结构已成为 数控系统体系结构的发展方向，世界各国都提出了适合自己本国国情的开放式体 系结构发展计划，比较典型的有欧共体的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 r c o n t r o lw i t h i n a u t o m a t i o n s y s t e m ) 、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 t f o r c o n t r o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 、美国的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 和o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 等计划，他们基本代表了开放式数 控系统的发展现状嘲旧。目前，世界上对开放式数控的定义还没有一个统一的 规定，i e e 的定义为：能够在多种平台上运行，可以和其他系统相互操作，并能 给用户提供一种统一风格的交互方式“1 总体来说，开放式数控应具有以下基本 特征：可互换性，构成系统的各硬件、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； 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 件或元件模块) 可根据具体应用增减；可移植性，系统的功能软件与设备无关， 各种功能模块运行在不同的控制系统内，即能运行于不同供应商提供的不同的硬 件平台上：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；可互换性， 2 第一章绪论 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的应用程序接口运 行于系统平台上，并获得平等的相互操作功能，协调工作”1 。( 5 ) s t e p - n c “1 的出 现，传统的g 、m 代码( i s 0 6 9 8 3 标准旧) 自出现以来至今很少更新，i s 0 6 9 8 3 代码 非常简单，加工一个复杂零件需要成千上万行代码。c n c 获取的信息并没有指明 加工对象和加工原理，因此不能在控制器上进行优化。为了控制机床的新特性， 机床销售商将专用代码添加到各自版本的i s 0 6 9 8 3 语言中，导致彼此之间的程序 互不兼容，最大的c a m 软件支持大约4 5 0 0 种后置处理器”。但是，由c a m 系统生 成的关于被加工零件的几何信息、特征信息、工艺信息、检测信息等，经过后置 处理程序的处理大部分都被丢弃了，用g 、m 代码编制的零件加工程序只是对机床 刀具轨迹的运动控制，没有综合考虑零件的几何、工艺、检测、特性等，并且在 加工过程中，由于不能实现信息的双向流动，加工过程不能根据实际情况及时的 调整策略，数控机床只是被动的执行上位机传送的g 、m 代码所规定的刀具轨迹， 加工过程中人为的影响因素很大。 综上所述，网络技术，现代控制技术，计算机技术的飞速发展给数控技术的 发展既提供了机遇又提出了挑战，未来的数控机床必将是制造企业的一个智能型 环节，企业的各种制造信息在各个智能节点之间都能进行流通，通过企业的控制 中心能够实时控制和监测本企业位于世界各地的数控设备，使设计、加工不受时 间、地点的限制，一个制造企业就是一个遍布全球的制造网络。 1 2 国内外的研究现状和发展趋势 影响数控技术的研究和发展的因素有很多，外在因素主要是与数控技术相关 的计算机技术、电子技术、现代控制技术、芯片的集成制造技术、刀具材料技术、 检测技术、电机技术等，内在因素主要是数控系统在设计、制造、应用等环节对 数控技术发展的影响，综合影响数控技术发展的内在因素和外在因素，当前国际 上对数控技术开发的研究热点主要集中在如下两点上：( 1 ) 数控系统设计的体系 结构上开放式数控；( 2 ) 新的加工编程的研究，即s t e p - n c 。 1 2 1 开放式数控系统的体系结构 上世纪8 0 年代，美国政府为了振兴本国的制造业，重新夺回被德国和日本占 领的制造业市场，并充分利用自己在计算机技术方面的优势，提出了发展下一代 n c 控制器的计划n g c 计划，n g c 的体系结构是在虚拟机械的基础上建立起 来的，通过虚拟机械把子系统和模块链接到计算机平台上。n g c 是一个实时加 工控制器和工作站控制器，要求适用于各类机床的c n c 控制和周边装置的过程控 3 第一章绪论 制，包括切削加工( 钻、铣、磨) 、非切削加工( 电加工、等离子弧、激光等) 、测 量及装配、复合加工等。n g c 与传统c n c 的显著差别是基于“开放体系结构”。 在s o s a s ( s p e c i f i c a f i o nf o ra l lo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) 中定义了n g c 系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的9 个功能 设计概念【日。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。例 如d e l t at a u 公司利用n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机和p m a c 控制卡构成的 p m a c 开放式c n c 系统，获得了良好的应用效果“”。随后，在n g c 的基础上，美 国三大汽车公司于1 9 9 4 年初，提出了0 m a c 计划。该计划旨在发挥美国在计算机方 面的领先优势，使得制造商和用户都有更大的主动性。0 m a c 结构没有制定一个固 定的体系结构，也不提供系统硬件平台和软件平台的信息，不指定操作系统，而 是由基类和模块来描述抽象的体系结构。基类通过对通用控制器分解获得，模块 是由基类分组组成，模块是组成控制系统的即插即用的单元。系统设计分为体系 结构设计和框架细节设计。o m a c 是一种采用“搭积木”的思想构造控制系统，在 完成上述系统设计之后，预制接口模块，形成模块库或积木盒“1 。 日本和欧洲在上世纪9 0 年代初也提出了适合自己的开放结构体系： 0 s e c 和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 h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ， 自动化系统中开放式结构体系) 。o s a c a 计划是1 9 9 0 年由德国、法国、瑞士等欧 共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研机构联合发起的。该计划是针对欧盟 的机床正从批量大的通用机床向批量小的专用机床发展，而通用c n c 系统的大部 分功能对专用的机床冗余，却不具备专用机床所需的特殊功能这一现实提出的。 其目标是开发出开放性的c n c 系统，允许机床厂对系统做修改、补充、扩展、裁 剪来适应不同用户的需要。o s a c a 数控平台由硬件和软件组成，包括操作系统、 通讯系统、系统设定、图形服务器和数据库系统等。系统平台通过a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ，应用程序接口) 与具体应用模块a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ，结构对象体) 发生关系。如图卜l 所示为o s a c a 系统 的基本结构n ”。 日本的o s e c 计划，o s e c 计划是在日本国际机器人和工厂自动化研究中心 ( i n t e r n a t i o n a lr o b o t i c sa n df a c t o r ya u t o m a t i o nc e n t e r ) 建立的开放式数控 委员会( o p e nn cs c o p ea n dd i r e c t i o n sc o m m i t t e e ) 的倡导下，由3 个机床厂 ( t o y o t a ，t o s h i b a ，m a z a k ) 、1 个系统厂( m i t s u b i s h i ) 和2 个信息公司( s 儿、日 本i b m ) 发起的，其目的是开发基于p c 平台的、具有高性能价格比的开放式体系 的新一代数控系统。0 s e c 的目标是提出一个国际性的f a ( 工厂自动化) 控制设备 标准，其重点集中在n c 本身和分布式控制系统上。o s e c 认为，从制造的观点看， n c 是分布式制造系统中的一个服务器。它将各功能单元分组并结构化在一些功 4 第一章绪论 能层中，其开放式系统包括了3 个功能层共7 个处理层。每一个处理层被划分为 两部分：n c 基本功能部分和可变功能部分，0 s e c 开放系统正是通过这一特点来 表现其开放性m 。 图1 - 1o s a c a 系统结构框图 开放式数控系统研究的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固 定的框架之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强 数控系统的柔性和适应性。开放式数控系统的实现对数控系统制造商、机床生产 商以及最终用户都有较大益处。系统制造商可以专注于提高系统本身的性能，缩 短开发周期，降低开发费用：机床生产商可以自己解决面向用户的生产方案与系 统集成：最终用户不仅可以通过对系统特定功能模块的配置满足其个性需要，而 且对系统的二次开发也更方便、快捷。 目前，真正符合i e e e 标准定义，完全柔性化，能在多平台上运行的完全开放 式的数控系统仍然处于理论研究阶段，在实际实施和设计过程中，传统数控设备 制造商由于技术、利益以及维修等方面的原因，他们并不愿放弃以前传统数控设 备的发展方向，但迫于开放式的发展趋势，传统数控设备制造商也部分的增加了 系统的开放功能，主要体现在向用户开放p l c 与n c 之间的接口，由机床制造商设 计适合机床的电气控制，但对于机床使用者来说，还只能停留在使用上，不能根 据应用来进行用户阶段的开放式开发，开发用户自己的功能模块，比如像f a n u c 的o i 系列，西门子的8 0 2 系列等。 目前，开放式数控体系结构在数控系统设计上主要体现为：p c + 运动控制器 的形式，这种设计主要考虑在数控系统设计时充分利用p c 机的丰富资源和各种已 第一章绪论 经标准化的接口和软件来简化数控系统的设计，缩短数控系统的开发周期，这种 结构在设计上主要是利用p c 机来处理人机交互，文件管理，参数管理，程序编 辑，网络通讯，数据传输等非实时性或实行性较差的任务，而将插补、译码、驱 动控制等对实时性要求比较苛刻的任务放在运动控制器中来处理。对于数控系统 开发企业来说利用以标准化的工业p c 配以一个运动控制卡，而将主要精力放在 软件系统的开发上，则能很快开发出自己的数控系统。当今，市场上有很多成熟 的运动控制器，尤其以美国d e l t a t a u 生产的高性能多轴运动控制器p m a c 著名， 这种开发方式使数控系统开发商拥有了更大的灵活性，特别是对于中小数控企业 和数控技术比较落后的国家，这种方式无疑为他们提供了一次发展数控技术，追 赶世界先进水平的机遇。 我国的数控技术经过近四十年的发展有了较大的进步，但目前的国内市场中。 中、高档产品主要被进口产品占据，而在较低档的经济型数控机床市场我国的产 品占据主要地位。随着国际学术界对开放式数控系统研究的日益推进，我国的相 关研究也越来越受到重视。经过多年的技术攻关，已经有一批产品和成果涌现出 来。近几年，我国相继开发出了几种型号的开放式数控系统，包括有华中开发的华 中i 型、北航推出的c h 系列数控系统、珠峰公司的中华i 型以及南京四开公司的 蓝天( s k y ) 系列产品。这些数控系统的大部分产品基本都采用1 6 位或3 2 位的工业 p c 机，以d o s 为其操作系统。如其中c h 2 2 0 0 0 系列可多轴多通道自由配置，可控 制1 1 0 个通道，每通道2 8 轴联动，适用于车、铣、加工中心、f m s 与激光切割 等多种机床。系统具有向用户开放的扩展数控语言，允许用户进行二次开发，由 于d o s 系统本身性能较差，因此基于d o s 的数控系统的功能和灵活性都受到较大 限制。目前，以上四大公司都有基于w i n 9 x n t 的数控系统产品面市，支持在 w i n d o w s 平台上进行二次开发。 1 2 2 s t e p - n c 的研究 数控机床自诞生以来，在加工编程方面，一直沿用g 、m 代码( i s 0 6 9 8 3 ) ，随着 数控技术的不断发展，人们逐渐意识到数控系统一直采用的g 、m 代码( i s 06 9 8 3 ) 已不能适应现代化生产和技术发展的需要。这种面向运动和开关控制的数控程序 限制了c n c 系统的开放性和智能化发展，同时也使得c n c 与c a x 技术之间形成了瓶 颈，严重阻碍了机械制造业的发展。为此，国际上正在研究和制定一种新的数控 系统数据接口规范即i s 0 1 4 6 4 9 ( s t e p - n c ) ，其目的是提供一种不依赖于具体系统 的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造 过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。s t e p - n c 的出现是数控技术领域的 一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。 6 第一章绪论 s t e p - n c 是一个新的n c 编程数据接口国际标准( i s 0 1 4 6 4 9 ) ，它于1 9 9 6 年制 定，在2 0 0 1 年成为国际标准草案( d r a f ti n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d 。d i s ) ，目 的是取代现在使用的n c 编程接口标准。基本原理是基于制造特征( m a n u f a c t u r i n g f e a t u r e s ) 进行编程，而不是直接对刀具运动进行编程。它包含了工件的所有加 工任务，通过这一系列加工任务，对从零件毛坯到最终成品所有的操作加以描述， 提供了更高层次的信息给加工车间。人们预计s t e p - n c 将对数控技术的发展产生 深远的影响”： ( 1 ) 数控编程界面将以i s o 1 4 6 4 9 取代i s o 6 9 8 3 ，使得编程界面大为改观，现 场编程方便而且代码易于再利用。 ( 2 ) 数控系统具有更好的开放性，i s 0 6 9 8 3 的覆盖面太窄，c n c 厂家不得不开 发自己的扩展指令，c a m 和c n c 必须使用同一套代码，否则必须选用特定的后置处 理程序。对于s t e p n c 控制器而言，其数据格式( a p 一2 3 8 ) 完全一样，它告诉c n c “要加工什么”而不是具体的动作，因而不需要后置处理程序，具体的动作由c n c 确定，程序具有良好的互操作性和可移植性。 ( 3 ) 数控系统更具智能化，作为目前c a m 与c n c 之间的接口，g 、m 代码的形成过 程造成大量有用信息的流失，这也是目前的c n c 智能程度低的一个主要原因。与 此相反，s t e p n c 数据包含了加工产品所需的所有信息，为c n c 系统在全面了解产 品的基础上进行自主加工提供了基本条件。 ( 4 ) c a m c n c 之间功能的重新划分，c n c 比c a m 或c a p p 系统更了解机床的运行 情况，在c n c 内进行具体的工艺处理( 如刀具的选择、补偿，走刀路线的确定等) 更有可能得到最优的加工效果。因此，将来的c n c 将完成c a m 系统的一部分功能， 并在此基础上往智能化方向发展。随着智能程度的提高，数控机床上将可能安装 有嵌入式c a m 系统，直接根据c a d 数据模型进行加工。 ( 5 ) 更高的加工质量和效率，s t e p - n c 的提出改变了目前c n c 系统作为加工任 务的被动执行者的地位。c n c 功能的加强不仅有利于产品质量和加工效率的提高， 而且还能提高其上游环节的效率。s t e pt o o l s 公司的研究表明，s t e p 与s t e p - n c 的应用可使c a d 阶段的生产数据准备时间减少7 5 ，加工工艺规划( c a m ) 时间减少 3 5 ，加工时间( c n c 五轴高速铣削) 减少5 0 。 ( 6 ) 数据共享与网络化制造，s t e p - n c 的发展使得基于s t e p - n c 的c n c 系统与基 于s t e p 的所有c a x 系统之间实现了双向无缝连接( 例如c a d 系统可以直接从c n c 系 统读取s t e p n c 数据中的几何信息) ，为基于网络的制造模式和技术创造了条件。 目前，s t e p - n c 已成为各工业发达国家数控技术的研究热点，其中较具代表 性的研究项目有欧洲的s t e p n c 项目、美国的s u p e rm o d a l 项目、韩国的s t e p n c 项目、日本的d i g i t a lm a s t e r 项目等。我国的s t e p - n c 研究处于起步阶段，与世 7 第一章绪论 界发达国家相比处于落后的地步。 s t e p - n c 控制器仍处于理论研究阶段，但它已为下一代n c 控制器的发展指明 了方向。欧共体在s i n u m e r i k 8 4 0 d 基础上开发了一个原型机，验证了s t e p _ 州c 控 制器的可行性，美国在验证了“超级模型”的有效性后，与s t e pt o o l s 公司合作 的e m i ( e l e c t r o - - m e c h a n i c a li n t e g r a t o r s ) 目前正在研制能直接读取“超级模 型”数据库的机床控制器的软件部分，目标是建立一套实时解释产品模型信息的 e n c 协议和相应的软件。基于s t e p - n c 数据( i s 0 1 4 6 4 9 ) 在c n c 中的实现方式，可 以将s t e p n c 控制器分为如下三种类型，如图卜2 所示，类型a 为在传统的数控系统 基础上，由c a m 系统生成的i s 0 1 4 6 4 9 代码经过后置处理器，转换成g 、m 代码，再 传送给数控系统的g 、m 代码译码器；类型b 为数控系统直接接收从c a m 传来的 i s 0 1 4 6 4 9 代码，由数控系统内部的i s 0 1 4 6 4 9 代码译码器译码后直接送入n c 内核执 行，这种系统只是具有刀具轨迹的自动生成功能，目前处于试验阶段和已开发出 的原型机都属于这种类型结构；类型c 是一种全新的智能型s t e p - n c 控制器，除具 有类型b 的功能外，还能进行智能的刀具路径轨迹干涉检查，自动刀具选择，加 工过程的动态监测，加工过程中加工策略的调整，机床状态监测等“。 类型a类型b类型c 传统n c ， 、 新一代n c新一代智能 控制器 控制器n c 控制器 ，if 1 1 1 7 l g 代码译智能处理功 码器能模块 3 - ? 。丁下之乡 后置处理器 i s 0 1 4 6 4 9 译码器 ， t 丁可丁上上 工作平台几何信息技术特征信息刀具信息 图i - 2s t e p - n c 控制器的三种类型 8 第一章绪论 1 3 论文的主要研究内容 1 3 1 当前数控系统体系结构设计中的主要问题及可能的解决方案 自数控系统开放式结构体系提出以来，许多数控开发人员一直致力于这方面 的研究工作，由于开放式数控体系结构中所定义的数控系统就目前来说仍是一个 理想的系统，在实际的系统开发中，由于受到下面因素影响：( 1 ) 传统封闭型的 数控系统长期占据市场，生产商资金和技术雄厚，他们不愿放弃已有的市场和技 术，只是在传统数控系统体系结构的基础上，增加一些开放性的结构，常见的就 是c n c + p c 主板的结构，这种结构的开放性有限；( 2 ) 目前，开放式数控在世界 上有很多体系结构并存，以美国、日本、欧洲的开放式体系结构为代表，其他国 家一般都是参照上述三种结构与本国的具体实践相结合制定出适合自己国情的 开放式体系结构，因此，开放式数控并未形成全球统一的标准( 3 ) 在实际的设计 开发过程中，各个数控生产商出于技术保密和自身利益的原因，并未最大限度的 开放自己的系统。由于以上三个因素，当今市场上出现的开放式数控系统，并不 能实现不同厂家、不同系列的功能模块或加工程序的互换和重新组合，而且留给 用户的二次开发空间也极为有限。 当前开放式数控的一个典型体现形式就是基于工业p c 的形式( 如t d n c m 4 ，s i - n u m e r i k8 4 0 1 ) i ，f a n u c l 5 0 i ，1 6 0 i 等) ，这种设计形式主要是考虑利用p c 机的丰富 资源和各种已经标准化的接口来简化数控系统的设计，提高数控系统的开放性。 但与此同时，p c 机的很多缺点在基于p c 的开放式数控系统中也暴露出来了，比如 系统不稳定，运行过程中经常会出现死机现象，系统不是专为数控加工量身定做， 附加的功能模块过多，造成系统实时性差，有时与数控加工不相关的任务和进程 会占去c p u 的大量资源等“”，这些问题都不能在短时间内得到解决。 另一方面，进入2 0 世纪9 0 年代以来，各种嵌入式微控制器( m c u ) 获得了飞 速发展，中央处理单元( c p u ) 的运算和处理速度不断增强，片上资源也日益丰 富，除集成r a m 、r o m 等存储模块外，还集成了i o ，a d c ，d a c 以及各种总线，通 讯，网络模块等；现在市场上流行很多嵌入式实时多任务操作系统，如v w o r k s ， u c 0 s 等，其中有一些如u c o s 是源代码开放，并且内核小、可移植性好，而且对 于学生学习研究是免费的，因此，利用现有的源代码开放对学习研究免费的多任 务实时系统内核来解决数控系统的多任务实时调度，既可以缩短研发周期，降低 研究成本，又可以充分利用内核源代码开放的好处来学习和研究多任务实时内 核，最终开发出自己的内核系统。同时，专门用于运动控制的运动控制芯片也层 出不穷，像美国p m d 公司的m a g e l l a n 系列、n a v i g a t o r 系列、p i l o t 系列、m c l 0 0 系列，日本n o v a 公司运动控制芯片：k l c x 3 1 4 a s 、m c x 3 1 4 、m c x 3 1 2 、m c x 3 0 4 、 9 第一章绪论 m c x 3 0 2 以及日本s e e k 公司单轴电机运动控制芯片：a s 4 9 f 等，由于其中的一些 芯片是专门为数控机床设计的，如m c x 3 1 4 ，具有各种基本插补功能，可实现对数 字伺服和步进电机的控制，并具有急停，硬限位等i o 控制功能，非常适合于用 作数控系统的设计。由此可见，以运动控制芯片+ m c u + r t o s 为软硬件平台来设计 嵌入式数控系统，将具有很大的优势：( 1 ) m c u 强大的运算和处理能力以及丰富的 片上资源，为数控系统的设计提供了便利条件，也将使系统集成度更高；( 2 ) 将 商业化的高可靠性r t o s 移植到数控系统的设计中，将有利于缩短系统的研发周 期，提高数控系统软件运行的实时性和可靠性；( 3 ) 采用运动控制专用芯片控制 机床各轴的运动，在功能上等同于采用数控系统设计的双c p u 架构( 一个c p u 用于 运动控制，另一个用于系统控制) ，但由于运动控制芯片功能的专用性，使软件 开发和硬件开发的难度大大降低，相应的也提高了系统运行的稳定性。 1 3 2 5 论文的主要研究内容 基于上述分析，本论文的研究内容主要有以下几点： ( 1 ) 构建基于m c x 3 1 4 运动控制芯片，以微控制器m c 6 8 3 7 6 为主控制芯片，采用r t o s 为操作系统的软硬件平台数控系统体系结构； ( 2 ) 讨论r t o s 的运行机制，移植虻o s i i 的方法，以及如何在此平台上运行虻o s i i ： ( 3 ) f f s 文件系统的设计原则和方法； ( 4 ) 数控系统中功能与任务的关系，各个任务的级别分配以及应用程序框架的搭 建； ( 5 ) 基于系统任务的软件二次开发技术。 1 0 第二章