（机械制造及其自动化专业论文）开放结构数控系统及其集成状态监测研究.pdf

中文摘要 在现代制造领域，数控技术的应用日益广泛。各种先进制造技术对数控系 统的功能和性能提出了更高的要求，传统的专用数控系统已然不能适应制造业 发展的需要，研究具有开放结构的数控系统己成为一个必然趋势。 近年来，计算机技术迅猛发展，p c 机日益趋于接口标准化和结构开放化， 并具有强大的资源管理能力。本文充分利用p c 的上述优势，成功开发了基于 p c 架构的开放结构数控系统，并在数控铣床及加工中心上进行了实际应用，验 证了系统的可靠性及开放性。 在状态监测领域，许多新的理论和技术手段的出现，扩展了该领域理论与 技术成果的应用范围。数控机床由于结构复杂、技术密集，相应的状态监测成 为监测技术的一个重要应用方向。而开放式数控系统由于其智能及其开放结构， 机床状态监测系统在实现形式上又可以有其自身特色。 针对机床状态监测这一监测技术的特殊应用场合，本文提出利用数控系统 的智能及其开放结构优势进行功能扩展，将监测系统与数控系统相集成，以此 实现由数控系统单独完成数控加工过程控制与机床状态监测的双重任务。经过 系统平台搭建及现场实验，验证了方案的可行性以及该系统对现场信息获取的 便捷性。在此基础上，实现了系统进行远程故障诊断的接口功能，并进行了系 统网络连接测试。 关键词：开放结构、数控系统、状态监测、故障诊断，网络 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fc n ci sw i d e l ya p p l i e di n c r e a s i n g l y i nf i e l do fm o d e r n m a n u f a c t u r i n g h i g h e rr e q u i r e m e n t so ff u n c t i o na n dp e r f o r m a n c eo fc n cs y s t e ma r e p u tf o r w a r db ym a n yk i n d s o fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e s t h o s e c o n v e n t i o n a ls p e c i a lc n c s y s t e m sc a n ta d a p tt h ed e v e l o p m e n to f m a n u f a c t u r i n g a s ar e s u l t , i ti sb e c o m i n gav e r yt r e n dt or e s e a r c ho p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m i nr e c e n ty e a r s , 丽t ht h ep r o m p td e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , p c w h i c hi so fp o w e r f u lc a p a b i l i t yo fr e s o t t r c em a n a g e m e n t , i sd e v e l o p i n gt o w a r d s s t a n d a r di n t e r f a c ea n do p e na r c h i t e c t u r e t h ep a p e rt a k e sa d v a n t a g eo f p ct od e v e l o p a no p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m t h i sc n cs y s t e mi sa p p l i e dp r a c t i c a l l yo n ac n c m i l l i n gm a c h i n ea n dam a c h i n i n gc 矧a t e r , w h i c hp r o v e st h er e l i a b i l i t ya n do p e n n e s so f t h es y s t e m w i t ha p p e a r a n c eo fn e wt h e o r i e sa n dt e c h n o l o g i e si nf i e l do fs t a t u sm o n i t o r i n g , a c h i e v e m e n t so ft h i sf i e l da r eg e t t i n gw i d e l ya p p l i e d o w i n gt ot h ec o m p l e x i t yo f s t r u c t u r ea n dm t e u s i 哆o ft e c h n o l o g i so fc h i cm a c h i n e , s t a t u sm o n i t o r i n gf o ri ti s b e c o m i n ga ni m p o r t a n ta p p l i c a t i o no fm o n i t o r i n gt e c h n o l o g i e s w h i l eb e c a u s eo ft h e i n t e l l i g e n c ea n do p e na r c h i t e c t u r eo fo p e nc n cs y s t e m ，m a c h i n es t a t u sm o n i t o r i n g s y s t e mi sa b l et ob eb u i l ti na l lu n u s u a lf o r m i nr e s p e c to fm a c h i n es t a t u sm o n i t o r i n g , w h i c hi sas p e c i a la p p l i c a t i o no f m o n i t o r i n gt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rp r o p o s e st h a tb yt a k i n gg o o db s eo fi n t e l l i g e n c e a n do p e na r c h i t e c t u r eo f c n c s y s t e m m o n i t o r i n gs y s t e mc a n b ei n t e g r a t e dw i t l lc n c s y s t e m ，w h i c hw i l l a l s o e x p a n df u n c t i o n so ft h ec n cs y s t e m i n s o d o i n g , m a n u f a c t u r i n gp r o c e s sc o n t r o la n dm a c h i n es t a t u sm o n i t o r i n gc a nb ep e r f o r m e db y t h ec n c s y s t e ma l o n e w i t has y s t e mp l a t f o r md e v e l o p e d i nt h ep a p e r , e x p e r i m e n t s a r ep e r f o r m e d w h i c hp r o v et h a tt h ep r o j e c ti sf e a s i b l ea n dt h es y s t e mi sa b l et og e t i n f o r m a t i o nc o n v e n i e n t l y f u r t h e rm o r e , i n t e r f a c eo fr e m o t ed i s t a n c ef a u l td i a g n o s i s o f t h es y s t e mi sd e v e l o p e da n di st e s t e db yc o n n e c t i n gt h es y s t e mt on e t 、v o f k k e yw o r d s ：o p e na r c h i t e c t u r e ，c n cs y s t e m , s t a t u sm o n i t o r i n g , f a u l td i a g n o s i s ， n e t w o r k 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，也不包含为获得鑫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已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：仲彳签字眺埘年p 月卯日 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茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫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) 学位敝储躲伽孕 签字日期：1 ，f 车，) ，月w 日 导师签名 签字日期 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本论文课题的研究得到以下科研项目的资助： 1 ) 、天津市科技发展计划重大攻关项目：“基于网络和状态监测的层次化嵌入式 开放结构数控系统”，项目编号：0 3 3 1 8 1 6 1 1 ； 2 ) 、国家自然科学基金支持项目：“基于动态监控建模和物理仿真的制造系统智 能控制理论与模式”，项目编号：5 0 4 7 5 1 1 7 ； 3 ) 、天津市应用基础研究计划重点项目：“面向开放结构数控系统的嵌入式智能 重构与二次开发技术”，项目编号：0 5 y f j z j c 0 1 8 0 0 。 1 1 2 课题研究背景与意义 制造业是国家工业的基础，随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开 始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发， 提出了全新的制造模式，先进制造技术正向着柔性化、智能化和网络化方向发 展。 数控技术 1 1 ，是指用数字信号形成的控制程序对一台或一台以上的机械设 备进行控制的一门技术，简称n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 。数控技术综合应用了微 电子技术、计算机技术、自动控制、伺服驱动及精密测量等学科的最新成就， 是机械设备实现自动化的一种重要形式。在现代制造系统中，数控技术一直是 先进制造技术的核心，是各种柔性化制造系统的核心控制单元，对制造业实现 柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用，其发展水平的高低直接影 响制约着制造业工程数字化、信息化、智能化和网络化的发展趋势和应用前景， 决定了一个国家工业水平的高低，并制约着其它行业的发展。 数字控制机床( 简称数控机床) ，就是将机床的各种动作、工件的形状尺寸 l 第一覃绪论 以及机床的其它功能用一些数字代码表示，把这些数字代码通过信息载体( 即 控制介质) 输入给数控系统( 数字控制系统) ，数控系统经过译码、运算及处理， 发出相应的动作指令，自动地控制机床刀具与工件的相对运动，从而加工出所 需要的工件。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了这个国家的经济能力和国防实 力。目前我国是全世界机床拥有量最多的国家( 近3 0 0 万台) ，但我国机床数控 化率不足5 ，而日本已经达到7 5 ，欧美亦达到6 5 1 2 1 。目前，世界上主要工业 发达国家的数控机床已进入批量生产阶段，如美国、日本、德国、法国等，其 中以日本发展最快。日本不到8 0 万台的机床却有近1 0 倍于我国的制造能力。数 控化率低，已有数控机床利用率、开动率低，这是发展我国2 l 世纪制造业必须 首先解决的最主要问题。每年我们国产全功能数控机床3 0 0 0 - 4 0 0 0 台，而日本年 产达5 万多台。目前，国际上最大的数控系统生产厂是日本fanuc 公司，1 年生产5 万套以上系统，占世界市场约4 0 左右，其次是德国的西门子公司约占 1 5 以上，其它较著名的品牌还有西班牙发格，意大利菲地亚，法国的num ， 日本的三菱、安川等。 我国从1 9 5 8 年开始研制数控机床，2 0 世纪7 0 年代开始生产数控机床，但产 量很低，其功能和可靠性与先进国家相比差距也较大。直到2 0 世纪8 0 年代初开 始，随着我国改革开放政策的实施，先后从日本、美国、德国等国家引进先进 的数控技术。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，进行了大量的开发 工作，进而推动了我国数控技术的发展，使我国数控机床在品种上、性能上以 及水平上均有了新的飞跃。至1 1 9 8 9 年底，我国数控机床的可选品种已超过3 0 0 种， 其中数控车床占4 0 ，加工中心占2 7 。这标志着我国数控机床的生产已经建立 了以中、低档数控机床为主的产业体系，为2 0 世纪9 0 年代向着高档数控机床的 发展奠定了基础。目前我国内已有数控厂家1 0 0 多家，主要有华中数控、北京航 天机床数控集团、北京凯恩帝、北京凯奇、沈阳艺天、广州数控、南京新方达、 成都广泰等，但这些国产数控生产厂家规模都较小，年产都还没有超过3 0 0 - 4 0 0 套，且数控系统也主要以中低档为主，可靠性及整体功能还有待迸一步提耐3 1 。 就国内需求而言，随着经济步伐的加快，中国正快速成为世界的制造大国， 对数控设备的需求也在急剧增加。数控机床在机床类型中所占的比例逐年增加， 以数控机床为基础的各类加工中心、柔性生产线蓬勃发展，数控机床成为现代 制造业的技术基础。8 0 年代初，我国机床消费额为1 0 亿美元，9 0 年代初达2 0 亿 2 第一苹绪论 美元，2 0 0 0 年为3 7 8 8 亿美元，2 0 0 1 年我国机床消费已达到4 7 4 亿美元，比位居 第一的德国仅差1 5 。而自2 0 0 2 年开始，我国已连续三年成为世界机床第一消费 大国。2 0 0 4 年我国机床消费额已达至1 j 9 4 6 亿美元，较2 0 0 3 年增长2 7 3 亿美元，但 国产仅占1 l 亿美元( 4 0 ) ，6 0 是进口机床( 共耗资5 9 2 亿美元) 。2 0 0 5 年高端数 控机床更是成为市场需求的主体【4 5 】。 但是，在中国的机床市场，国外数控尤其是高端数控设备长期占据着主导 地位。并且由于国外品牌数控功能相对完善，严重影响了国内开发数控的积极 性，造成国内投资、研发力度不够，可实用产品寥寥无几。而国外数控设备的 技术内核极为封锁，可提供的高端品种也极为有限，甚至对多轴高端数控装备 变相禁运等，制约了我国数控装备的自主研发和功能拓展，严重影响了我国特 殊高技术制造装备的水平提升。 正是基于此，国家对数控系统的自主研发多渠道投入力量进行攻关，积极 扶持数控机床的国产化，培育具有自主知识产权的国产数控品牌机床。国家8 6 3 计划和十一五攻关计划都将开放式数控技术作为支持国民经济未来高速发展的 重大研究方向。扶持研制高速高精数控机床，鼓励研究高档数控相关设备的专 利技术和标准规范，促进中档数控机床发展，大力研制低成本、先进控制技术 及智能控制技术的数控机床。重点支持面向企业实际应用的开放结构数控技术 和产品模式，支持国内开放数控应用标准体系的建设和支撑市场体系的建设。 鼓励产学研联合进行数控技术的攻关，强调项目成果的产业化。科技部部长徐 冠华在中国科协大会上特别强调支持中小企业科技创新和产学研发展重要性： “我国产业创新能力弱、核心技术依赖国外的问题日益突出，自主知识产权匮乏 已成为我国参与国际竞争的重要障碍，关键领域的核心技术是买不来的从 今年起，要结合国家中长期科技发展规划纲要和“十一五”科技规划的制定，研 究形成对从事基础研究、战略高技术研究的机构和团队给予稳定支持的政 策完善技术转移机制，促进企业之间、企业与大学和科研院所之间的知识 流动和技术转移，促进企业的技术集成与应用；要以支持科技型中小企业技术 创新为重点，建立健全科技型中小企业服务体系，积极发展面向中小企业的投 融资体系，创造有利于中小企业创新的政策环境。” 正是在这样的政策引导和鼓励下，各档次国产品牌数控系统相继出现，使 得国外品牌诸如法那克、西门子等数控系统的价格大幅下拉，对我国数控技术 打破禁运和不断普及起到了变革性的作用。但是目前的现状是洋品牌依旧占据 3 第一章绪论 着我国数控装备的中高端市场，现有国产品牌在技术含量、可靠性等方面还不 足以与洋品牌的中高端数控产品抗衡。这就更需要真正以数控系统为核心高起 点地提升我国的装备制造业水平，使我国从制造大国快速成为制造强国。同时， 数控技术正在发生重大变革，作为现代制造装备0 脏”的数控系统，正面临着 巨大的发展机遇。以此为契机，力争高起点地自主研发可提升数控制造装备水 平的新一代智能化数控系统，在替代进口设备的同时满足我国制造装备的数控 系统需求，可逐步摆脱对国外技术的依赖，促进国家工业的自主发展进程。 另一方面，作为与现代机械设备息息相关的状态监测及故障诊断技术，是 近2 0 多年来国际上随着电子计算机技术、现代测量技术和信号处理技术的迅速 发展而发展起来的一项新技术。所谓故障诊断就是根据机械设备运行过程中产 生的各种信息来判别机械设备是正常运转还是发生了异常现象，也就是识别机 器是否发生了故障【6 】。状态监测与故障诊断技术在提高生产率、降低成本、节 约能源和人力、减少废品率、保证产品质量等方面起着重要的作用。 由于工业设备的复杂化、连续化和自动化，一些关键设备造价相当昂贵， 并且其运行环境也要求这些设备必须在无故障条件下运行，否则将可能导致巨 大的损失，这就要求能实时判别这些设备的技术状态，及时发现异常情况并进 行处理。显然仅依靠传统的定期巡检点监测方法已不能满足这一要求，在线状 态监测技术正是在这种情况下迅速发展起来的，本文所研究状态监测技术即指 在线状态监测技术。利用该技术，可以在设备工作状态下，由监测系统自动获 得设备的待检状态参量，经过数据分析处理即可得到设备的实时运行状态。通 过对机器设备进行实时监测，可以及时发现机器的故障和预防设备恶性事故的 发生，有效避免人员伤亡、环境污染及巨大经济损失。状态监测技术的意义还 在于改革设备维修制度。现在多数工厂的维修制度是定期检修，不论设备是否 有故障都按照人为的计划时间定期检修，造成资源的浪费。利用状态监测技术， 在设备正常运转没有故障时可以不停车，在发现故障前兆时能及时停车，按诊 断出故障的性质和部位，可以有的放矢地进行检修，不但节约了大量的维修费 用，而且由于减少了许多不必要的维修时间，可大大增加机器设备正常运转时 间，大幅度地提高生产效率，从而产生巨大的经济效益。 就数控机床而言，其本身是一种技术含量很高的机电一体化设备，集机、 电、液于一身，在现代机电设备中非常具有代表性，具有技术密集和知识密集 的特点。自1 9 5 2 年美国研制出第一台三坐标数控铣床以来，数控机床就以其卓 4 苎= ! 丝笙 越的性能，逐渐成为机床行业的主力军。由于数控机床的结构复杂性、技术先 进性，一旦机床出现了故障，其检查工作量大，涉及技术领域多，现场工作人 员或技术人员一般无力解决，而是需要异地机床生产厂家的技术人员和相关专 家的技术支持。通常情况下，异地机床生产厂家的技术人员或相关专家为检修 发生故障的数控设备，必须了解相关设备的现场信息。而在目前条件下，这些 相关人员必须亲自到达加工现场，这使得除了增加经济及人员负担外，对机床 用户来讲，其最大的损失在于设备故障不能及时排除，大大延误了生产周期， 打乱了加工计划，甚至可能造成合同纠纷；而对于技术人员来讲，由于地域、 行业及企业间的相互限制，彼此之间联系松散，使得实际技术力量显得严重不 足，同时又有相当大的潜力没有得到充分利用。当设备求诊时，由于地域限制， 专家或生产厂家技术人员就会奔波于全国各地，造成资源的严重浪费。因此， 一旦数控机床出现了故障，要使故障源充分暴露或者使故障定位，需要维修人 员具有较高的业务水平和丰富的经验，这就给故障的及时排除带来了许多困难， 因此，对数控机床故障诊断技术的研究提上日程【7 1 。 机床故障诊断技术是建立在机械工程、测试技术、信号处理、计算机应用 技术、人工智能等众多理论基础上的新兴综合性科学技术【耵，机械设备故障诊断 越准确及时，对生产安全、避免人员及财产的损失的作用越大。据日本统计， 采用故障诊断技术后，每年设备费用可减少2 5 5 0 网。统计表明，工业现场中， 8 0 的时间用来查找所出现的故障原因，而只有2 0 的时间来解决故障。人工查 找故障费时费力，特别是数控机床的维修更是困难，它己成为制约我国数控技 术广泛应用的主要障碍之- - 1 1 0 1 。 同时，随着柔性化、智能化、网络化的发展趋势，数控设备的结构日趋复 杂，在其实现高速、高精、高效及加工自动化的过程中，对加工过程实时可控 的要求越来越高；物理仿真技术的发展也需要相应的状态监测技术的支持。 而另一个客观事实是，目前我国数控设备仍严重依赖进口，核心技术的受 限于人成为企业独立进行设备故障诊断的一个重要因素。因此，开发具有自主 知识产权的数控系统，同时面向用户集成友好的监测诊断功能，对于促进数控 技术发展、提高加工精度、提升数控设备使用效率等将具有重要意义。 5 第一章绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 开放式数控系统研究现状1 5 】 随着信息时代的来临以及世界经济一体化水平的不断提高，全球范围内的 竞争不断加剧，人们对产品的性能要求不断提高，产品的规格和形式也日新月 异。传统的工业生产模式已很难满足新时代发展的要求，主要表现为产品形状 结构的复杂化、加工质量的精密化、更新换代的快速化以及产品批量的小型化 等，要求加工制造系统具备良好的柔性和多种加工功能的特征。这一市场发展 的客观趋势促成了一个新的概念的产生，即模块化、可重构、可扩充的开放式数 控系统。 p c 作为世界范围内的标准化产品，其设计生产是世界范围内的各高技术企 业的优化组合，其性能也是世界性高科技的结晶。良好的可靠性、兼容性是一 般专用控制器所不具备的。随着微电子技术的发展，通用p c 的性能有了更进一 步的提高，基于p c 的开放式数控系统也随之应运而生。无论是f u n a c 还是 s i e m e n s 等品牌的传统专用数控系统，系统设计、生产能力都无法与通用p c 的 设计和生产能力相比拟。传统专用计算机数控系统的硬件始终落后于通用p c 的 发展。为充分利用通用计算机技术高速发展的新成果和丰富资源及利于发展延 续，基于p c 的c n c 已经成为目前的发展方向。 基于p c 的开放式数控系统主要有三种结构： 其一是采用p c + n c 控制卡的形式。这种结构将n c 控制卡插入p c 的标准插槽 中，以工业p c 为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用p c 总线形式， 同时以多轴运动轴控制器作为系统从机，进而构成主从分布式的结构体系。运 动控制器通常以p c 硬件插件的形式构成系统，完成机床运动控制、逻辑控制等 功能。p c 作为系统的主处理器，主要完成系统管理、运动学计算等任务。对于 许多熟悉计算机应用的系统厂家，往往采用这种方案，利用p c 的通用接口和软 件技术进行数控系统的开发。 第二种为c n c + p c 的架构。即把一块p c 主板插入传统的c n c 系统中，p c 将 实现用户接口、文件管理以及通讯功能等，n c 插卡将全面负责机床的运动控制 和开关量控制。目前主流数控系统生产厂家长期已经生产大量的数控系统，体 系结构的变化会对他们原系统的维修服务和可靠性产生不良的影响，因此没有 6 第一苹绪论 把开放结构作为主要的产品，仍然大量生产原结构的数控系统，但为了增加开 放性，这些生产厂家往往在不交化原c n c 系统基本结构的基础上增加一块p c 板， 提供键盘使用户能把p c 和c n c 联系在一起，大大提高了人机界面的功能。典型 产品如f a n u c 的1 5 0 1 6 0 1 8 0 2 1 0 系统。这种数控系统尽管具有一定的开放性， 但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此， 用户无法真正介入数控系统的核心。 第三种为软件c n c 。这种c n c 装置的主体是p c 机，充分利用p c 机不断提高的计 算速度、不断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运 动轨迹控制和开关量的逻辑控制。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的 形式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，其更深入的开放性还体现在 支持运动控制策略的用户定制。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢， 并力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形 式的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的 一种技术变革。但由于存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等 问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。 值得注意的是，一些工业发达国家纷纷成立了专门的研究机构，制定了具 体的研究计划进行开放结构数控系统体系结构及规范标准的研究，并且得到了 一些有实力的公司的支持。较为典型的如美国的o m a c ，欧盟的o s a c a 及日本 的o s e c 。 o m a c ( o p m 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 ，开放式、模块化体系结构控 制器) 计划是美国的通用、福特和克莱斯勒三大汽车公司从1 9 9 4 年开始启动的， 旨在发挥美国在计算机科学方面的领先优势，使得制造商和用户都有更大的主动 性。o m a c 没有指定一个固定的基础体系结构，也投有提供有关系统硬、软件 平台信息，没有指定操作系统，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，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。o m a c 使用一种能支持大多数面向对象的概念的接口定义语言i d l ， 力图用i d l 的语法规范来建立一组公共的、具有开放性特征的应用程序接0 ( a p i ) 以保证它的平台无关性。 o s a c a ( o p e l l 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 l s w i t h a u t o m a t i o ns y s t e m s ，自动 7 第一苹绪论 化系统中的控制的开放系统体系结构) 计划是1 9 9 0 年由欧共体2 2 家控制器开发 商、机床生产商等联合提出的。o s a c a 认为，开放式数控系统由一组逻辑上相 互独立的成份组成，系统明确定义了这些成分之间的接口以及成分与平台之间 的接口。o s a c a 的核心部分一通讯系统( c o m m u n i c a t i o n s y s t e m ) 屏蔽了操作系 统的差异，保证了各功能单元( a o ) 的可移植性和互操作性以及系统配置文件的 通用性。在o s a c a 开放式控制系统中，应用程序接口是系统平台向外部提供服 务的通道，也是结构功能单元访问系统平台的唯一途径，它屏蔽了平台的真实 实现，保证了系统平台的硬件无关性和操作系统无关性。 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o 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) 计划于 1 9 9 4 年由东芝机器厂及三菱电子等6 家日本公司联合提出，其目的是开发基于 p c 平台的新一代开放式数控系统。o s e c 认为，从制造的观点来看，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，o s e c 开放系统正是通过这一特点来表现其开 放性。 我国对开放式数控系统的研究起步较晚，且多处于模仿国外的形式。目前 的国内市场上，中、高档产品仍主要被进口产品占据。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。如华中开发的华中i 型、珠峰公司的 中华i 型以及南京四开公司的蓝天( s k y ) 系列产品等。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，目前，已有基于 w i n 9 x n t 的数控系统产品面市，支持在w m d o w s 平台上进行二次开发。北京 航空航天大学将现场总线技术应用于开放式数控系统的研究中，成功开发出基 于s e r c o s ( s e r i a lr e a lt i m ec o m m u n i c a t i o ns p e c i f i c a t i o n ) 总线技术的c h 2 0 1 0 s 开放式数控系统。该系统由工控p c 计算机母板及一块s e r c o sm a s t e r 控制卡组 成，通过p c 与s e r c o sm a s t c v 卡的通讯，可由后者实现对伺服单元及i o 开关量 的控制。 1 2 2 机床状态监测研究现状【l 鲫o 】 状态 测( c o n d i t i o nm o n i t o r i n g ) 是指对运转中的设备整体或其零部件的技 术状态进行检查鉴定，以判断其运转是否正常，有无异常与劣化征兆，或对异 第一章绪论 常情况进行追踪，预测其劣化趋势，确定其劣化及磨损程度等活动。就监测方 式而言，可分为离散监测和连续监测两种监测功能。所谓离散监测，主要是指 对设备运行过程中的状态进行监测，其离散状态变量包括二进制的数字控制信 号，如系统层和单元层的控制信息及通信信号，数控系统和底层p l c 的控制信 息，以及机械辅助定位机构运行状态的开关传感器信号和一般i 0 的信息等。 这些信息的共同点是以数字量的形式出现的。所谓连续监测，主要是指测量加 工设备及其加工过程物理状态变量的传感信号，以及从测量工件和刀具轮廓尺 寸的传感器中获取的几何数据等。它们赢接关系到设备加工过程的正常运行及 加工产品的质量。这些信息的共同特点是以模拟量的形式出现的。有效地获取 上述这些信息，正确地使用和分析融合这些信息可以说是现代机械制造系统监 控和诊断的首要任务。 数控机床是一个复杂的系统，在机床运转过程中需要监测的状态量很多， 如刀具，主轴，进给轴，切削液，机床床身，夹具，工件等的工作状态。其中， 刀具监测是先进制造技术中的关键技术。刀具的磨损将直接影响被加工零件的 尺寸精度、形状精度和表面质量，甚至会影响生产安全。刀具的磨损、破损不 仅会导致机床的功能失效，还会构成整个系统的故障。同时，相对于机床、夹 具与工件，刀具状态的监测较为方便、可靠，因此对加工过程的识别其信息来 源的主要手段之一就是对刀具状态加以监测，机床状态监测的研究也主要集中 在了对刀具的状态监测上。 由于在机床运行中，反映各待检状态的物理量往往不只一个，如在刀具磨 损过程中发生变化的参量就有声发射( a e ) 、切削力、振动、主轴及进给轴电 机电流、功率等，相应的也就产生了基于声发射的状态监测技术、基于切削力 的检测技术等。这些检测技术的本质就是对信号特征量进行时域统计分析或频 域的谱分析，在研究思想上，一般力图寻求某一阀值作为状态识别的依据，因 此这种方法需要人工进行判断。但由于阀值在整个生产中的随机性，很难确定 其值，因此进展不大。2 0 世纪9 0 年代以来，智能制造技术逐渐成为制造业中的 关键技术，人工神经网络( a n n ) 因其并行分布式处理、联想记忆、自组织及自学 习能力和极强的非线性映射能力而特别适合于复杂的模式识别问题。基于神经 网络的智能监测、故障诊断、识别、设计和优化等技术日趋受到重视，通过提 取待检状态的多元参量实现基于人工神经网络的状态识别技术成为一个新的研 究课题。根据这种技术，由多个传感器分别检测不同的物理参量信号，提取各 9 第一章绪论 信号的特征量并送入经过学习训练的神经网络作为网络输入。经过网络的非线 性映射( 识别过程) ，可有效判断出这些物理参量值所对应的状态。 目前对于数控机床的状态监测，c n c 系统本身只是利用软件程序或内部p l c 对系统本身的d s p c p u 、存贮器、参数状态、加工程序、或一些离散状态量如 机床限位信号、d i d o 开关量等信息进行监测或判断。而对于外部部件在运行中 的连续变化状态如刀具磨损等系统一般不作监测控制。对这些连续变化信号的 检测，通常需要针对某一特定目的建立一套与c n c 系统独立的监测系统，或是 利用一些信号分析仪对检测信号进行分析，以此间接直观判断机床待检部件运 行是否正常。这样就导致在需要进行状态监测的情况下系统的集成度低，对于 多套数控设备，就需建立多套专门的监测系统，既增加了成本，造成资源浪费， 同时由于监测终端( 多为p c 机) 通常放置于微机室，导致布线长度的增加，同时也 增大了可实际操作的难度，不利于现场操作人员及时、有效地掌握设备状态信 息。 1 3 课题研究内容 通过上述分析，基于p c 的开放式数控系统凭借其即插即用( p n p ) 、可移植 性、可扩展性、互操作性、可缩放性等优势，能及时方便地纳入新技术、新方 法。同时，由于传统的机床状态监测需在加工现场建立一套独立的监测系统， 造成资源浪费并增加了实际操作难度。针对于此，本文采用基于p c 的开放式数 控系统这一架构，集成状态监测功能以实现对数控加工的实时状态监测。课题 具体研究框架如下： 1 ) 研究基于p c 架构的开放式数控系统的组成结构和硬件实现方式，搭建系 统硬件平台。 2 ) 构建基于p c 架构的开放式数控系统的操作系统平台，研究系统软件结构。 3 ) 研究监测系统的构成模式，研究开放式c n c 集成状态监测的实现方式及 其监测策略。 l o 第二章基于p c 的开放式数控系统硬件平台研究 第二章基于p c 的开放式数控系统硬件平台研究 2 1 基于p c 的开放式数控系统 2 1 1 数控系统的发展2 1 砣刁 从1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过 了五十多年的历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶 段：分立晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算 机式超大规模集成电路微机式的数控系统。在这一过程中，数控装置 完成了由n c 向c n c 的过渡。进入2 0 世纪8 0 年代，随着计算机控制技术和先进制 造技术的发展，人们逐渐认识到专用c n c 系统之间的自成一体所带来的互不兼 容的弊病，迫切需求具有配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易于实 现统一管理的开放式系统。1 9 8 7 年，美国提出了下一代控制器计划n g c ( n 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 ec o n t r o l l e r ) 和开放式系统体系结构标准 s o s a s ( s t a n d a r d so f o p e ns y s t e ma r e l l i t e e t u r ea u t o m a t i cs y s t e m s ) ，首次提出了开 放式体系结构的概念。经过十多年的发展，开放性一词已经深人人心，并且体 现在相关产品中，开放式数控系统已成为c n c 发展的潮流。 我国数控技术起步于1 9 5 8 年，近5 0 年的发展历程大致可分为3 个阶段：第一 阶段从1 9 5 8 年至u 1 9 7 9 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁 和我国基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、 “七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系 阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境 的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的 进步。第三阶段是在国家的“八五”后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进 入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。 在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达5 0 ，配国产数控系统( 普及 型1 也达到了1 0 。近年来我国数控技术与装备的发展得到了高度重视，取得了 相当大的进步，特别是在通用微机数控领域，以p c 平台为基础的国产数控系统， 第- - 荦基于p c 的开放式数控系统硬件平台研究 已经取得了长足的发展。 2 1 2 开放式数控系统定义【2 3 】 所谓开放式数控系统，i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义是：开放式 系统具有这样的功能，它们完全能使应用程序在不同厂商的各种平台上运行， 能支持与其它应用程序的交互操作。根据此定义，开放式数控系统应具有以下 的特点： 1 ) 开放性：提供标准化的基础平台和接口，允许集成不同功能和不同开发商 的软硬件模块。 2 ) 可移植性：不同应用程序模块可在不同供应商提供的系统平台上运行；系 统平台也可在不同类型、不同性能的硬件平台上运行。 3 ) 扩展性：系统功能的扩充仅仅表现为特定功能模块的装载与卸载 4 ) 相互操作性：提供标准化的接口、通讯和交互模型。不同应用程序模块通 过标准化的应用程序接口进行交互，保持平等的相互操作能力，能协调地工作。 2 1 3 基于p c 的开放式数控系统基本架构及其优判卅 近年来，随着大规模集成电路制造技术的高速发展，p c 机的硬件结构可以 做得很小。c p u 的运行速度越来越高，内存及外存容量也越来越大。p c 机的大 批量生产，使得成本大大下降，可靠性不断提高。而操作系统的快速发展，特 别是w i n d o w s 的应用，使p c 机的操作更为简便、直观。p c 机的开放性，更吸引 了大量技术人员投入软件开发，使得p c 机的软件极为丰富，发展极为迅速。因 此，更好地利用p c 机的软、硬件资源就成为各国数控设备生产厂发展c n c 系统 十分重要的途径。在1 9 9 1 年左右，首先是在美国及欧洲的一些数控设备厂推出在 p c 机基础上开发的c n c 系统，如美国a n i l a n 公司的l1 0 0 、1 2 0 0 、1 4 0 0 系列； 意大利f i d i a 公司的1 0 、2 0 、3 0 系列；现在f a n u c 、s i e m e n s 和三菱电机等主 要数控设备生产厂也都把采用p c 机作为c n c 系统重要的发展方向。 基于p c 的开放式数控系统具有以下优势： 1 ) 采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级。 2 ) 具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种设备，可灵活配置，便于 1 2 墨三兰苎王鉴盟茎墼茎墼丝墨竺璧堡兰鱼堑壅 集成。 3 ) 控制软件具有及时扩展和联接功能，可以顺应新技术的发展加入各种新 功能。 4 ) 不仅能适应计算机技术和信息技术的快速发展和更新换代，而且能有效保 护用户原有投资。 5 ) 遵循统一的标准体系结构规范，模块之间具有兼容性，部件具有互换性和 互操作性。 6 ) 操作简单，维护方便。 如前所述，目前在基于p c 的数控系统中，又以p c + 运动控制器型发展最为 迅速。这种架构的c n c 系统以工业p c 单板机及多轴运动控制卡为主要组成部 件，充分利用了p c 机的通用性、兼容性高、软硬件升级换代迅速方便以及丰富 的人机交互界面等优势，兼以运动控制卡出色的实时控制性能，可满足不同类 型数控机床等设备的需要。实际上这种架构的c n c 已成为一种最为理想的开放 式数控系统结构。本文开发的开放式数控系统就是采用的p c + n c 控制器方式。 这种结构的c n c 系统一个典型架构如下： 图2 - l 基于p c 的开放式数控系统架 第二章基于p c 的开放式数控系统硬件平台研究 2 2 系统主要构件选型 2 2 1 嵌入式p c 机 系统选用a a e o n 公司的5 2 5 英寸嵌入式p c i 0 4 单板工控计算机p c m 6 8 9 3 作 为主计算机。该计算机是一款低价格、高性能的工业计算机，配以h t e 严p e n t i u m o i i i1 g h z 处理器，与通用p c 和p c a t x 标准完全兼容，采用标准的硬件配置接口， 可大大减少系统的模块化、开放性设计周期。p c m 6 8 9 3 提供一个标准c r t 接口 及3 6 位双通道丁r l l v d s 厂r f tl c d 接口，支持l c d 与c r t 的同时工作。同时该计 算机提供了丰富的通讯接口，极大的方便了用户功能扩展：板载r t l 8 1 3 9 d l 网 络控制芯片，1 个1 0 1 0 0 b a s e tr j - 4 5 网口以支持网络功能：4 个u s b1 1 接口：3 个r s 2 3 2 接口；1 个并行通讯口；支持标准硬盘、软驱击鼠标键盘接日。提供的 p c i 插槽可用于p c i 扩展，也可直接外接基于p c i 总线的板卡。实际上，本文后述 的状态监测功能模块中的数据采集卡就使用了这一总线形式进行通讯。同时板 卡还提供多媒体功能接口如音频输出、t v 接口等以方便用户功能升级。由于