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精雕机的的开放式数控系统研究 摘要 数控技术是现代制造业发展的基础，拥有高水平的数控技术是一个国家工业化发 达的标志，也是一个国家综合国力的象征。跟踪和发展当今世界先进的数控技术及思 想，更是一个国家实现工业化的必经之路。当前，随着以计算机为基础的信息技术的 进步，能够描述复杂几何模型和制造规划信息的数学模型得到了充分应用，使得传统 的制造业得到了革命性的进展，同时也使传统数控技术无法满足当今工业发展的需求。 因此发展适合现代制造业的现代数控技术变得尤为重要，开放式数控系统正是在这样 的背景之下发展起来的。本文利用“p c + 通用接口板的开放式数控体系结构，遵循 重用性、移植性、扩展性和互操作性原则对雕刻机进行开放式改造研究。系统整体目 标是双数控系统的实现，即新数控系统平台的搭建和原数控系统的保留。新数控系统 的研究是重点内容，包括硬件平台搭建、软件框架搭建和功能的实现、验证等。 首先，叙述了国内外对开放式数控体系的研究概况，并对“p c + 通用接口板 模 式的开放式数控结构体系做了重点分析，系统研究了这种数控模式的技术分支。其次， 根据开放式数控系统的设计原则和本系统的改造目标，完成了系统的整体改造方案设 计和硬件平台设计，完成了基于m o d b u s 总线的主轴控制系统设计。再次，介绍了 数控软件的结构和功能，完成了系统软件开发工具的选择和数控软件的模块化设计， 重点分析了数控软件中的几个模块功能实现的方法。然后，深入分析现有的基于“p c + 运动控制器”的双c p u 平台的n u r b s 曲线插补方法，选择了适合本系统的插补算法， 并提到了基于最小偏差法的n u r b s 曲线直接插补算法。最后，是实验部分，实验内 容包括硬件调试、原系统功能检查、新系统功能测试等。文章最后，做了全文的总结， 提出了系统平台进一步开发所需要的工作内容。 关键词：开放式数控系统；接口板电路；n u r b s 插补：数控软件 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 a b s tr a c t c n ct e c h n o l o g yi sab a s eo ft h ea 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 y ，w i t ha h i g h l e v e lc n ct e c h n o l o g y ，w h i c h i n d i c a t e st h ei n d u s t r i a l i z a t i o n d e g r e e a n dt h e c o m p r e h e n s i v en a t i o n a ls t r e n g t ho fac o u n t r y t or e a l i z ec o u n t r y si n d u s t r i a l i z a t i o n ，i ti st h e o n l yw a yt h a tac o u n t r yf o l l o w sa n dd e v e l o p sa d v a n c e dc n ct e c h n o l o g y w i t ht h ep r o g r e s s o fc o m p u t e r - b a s e di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , n o w a d a y s ，m a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hc a n d e s c r i b ec o m p l i c a t e dg e o m e t r ym o d e l sa n d m a n u f a c t u r i n g r e s o u r c e sp l a n n i n gh a so b t a i n e d t h ef u l la p p l i c a t i o n s ，w h i c hm a k et r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n ga c q u i r er e v o l u t i o n a r ya d v a n c e s a n dm a k et r a d i t i o n a lc n c t e c h n o l o g yd i s s a t i s f yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y t h u s ，i t i s p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t t o d e v e l o pc n ct e c h n o l o g y t h a tc a na d a p tt ot h em o d e m m a n u f a c t u r i n g , w h i c hc o n t r i b u t et ot h ed e v e l o p m e n to fo p e n a r c h i t e c t u r ec n c t h i sp a p e r d o e sr e s e a r c ht oo p e na r c h i t e c t u r eo fe n g r a v i n gm a c h i n e sb yu s i n go p e na r c h i t e c t u r ec n c o f “p c + u n i v e r s a li n t e r f a c eb o a r d ”a n df o l l o w i n gp r i n c i p l eo fr e u s a b i l i t y , p o r t a b i l i t y ， s c a l a b i l i t ya n di n t e r o p e r a b i l i t y t h ee n dg o a lo fp a p e ri sr e a l i z a t i o no fd u a ln cs y s t e m ， n a m e l yc o n s t r u c t i n go fn e wc n cs y s t e mp l a t f o r ma n dp r e s e r v i n go ft h eo r i g i n a lo ft h e c n cs y s t e m t h ee m p h a s i so fs t u d yi sn e wc n c ，i n c l u d i n gh a r d w a r ep l a t f o r m ，s o f t w a r e f r a m e w o r ks t r u c t u r e s ，v a r i o u sa l g o r i t h mi m p l e m e n t e da n dv a l i d a t i o n ，c t c f i r s t l y , t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n to fo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi s r a i s e da n dt h es t r u c t u r eo f “p c + i n t e r f a c eb o a r d ”i sd i s c u s s e di nd e p t h s e c o n d l y , t h e d e s i g np r i n c i p l ea n dr e c o n s t r u c ta i mi si n t r o d u c e d t h ew h o l er e c o n s t r u c ts c h e m ei s f u l f i l l e da n dt h eh a r d w a r ei sd e s i g n e d ，t h ea x i sc o n t r o lb a s e do nm o d b u sp r o t o c o li s s t u d i e d t h i r d l y , t h ef u n c t i o na n ds t r u c t u r eo fs o f t w a r ea n dd e v e l o p m e n tt o o la r ep r o p o s e d f o u r t h l y , a c c o r d i n gt o t h en u r b sc u l n e i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c , t h ei n t e r p o l a t i o n a r i t h m e t i cf o rt h eo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi ss t u d i e d ，a n dt h eb a s e do nm i n i m u m e r r o ro fn u r b sc u l n e i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c i sp r o p o s e d f i f t h l y ，t h eh a r d w a r e d e b u g g i n g 、f u n c t i o nc h e c k i n g 、n e w f u n c t i o nt e s t i n gi sa c c o m p l i s h e d l a s t l y ，t h ec o n c l u s i o n i si n t r o d u c e d ；t h ef u r t h e rw o r k sa n dg o a l sa r e p r o p o s e d k e y w o rd s ： o p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ；i m e r f a c eb o a r dc i r c u i t ；n u r b sc u r v e i n t e r p o l a t i o na r i t h m e t i c ；c n cs o f t w a r e 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 数控技术是现代制造业发展的基础，拥有高水平的数控技术是一个国家工业化发 达的标志，也是一个国家综合国力的象征。跟踪和发展当今先进的数控技术及思想， 更是一个国家实现工业化的必经之路。当前，随着以计算机为基础的信息技术的进步， 能够描述复杂几何模型和制造规划信息的数学模型得到了充分应用，使得传统的制造 业得到了革命性的进展，同时也使传统数控技术无法满足当今工业发展的需求。因此 开发适合现代制造业的现代数控技术变得尤为重要。 1 2 课题研究的背景 数控技术的出现和应用给传统的机械制造方式带来了根本性的变革。数控 ( n u m e d c a lc o n t r 0 1 n c ) 技术的高速发展和应用，极大地节约了传统制造业中的人力成 本，并提高了产品的加工质量。目前，数控技术已不只限制于传统的机械加工领域， 其应用已经扩展到了多个应用领域。比如机器人数控技术的应用，机械手数控技术的 应用，转台数控技术的应用等。纵观所有工业发达国家与工业不发达国家，或是有竞 争力的企业与无竞争力企业，其数控技术的水平是他们之间最大的区剔。此外，随着 高水平的数控技术的问世，使得传统机加工方式难以解决的复杂曲面零件加工问题得 到了有效的解决措施，这为工业中的一些难以解决的问题找到实现方法，从而可以更 好的服务工业化要求。因此数控技术的应用和开发俨然已成为国家和行业中增加核心 竞争力的关键战略。数控技术的发展共经历了以下几个阶段，分别是硬件数控阶段、 微型计算机数控系统阶段、高速高精度c n c 数控系统阶段以及开放式数控系统阶段l i j 。 目前，生产应用中的数控系统多为专用的封闭式体系结构。按结构形式可分为两 大流派，一种是以f a n u c 、s i e m e n s 、m i t s u b i s h i 为代表的专用芯片和大印制板相结合 的体系结构；另一种是以美国a - b 公司等为代表的非标准式总线体系结构。这类封闭 式数控系统最大缺点是在原有基础上很难或几乎不可能再加入新的控制策略和扩展功 能。此外，由于各数控厂家的各个功能模块自行设计，互不兼容，这不仅使用户在功 能升级时过分依赖于数控生产商，也使的数控生产商在对产品升级上成本、速度均不 理想。综合起来，传统封闭式数控系统的缺陷集中在以下三个方面：互操作性差、难 于系统集成，系统封闭、难于功能扩展，专用硬软件结构，难于系统移植1 2 1 。针对于 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 此，开放式数控系统应运而生。 目前，开放式数控技术的研究已被多数国家视为重点战略技术，纷纷投入研究。 我国作为世界上的制造业大国，机床的生产和使用量都比较大，因此开展数控技术的 研究对我国工业信息化有着至关重要的战略意义。正如哈尔滨工业大学富宏亚老师所 说，因为开放计划的实施，把世界上所有的系统开发商都推到了同一起跑线。我们应 该抓住机遇，坚持走数控系统开放化的技术路线，跟踪掌握数控技术的最新进展，解 决其中的关键技术，为新一代国产开放式数控系统的研制打下坚实的基础1 2 1 。 1 3 开放式数控系统 开放式数控系统是当今数控系统的发展方向，是实现数控系统智能化、柔性化和 集成化的有效途径之一。开放式数控系统主要是以计算机为基础的数控系统，随着计 算机水平的进步而进步。目前，开放式数控系统的研究还处于初期阶段，各个国家水 平相差不大，因此开展此方面的研究有助于我国在此领域的科技水平发展。 1 3 1 开放式数控系统的特点 截止到现在，对于开放式数控系统还没有统一的定义，美国电气和电子工程师协 会( e e ) 给的定义是：“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。因此开放式数控系统 的特点可概括为1 3 1 1 4 ： 1 模块化 数控系统由不同功能的独立模块组成，模块标准遵循标准化。 2 移植性 系统软件与数控硬件平台无关，不同的数控系统软件可在不同的硬件平台上运行， 用户可以用不同开发商的标准软件或自己开发的软件进行个性化配置。 3 扩展性 通过开放的结构控制器平台，用户可以任意增减数控系统模块，进行功能扩展和 技术升级。 4 网络化 包括内部网络化( 现场总线网络) 和外部网络化。内部网络化指c n c 单元与机 床各个驱动部分之间的现场总线连接，通过标准数字通讯接口和通讯协议实现网络互 连；外部网络化指的是数控系统与系统外的其他控制系统通过网络连接，实现对设备 2 第1 章绪论 的远程操作、维修等智能控制系统。 5 互换性 也可称为硬件移植性，通用化硬件的实现。 6 互操作性 指数控系统各种功能单元之间进行通信、执行程序或传递数据的能力。 根据以上特点，再与传统数控系统进行对比可知，移植性，互操作性，扩展性是 开放式数控系统区别与传统数控系统的三大特点。 1 3 2 开放式数控系统的发展及现状 开方式体系结构的概念是美国空军在8 0 年代的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 ) 计划中率先提出的。之后，世界范围内对于开放式数控系统理论及实现的研究也变的 越来越多。这其中，最具有影响的有欧共体在1 9 9 2 年主导完成的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 l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 体系结构；日本于1 9 9 4 年开始执 行的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 ) 体系结构；美国的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 n t r o l l e r ) 结构。按照美国的o m a c 体系结构，美国纽约大学于 1 9 8 8 年开发出了世界上第一个开放式结构的控制器m o s a i c ( m 1 t so p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o ri n s t r u m e n t a t i o na n dc o n t r 0 1 ) 1 2 。在我国，一些高等院校和数控厂商等 科研机构一直跟踪国外相关领域的研究。并且，自2 0 0 0 年4 月启动了“新一代开放式 数控系统平台项目的研究之后，有关开放式数控的研究逐渐成为了数控领域的研究 重点，并且也取得了很大的成果。我国对开放式数控的研究多遵从于美国的o m a c 体系结构，还无法自成体系。 目前，从全世界来看对于开放式数控系统的研究，虽然已有相关研究成果，但仍 旧还处于初期的研究阶段，因此对于开放式数控系统的研究方法、方向均有很大不同。 综合起来，开放式数控系统的模式目前有三种m ： 1 专用n c + p c 的衍生模式 这是开放式数控系统的一种过渡模式，其控制内核并没有开放，只是通过在专用 c n c 系统中插入一个专门p c 主板来实现一些人机界面，程序存储等非实时性任务的 开放，如图1 1 所示。其核心控制算法仍在专用c n c 上实现，是由数控厂家固化的， 用户无法对其进行扩展。其应用主要集中在一些大的数控厂家( f a n u c 、s e m i n e s 等) 的过渡产品之中。由于这样的系统仍具有封闭式数控系统的特点，属于名义开放， 因此对这种体系结构的研究比较少。 3 哈尔滨工程大学硕十学位论文 m m 倒掣削划 r 午午午千1 声言譬割茹l 。了百了弋岩一。 网网同同 i 管理ii 管理ii 控制ii 控制i 图1 1 专用n c + 专用p c 的衍生模式 2 通用p c + n c 运动控制器的嵌入模式 这是一种双c p u 的数控系统结构，p c 与n c 运动控制器通过标准扩展槽总线连 接。p c 机用来完成一些程序编辑、人机界面管理等非实时任务，由n c 运动控制器完 成数控程序执行等的实时任务。这种模式可实现p c 机和n c 的两层开放，工作可靠 稳定，应用和研究也比较多如图1 2 所示。但这种体系结构的n c 内核的开放还只能 说是部分的开放，因为在这种体系结构中，数控程序的执行是通过调用n c 子程序来 实现的，无法在底层上将用户自定义的算法实现在数控系统中。现在比较常用的运动 控制器有美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司的p m a c 运动控制卡、g a l i l 公司的g a l i ld m c 运动控制卡、德国p a 公司的p a 8 0 0 0 运动控制卡和国内深圳固高公司的g t 系列运动 卡。对这种体系结构的研究内容包括运动控制器的开发、p c 和运动控制卡数据通信的 问题的解决、运动控制卡p i d 控制方法等内容。其中，p c 和运动控制器间的大数据 量的实时通讯问题、数控软件标准数据接口问题等有待进一步研究。 全驯骧警l 匾磊k 面 界面0 预处理i i = 二：l i 二：= ： 通用p c 机主板 通用总线 导击一 l 伺服i i 伺服li 控制面板i l 电机ii 电机ll 限位开关l 图1 2 通用p c + n c 运动控制器的双c p u 模式 3 p c + 通用接口卡( 板卡) 的软件c n c 模式 这是以p c 机作为数控系统内核的开放式数控系统，其实现方式是将c n c 接口板 4 第1 章绪论 插入到p c 机的标准插槽中，在p c 机上实现所有的实时任务和非实时任务。这是一种 真正意义上的开放式数控系统，既能实现n c 内核的开放、又能实现用户交互界面的 开放。利用单一的p c 机，就能实现所有的伺服控制，包括位置反馈、加工轨迹生成、 友好的人机界面、数据处理、网络通信、文件管理等功能，如图1 3 所示。此外利用 接口板提供的或自行开发的a p i 函数和软件开发工具( 、v c 等) ，用户可根据功 能需求进行裁减，构成自己的控制系统。这种通过最大限度地利用p c 的软硬件资源， 完全可以适应未来先进制造技术的要求0 3 1 。目前对于这种数控系统的开发主要研究内 容包括：数控软件整体结构的研究、复杂曲线曲面直接插补、基于s t e p n c 的数据 接口程序开发、接口板的研制及驱动程序的研究等方面。 图1 3 通用p c + 通用接口卡的软件模式 ( 1 ) 数控软件整体结构的研究，数控软件是这种系统模式的核心，也是系统功能实 现的主要平台。主要研究内容包括：软件系统开发平台确定、软件功能模块及数据流的 确定、各功能模块的具体实现方法( 控制模块、插补模块、数据接口模块) 和基于接口 板驱动函数的编写等。软件开发时主要考虑的问题是系统的移植性和强实时性的实现。 强实时性要求是这种c n c 模式的主要难题，解决办法就是实时操作系统的选用。现有的 实时操作系统主要有w i n d o w s + r t x 和r t l i n u x 操作系统1 2 1 1 1 3 1 。一种折中办法是在原有“通 用p c + n c 接口卡的数控系统 中通过在p c 机上额外增加一块定时接口卡，利用中断的 方式达到精确定时的目的。这种方式比起单一的接口卡在实时性上有所增强。在数控软 件模块化设计方面，国内有学者提出了“软件芯片( s o f t w a r ei n t e g r a t e dc h i p ，简称s i c ) 的概念。利用这种方法在软件设计过程中软件工程师可以像硬件工程师一样，在开发软 件系统时采用标准的软件芯片构造一个新的软件系统。但限于软件缺乏兼容性、移植性 和可变性特点，应用还较少1 2 5 1 。 s 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 ( 2 ) 复杂曲线曲面直接插补，传统的c n c 插补只具有直线和圆弧的直接插补功 能，在加工复杂曲线曲面时，是先将其在c a m 系统中离散化成小的直线段，再送往 c n c 系统中进行加工，这样的加工方法效率和精度都很低。1 9 9 1 年s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a ) 国际标准把n u r b s ( n o n u n i f o r mr a t i o n a l b s p l i n e ) 作为定义产品形状的唯一数学方法，从此开展n u r b s 曲线的研究逐渐变成 现代数控研究的一个重点方向i 姗。n u r b s 曲线的直接插补功能，作为开放式数控系统 区别于传统数控系统的重要功能，解决了传统数控加工中效率和精度低的问题，已在 国内外展开了广泛的研究。虽然，已有一些数控厂商和研究单位实现了n u r b s 样条 曲线的直接插补功能，但多数的研究成果还只是限于软件仿真上，在实际的硬件平台 上实现的还很少，要知道软件仿真和实际的应用还是有很大的区别。目前对于n u r b s 直接插补的研究主要集中于以下几个方面1 3 3 1 ： 1 ) 参数空间的参数密化，主要指的是一维参数空间参数点的确定，方法有：等分 参数划分、等弦长参数划分( 泰勒展开法、龙格库塔法、阿当姆斯方程法等) 、基于最 大允许弓高误差的自适应步长参数划分和基于机床动力学特性的自适应参数划分方法 等。后两种参数划分方法是比较好的划分方法，但是比前两种方法计算量大。 2 ) 三维曲线轨迹点计算，指的是在求得下一步插补参数后，如何根据参数值快速 计算出轨迹上的点的方法。现有方法有：基于n u r b s 公式定义的直接推导方法、德 布尔算法和德布尔显式表达的矩阵计算方法。后两种算法因算法简单、实时性强等特 点应用较多。 3 ) n l i r b s 插补速度规划的研究，根据加减速发生时间的不同分为段间加减速和段 内加减速。常用的加减速方法有：直线加减速、指数加减速和s 曲线加减速等。对于 这方面的研究难点集中于减速点的预测，减速点预测方法包括：通过计算未加工弧长 进行判断和利用n u r b s 曲线的对称性进行判断。 虽然对于n u r b s 直接插补的研究已经很多，但是研究成果多数却停留于软件仿 真上的分析，在硬件平台上的实施还相对较少。此外，针对国内外样条曲线插补的研 究成果，文献 2 1 q 提到有关五坐标样条曲线插补中用什么样的样条曲线来表示刀具姿 态也是n u r b s 曲线插补研究的重点方向。 ( 3 ) 数据接口程序的开发，传统的数控编程接口是g m 代码指令编程体系( i s o 6 9 8 3 ) ，刀具轨迹计算和刀具轨迹控制是分离控制的。随着c a d c a m 系统的发展其 所描述的信息也逐渐变大，传统的g m 代码已经无法满足现代生产中智能化和开放化 的发展要求。为此制订了s t e p n c ( i s o1 4 6 4 9 ) 标准，s t e p n c 数据包含了加工产 6 第1 苹绪论 品所需的所有信息，是设计模块和制造模块数据接口标准。基于s t e p n c 的c n c 系 统的研究项目在国外比较有代表性的有：欧洲的s t e p n ci m s 项目、美国的s u p e r m o d a l 项目、韩国的p o h a n g 科技大学的智能化车削以及日本的d i g i t a lm a s t e r 项目、 新西兰奥克兰大学的m m i n h a t 还提出了一种基于s t e p n c 和i e c6 1 4 4 9 功能模块的 开放式数控系统l l q 嘲。在国内，一些高校和研究机构也对s t e p n c 投入了一定的研究， 主要分为两方面的研究：一个是s t e p n c 文件的生成；另一个是s t e p n c 文件解释 器的研究。对于数控系统而言，从s t e p n c 文件中直接提取相关加工信息，并且运 动控制器能够利用提取的信息直接进行加工则是研究的重点内容。虽然国内已有一些 高校在s t e p n c 解释器方面做了很多的研究，也取得很多的研究成果。但真正的将 s t e p - n c 解释器用于实际的数控系统中进行加工验证的还很少。因此开展基于 s t e p n c 的c n c 系统研究，并将其在实际加工中进行应用具有很大的意义。 ( 4 ) 接口板的研制，在“p c + 通用接口卡 的软件c n c 数控系统中，将p c 机 和伺服驱动设备连接起来的是接口板。接口板外形类似于运动控制卡，都具有标准总 线接口，它们之间最大的区别是运动控制卡具有微处理器单元( m c u ) ，而接口板没 有。在众多的总线标准中，由于p c i 总线具有数据完整性、软件兼容性、使用寿命长、 适应性好和成本低等优点逐渐的成为微机行业事实的标准。因此，研制基于p c i 总线 的接口板也是适应发展的最好选择。对于接口板的研制主要集中与两个方面：一方面 是基于总线接口芯片和逻辑门阵列的硬件的研究；另一方面是驱动程序的设计。目前， 市场上的接口板已经有了比较成熟的产品，并且已经应用到了各个行业之中。但是， 由于产品厂家的不同，其接口板驱动程序的通信库和提供给用户的a p i 也不相同，这 就使得数控系统在功能扩展、产品互换、系统互操作上不能满足开放式数控系统的特 点。因此，开发出能够兼容所有接口卡a p i 函数的通用a p i 函数库，是实现这种模式 开放式数控系统的关键。 1 4 论文研究目标和内容 本课题以北京精雕公司生产的麒雕j d p m s g 机为研究对象，遵循开放式数控系 统中“p c + 通用接口板”的特点和发展趋势，进行开放式改造研究，搭建出一个符合 开放式数控系统的硬件平台。论文整体目标在于平台的实现，包括硬件平台搭建、软 件框架搭建和相关功能的实现和验证。论文详细研究内容如下： ( 1 ) 开放式数控技术综述，介绍开放式数控系统的国内外研究现状和发展趋势， 并重点分析国内开放式数控系统的技术研究发展方向及所面临的技术问题。 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 ( 2 ) 总体方案及硬件平台搭建，根据j d p m s g 数控系统技术指标以及开放式数 控系统的思想，深入研究分析原数控系统，制定系统改造方案。获取关键部件输入输 出信号，完成对主要部件的选取和设计。并根据制定的数控系统改造方案，完成开放 式数控系统平台的搭建。 ( 3 ) 数控软件设计，依据“通用p c + n c 接口卡( 板卡) 的软件c n c 模式 特 点，完成数控系统软件的整体结构的搭建和功能模块的分析，然后对系统实现所需的 几个重要模块进行分析，利用v c + + 实现系统运行必须模块的功能实现。 ( 4 ) n u r b s 实时插补研究，研究n u r b s 曲线理论，分析现有的面向n u r b s 曲线的直接插补算法。编写适应于本系统的样条曲线插补算法程序，实现数控软件样 条曲线插补功能。 ( 5 ) 实验验证，分析实验结果，提出改进意见。包括硬件接口电路调试和机床整 体调试，新老数控系统功能测试等。 ( 6 ) 结论和展望，对改造成果进行总结，分析系统平台后续改造的工作内容。 8 第2 章开放式数控系统平台总体设计 第2 章开放式数控系统平台总体设计 2 1 引言 “p c + 通用接口卡的软件c n c 系统，是国内开放式数控系统研究的热点方向。 因为这种依赖于p c 机的数控系统，其功能能够随着p c 性能的提升而不断得到增强， 这符合现代制造业对数控系统的要求。此外，这种数控模式的功能完全由软件实现， 能够实现控制层最大限度的向用户开放阍。 针对以上分析，本文遵循“p c + 通用接口卡”的开放式数控结构，进行数控平台 的搭建。为了节约开发成本和平台的快速搭建，在原有数控精雕机上进行改造。在这 个平台上，用户可以进行各种算法验证和通过所提供的标准软件接口进行数控系统功 能扩展。本章重点在于整体方案的制定和硬件平台的搭建。虽然，国内对于数控技术 中样条曲线直接插补算法、速度规划理论和s t e p - n c 控制器等理论方面的研究已取得 了很多的成果，但这些成果多数停留于理论分析和软件仿真阶段，在硬件平台上得以 验证的还相对较少。 2 2 系统平台总体改造方案设计 系统平台总体方案的设计是本课题的关键所在，方案的整体性能和可行性直接影 响到系统平台最后能否成功。在设计过程中应该充分吸收国内外各种开放式数控系统 的研究成果，尽可能的利用和兼容传统数控系统中的技术标准，最大程度的保证系统 在通用性和技术扩展性上的延续。 2 2 1 j d p m s - g 原型机介绍 j d r u s _ g 雕刻机是北京精雕精雕科技有限公司生产的三轴雕刻机，该雕刻机采用 三菱m r j 2 s 2 0 a 交流伺服驱动器进行驱动，采用半闭环位置控制模式，加工精度为 0 0 0 1 r a m ，进给速度范围0 1 5 3 6 m r a i n ，主轴采用v f d m 变频器进行驱动转速范围 1 0 0 0 0 - 2 4 0 0 0 r r a i n 有级变速。该设备原有操作系统采用的是专用板卡+ p c 机的控制方 式，其板卡采用的是p c i 4 0 3 0 为自行研制，专用性强不具备系统功能扩展性。整个系 统控制的核心技术集中在数控及建模软件，具有典型的封闭式数控系统特征。图2 1 为原数控系统控制结构图。 9 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 精雕控制 软件 p c i 4 0 1 3 7 芯电 0 3 接口 卡 转换器 鲤里盟些叫奎塑璺卜 ! ! 堕里- 隔丽磊 制x 蜘蹦习i 霹 i 0 信号 i 0 信号 y 轴驱动器 r 1一 z 轴驱动器 堕垡：竺垡：鱼堡! ! 到 佩 - 一面积丽翮 y 轴电机 皇一 y 轴编码器 z 轴电机l 皇 z 轴编码器 y 轴滚珠丝杠 z 轴滚珠丝杠 图2 1 原数控系统控制框图 2 2 2 系统设计目标和设计原则 系统设计目标是：遵循“p c + 通用接口卡 的开放式体系结构进行系统改造，要求 改造后的新数控系统不仅能够达到原有的加工技术指标，而且通过简单的改变后原有 数控系统依然能用，并且功能不变。同时在进行开放式改造时还要以开放式数控系统 的特点为设计原则，从而充分体现改造后的数控系统的开放性。归纳后，新数控系统 设计应遵循以下原则协m ，： 1 重用性 在分析精雕机平台和开方式硬件平台的基础上，按开放式数控系统的体系结构将 新的数控平台搭建起来，同时必须保证原有精雕机系统正常稳定的工作，形成双数控 系统的结构。 2 模块化 要求系统由一系列独立的功能模块组成，模块之间采用标准和规范的接口进行互 联，从而满足新老数控系统间的快速切换要求和开放式数控系统互换性要求，同时安 装互换时能够满足即插即用的快速性要求。 3 移植性 为了使系统软件的开发不受制于硬件系统的限制，开发时应充分考虑软件开发和 1 0 第2 章开放式数控系统平台总体设计 运行的环境，使其能够达到当系统软件需要与不同厂家提供的不同型号的接口卡进行 搭配时，只需进行少量修改就可满足要求的目的。 4 互操作性 设计时应充分考虑各个模块间的通信方式，实现其内部网络化原则。总线方式可 选i s a 、s t d 、m o d b u s 、v m e 、p c i 、u s b 等， 5 扩展性 系统在软、硬件方案上都应充分考虑功能扩展问题，即可能需要对系统的功能进 行增加和减少。 6 可靠性 可靠性是数控系统的关键技术指标。分为硬件可靠性和软件可靠新，硬件可靠性 通过增加保护电路和防干扰措施得以保证，软件可靠性通过良好的软件结构保证。 7 层次化 要求系统按功能分为不同的层次结构，各个层次承担着不同的任务，提供不同功 能服务，有助于系统运行的安全性和保密性忙“。 2 2 3 开放式数控系统参考模型 根据前述要求和“p c + 通用接口卡 结构特点，我们选用如图2 2 所示的模块化、 分层的开放式数控系统结构1 1 ”。从图中可以看出，该模型是典型的p c + 运动控制器的 开放式结构。参考模型中每一层都由若干个功能模块组成。该体系结构有四个层次构 成，即应用软件层、系统软件层、硬件驱动层和机械执行层。各层次分别承担着不同 的任务和提供不同的功能服务。采用该参考模型把系统按功能逐层的分离出来，使系 统开发变得更加简单，同时也增强了系统的安全性和保密性n 订。各个层次主要功能如 下： 1 机械执行平台 包括机床机械结构本体、工作台、传动系统和油泵等，是机床实现加工功能的执 行部分。 2 硬件驱动平台 是系统中机械和软件连接的纽带，包括各个轴的伺服放大器、主轴变频器、各种 位置监测以及其它i o 信号。这一层提供物理硬件的连接关系、处理能力、基本功能 和底层设备驱动等t - ”。 3 系统软件层 1 1 哈尔滨工程大学硕十学位论文 由p c 操作系统、n c 的a p i 函数和数控软件组成，是整个数控系统的核心。该层 是建立在计算机硬件和操作系统基础上的系统软件集，完成数控系统的控制功能调度、 通讯、加工控制等功能。系统软件层和硬件驱动层由接口板驱动连接。 4 应用软件层 包括若干个应用程序组件对象，这些组件对象包括专家系统、通用叫q 蝴系 统、m i s 系统和s t e p n c 数据接口等。应用软件层与系统软件之间的连接分为两种 方式：一种是网络连接；二是和本地机上的其他应用程序进行信息交换。 图2 2 开方式数控系统体系框图 图中所示的参考模型分层次的体现了开放式的设计思想，该体系结构包含了开放 体系结构c n c 系统所要求的基本特征，包括互操作性、可移植性、扩展性和互换性。 其中互操作性是通过各功能组件所提供的标准的通讯接口来实现的；可移植性是通过 调用通用板卡a p i 函数实现的( 这要求对通用a p i 函数库进行开发) ；扩展性是通过 模块化以及软件数据接口来体现的。 本文改造内容涉及到该参考模型中的机械执行系统、硬件驱动系统、软件控制系 统。应用软件层作为本系统的后续扩展内容。其中，机械执行系统是固有的，不用单 独进行设计。所以系统的研究重点是软件系统和硬件驱动系统。 1 2 第2 章开放式数控系统平台总体设计 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l l i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i 暑萱i 一 2 2 4 系统改造方案 根据原数控系统结构和图2 2 所示参考模型，结合设计原则，制定了如图2 3 所示 的新系统控制方案。在本方案中，系统的机械执行层包括机床本体、工作台、传动系 统等( 已经固有，不用重新设计) ；硬件驱动层包含有交流伺服驱动器、变频器等( 需 要进行调试和连接) ；系统软件层包含数控软件、操作系统等( 需要全新的开发) 从数 控角度来看，这种数控系统结构为半闭环数控系统，采用位置控制模式，位置环由电 机旋转轴和运动控制器组成的，见图2 4 。这种控制系统的核心是p c 机上的系统软件。 图2 3 新数控系统改造方案 为了实现双数控系统的改造目标，我们又制定了如图2 5 所示的双数控系统改造 方案。 哈尔滨上程大学硕士学位论文 五位_ 并n 编码 主轴电机驱动 壬团 氢。 坐标轴疆功2 1 叁 图2 4 数控系统改造控制方式示意图 此方案需要进行设计的内容分为硬件方面和软件方面。硬件方面包括转接板、信 号转换卡的研制和调试，驱动器、变频器的调试等。软件方面的工作是新数控软件、 建模软件，原数控系统代码解释软件的编制。在软件方面中编写新的建模软件和原数 控系统代码解释软件有较大的难度，可作为本课题的后续研究内容。 图2 5 双数控系统方案图 2 3 系统硬件的设计 系统硬件是开放式数控系统运行的物理基础，是系统开放性实现的前提，也是整 1 4 ；n 口。 信一i 频一 变一 垂驺瓣缓誓r 烹滋， 第2 章开放式数控系统平台总体设计 个课题赖以实现的基础。系统硬件的开放性表现于公开其硬件设计的技术细节和详细 结构参数，更重要的是其结构的可扩展性，即允许用户遵守定的规范自行开发、选 购、更新系统的硬件组件，并能够以此为设计基础进行二次开发“计。本节具体内容包 括接口卡的选择，转接板的设计和信号转换卡的设计等。 2 3 1 接口卡的选择 接口卡选用台湾研华公司的p c i 1 7 3 0 板卡，它是市场上通用的p c i 接口卡，具有 标准的计算机总线接口。所有输出通道都提供高电压保护，具有较强的抗干扰能力， 可靠性较高。其主要特点概括如下嗍： 1 多路输入输出 提供3 2 路隔离数字量和3 2 路，n m 电平输入输出( 1 6 路输入和1 6 路输出) 通 道，输出驱动能力将强，的输入电压范围为5 - 3 0 v d c 。 2 具有强大的保护功能 能够承受高达2 5 0 0 v d c 的电压，可保护p c 系统免受意外损坏。可提供最大 2 0 0 0 v d c 的e s d ( 静电释放) 保护，即使电压上升到7 0 v d c ，p c i 1 7 3 0 仍可以正常 工作一段时间。 3 复位保护 当系统热重启动( 不关闭系统电源) 时，p c i - 1 7 3 0 根据卡上的跳线设置，能够保 持每个通道的输出值，或返回到它们打开状态的默认配置。该功能能够避免在系统意 外重启过程中的误操作对系统带来的危险。 4 p c i 总线即插即用 完全符合p c i 总显得r e v 2 1 标准，所有与总线相关的配置，比如基地址和中断分 配等都有软件自动完成。 5 板卡l d p c i - 1 7 3 0 带有一个d i p 拨码开关，当p c 机箱中安装了多块p c i 1 7 3 0 时，可使用 此开关来定义每块卡的m ，因此用户可以很方便的在硬件配置和软件编程过程中区分 和访问每块采集卡。 下面介绍p c i 1 7 3 0 的信号连接方式。对于1 6 路隔离数字量输入通道，每个通道 可接收5 v 3 0 v 的电压输入，每八个通道共享一个外部地( 通道m 共享e c o m 0 , 通 道8 1 5 共享e c o m l ) ，见图2 6 ( a ) 。其1 6 路隔离数字量输出通道，每个输出通道 有一个达林顿晶体管，每八个输出通道使用相同的发射器并且集成一个抑制二极管作 1 5 哈尔滨t 程大学硕士学何论文 ii 为感应负载，将p c o m 连接到v d d 时被激活( 通道0 彳共用p c o m 0 ，通道8 1 5 共 用p c o m l ) ，见图2 6 ( b ) 1 6 1 0 e x t e m a l | i n t e r n a l 嘣广j 乙词隔| l c , o 酊n t l l f t 咀 、p 卜 隔繁： 离 电 路 萨 ( a ) 隔离数字量输入电路( b ) 隔离数字量输出电路 图2 6p c i 1 7 3 0 隔离信号连接方式 从其输入电路中可以看出外部电源可直接加到输入端，输入电压可以从如3 0 v 不 等。而其输出方式采用的是达林顿晶体阵列，是灌电流输出方式，可直接驱动继电器 等负载，但对需要