（机械设计及理论专业论文）开放式数控木工加工中心数控系统的开发研究.pdf

摘要 数控技术是先进制造技术的基础和核心，开放式数控系统是当今数控技术发展的必然 趋势，在各类数控机床上获得了越来越广泛的应用。 本文分析了木制品数控加工特点，以p c 机为基础，以w i n d o w s 操作系统为平台， 以面向对象编程( o o p ) 、多线程编程等技术为手段，开发了具有互操作性、可移植性、可 扩展性的开放式木工加工中心数控系统。 本文分析了国内外开放式数控系统及其在木工加工中心中应用的发展概况，搭建了本 课题数控系统的框架结构。采用“c n c 嵌入p c ”型，主从式c p u 结构，实时控制由m c 6 4 1 4 p 运动控制卡完成，p c 机完成非实时控制部分。 以v i s u a lc + + 为开发平台，运用m f c 、a p i 、d l l 等函数库，开发了基于单文档界 面( s d i ) 的木工加工中心数控系统的控制软件，研究了各个功能模块，详细设计了c n c 代 码的编辑与编译模块。采用一次编译整个c n c 程序，序列化数据后存入文档的编译方法， 操作简单，编译时间短，生产效率高。 以圆眼固定循环和双圆柱凸榫固定循环为例，研究了木工固定循环的处理过程。 运用矢量、复数等数学知识，确定了刀补转接类型的判别条件，完成了刀补建立、刀 补进行和刀补撤销的处理。 对时间分割法进行了改进，完成了直线、圆弧、椭圆弧、抛物线和螺旋线的插补。 采用半闭环伺服控制，对系统软、硬件进行了安装与调试。本系统除了主运动控制、 辅助运动控制外其余功能均能实现。 关键词：开放式数控系统；木工加工中心：编译；木工固定循环；刀补；插补 a b s t r a c t n 啪e r i c a lc o n t r o l( n c )t e c h n o l o g yi st h ef o u n d a t i o na n dt h ec o r eo fa d v a n c e d m a n u f a c n i r et e c h n o l o g y n o w a d a y s ，m eo p e n - a r c l l i t e c t u r en cs y s t e mi st l l ei n e v i t a b l e 切e n do f c n c t e c h l l o l o g yd e v e l o p m e n t i th a sb e e no b t a i n e di n c r e a s i n 9 1 yw i d e s p r e a da p p l i c a t i o no na l l k i n d so fn cm a c h i n et o o l s t h i sp a p e ra i l a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i co fw o o d w o r kn u m 嘶c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g t h e o p e nc n cs y s t e mi nw 0 0 d w o r k i n gm a c h i n i n gc e n t e r ( m c ) t h a ti si n t e r o p e r a b l e ，p o n a b l ea i l d e x p a n d a b l ew a sd e v e l o p e db a s e do np ca n dw i n d o w so p e r a t i n gs y s t e mw i t ho b j e c t o r i e n t e d p r o g r a m m i n g ( o o p ) ，m u l t i 一1 r e a dp r o g r a l i l l i n g ，a n ds oo n t h ea n i c l ea n a l y z e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nd e v e l o p m e n ts u n ，e yo fo p e na r c h i t e c t u r e n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma n di t sa p p l i c a t i o nt ow o o d w o r k i n gm c ，a n db u i l tt h ef 锄es t r u c t u r e o ft h i sc n cs y s t e m u s i n gt h e “c n c e m b e d d e dp c ”s t m c t u r e 锄dt h em a s t e r - s l a v ec p u a r c h i t e c t u r e ，t h er e a l - t i m ec o n t r o lp a r tw a sc o m p l e t e db yt h em c 6 4 14 pm o t i o nc o n 仃0 1c a r d ， a n dt h en o n r e a l t i m ec o n _ 仃o lp a r tw a sc o m p l e t e db yt h ep c t h ec o n t r o ls o 胁a r eo ft h ec n cs y s t e mi nw b o d w o r k i n gm cb a s e du p o ns i n g l e d o c u m e n ti n t e r f a c e ( s d i ) w a sd e v e l o p e d ，u t i l i z i n gt h e 劬c t i o nl i b r 撕e s ，s u c ha sm f c ，a p i ， a n dd l le t c ，w i t l lt h ed e v e l o p m e n tp j a t f b 瑚o fv i s u a lc + + e a c hf u n c t i o nm o d u l ew a ss t u d i e d ； 如n h e m o r e ，t h em o d u l eo fe d i t i n ga n dc o m p i l i n gc n c c o d ew a sd e s i g n e d 访d e t a i l t h ee n t i r e c n c p r o g r 觚1w a st r a n s l a t e d ；t h ed a t aw a ss e r i a l i z e da 1 1 ds a v e d t ot h ed o c u m e n t i tc a ns i m p l i 匆 t h eo p e r a t i o n ，s h o r t e nt h ec o m p i l i n gt i m e ，a i l db o o s tp r o d u c t i o ne m c i e n c yv i at h ec o m p i l i n g m e t h o d t h ef i x e dw 6 0 d w o r kp r o c e s s i n gc y c l e s ( f w p c ) w e r er e s e a r c h e db yt a k i n gc i r c i i l a l e y e l e t sa n dd u a lc o l u 砌t e n o n sf w p c a se x a n l p l e s t h ea u t h o ru s e dm a t h e m a t i c a lk n o w l e d g e ， s u c ha sv e c t o r ， c o m p l e xn u m b e r e t c t o d e t e r n l i n ec r i t e r i o nc o n d i t i o no ft h ec u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o n ( c r c ) c o r m e c t i o n 锣p e s ，a n d c o m p l e t e dt h ep r o c e s so f i t ss e t t i n gu p ，e x e c u t i n ga i l dc a n c e l l i n g t h et i m e s h 撕n gm e t h o di si m p m v e ds 0a st oi n t e 印o l a t el i n e ，c i r c u l a ra r c ，e l l i p t i c a la r c ， p a r a b o l aa n dh e l i x t h es e m i c l o s e d1 0 0 ps e n ，o - c o n t r o lw a sa d o p t e dt oi n s t a na n dd e b u gt h es o 胁a r ea n dt h e h a r d w a r eo f “ss y s t e m m o s t 如n c t i o n sw e r er e a l i z e de x c e p tm a i nm o t i o nc o n t r o la i l da u x i l i a 巧 m o t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，w o o d w o r k i n gm c ，c o m p i l e ，f i x e dw 6 0 d w o r kp r o c e s s i n g c y c l e s ，c u t t e rr a d i u sc o m p e n s a t i o n ，i n t e r p o l a t i o n 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者( 本人签名) ：蔡红健唱年7 月9 日u 、7 - 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论丈的规定同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阅。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密酉。 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ： 蔡红健如年7 月夕日 指导剔枞戳k 素盼口3 年7 月尹日 致谢 本学位论文是在袁成荣导师的悉心指导下完成的，从论文的选题、构思和方案的确定， 到论文的完成都得到导师的精心指导。导师渊博的知识、严谨的治学态度、求实的工作作 风无不给我深刻的教诲和启迪。三年来，导师不仅在学业上给了我精心指导，同时还在思 想、生活上给了我无微不至的关怀。导师诸多方面的教诲，使我在今后的学习、生活中受 益匪浅。谨此，向袁老师致以最诚挚的感谢和最崇高的敬意! 在实验平台的搭建中，得到了於明亮老师、曾春雄老师的建议和帮助，在此表示忠心 地感谢! 在课题的进程中，还得到徐幼林老师、赵茂程老师及机械制造及其自动化教研组 其他老师们的指导和关心，在此表示感激。 感谢同学郭敬坤、齐亮、刘杰、陈炎冬、邵海、孙兵凡的帮助和指点! 同时，也感谢学友沈仙法、胡学刚、王红星、程强、刘睿在生活和学习中帮助! 还要感谢彭军、张云、张良、张永新、程建平、陈卓、李邦武、陈勇将、李振生、陈 建伟、高娟、闰业斌、王姝萌等师弟师妹的支持与关心。 最后，感谢家人在我攻读硕士阶段的大力支持，他们的支持和关爱是我前进的动力， 感激他们最无私的付出! 我将在你们的关爱中继续前进! 作者：蔡红健 2 0 0 8 年7 月于南京林业大学 第一章绪论 随着经济的快速增长，人们的生活水平有了大幅度的提高，我国的家具制造业发展 迅猛。据中国家具协会统计，2 0 0 7 年，中国拥有家具企业约5 万家，从业人员5 0 0 多万 人，家具生产总值达5 4 0 0 亿元人民币，出口额达2 2 6 1 7 亿美元。中国已成为世界最大的 家具出口国，木制品行业在国际上占有相当重要的地位，因此，我国的木材加工机械行业 也必须成为国际领先的木材加工机械制造业。数控技术的引入则是促进木工机械快速、高 效发展的必由之路。 1 1 数控技术及其发展概述 1 1 1 基本概念 数控技术是利用数字化信息对机床运动及加工过程进行控制的一门技术。它是现代先 进制造技术的基础和核心，涵盖了传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术、自动控 制技术、测量技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术等多项技 术，成为二十世纪以来逐步发展起来的机床控制新技术，是一门交叉学科。 数控技术是一种知识密集型技术，是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基 础，被国家列入“十五”期间重点发展的前沿。它的广泛使用，把传统制造业推进到了信 息化制造时代，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化。因此， 数控技术水平的高低己成为衡量一个国家工业现代化水平的重要标志，关系到一个国家的 战略地位，体现出一个国家的综合国力。 1 1 2 数控系统的发展历程 数控系统是利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序实现自动控制 的一种控制系统，是数控设备、数控技术的核心与关键。 1 9 5 2 年美国麻省理工学院和帕森斯公司联合研制成功了世界上第一台数控系统，5 0 年多来机床数控系统比任何一种用于机床的控制技术发展都快1 。随着电子技术、计算 机技术和自动控制技术的不断发展，数控系统经历了硬件连接数控( h a r dw r e dn c ，简称 n c ) 、计算机数控( c o m p u t e r i z e dn c ，c n c ) 两个阶段和六代的发展1 2 l1 3 j 。当基于个人计算 机的( p c b a s e d ) c n c 控制器在美国首先亮相市场后，这类系统获得了高速的发展，成为 自有数控以来最具影响的发展，这个发展的热潮就是开放式数控系统的研究与开发。 1 2 开放式数控系统概述 由于传统c n c 系统逐渐显示出其弱点：专用性强、通用性差，软件为系统制造商所 有，不便于功能扩展和各种软件的支撑、更新和升级，软件移植性差，组网通讯能力差， 对机床制造商和用户的专业水平要求较高等，人们提出了开放式数控系统的概念。 1 2 1 开放式数控系统的特点 根据美国电器及电子工程协会( i e e e ) 的定义，一个开放式系统1 6 j 应能够在多种平台 上运行，能够与其它系统进行互操作，并能给用户提供一致的交互界面( a no p e ns y s t e m p r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l ep r o p e d yi m p l e m e m e da p p l i c a t i o n st or u no n av 撕e t yo f p l a t f o 肌sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e 卜o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e m sa p p l i c a t i o n s ， a n dp r e s e ma c o n s i s t e n ts t ) ，l eo fi n t e r a c t i o nw i t ht h eu s e r ) 。 对于一个开放式的数控系统来说，也应遵循这些基本要求，且具有以下几个基本特 j i 牛1 1 】【5 2 j l ( 1 ) 可互换性( i m e r c h a n g e a b i l 时) 不同性能、不同执行能力的功能模块互相代替。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。 ( 2 ) 可伸缩性( s c a l a b i l 时) c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的大小可根据具体应用 增减。 ( 3 ) 可移植性( p o r t a b i l i t y ) 系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、控制机制，并且通过一致的 设备接口，使各功能模块能运行于不同的硬件平台上。 ( 4 ) 可互操作性( i n t e r o p e r a b i l 时) 拥有标准化接口，通信和交互模型。通过提供标准化接口通讯和交互机制，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能力，协调 工作。 ( 5 ) 可扩展性( e x p 锄d a b i l i t y ) 提供标准化环境的基础平台，允许不同功能的模块介入，c n c 用户或二次开发者能 有效地将自己的软件集成到c n c 系统中，形成自己的专用系统，其特征是通过特定功能 模块的装载和卸载为用户系统增添和减少功能。 实现上述特性的条件必须要求开放式数控系统具有下列特点： ( 1 ) 系统是由一系列逻辑上独立的构成要素组成； ( 2 ) 提供系统各个构成要素与系统之间接口完善的规范和标准，来自不同厂商的符合 规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统； 2 ( 3 ) 能动态改变系统的拓扑结构； ( 4 ) 能实现与其它自动化系统或软件模块的互操作； ( 5 ) 能提供一致性好的人机界面。 开放式数控系统较传统数控系统在技术上有以下几个优越点1 2 2 l 【4 5 】【5 3 j ： ( 1 ) 开放式数控系统一般对用户公开系统软、硬件结构，其软、硬件控制接口形式对 用户来说是透明的，有的厂家甚至给用户提供了可选配的硬件功能配件及软件二次开发 包，方便用户进行功能扩展与升级。 ( 2 ) 数控系统生产厂商获得了更大的生存空间和自由度。开放型使他们可以把资金和 精力用于开发各自的软、硬件功能模块，从而丰富自己的产品系列并为用户提供更多、更 专业的选择。 ( 3 ) 兼容性使得在开放式数控上可以运行如c a d 、c a m 、c a p p 等多种软件，还可 以插入网卡、显卡、声卡，接上打印机、摄像机等外部设备，易于组成高性能c a m 和组 建数控网络，使不同的数控系统、不同车间乃至不同厂商可以共享某些数据及加工程序， 从而促进交流与合作，提高工作效率，避免重复劳动。 ( 4 ) 由于p c 机的普及程度非常之高，在不久的将来，人们使用计算机非常熟练和方 便，这就使制造业可以大大缩短培训操作人员的周期，成本将大大降低。 ( 5 ) 开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展和裁剪系统，用户可从低级控制器开 始，逐步扩充系统的功能，提高系统的性能。用户也可以融入自己的技术诀窍，创造出具 有自己特色的产品。 1 2 2 开放式数控系统的结构 一个开放式数控系统必须提供不同应用程序协调地运行于系统平台之上的能力，提 供面向功能的重构工具，同时提供统一标准的应用程序用户界面。该系统必须是一个全模 块化的软件体系结构，在技术上具体体现为平台技术和面向应用功能单元对象的系统参考 结构，因此，一个开放式数控系统的结构可以分为两个部分：统一的系统平台和各功能结 构单元对象( a o ，心c h i t e c t u i eo b i e c t ) 组成的应用软件模块p qp 川，如图1 2 1 所示。这里的 a o 指的是相互独立的具有一定特性和行为规范的系统功能单元对象，它是组成系统功能 结构的最基本的单元，对系统平台具有唯一的标准化的接口。 系统平台由软件平台和硬件平台组成，用于运行个性化的数控系统应用软件。硬件 平台由机床的硬件配置决定，是能够完全支持软件运行的平台，包括c n c 硬件、p l c 硬 件、p c 机基本硬件。系统的软件平台是开放式数控系统体系结构的核心，可分为以下三 个部分： ( 1 ) 系统核心 系统核心包括操作系统、通信系统、动态的实时配置系统等，其中操作系统提供实 时多任务、文件系统、设备驱动程序等。 3 ( 2 ) 可选的系统软件 可选的系统软件包括数据库系统、图形系统等。 ( 3 ) 标准的应用程序界面( s t a n d a r d i z e da p p l i c a t i o np m g r a 】mi n t e r f a c e ，a p i ) a p i 是系统a o 进入系统平台的唯一途径，它一方面隐藏了系统平台提供的一系列 服务的真实实现，使硬件与软件独立，另一方面提供各种a o 在所有平台上的统一界面。 系统内部的通信应参照i s o o s i 的参考模型，遵循广泛认同的面向消息的通信机制， 建立一个包含能满足实时需求在内的内部通信子系统，提供a o 相互操作；系统与外部上 级系统的通信也应基于标准协议；系统与下层系统的通信应适应标准的驱动接口和域总 线。 实时配置系统是实现开放式数控系统开放性的关键，允许系统根据配置清单和有关 参数在系统初始化时动态生成系统控制的软件拓扑结构。 图1 2 1 开放式数控系统的结构框图 一般开放式数控系统是基于p c 的，有以下四种结构： ( 1 ) p c 连接c n c 型 将现有的c n c 与p c 机通过串行接口直接相连，c n c 保持原有功能，p c 机进行管 理和零件编程。这种方案最容易实现，但原来的c n c 照样保留，既降低不了成本，又无 法实现开放性。 ( 2 ) p c 嵌入c n c 型 将一块p c 主板插入传统的c n c 机器中，p c 板主要运行非实时控制，c n c 主要运 行以坐标轴运动为主的实时控制。这种方案的优点是原来的c n c 可以不加改动，数据传 4 应用软件 l a o ii a o i a o1 系统平台 | 一 ， ，m ：队1 十t 百 a p i ， 通信系统 善 配置系统 操作系统 l ， 硬件平台 c n c 硬件p l c 硬件计算机基本硬件 送快，系统响应快。缺点是仍然不能充分发挥p c 机的潜力，开放性仍然受到限制，造价 仍然无法下降。 ( 3 ) c n c 嵌入p c 型 将运动智能控制板插入p c 机的标准插槽中作为定时控制用，而p c 机主要完成非实 时控制部分。这种方案的优点是能在保证系统性能的前提下充分利用p c 机的软件资源， 零件编程方便灵活，造价可以下降。缺点是难以利用原有的c n c 资源。 ( 4 ) 纯p c 型 这种方案的c n c 的全部或大部分功能均由p c 机承担，开放式功能完全由软件实现， 通过现场总线来和伺服进给进行通信。p c 机的优越性可以全部保留，软件资源丰富，实 现了完全开放”，可以降低成本，但处理的实时性和可靠性难以保证。 由于c n c 嵌入p c 型的开放式数控系统是以软件技术的研究和开发为主体，辅之以 智能运动控制卡的开发制造。主要硬件设备采用市场流行的p c 机和多轴运动控制卡。控 制系统上层软件是以p c 为平台，下层软件是由控制卡提供的语言进行编写与开发。由于 p c 机的通用性、开放性，以及各种接口、协议的透明性与稳定性，多数运动控制卡遵循 p c 总线标准，提供驱动程序和各种运动库函数，作为应用程序与运动控制卡的接口。这 种结构灵活性好，功能稳定，可共享计算机的所有资源，能满足数控木工加工中心的种种 需要。另一方面，这种控制技术的柔性也十分符合数控系统开放式结构的要求，所以，本 课题选择第三种方案：c n c 嵌入p c 型的开放式木工加工中心数控系统。 另外，系统硬件结构方案也有两种选择：单处理器系统和多处理器系统“。对于 c n c 嵌入p c 型的数控系统而言，若采用单处理器系统，则系统由一台p c 机和若干块基 于p c 总线的接口卡组成，其中接口卡只用于与外设的连接，而系统的各项功能，无论是 非实时的编程、管理，还是实时的加工控制均由p c 机由软件模块来实现，这实质上是一 种纯软件的系统结构，难以满足数控系统的实时性要求。而采用多处理器系统，多个处理 器并行工作，系统的运算和实时处理的能力大大增强，可以适应数控木工加工中心高转速、 大进给的加工要求。因此，开放式木工加工中心数控系统采用c n c 嵌入p c 型的多处理 器系统，总线选用p c i 并行总线。 1 2 3 开放式数控系统的操作系统 目前，开放式数控系统的操作系统纠有以下三种： ( 1 ) “n u x 操作系统 由于l i n u x 操作系统具有较好的实时性，这种方式适于高档多轴高同步场合应用。 又由于l i n u x 操作系统是开放源代码的，与开放式数控系统的特征十分吻合，因而用此系 统能更好地配置和修改系统，从而设计出真正开放的数控系统。l i n u x 操作系统不足之处 在于：其开发工具没有m n d o w s 开发工具齐全，而且要自行研发各种板卡的驱动程序， 增加了数控系统的研发周期和费用。 ( 2 ) w i n d o w s 操作系统 w i n d o w s 操作系统具有良好的人机交互界面，利用w i n d o w s 平台，可以集成现有的、 成熟的各种功能，如c a d c a m 功能、e i 冲、网络功能等等。而且对于开发数控系统实现， w i n d o w s 操作系统还具有下列优点： nw i n d o w s 的技术成熟，操作简便，用户数量多，几乎垄断了整个p c 机操作系统， 关键是开发工具齐全而完备； 2 ) 支持多线程。多线程是3 2 位操作系统的主要特点，它具有一系列的优点。对数控 系统来说，最有用的特征是它支持抢占式的多任务机制，各线程之间互不干扰，便于功能 的扩充与裁减： 3 ) w i n d o w s 中引入了w i n g 和d i r e c t x ，使它在图形、图像、音频、视频等方面的 处理能力大大加强，为多媒体技术融入数控系统提供了强大的系统支持。 ( 3 ) d o s 操作系统 d 0 s 是单任务的实时操作系统，通常利用中断响应机制和中断结构来组建数控系统 p 。为了在d o s 环境下实现数控系统各任务的优先抢占调度，需自行开发实时多任务管 理内核i m ，但这只能满足部分要求。首先，d o s 运行于实模式下，应用程序在d o s 环境下可直接对硬件操作，缺乏保护，程序稍有异常，便有可能使系统死机，系统可靠性 不易保证；其次，d o s 是1 6 位的操作系统，其应用程序受6 4 0 k 内存限制，数控系统的 很多功能不能实现；再者，d o s 不支持w i n d o w s 开发工具，因此开发数控系统的周期长， 难度大，实现与其他应用系统的通信和协调工作，尤其与互联网连接相当困难。 从数控系统的开放性和系统开发工具齐备程度的角度考虑，本系统采用w i n d o w s 操 作系统。 1 2 4 开放式数控系统的发展状况 开放式数控系统的概念起源于美国。8 0 年代美国国防部为了摆脱军备制造对日本控 制系统的依赖性发起了名为下一代控制器n g c 洲e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 的研究计划1 。 到9 0 年代，占主流的美国o m a c ( o p e nm o d u l a r 时c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 1 7 】计划、欧共体 o s a c a ( o p e ns y s t e mm c h i t e c m r ef o rc o n 仃o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 1 8 l 计划和日本 o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o 啪e n tf o rc o n t r o l l e r ) 例计划大大推动了开放式数控系统的研究， 几乎垄断了开放式数控的前沿。 目前，在全球范围内，基于工业p c 的嵌入型数控系统已成为开放式数控系统的主流， 全软件型结构的开放式数控系统成为研究开发的热点，以s t e p n c 数据格式为特征的新 一代开放式数控技术的研究正在进行。 我国非常重视开放式数控的研究，国家计划发展委员会与科技部在1 9 9 9 年7 月1 4 日发布的当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南( 目录) 中第八项“制造”的 首项列为：适用先进的数控机床及开放式数控系统( 总第1 1 2 小项) u 们。2 0 0 0 年我国提出 了开放式数控系统计划( c h i n ao p e nn 啪e r i c a lc o n t m ls y s t e mp r o g r a m ，c o n u c ) 。c o n u c 计划旨在指导开发新一代具有我国自主版权的开放式数控系统平台，推动数控产品向规范 6 化方向发展。2 0 0 2 年1 2 月发布开放数控系统的国家标准g b 厂r 1 8 7 5 9 1 2 0 0 2 ，2 0 0 3 年1 月1 日实施i l 。国家非常重视开放式数控系统的研究与开发，因为它直接关系到我国制 造领域的竞争力水准，进而决定了整个国家工业基础是否牢固。它也有利于推进我国数控 系统产业发展，促进我国制造业整体水平的提高l l2 1 。 在“八五”期间，我国成功开发了华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型【l l 【5 1 等 四种基本系统。一些高校和科研单位对开放式数控系统也做了不少研究，其中有南京工程 学院的开放式智能数控系统关键技术研究，南京航空航天大学的全数字式开放式数控系统 y j c 2 2 1 2 b 弧齿锥齿轮铣齿机控制系统，南京四开电子企业有限公司的s k y 2 0 0 3 n 开放式数控系统等。 虽然我国的数控技术在向p c 平台方向发展和开放式数控系统研究方面取得了不少 成绩，但与美、欧、日等数控技术发达国家相比仍有一定差距，在具体的实施开发中仍存 在一些问题，如开放性不够，缺乏互换性和兼容性，开发环境和支持手段不足，二次开发 的难度大，只有专业人员才会使用，向一般用户普及的目标还远未达到。 综上所述，我们应该对自身有深刻的认识，在国家战略规划的指导下，扬长避短， 学习他人经验，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，用系统的方法，实现数 控技术跨越式发展。 1 3 开放式数控系统应用于木工加工中心 1 3 1 木制品数控加工特点 木制品数控加工技术是在金属数控加工技术的基础上的，但木材的性质决定了木制 品数控加工技术与金属数控加工技术有以下几项区别1 1 3 l ： ( 1 ) 木材各向异性，不同方向切削阻力不同，切削表面质量差异大； ( 2 ) 木材切削阻力小，切削速度高，每分钟达到上万转，进给速度也相对较高，动力 消耗较少，结构轻巧： ( 3 ) 木材的一次切削量大，多使用成形刀，通过少量切削次数就可加工出形状复杂、 光滑、美观的表面； ( 4 ) 由于木材容易吸水，含水率不同切削性能也不同。不能用冷却液冷却，通常借助 吸尘装置进行风冷； ( 5 ) 切削中的粉尘和切屑重量小，容易弥漫到空气中，宜采用气力吸尘装置及时排除 切屑及粉尘； ( 6 ) 转速大，噪音大，动态性能要求高。 1 3 2 国内外研究概况 1 3 2 1 国外研究状况 6 0 年代末期，日本的庄田公司首先将数控技术应用到木材加工机械产品中，生产出 数控镂铣机。此后，日本、德国、意大利等国家的一些木工机床的制造厂家应用机电一体 化技术，相继推出了各种先进的木工机床。目前，数控木工加工中心在家具及木制品行业 中已经成为集高技术含量和高附加值于一身的尖端设备，日本、德国、意大利、美国等国 家已经研制出了五轴的数控木工加工中心，如日本的h e i a n ( 日本平安株式会社) 和 s h o d a ( 日本庄田铁工株式会社) ，德国的m a k a 及h o m a g ( 豪迈集团) 旗下的 b r e v e l 1 巳蛆o ，意大利的p a o l i n ob a c c i ( 巴吉) 、b a l e s t r i n i ( 巴利维礼) 、c o s m e c 、 p a d e ( 佰得) 、b i e s s e ( 比亚斯) 集团的r o v e rb u s e l l a l d 及s c m 集团旗下的c m s 和 r o u t e c h 等，美国的d m i 、n o i h h w o o d 及t h e r m w o o d 等【1 4 1 。各个国家研制生 产的木工机械占领了不同的市场，如德国的木工机械市场面向东南亚和美国，捷克是木工 机械主要生产国，产品而向德国和奥地利，意大利生产的五轴数控木工加工中心而向亚洲 市场。 目前，多轴、高速、高精度的高速木工机床的研制已成为国际木工机床工业发展的 主流。国外木工机械的超高速加工技术在最近几年发展很快。高速加工大大减少了切削热， 缩短了切削时问，提高了切削效率。木工机械的超高速加工可以降低3 0 左右的切削力， 减少能耗，提高易变形零件的加工精度。随着木工机械的速度提高，使切削的激振频率远 离木工机械的固有频率，振动和噪音自然减少，从而提高了加工精度。 1 3 2 2 国内研究状况 我国自改革开放以来，虽然木工机械的技术水平及产品质量有着显著的提高，但与 先进的发达国家相比差距较大，主要存在的问题有：水平低、仿制多、品种少、自动化程 度不高，外观质量不高，木工机械合格率低，2 0 0 5 年合格率仅为5 4 3 ，远低于同类机 械产品的平均合格率。我国的数控木工机械的起步始于1 9 9 8 年，由牡丹江木工机械厂同 东北林业大学合作，完成了多头数控镂铣机的研制。数控镂铣机主要用于单件小批生产， 要求编程员水平高，其利用率低，效益低。由于没有掌握木材的特性和加工工艺，一直没 有推动数控木工机械的普及。 近几年来，随着我国对具有国际先进水平的木工机床的引进、合资、合作、生产和 消化吸收，我国木工机床的发展和创新能力不断增强，数控技术在木工机床上也有所应用。 国家林业局北京林业机械研究所于1 9 9 8 年就试制成功了m x k i 型木工数控加工中心【1 5 1 ， 具有三轴三联动功能，最大定位矢量速度达7 3 h l m i n ，变频主轴最高转速达2 0 0 0 0 r f n j n ， 可实现刀具库八刀具的自动换刀及脱机编程的功能l l6 1 。i i i 东东维木工机械有限公司与韩 8 国合作研制c n c 一2 6 0 6 镂铣机，其轴数已经达到了6 根f 1 7 】。南京林业大学在1 9 9 2 年研 制了木材激光平面雕花机c n c 系统l l 引，在1 9 9 9 年和2 0 0 5 年分别开发了数控曲线带锯计 算机辅助编程系统【l9 l 和数控系统【2 0 1 ，并且最近采购了一台意大利p a o l i n ob a c c i 公 司的实木五轴电脑数控加工中心用于教学和研究i i4 1 ，东北林业大学的林业与木工机械工 程技术中心和北京铭龙天同科技有限公司合作为浙江家具企业开发年生产1 2 万只沙发扶 手的数控加工生产线，使生产率提高了3 0 0 ，标志着我国木工机械数控加工时代的开始 b 1 1 。这些数控新产品的应用，在某种程度上代表了我国木工机械的先进水平，正逐步缩 短与国际先进水平的差距。 目前，我国木材加工机械的数控加工软件和硬件开发一直没有进展，对木工加工中 心数控系统的研究较少，但研究金属切削机床数控系统的较多，如合肥工业大学研制的基 于w i n d o 、v s 通用数控系统1 2 2 1 ，西北工业大学研制的基于p c 的开放式数控系统1 2 3 1 ，西 南交通大学研制的开放式三轴联动数控铣系统1 2 4 1 。国内采用的木工机床数控系统大多数 是原来用于金属切削的数控系统，如国家林业局北京林业机械研究所的m x k i 型木工数 控加工中心采用德国西门子数控系统，山东东维木工机械有限公司的c n c 一2 6 0 6 镂铣机 采用f a n u c 系统。由于木材切削与金属切削存在着诸如冷却方式、排屑特性、转速、进 给速度、切削尺寸等技术上的差异，这些通用型金属加工数控机床的数控系统不能很好地 适应木材加工的特点，开放性远远不够，且技术依赖性大，成本较高。因此，用于木材切 削的数控系统应具有自己的特色，能充分利用系统功能，协调完成木材加工的任务。另一 方面，国外木材加工数控设备虽然适用，但中文系统不过关，还需大量的管理、翻译和技 术人员，进行辅导、培训和调试，甚至二次开发，增加了设备的成本。 1 4 本课题研究意义和内容 1 4 1 本课题研究意义 全球木工机械向着提高木材利用率，提高木材加工精度，提高生产率和自动化程度， 节能、环保、安全的方向发展。国外木工机械的产品9 0 已经实现了数控化，而我国数 控化的木工机械还不到5 1 2 5 1 ，大部分的木工机床工作噪音大，工人劳动强度大，要求 操作者技术水平高，其生产率和自动化程度低，加工精度差，对人体伤害程度较大，为了 与国际接轨，我国必须将快速原型制造技术、计算机数控技术和柔性制造技术等先进制造 技术应用于木工机床。 数控木工加工中心能够很好地顺应这一发展趋势，其调节快、辅助工作时间短、加 工精度和自动化程度高的突出优点，使数控木工加工中心在家具和木制品生产中得到了较 为广泛的应用。它能完成锯切、刨削、雕刻、钻孔、开槽、铣榫、倒角、修边、封边、砂 光等加工任务，实现三维立体化生产，一机多能。数控木工加工中心能按照工件的加工要 求，设定参数和程序，自动地完成立体复杂零件的全部加工。因而，一台数控加工中心能 9 满足现代家具企业对产品多方面的加工要求，并能迅速适应设计和工艺的变化，还能适应 高效、高精度、小批量、多品种的生产。 数控木工加工中心是数控技术的典型产品，而数控系统则是数控木工加工中心的核 心。数控系统的发展是促进数控木工加工中心不断发展的技术因素。数控系统包括数控装 置和伺服控制单元f 2 6 1 ，其性能的改进及技术的发展给予木工机械加工设备以“质”的变 化，奠定了现代柔性制造技术、计算机集成制造技术及未来的智能制造技术的基础。数控 木工加工中心正向着柔性化、智能化、图形化、数字化的方向发展1 2 7 1 ，为了适应木制品 或家具市场需求的多样化和专业化，对加工“个性化 的需求也日益增强，只有开发研制 能较方便地增加专用功能和带有个性化的数控系统才能切实有效地满足多样化、专业化市 场的需求。然而，长期以来，国际上著名的数控设备制造公司对计算机数控系统均采取封 闭式设计1 2 8 1 ，已经远远不能满足木工加工中心数控系统的要求。鉴于我国木材加工企业 数量多、规模小、资金薄弱的特点，数控设备的发展必须摒弃传统的设计理念，杜绝照搬 国外的形式，应开发实用、价廉、多工位、专业化程度高、可连续工作的设备。 为了促进木材加工技术发展，满足家具产品批量生产用成套设备的开发需求，实现 数控木工加工中心的柔性化、智能化、网络化和个性化，研究开放式木工加工中心数控系 统己势在必行。通过对本课题的研究，不仅可以提高木制品加工精度和生产效率，降低工 人的劳动强度，减少对操作者的人身伤害，避免不必要的事故发生，而且会大大促进我国 木材加工制造的数控化普及，对实现木工机械高精度、高质量、高集成化和高自动化的目 标具有深远意义。 1 4 2 本课题研究内容 ( 1 ) 进行开放式木工加工中心数控系统的硬件设计。 将运动智能控制卡插入p c 机的标准插槽中作为实时控制用，而p c 机主要作非实时 控制。运动控制卡控制进给运动轴，完成插补功能，实现位置控制。由于时问和经费的有 限，主轴伺服控制与辅助运动控制部分没有详细设计与实现，在今后的工作中有待研究。 ( 2 ) 进行开放式木工加工中心数控系统的软件设计。 本次数控系统软件开发的是一个基于晰n d o w s 操作系统的应用软件，采用v i s u a i c + + 6 0 作为开发工具，按照软件工程的思想，采用模块化的程序设计方法，实现数控加 工程序的编辑与编译，直线、圆弧、椭圆弧、抛物线、螺旋线的插补，木工加工固定循环 箜 寸o ( 3 ) 进行开放式木工加工中心数控系统的调试。 连接开放式木工加工中心数控系统的各个硬件，运行控制软件，对其调试。用加工 实例验证系统能否实现c n c 代码编辑与编译、手动调整机床、自动加工、刀具半径补偿 等功能。 l o 第二章开放式数控木工加工中心数控系统的框 架结构 2 1 开放式木工加工中心数控系统的硬件框架结构 硬件是数控系统工作的基础，其硬件结构必须全面支持开放式系统的互操作性、可 移植性、互换性、可扩展性等开放理念，有利于系统的集成、更新、维护和向新技术迁移。 2 1 1 开发式木工加工中心数控系统的硬件结构 图2 1 1 开发式木工加工中心数控系统的硬件结构 开发式木工加工中心数控系统采用c n c 嵌入p c 型的结构模式，其硬件结构如图 2 1 1 所示。由图可知，系统硬件由p c 机、运动控制卡、i o 接口电路、p l c 装置、机床 操作面板、驱动器、进给电动机、主轴伺服单元、主轴电动机、换刀伺服单元、辅助动作 电动机等部分组成。 p c 提供了一个软件开发平台，在w i n d o w s 操作系统的支持下，根据运动控制卡制 造商提供的动态链接库接口函数开发出具有木制品加工特色的数控系统软件。 p l c 装置