（机械电子工程专业论文）软件化数控系统中的代码解释与刀具补偿研究.pdf

摘要“ f由于传统数控系统存在许多缺陷，越来越不能适应技术发展的需要。数控系统 1 、酌研究f 发生着巨大的变革，开放式数控系统成为数控技术发展的主流。开放式 数控系统建立在丌放的体系结构基础上，具有可移植、可伸缩，能够互换、互操 作等优点。从实现方法上，pc i 4c ( 个人计算机数控) 是目前比较现实的n c 丌放化的途径。p c 机具有组装方便，价格便宜，互换性好，体系结构开放等优 点，因此充分利用p c 机资源，发展基于p c 的数控系统，已成为世界各国发展研 究的重点：丫 本课题在详细分析开放式体系结构和基于p c 的软件化数控参考模型的基础 上，对其中的译码模块和刀具补偿模块进行了深入研究。 首先比较分析了几种数控编程语言的特点，剖析了程序编译和解释的一般过 程，用扩展的巴克斯范式详细描述了f a n u c 系统的文法结构，使后续对译码模 块的研究建立在编译原理的基础上。 接着在需求分析中指出，为使各模块具有互换性、可伸缩性，在设计时需要考 虑模块的独立性和模块对外开放的接口要标准化。然后对译码模块和刀补模块的 功能及对外接口进行了详细分析，对它们与其它模块间的通信以及同步方式进行 了研究。 接下来详细分析了f a n u c 系统的各项功能的特点及执行过程，设计了译码模 块的数据结构，并阐明了这种结构的优点、用法以及这么做的原因。采用递归调 用的方法实现了解释器的流程，解释了在实现过程中采用的加快程序执行或简化 程序结构所采取的措施，并且选取了两个示例程序对系统进行验证，对结果进行 了简要剖析，说明了设计的有效性。 最后利用面向对象的方法对刀补进行了分析，将路径之间的转接抽象为对象。 把所有转接情况的共同点抽象出来形成一个基类，具体的转接情况都认为是从基 类继承下来的，这样它们自然就具有了基类具有的所有特性，再分析时只要考虑 其与基类的不同之处就行了。这种结构有效地实现了重用和共享，并且非常简单。 将面向对象的原理和方法用在刀补分析中是本文的一个创新点。 l 丌放式数控系统是一个十分复杂的科研项目，需要许多艰苦而烦杂的研究 ： 作。本课题在开放式数控系统的开发方面做了一些有益的尝试。百 ， 关键词：j 1 ：放式数控软件数控解释器刀具补偿 围家自然科学姥会资助项目( 5 9 9 7 5 0 5 5 ) a b s t r a c t “ c o n v e n t i o n a l n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 、s y s t e m sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r e i n c o m p a t i b l e w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y f o rt h e i r m a n yd e f e c t s g r e a t i n n o v a t i o ni sh a p p e n i n gi nt h er e s e a r c ho fn c s y s t e m a n do p e nc n cs y s t e mr e s e a r c h i sa th i g ht i d e b a s e do nt h eo p e n a r c h i t e c t u r e ，o p e nc n cs y s t e mh a sm a n ym e r i t ss u c h a s p o r t a b i l i t y , s c a l a b i l i t y , i n t e r c h a n g e a b i l i t y ，i n t e r o p e r a b i l i t y , e t c i n t e r m so f i m p l e m e n t a t i o n ，p c n c ( p e r s o n a lc o m p u t e r - n u m e r i c a lc o n t r o l1 i sam o r er e a l i s t i c w a yf o rt h eo p e no fn c p cc a nb ea s s e m b l e de a s i l y , a n di th a st h ea d v a n t a g eo fl o w p r i c e ，g o o di n t e r c h a n g e a b i l i t ya n di t so p e na r c h i t e c t u r e s ot h er e s e a r c ho fp c - b a s e d n c s y s t e mt h a tc a ne m p l o yf u l l yp c sr e s o u r c eh a sd r a w nm u c ha t t e n t i o ni nal o to f c o u n t r i e s t h i sp a d e r m a i n l yr e s e a r c h t h ed e c o d e rm o d u l ea n dc u t t e rc o m p e n s a t i o nm o d u l ei n o p e nc n c a f t e r h a v i n ga n a l y z e dt h ea r c h i t e c t u r ef o ro p e nc n ca n dt h er e f e r e n c e m o d e lf o rp c b a s e ds o f t w a r en c r o u n d l y f i r s t ，w eh a v eac o m p a r i s o na m o n gs e v e r a ln c p r o g r a m m i n gl a n g u a g ea n da n a l y z e t h ec o m m o np r o c e s so f p r o g r a m sc o m p i l i n ga n di n t e r p r e t i n g t h e nf a n u cs y s t e m s g r a m m a r s t r u c t u r ei sd e s c r i b e dw i t he b n f ( e x t e n d e db a c k u s n a u rf o r m ) w h i c hm a k e s t h ef o l l o w i n gr e s e a r c ho nd e c o d em o d u l eb a s e do nt h ec o m p i l e r p r i n c i p l e n e x t ，i n t h e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，w ep o i n t o u tt h a tt om a k em o d u l e s i n t e r c h a n g e a b l e s c a l e a b l e t h ei n d e p e n d e n c ya n ds t a n d a r d i z e d i n t e r f a c eo fm o d u l e s m u s tb ec o n s i d e r e di nt h ed e s i g n m e n t t h e n w ea n a l y z et h ef u n c t i o na n di n t e r f a c eo f d e c o d em o d u l ea n dc u t t e rc o m p e n s a t i o nm o d u l ea n dr e s e a r c ht h e i rc o m n m n i c a t i o na n d s y n c h r o n i z a t i o nw i t ht h eo t h e rm o d u l e sc a r e f u l l y m o r e o v e r , f e a t u r e sa n di n t e r p r e t i n gp r o c e s so ff a n u cs y s t e mi sa n a l y z e d d a t a s t r u c t u r ef o rd e c o d em o d u l ei sd e s i g n e da n dt h em e r i t u s a g eo ft h es t r u c t u r e a l s ot h e r e a s o nf o r c h o o s i n g i ti sc l a r i f i e d t h e p r o c e s so fi n t e r p r e t e r i s i m p l e m e n t e db y r e c u r s i o n ，m e a s u r e st h a ts h o u l db et a k e nt os p e e du pt h ep r o g r a ma n ds i m p l i f yi t s s t r u c t u r ei s e x p l a i n e d a n dt w oe x a m p l e sp r o c e s si sd e s i g n e dt ov e r i f yt h es y s t e m t h r o u g ha n a l y z i n gt h er e s u l t ，t h ee f f e c t i v i t yo f t h ed e s i g n m e n t i sp r o v e d f i n a l l y , c u t t e rc o m p e n s a t i o ni sa n a l y z e du s i n go b i e c t - o r i e n t e dm e t h o d j u n c t u r eo f p a t h si sa b s t r a c t e dt oo b j e c t a l ls h a r e df e a t u r e si se x t r a c t e do u tt of o r mab a s ec l a s s a n ya c t u a lj u n c t u r ei si n h e r i t e df r o m t h eb a s ec l a s s t h u st h es u b c l a s sw i l ip o s s e s s e sa l l f e a t u r e so ft h eb a s ec l a s s a n dw ec a nc o n s i d e ro n l yw h a ti sd i f f e r e n t i a lf r o mt h eb a s e c l a s st h i ss t r u c t u r ea c h i e v e sr e u s a g ea n ds h a r e se f f e c t i v e l y ，a n di s v e r ys i m p l e u s i n g t h er e s e a r c hi ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r es c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( 5 9 9 7 5 0 5 5 ) 一l v o b j e c t o r i e n t e dp r i n c i p l ea n dm e t h o di nt h e a n a l y s i s o fc u t t e r c o m p e n s a t i o ni s a n c r e a t i v ep o i n to f t h i sp a p e r o p e nc n ci sav e r yc o m p l i c a t e dr e s e a r c hp r o j e c tw h i c hn e e d sm u c hl m r da n d m u l t i f a r i o u sw o r k t h i sp a p e rm a k e ss o m eu s e f u lw o r ki nt h e d e v e l o p m e n to fo p e n c n cw h i c hc a nb e h e l p f u lf o r t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h k e y w o r d s ：o p e nc n cs y s t e m ，s o f t w a r ec n c ，i n t e r p r e t e r , c u t t e rc o m p e n s a t i o n v 一 出丕太堂亟堂僮论文 第一章概述 1 1 开放式数控系统产生的背景及发展现状 随着技术、市场、生产组织等多方面的快速变化，数控系统的发展面临着许 多新的挑战。不断出现的新的加工需求，要求数控系统和数控机床具有更强的模 块化特性和软硬件重构的能力，同时这种重新构筑所需的成本和周期要较目前有 很大的改观。数控系统的提供商必须提供主机生产厂家二次开发功能，而无需向 系统提供商提供任何自己技术上的秘密。寻求一种能很好解决上述问题的新的控 制系统的发展模式已成为必然。数控系统的制造商、集成者和用户都希望“丌放 式的控制器”，能够自由地选择数控装置、驱动装置、伺服电机、应用软件等数控 系统的各个构成要素，并用规范的、简便的方法将这些构成要素结合起来。 开放式控制系统的概念在8 0 年代就已出现。早在1 9 8 7 年，美国国防部为了， 减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名为“下一代控制器( n g c ) ”的 计划，并成立了“美国国家制造科学中心( n c m s ) ”，其主要目的是拟订并推进 关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为n g c 的后续工作，美国国防 部启动了s o s a s 项目，其目的是建立并安装8 套控制器，并在6 种不同场所对其 进行测试1 2 1 。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的 有美国的o m a c 、欧洲的o s a c a 和日本的o s e c 等计划。 ( 1 ) 0 m a c 计划 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 和通用三大汽车公司于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 ) ”的计划。该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩j ：i j ! 产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器 重构机制，简化新技术到旧系统的集成，从而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。其主要动机是向供应商和技术丌发团体公前讨空 制器用户，尤其是汽车制造业的需求，以期他们明白并更好地理解用户的需求， 从而能在市场上购买到满足其要求的产品u ”。 由于0 m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决定了其性质和目的， 从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。事实上美国工业界认为0 m a c 是一种概念，而不是一种控制器或标准。0 m a c 自身也意识到这一问题，它目前币 逐步与0 s a c a 等进行联合。 ( 2 ) 0 s a c a 计划 0 s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h j 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 j o ns y s t e m ) 是1 9 9 0 年由欧共体国家的2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和 科研机构联合发起的，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 t1 1 1 项目计划”1 。这实际上是第一阶段o s a c a i ，它于1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规 范和应用指南的制定。其第二期工程o s a c a 1 1 ( e s p r i t9 t 1 5 ) 于1 9 9 6 年4 月结 束，主要完成依照o s a c a 规范为其系统平台开发标准、通用的软件模块和通用的 o s a c a 系统平台，建立一个五轴制造系统环境，用以调试、验证、扩展前阶段 的各种规范。o s a c a 第三阶段为i d a so s a c a ( i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n d a w a r e n e s sa c t i o l q ) 于1 9 9 7 年1 月开始，计划历时1 8 个月，推广o s a c a 思想及 前期工作的技术成果。同时为了建立一个国际性的标准，而与日、美的相关机构 进行接触。o s a c a 的目标之一，是使自己成为自动化领域的通用国际标准，故丌 始它就将研究范围涵盖了整个自动化领域，并投入了巨大的人力、物力。 ( 3 ) o s e c 日本的“控制器开放系统环境( o s e c ) ”，由东芝机器公司、丰i 刑l 器厂和 m a z a k 公司三家机床制造商和日本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统公司共同组建。 其目的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准。o s e c 以只本国际机 器人和工厂自动化研究中心( i r o f a ) 所提出的c n c 系统参考模型为基础，提出了 一个开放体系结构。实现了i r o f a 的参考体系结构，并增加了定制和分化产品的 功能。 目前国内也有许多的单位在从事开放式数控系统的研究，已开发出的丌放式 控制系统有：华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型。国内的开放控制系统 的研究工作还处于起步阶段，开发出的系统各有特色，但其丌放工作尚缺乏通h 的标准体系结构规范，难以保证各家研制的产品的兼容性、部件互换或互操作性， 从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放性控制系统的本质特征，仍有许 多需要改进之处。不过，总的来说，这些研究工作还是很有成效的”1 。 2 开放式数控系统的特点 丌放式系统目前还是一个不断发展的概念，对开放式结构目前还没有一个完 全认可的定义。对不同的用户来说，开放可能有不同的含义。 i e e e 对开放式系统的定义是：一个开放式系统提供了使合理实现的应用程序 运行于来自多个控制供应商的不同平台上及与其它系统应用相互操作的能力，并 且具有一个用来与用户交互的持续的风格。开放式数控系统作为开放式系统的一 种，衍生的概念各有差异，但对其性能特征的描述可归纳为以下几点【8 】： 丌放性：提供标准化环境的基础平台，允许来自不同开发商的软、硬件介入； 即插即用：数控功能模块采用模块化的结构且各个模块具有即插即用的能力； 可移植性：功能模块可运行于不同生产商提供的系统平台上；同时，系统软 件可运行予不同特性的硬件平台上； 可伸缩性：控制系统的大小( 模块的数量) 可以跟据具体的应用增减： 互换性：功能相似，接口相同的模块可以相互替换，并且不影响系统正常协 调运行： 互操作性：模块之间可以相互操作( 交换数据) 。 1 3 软件化数控基本思想及主要特征 软件化数控是在开放式数控系统基础上提出的一种数控系统新概念。它的璀 本思想就是认为数控系统的实现完全是一种运行在通用计算机上的标准应用程 序，而不是包含许多插件板的硬件系统。软件数控不仅是硬件功能的软件化实现， 更重要的是它体现了一种高度开放的体系结构l 。 软件数控的主要特征是： 1 系统的表现形式和目前常见的c a d c a m 等系统一样，完全只是一种主流 操作系统( 实时扩展) 上的应用软件( 设各驱动软件) ； 2 完整的机床控制功能( m m c ( m a nm a c h i n ec o n t r 0 1 ) 、m c ( m o t i o nc o n t r 0 1 ) 、 a c ( a x i s c o n t r 0 1 ) 、p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r 0 1 ) ) ： 3 外围连接采用标准规范。伺服和离散i o 信号通过一种信号转接器连接到 运行软件数控的计算机： 4 核心丌放体系结构。支持系统界面和运动控制算法的用户控制，对采 j 智 能控制策略有充分的考虑； 5 支持c o m 、c 0 r b a 等软件技术规范，可与c a d c a m 无缝集成； 6 加工单元代理功能，支持f m s 、c i m s 、虚拟制造等先进的上层应用。 1 4 本课题的主要内容 丌放式数控系统是当前c n c 发展的主流。在这一方面进行深入研究具有重要 的现实意义。木课题是开放式、软件化数控系统研究工作的一部分。其主要任务 是侄刈系统的总体结构进行深入分析的基础上，比较有效地实现g 代护5 解释器干f i 7 j 补功能。具体内容如下： ( 1 ) 对数控加工语言进行比较，选取一种功能比较强、又可行的方案，_ j f ：对 其进行仔细分析，最后予以实现。 ( 2 ) 采用模块化方法进行设计，使整个系统具有开放性。 ( 3 ) 运用面向对象的方法对刀具半径补偿进行分析，设计出结构简单、逻辑 清晰、效率高的刀补模块。 ( 4 ) 定义译码、刀补、插补模块之间的接口以及进行通信、交换数据的方法； 妒且研究使这几个模块问能够相互协作的同步机制。 第二章开放式数控系统的体系结构 从系统论的观点来看，系统，特别是人造系统，都具有一定的结构并能实现 规定的功能。系统的结构是对系统内部各组成元素( 单元) 的有机联系和相互作 用的描述。系统的功能是通过具体的系统结构与外部环境相互联系和发生作用的 能力及其体现。系统的结构通常具有层次性，可以从不同层次上进行描述。 从开放式数控系统目前的研究成果看，开放式数控体系结构还没有统一、明 确的概念内涵，系统实现技术还处于百家争鸣的时代【l 0 1 。 2 1 数控系统开放的途径及层次 如何使传统的专用型封闭系统走向开放，不同的系统丌发商及研究机构对此 提出了不同的解决方案。按开放的层次不同可分为3 种途径，它们的丌放层次不 同，难度不等，获得的开放效果也相差很大。 开放体系 结构 m 忆层 。鸸 1 日日i ：申 野率 控制 稻瑟罩 内核层 图2 一l 数控系统开放的途径 如图2 1 所示，虚线部分将控制系统分为人机控制( m m c ) 层和控制内核层。 其中，控制内核是c n c 系统完成实时加工过程调度和控制的核心部分，一般和系 统实时性相联系。3 种方式就是基于对这两个层面开放的不同处理来区分的。 ( 1 ) 丌放人机接口。这种方式允许开发商或用户构造或集成自己的模块到人 机控制接口中。这一手段为用户提供灵活制定适用于各自特殊要求的操作界面和 操作步骤的途径，一般用于基于p c 作为图形化人机控制界面的系统中。 ( 2 ) 开放系统核心接口。此方式除了提供开放的人机接口外，还允许用户添 加自己特殊的模块到控制核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照 定的规范将自己特有的控制软件模块加到系统预先留出的接口上。 ( 3 ) 开放体系结构。开放体系结构的解决方案是一种更彻底的丌放方案。它 试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位丌放。人们可 以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配制成功能可繁简、性能 可高低、价格可控制、不依赖于单一卖方的集成系统。 从实现方法上，pc n c ( 个人计算机数控) 是目前比较现实的ncj t ：放 化的途径。也就是在pc 机硬件平台和操作系统的基础上，使用市售的软件和硬 件插卡，构造出数控系统功能。但是，现有pc 的操作系统缺乏实时性，可靠性 尚有待提高。pc nc 主要可归纳为3 种：“p c + c n c ”、nc 板插入到pcr h 软件nc 。“p c + c n c ”这一形式，主要为一些大型cnc 控制器制造商所采用。 其原因有两方面：一是许多用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用：另一方面是 控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的专用cnc 技术。因此，才出现 了这种折中方案，其做法就是在传统的c n c 中提供pc 前端接口，使其具有p c 的柔性。显然，这种系统的nc 内核保持了原有的封闭性，故只能实现上述第l 层次的开放。nc 板插入pc 中的形式，就是将运动控制板或整个cnc 单元( 包 括集成的plc ) 插入到个人计算机的扩展槽中。pc 机做非实时处理，实时控 制由cnc 单元或运动控制板来承担，这种方法能够方便地实现人机界面的开放 化和个性化，即上述第l 层次的开放：在此基础上，借助于所插入nc 板的可编 程能力，能部分实现系统核心接口的开放，即上述第2 层次的开放。所谓软件n c ，是指nc 系统的各项功能，如编译、解释、插补和plc 等，均由软件模块 来实现。这类系统借助现有的操作系统平台( 如d o s 、w i n d o w 、l i n u x 等) ， 在应用软件( 如v i s u a l c + + 、q t 等) 的支持下，通过对nc 软件的适当2 j t - g 、 划分、规范和开发，可望实现上述各个层次的开放“。 应该指出，将开放系统的概念引入cnc 系统的发展需求中，表明系统走向 丌放的条件同趋成熟。然而，目前具有开放系统特征的开放体系结构cnc 系统 仍处在成长期，有关开放体系结构cnc 系统科学、明确的定义及相应的规范标 准尚处在进一步的发展完善中 1 5 - 1 8 1 。 2 2 软件化数控系统的模块化结构 开放式数控系统从全新的角度分析和实现数控系统的控制功能，强调系统对 控制要求的可重构性和开放性。一个开放式数控系统的结构可以分为两个部分： 统一的系统平台以及由各功能结构单元组成的应用软件模块。这里所谓的功能元 是指相互独立的、具有一定特性和行为规范的系统功能单元，它是组成系统功能 结构的最基本的单位，对系统平台具有唯一的标准化的接口。 系统平台由系统硬件和系统软件组成。系统的软硬件功能划分山机床的功能 需求决定。系统的软件分为三个部分：系统核心，如操作系统、通讯系统、动态 的实时配置系统等；可选的系统软件，如数据库系统、图形系统等；标准的应用 程序界面( 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 ，a p i ) 。a p i 是系统功能元对象进入系统 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，另一方面提供各种功能元对象在各种平台上的统一界面。操作系 统、通讯系统和实时配置系统组成控制系统运行的基础。系统内部的通讯应遵循 广泛认同的面向消息的通信机制，建立一个包含能够满足实时需求在内的内部通 信子系统提供各功能元对象的相互操作：系统与外部上级系统的通讯也应该基j 二 标准协议；系统与下层系统的通讯，如传感器，应适应标准的驱动接臼和总线。 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。系统平台设计丌发的 关键是面向对象软件技术、软件重构技术、通信技术以及各种接口规范的应用和 建立。通过面向对象技术规范a p i 定义，结合动态对象的识别和系统动态重构技 术为实现系统的功能开放性和动态配置提供前提。 系统的控制功能是由系统的各个功能模块所组成的，而每一个功能模块都是 由功能相对独立的功能元按照一定的逻辑关系所组成的。系统的参考结构用来精 确描述功能元和功能模块之间的关系，以及各模块之间的关系；精确定义各模块 和各功能元的行为和属性，以及模块和功能元与系统平台之间的界面，保证不同 供应商提供的功能模块在不同平台之上的协调工作。开放式数控系统的可扩展性、 互换性和互操作性，得益于系统平台的标准化应用程序接口和控制功能元对象的 有效抽象，以及开放的柔性的控制系统功能的参考结构。控制系统参考结构的丌 放性、柔性和对控制功能元对象抽象的有效性是设计统一的应用程序接口的基础， 同时也是各种控制功能单元既相互独立又协调工作的保证。 我们所采用的开放式数控系统的结构如图2 2 所示。系统基于p c ，没有 用硬件或运动控制板，完全实现了软件数控。系统中各模块的功能如下： ( 1 ) 用户界面 用户界面能向用户提供方便、友好的人机交互环境。它向最终用户提供直观、 高效、易学、易用的操作界面；向软件开发人员提供功能丰富、使用方便的程序 设计环境。 ( 2 ) 译码 译码模块能够将数控加工代码翻译成数控系统能够识别的内部数据格式。山 于数控加工文件可能会很大，将其全部翻译完再开始执行，内存可能会不足，采 用边解释、边执行的策略。译码模块和后续通过共享内存中的数据队列进行通信， 并且通过信号量、事件等方式同步。 ( 3 ) 刀补 n c 代码是根据零件的实际轮廓进行编程的。实际上，刀具具有半径，安装位 置也会相对于标准位置有所偏移，这样如果按照编程路径走刀，就会加工 l 不合 格的零件。为此，需要使刀具中心轮廓相对于编程轮廓在径向偏出一个刀具半径 值，在各坐标轴的轴向偏出一个长度补偿值。刀补就是根据编程轮廓和刀具半径 值及长度补偿值计算出实际的运动路径。 ( 4 ) 插补 插补对完成刀补的刀具中心运动路线进行细分，控制各进给轴按预想的轨迹运 动。它是个数据密化的过程。在每个插补周期内，计算出下一个插补周期内各进 给轴的进给量并将其送到伺服系统。插补周期很短，并且插补运算在刀具运动的 整个过程中都要进行工作，所以这是一个实时性要求很高、持续时间又比较长的 任务。在系统中将它作为一个实时线程，放在实时内核空间运行。传统的数控系 统一般只支持圆弧和直线插补，随着时间的推移，应用的深入，这些功能逐渐刁i 能满足应用的需求了。因此又出现了椭圆插补、n u r b s 插补等新的插补方法。这 些功能可以在系统中比较方便地进行扩展。 图2 2 开放式数控系统参考模型 ( 5 ) 伺服控制 伺服控制循环在每个采样周期进行一次。在每个循环内，伺服系统对插补后 的理论数据和从传感器返回的实际数据进行比较，并将其差值送至电机驱动器控 制点及产生j 下确的运动。此外，还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺 距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。 ( 6 ) 软件p l c 软件p l c 用软件编程的方法实现硬件的逻辑控制。在数控机床- f 的p l c 程序 中有多个不同优先级的p l c 程序段，运行时需要按照优先级顺序进行调度。 ( 7 ) 驱动程序 驱动程序的作用是通过对伺服控制器和p l c 的驱动，确保c n c 系统和机床之 f u j 定时的准确性和通信的实时性。 ( 8 ) 通信系统 通信系统是沟通系统内部各模块之间的桥梁。通过通信系统，各模块i 叮以按 预定的格式传输和交换信息；另外，不同机器之间进行联系也要依赖于通信系统。 ( 9 ) 配置系统 丌放式数控系统之所以具有动态配置能力和开放性，配置系统起着至关重要 的作用。配置系统能够使系统在重启或运行状态下完成系统的动态配胃。通过政 变系统的拓扑结构，可以改变系统的功能。 ( 1 0 ) a p i a p i 提供了机床生产商和用户将自己的经验和特有功能集成到系统中的手段。 新增的功能在配置系统中注册后才能生效。通过写a p i ，可以定制和扩展系统。 ( 1 1 ) 操作系统 数控系统属于强实时系统，其中的插补、位控等功能都要求系统必须在给定 的时间范围内进行响应，结束控制任务的处理，否则难以保证加工质量。为了实 现系统的实时性，：e 要有以下两种方法： 1 采用专用硬件或运动控制板。由硬件完成实时任务，p c 负责处理人机交 d 、程序编辑等非实时性任务。采用这种结构的系统，由于专用硬件或运动控制 板的存在，成本有所增加；另外，系统的灵活性也受限制。 2 采用具有实时性的操作系统。这种系统具有方便灵活的特点，可以充分利 月j 流行的操作系统：乎台以及标准的应用开发环境，具有较好的互操作性、移植性、 ! f 换性和伸缩性。 对于软件化数控来说，当然只能选择后者。到目前为止，比较通用的操作系 统有d o s 、w i n d o w 、u n i x 、l i n u x 。其中d o s 祸过程控制系统，允许修改 t ，断向量和直接与硬件打交道，实时性较强，但d o s 是单任务的，运行于实模式 下，安全性差，程序长度受限于6 4 0 k 字节，操作界面不友好，不适于较复杂的 数控程序的设计。与d o s 相比，w i n d o w 、u n i x 、l i n u x 都是分时多任务系 统，操作界面友好，具有虚拟内存管理功能，程序长度可以大为增加。但不幸的 是这几种操作系统都侧重于改善系统的平均性能，而对实时性照顾得不够。也就 是说，它们都不是实时操作系统。为了获取实时性，对这些操作系统或者需要把 内核进行改写，或者需要对其进行实时扩展。相比起来，后者更容易一些 1 9 - 2 8 1 。 我们采用的操作系统是l 1 n u x 内核+ r t l i n u x 实时扩展。r t l i n u x 嵌入存 标准l i n u x 内核底层，实现实时任务的调度和管理。标准l i n u x 作为一个优先 级比较低的线程在r t l i n u x 上运行。非实时性任务在标准l i n u xt f ，或= f l ： ：j j j 、审 n l l 运行，可以使月j 较为丰富的函数库资源。山于l 1 n u x 具有自山j j ：放、可靠性：、i 、 稳定性好、价格低廉等特点，用它作为系统平台还是很有好处的。 2 3 本章小结 开放的体系结构是开放式系统和传统数控系统的主要差别之处。本章首先时 论了开放式数控系统的体系结构开放的方式和层次划分的依据，对几种不同，l ：放 层次进行了比较，肯定了用纯软件实现体系结构开放的好处。 然后对软件数控的模块化结构进行了全面的分析，详细分析了其中各模块的 功能及特点，指出选用l i b l u x + r t l i n u x 实时扩展作为操作系统平台的依据，以 及对系统进行扩展和重新配置的途径。 由于本课题基二j 二上面所讨论的模型，所以这个模型中的模块划分及设计原则 将是我们在后面分析、设计各功能单元的依据。 第三章数控编程语言和编译原理 3 1 数控编程语言 3 1 1 数控机床编程语言概述 零件的加工程序是由若干个程序段按照一定顺序排列在一起组成的。所谓程 序段，就是指为了完成某一动作要求所需的功能“字”的组合。“字”是表示某一 功能的一组代码符号。一个程序段中各字的排列顺序及其表达形式称为程序段格 式。常用的程序段格式有三种，即固定顺序程序段格式、带有分隔符的固定顺序 程序段格式和字地址程序段格式。目前以字地址格式应用最为广泛。在这种格式 中，每个字前有地址，各字的先后顺序并不严格，数据的位数可多可少( 但不得 大于规定的最大位数) ，不需要的字以及与上一程序段相同的续效字可以不写。这 种程序的优点是程序简短、直观、不易出错 2 9 , 3 0 】。 地址符由英文字母构成，它确定了后续数字的含义。表示地址的英文字母可 分为尺寸字地址和非尺寸字地址两种。其中表示尺寸的字地址英文字母有x 、y 、 z 、u 、v 、w 、i 、j 、k 、p 、q 、r 、a 、b 、c 、d 、e 、h 共1 8 个字母：表示非 尺寸的字地址有n 、g 、f 、s 、t 、m 、l 、o 共8 个字母。 数控机床中常用的地址符有以下几种【l0 】： 1 程序号字 用英文字母o 后跟4 位以内的数字来表示。程序号字必须加在每个程序之首， 以区别不同的程序，其后可在括号内加程序名或注释。 2 程序段号字 用字母n 后跟5 位以内数字表示程序段号字。放在程序段前，以区别各程序段， 供检索用。 3 准备功能字 它是指令动作方式的准备性工艺指令，用字母g 加2 位以内的数字表示。 4 辅助功能字 这类指令能完成机床操作等辅助性的功能，用字母m 后跟2 位数字表示。 5 坐标轴移动指令字 它由坐标轴代码和其后的该轴位移量数字码构成。对最小设定单位以下的位 数，用四舍五入进行处理。 6 进给功能字 由地址f 与其后的几位数字组成，表示进给速度的大小。进给速度的单位对于 进给速度与主轴无关的直线进给运动为m m m i n 表示；对于与主轴转速有关的真 线运动用m m r 表示。 7 主轴转速功能字 用地址s 与其后的几位数字构成，用来指定机床主轴的转速，单位为r m i n 。 8 刀具功能字 用地址t 与其后的几位数字构成。 9 程序段结束字 i s o 标准用l f 代码，e i a 中用c r 代码，也可用符号“一或“；”表示。 3 1 2 蝌u c 的编程语言 f a n u c 的编程系统主要是对一般的数控编程进行了大量的功能扩充。f a n u c 增 加了宏程序功能和大量的固定循环和多重循环语句。在宏程序中，允许用户使用 系统预先定义的变量、函数以及表达式，同时还允许使用分支和循环控制语句。 由于增加了这些特性，f a n u c 系统的编程能力大为提高。用户可以利用系统提供 的固定循环程序来简化程序结构，还可以利用系统提供的类似高级程序的特性来 编制予程序，加强程序的可重用性。可以说，f a n u c 系统的编程功能还是比较强 大的。 从仿真软件的运行结果来看，它的程序解释机制比较类似于一般的程序解释执 行系统，即不断地读入执行程序；解释程序在一条程序语句执行前，它要预先读 取好几段后续程序。 3 1 3 n g c 的编程语言 1 9 8 1 年，美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性，开始了名 为“下一代控制器( n g c ) ”的计划，其主要目的是拟订并推进关于新- 4 - 4 开放式 控制系统的详细分析与规范。n g c 解释器的主要目的是测试开放体系结构控制器 的接口，并证明下一代控制器结构的可行性。 r s 2 7 4 n g c 语言是n g c 体系结构的一部分，它是机床和加工中心的一种编程语 言。r s 2 7 4 n g c 兼容r s 2 7 4 语言的大部分特性。 r s 2 7 4 n g c 加工程序的执行过程为： ( 1 ) 读取指令。将一行r s 2 7 4 n g c 代码读到内存中，将整行指令转化为解释器 的内部表示形式。 ( 2 ) 执行指令。根据上一步所生成的内部指令，调用一条或多条规范化的机器 函数。 ( 3 ) 重复上两步，直到文件结束。 为了避免错误和产生歧义，r s 2 7 4 n g c 将g 代码和m 代码根据功能和特性分组， 并规定这些代码组的执行次序。 3 1 4 开放式运动控制器p m a c 的开放性和编程系统 1 p m a c 简介【3 l _ 3 4 l p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - - a x e sc o n t r o l l e r ) 是美国d e l t at a u 公司九十年 代推出的开放式多轴运动控制器，它提供运动控制、离散控制、同主机的通讯等 数控的基本功能。p m a c 内部使用了一片m o t o r o l ad s p5 6 0 0 1 数字信号处理芯 片，它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器。伺服控制包括p 1 d 加 n o t c h 和速度、加速度前馈控制，其伺服周期单轴可达6 0 1 x s ，二轴联动为l1 0 i t s 。 产品的种类可从二轴联动到三十二轴联动。甚至连接m a c r o 现场总线的高速环 网，直接进行生产线的联动控制。与同类产品相比，p m a c 的特性给系统集成名 和最终用户提供了更大的柔性。 2 p m a c 的编程 p m a c 能够同时容纳多达2 5 6 个运动程序。运动程序可以带参数或不带参数 地调用任何一个其他的运动程序。p m a c 的运动程序编程语言介于高级计算机语 言，如b a s i c 和p a s c a l ，和数控机床的“g 代码”( r s 2 7 4 ) 之间。事实上，经 过适当的配置之后，它可以直接接受g 代码输入。与此同时，它还具备计算机语 言的计算和逻辑控制结构，程序中的数字值可以通过常数或表达式指定。 p m a c 的运动程序中使用循环和分支结构控制程序流程，这些结构可以嵌套任 意多次。此外，还有跳转和子程序调用指令，并且进入子程序时不必从子程序的 开头处开始执行。 3 p m a c 的程序执行机制 p m a c 中，最基本的指令是运动指令，如l i n 队r ( 直线运动) 、c i r c l e ( 顺时针 圆弧插补) ，和逻辑控制指令，如c a l l ( 程序调用) 、w t i l e ( 循环控制) 等。作 为机床程序的g 代码并没有直接给出。为了能够执行r s 一2 7 4 规定的g 代码程序， p m a c 将g 代码看作子程序调用。这允许机床生产商为他的机床优化代码，但这要 求生产商实现执行预定动作的子程序。 当p m a c 在运动程序中遇到字母g 后带有一个数字时，它将这条命令看作是对 子程序1 0 n 0 的调用，其中n 是这个数字的百位数。去掉百位数之后的值乘以1 0 0 0 作为跳往子程序的行标号。当执行完子程序后，它返回调用程序。例如，g 1 7 将 导致程序跳往i 0 0 0 号程序的n 1 7 0 0 0 处：g 1 1 7 将导致程序跳往1