（材料加工工程专业论文）熔丝沉积快速成形的控制及软件系统的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 1 1 快速成形技术简介 1 绪论 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，以下简称r p ) 是一种c a d 模型直接驱动、快速生 成任意复杂形状三维实体的技术【i l 【2 1 。它基于离散分层制造的原理，将c a d 软件生成 的三维模型沿一定方向( 通常为z 向) 离散成一系列有序的二维层片，然后再根据每 层轮廓信息确定层片加工方法，由成型机制造一系列层片并自动将它们联接起束，得 到三维物理实体。在这个加工过程之中，材料处在一个逐点或逐层堆积的过程中，属 于材料堆积型制造技术，也称为“增加”加工法( a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g ) 、生长型制 造( i n c r e m e n t a lm a n u f a c t u r i n g ) 【3 i 4 1 ，是先进制造技术的1 2 大前沿之一。从思想上来 看，它贯彻了“降维”的思想：即将一个物理实体的制造由复杂的三维加工离散成一 系列简单的二维层片的加工，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形实 体形状和结构的复杂程度基本无关，从而能够用一种统一的，自动的方法来加工各种 形状的三维实体模型。这种加工方法突破了专用工具的限制，具有了极大的柔性，因此 r p 技术在各个领域都得到良好的应用，应用l i p 技术可以缩短产品开发时间、降低开 发成本，效果非常显著，意义十分深远【5 j 【6 【7 1 。 与传统加工工艺相比，r p 技术具有许多优点一是快速性。从c a d 设计到原 型零件，一般只需要几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，非常适 合新产品开发。二是设计制造一体化。由于快速成形技术采用了离散堆积的加工工艺， 使c a d 和c a m 很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化。三是自由成形制造。 可以根据零件的形状无需专用工具的限制而自由地成形，而且不受零件形状复杂限 制。四是高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变c a d 模型，重新调整 和设置参数即可。五是制造费用低。根据这些特点，它在缩短新产品开发周期和减少 新产品丌发风险【9 1 ，提高产品市场竞争力方面，有着不可替代的作用。在新产品的设 计周期方面，快速成形技术将其缩短为传统周期的1 2 1 5 【l 。在新产品开发风险方 面，快速成形技术将其减少到传统风险的1 1 0 1 2 0 ”j 。与传统产品开发方法相比， 快速成形技术具有很大的优势。在模具制造中，通过把快速成形和c a e 进行集成，可 以把一些联系紧密的功能系统化。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 快速成形技术简介 1 绪论 快速成形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，以下简称r p ) 是一种c a d 模型直接驱动、快速生 成任意复杂形状三维实体的技术【i l 【2 1 。它基于离散分层制造的原理，将c a d 软件生成 的三维模型沿一定方向( 通常为z 向) 离散成一系列有序的二维层片，然后再根据每 层轮廓信息确定层片加工方法，由成型机制造一系列层片并自动将它们联接起束，得 到三维物理实体。在这个加工过程之中，材料处在一个逐点或逐层堆积的过程中，属 于材料堆积型制造技术，也称为“增加”加工法( a d d i t i v em a n u f a c t u r i n g ) 、生长型制 造( i n c r e m e n t a lm a n u f a c t u r i n g ) 【3 i 4 1 ，是先进制造技术的1 2 大前沿之一。从思想上来 看，它贯彻了“降维”的思想：即将一个物理实体的制造由复杂的三维加工离散成一 系列简单的二维层片的加工，大大降低了加工难度，并且成形过程的难度与待成形实 体形状和结构的复杂程度基本无关，从而能够用一种统一的，自动的方法来加工各种 形状的三维实体模型。这种加工方法突破了专用工具的限制，具有了极大的柔性，因此 r p 技术在各个领域都得到良好的应用，应用l i p 技术可以缩短产品开发时间、降低开 发成本，效果非常显著，意义十分深远【5 j 【6 【7 1 。 与传统加工工艺相比，r p 技术具有许多优点一是快速性。从c a d 设计到原 型零件，一般只需要几个小时至几十个小时，速度比传统的成形方法快得多，非常适 合新产品开发。二是设计制造一体化。由于快速成形技术采用了离散堆积的加工工艺， 使c a d 和c a m 很好地结合在一起，真正实现了设计制造一体化。三是自由成形制造。 可以根据零件的形状无需专用工具的限制而自由地成形，而且不受零件形状复杂限 制。四是高度柔性。若要生产不同形状的零件模型，只需改变c a d 模型，重新调整 和设置参数即可。五是制造费用低。根据这些特点，它在缩短新产品开发周期和减少 新产品丌发风险【9 1 ，提高产品市场竞争力方面，有着不可替代的作用。在新产品的设 计周期方面，快速成形技术将其缩短为传统周期的1 2 1 5 【l 。在新产品开发风险方 面，快速成形技术将其减少到传统风险的1 1 0 1 2 0 ”j 。与传统产品开发方法相比， 快速成形技术具有很大的优势。在模具制造中，通过把快速成形和c a e 进行集成，可 以把一些联系紧密的功能系统化。 华中科技大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代来到8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 ) 、日本的 小玉秀男( 1 9 8 0 ) 、美国u v p 公司的c h a r l e s h u l l ( 1 9 8 2 ) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 ) ，在 不同的地点各自独立地提出了l i p 的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的 新思想。c h a r l e sw h u l l 在u v p 的继续支持下，完成了个能自动建造零件的称之为 s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ( s l a ) 的完整系统s l a 一1 ，1 9 8 6 年该系统获得专利，这 是r p 发展的一个里程碑。同年，c h a r l e s w h u l l 和u v p 的股东们一起建立了3 ds y s t e m 公司，随后许多关于快速成形的概念和技术在3 ds y s t e m 公司中发展成熟j 。与此同 时，其它的成形原理及相应的成形机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e lf e y g i n 提出了 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，以下简称l o m ) 的方法，并于1 9 8 5 年组建h e l i s y s 公司，1 9 9 0 年前后开发了第一台商业机型l o m 一1 0 1 5 1 1 2 ) 。1 9 8 6 年，美 国t e x a s 大学的研究生c d e c k a r d 提出了s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) 的思想，稍 后组建了d t m 公司，于1 9 9 2 年开发了基于s l s 的商业成形机( s i n t e r s t a t i o n ) 。s c o t t c r u m p 在1 9 8 8 年提出了f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) 的思想，1 9 9 2 年开发了第 一台商业机型3 d m o d e l e r 。自从8 0 年代中期s l a 立体光固化成形技术发展以来到9 0 年代后期，出现了十几种不同的快速成形技术，除前述几种外，典型的还有3 d p ，s d m ， s g c 等【4 3 1 。但是，s l a 、l o m 、s l s 和f d m 四种技术，目前仍然是快速成形技术 的主流。 自从1 9 8 7 年，第一代商品化的快速成形制造系统在3 ds y s t e m s 公司问世以来，世 界上出现了许多研究快速成形技术的研究机构和生产快速成形设备的公司【1 4 1 ，使快速 成形技术已经在许多领域中有了广泛的应用。但是目前快速成形设备基本上属于高科 技产品，售价比较高。目前各种国外快速成形设备的价格多在几十万美元【”j f l 6 1 ，而国 内快速成形设备的价格也多在八、九十万人民币左右，过高的价格限制了快速成形技 术的进一步推广。分析快速成形设备的成本可知，其控制系统的成本占有很大的比例， 机械系统的成本却相对较低。因此开发低成本、高性能的快速成形设备控制系统是降 低快速成形设备成本的关键，也是进一步推广快速成形技术的关键。 1 2 f d m 快速成形技术简介及其国内外发展概况 当前世界上最流行的r p 技术有立体光刻( s t e r e o l i t h o g r a p h y ，s l a ) 、叠层实体制 造( l a m i n a t e d o b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、熔融沉积制造( f u s e d d e p o s i t i o n m o d e l i n g ， f d m ) 、选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 等工艺方法。f d m 快速成 华中科技大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代来到8 0 年代初期，美国3 m 公司的a l a nj h e b e r t ( 1 9 7 8 ) 、日本的 小玉秀男( 1 9 8 0 ) 、美国u v p 公司的c h a r l e s h u l l ( 1 9 8 2 ) 和日本的丸谷洋二( 1 9 8 3 ) ，在 不同的地点各自独立地提出了l i p 的概念，即利用连续层的选区固化产生三维实体的 新思想。c h a r l e sw h u l l 在u v p 的继续支持下，完成了个能自动建造零件的称之为 s t e r e ol i t h o g r a p h y a p p a r a t u s ( s l a ) 的完整系统s l a 一1 ，1 9 8 6 年该系统获得专利，这 是r p 发展的一个里程碑。同年，c h a r l e s w h u l l 和u v p 的股东们一起建立了3 ds y s t e m 公司，随后许多关于快速成形的概念和技术在3 ds y s t e m 公司中发展成熟j 。与此同 时，其它的成形原理及相应的成形机也相继开发成功。1 9 8 4 年m i c h a e lf e y g i n 提出了 分层实体制造( l a m i n a t e do b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，以下简称l o m ) 的方法，并于1 9 8 5 年组建h e l i s y s 公司，1 9 9 0 年前后开发了第一台商业机型l o m 一1 0 1 5 1 1 2 ) 。1 9 8 6 年，美 国t e x a s 大学的研究生c d e c k a r d 提出了s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ( s l s ) 的思想，稍 后组建了d t m 公司，于1 9 9 2 年开发了基于s l s 的商业成形机( s i n t e r s t a t i o n ) 。s c o t t c r u m p 在1 9 8 8 年提出了f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ( f d m ) 的思想，1 9 9 2 年开发了第 一台商业机型3 d m o d e l e r 。自从8 0 年代中期s l a 立体光固化成形技术发展以来到9 0 年代后期，出现了十几种不同的快速成形技术，除前述几种外，典型的还有3 d p ，s d m ， s g c 等【4 3 1 。但是，s l a 、l o m 、s l s 和f d m 四种技术，目前仍然是快速成形技术 的主流。 自从1 9 8 7 年，第一代商品化的快速成形制造系统在3 ds y s t e m s 公司问世以来，世 界上出现了许多研究快速成形技术的研究机构和生产快速成形设备的公司【1 4 1 ，使快速 成形技术已经在许多领域中有了广泛的应用。但是目前快速成形设备基本上属于高科 技产品，售价比较高。目前各种国外快速成形设备的价格多在几十万美元【”j f l 6 1 ，而国 内快速成形设备的价格也多在八、九十万人民币左右，过高的价格限制了快速成形技 术的进一步推广。分析快速成形设备的成本可知，其控制系统的成本占有很大的比例， 机械系统的成本却相对较低。因此开发低成本、高性能的快速成形设备控制系统是降 低快速成形设备成本的关键，也是进一步推广快速成形技术的关键。 1 2 f d m 快速成形技术简介及其国内外发展概况 当前世界上最流行的r p 技术有立体光刻( s t e r e o l i t h o g r a p h y ，s l a ) 、叠层实体制 造( l a m i n a t e d o b j e c t m a n u f a c t u r i n g ，l o m ) 、熔融沉积制造( f u s e d d e p o s i t i o n m o d e l i n g ， f d m ) 、选择性激光烧结( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，s l s ) 等工艺方法。f d m 快速成 华中科技大学硕士学位论文 形系统与s l a ，l o m ，s l s 等系统的最大区别在于f d m 没有采用激光系统，因此可 以把成本降到最低】。 f d m 工艺一般采用低熔点丝状材料，如蜡丝或a b s 塑料丝，它不用高能量密度 的激光为热源，只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状念。工作时， 先确定各层问距、路径宽度，计算机对电脑模型进行切片，生成支撑及路径信息，然 后在计算机控制下喷头按路径移动出丝，喷丝粘结在工作台上已制作层面上，如此反 复坯层制作，直至最后一层，这样熔丝粘结形成所要求的实体模型。其中喷头是最复 杂的部分，丝材在喷头中被加热熔化，喷头底部有一喷嘴供熔融的材料以一定的压力 挤出，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动时挤出材料，与前一层粘结并在空气中迅 速固化，如此反复进行即可得到实体零件l 】”。 f d m 工艺由美国学者s c o t tc r u m p 博士于1 9 8 8 年率先提出，随后于1 9 9 1 年开发 了第一台商业机型。美国s t r a t a s y s 公司生产的f d m 系列设备目前已成为销售业绩最 好的快速成形系统。s t r a t a s y s 公司的f d m 快速成形系统的销售量在1 9 9 7 年已经名列 前茅。1 9 9 8 年该公司的f d m 系列共销售2 7 0 台，占全球快速成形设备总销量的4 3 ， 居世界第一。迄今，f d m 快速成形设备在全世界的销量已经超过1 0 0 0 台，中国大陆 和香港的拥有量已超过6 0 台【1 9 】。 国外研究熔丝沉积制造( f d m ) 的公司主要有s t a a t a s y s 公司和m e d m o d e l e r 公司。 s t r a t a s y s 公司于1 9 9 3 年开发出第一台f d m 1 6 5 0 ( 台面为2 5 0 m m x 2 5 0 m m 2 5 0 m m ) 机型后，先后推出了f d m - 2 0 0 0 、f d m 3 0 0 0 和f d m 一8 0 0 0 机型。其中f d m 一8 0 0 0 的台 面达4 5 7 m m 4 5 7 m m x 6 1 0 m m 。引人注目的是1 9 9 8 年s t r a t a s y s 公司推出的 f d m q u a n t u m 机型，最大成体积为6 0 0 m m 5 0 0 m m 6 0 0 m m 。由于采用了挤出头磁 浮定位( m a g n ad r i v e ) 系统，可在同一时间独立控制两个挤出头，因此其成速度为过去 的5 倍。s t r a t a s y s 公司1 9 9 8 年与m e d m o d e l e r 公司合作开发了专用于一些医院和医学 研究单位的m e d m o d e l e r 机型，使用a b s 材料，并于1 9 9 9 年推出可使用聚脂热塑性 塑料的g e n i s y s 型改进机型g e n i s y s x s ，其成体积达3 0 5 m m x 2 0 3 m m 2 0 3 r a m 【2 。 我国最早在快速成形技术方面开展工作的有清华大学、西安交通大学、华中理工 大学和北京隆源自动成形系统有限公司。这些单位早期在开发系统设备方面各有侧重。 其中，清华大学以f d m 和l o m 为主，西安交通大学则是s l a ，北京隆源自动成形系 统有限公司为s l s ，而华中科技大学主要为l o m 与s l s 。 国内的家电行业是对快速成形技术反应最为敏捷的行业，广东的美的、华宝、科 华中科技大学硕士学位论文 龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品， 收到了很好的经济效果。 目前，部分国产r p 设备已接近或达到世界同类产品的水平，价格却便宜得多， 材料的价格则更加便宜。我国已初步形成了r p 设备和材料的制造体系，中国机械工 程学会下属的快速成形技术委员会的活动也非常活跃。近年来，在国家科学技术部的 支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆、武汉等地建立一批向企 业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在 我国的广泛应用，使我国r p 技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济 的发展作出了贡献。 1 3 课题的意义 我国r p 研究工作起步于9 0 年代初。早期以技术引进为主，据报导，我国至今已 有数十家企业或机构从国外引进r p 机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的 经济效益。但出于引进价格昂贵，如美国3 d s y s t e m 公司生产的s l a 2 5 0 系统售价2 0 万美元，s l a 5 0 0 价格高达4 0 万美元；t e x a sd t m 公司的s l s 设备s i n t e rs t a t i o n2 0 0 0 售价约5 0 万美元。加之材料和易损件也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业 难以承受的。如上述s i n t e rs t a t i o n 2 0 0 0 所用的激光头为易损件，大约每两年要更换一 次，每个售价约3 0 0 0 美元。f d m 技术所使用的耗材a b s 塑料丝，每公斤约2 0 0 美元。 为了解决中国制造业对r p 的迫切需求，1 9 9 1 年以来，在中国政府资助和支持下， 一些高等院校和研究机构积极开展r p 研究，并取得较大的进展。 为了发展国产化的快速成形系统，推广、应用快速成形技术，华中科技大学从1 9 9 1 年丌始，在政府的支持下开始进行r p 技术研究，1 9 9 4 年开发成功l o m 样机，到1 9 9 7 年就向市场推出商品化的l o m 成型设备，到2 0 0 0 年推出商品化的s l s 成型设备。为 了进步加快快速成形技术的发展、应用，降低设计、生产成本，降低国内企业应用 快速成形技术的门槛，华中科技大学快速成形中心依托本校资源，借助在研制l o m 、 s l s 快速成形设备中的经验，研制开发了低成本的f d m 快速成形设备。 1 4 本文的主要工作及章节划分 本文对f d m 快速成形系统进行了系统的分析，设计开发了f d m 快速成形设备的 硬件系统和软件体系结构。 华中科技大学硕士学位论文 龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品， 收到了很好的经济效果。 目前，部分国产r p 设备已接近或达到世界同类产品的水平，价格却便宜得多， 材料的价格则更加便宜。我国已初步形成了r p 设备和材料的制造体系，中国机械工 程学会下属的快速成形技术委员会的活动也非常活跃。近年来，在国家科学技术部的 支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆、武汉等地建立一批向企 业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在 我国的广泛应用，使我国r p 技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济 的发展作出了贡献。 1 3 课题的意义 我国r p 研究工作起步于9 0 年代初。早期以技术引进为主，据报导，我国至今已 有数十家企业或机构从国外引进r p 机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的 经济效益。但出于引进价格昂贵，如美国3 d s y s t e m 公司生产的s l a 2 5 0 系统售价2 0 万美元，s l a 5 0 0 价格高达4 0 万美元；t e x a sd t m 公司的s l s 设备s i n t e rs t a t i o n2 0 0 0 售价约5 0 万美元。加之材料和易损件也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业 难以承受的。如上述s i n t e rs t a t i o n 2 0 0 0 所用的激光头为易损件，大约每两年要更换一 次，每个售价约3 0 0 0 美元。f d m 技术所使用的耗材a b s 塑料丝，每公斤约2 0 0 美元。 为了解决中国制造业对r p 的迫切需求，1 9 9 1 年以来，在中国政府资助和支持下， 一些高等院校和研究机构积极开展r p 研究，并取得较大的进展。 为了发展国产化的快速成形系统，推广、应用快速成形技术，华中科技大学从1 9 9 1 年丌始，在政府的支持下开始进行r p 技术研究，1 9 9 4 年开发成功l o m 样机，到1 9 9 7 年就向市场推出商品化的l o m 成型设备，到2 0 0 0 年推出商品化的s l s 成型设备。为 了进步加快快速成形技术的发展、应用，降低设计、生产成本，降低国内企业应用 快速成形技术的门槛，华中科技大学快速成形中心依托本校资源，借助在研制l o m 、 s l s 快速成形设备中的经验，研制开发了低成本的f d m 快速成形设备。 1 4 本文的主要工作及章节划分 本文对f d m 快速成形系统进行了系统的分析，设计开发了f d m 快速成形设备的 硬件系统和软件体系结构。 华中科技大学硕士学位论文 龙、江苏的春兰、小天鹅，青岛的海尔等，都先后采用快速成形系统来开发新产品， 收到了很好的经济效果。 目前，部分国产r p 设备已接近或达到世界同类产品的水平，价格却便宜得多， 材料的价格则更加便宜。我国已初步形成了r p 设备和材料的制造体系，中国机械工 程学会下属的快速成形技术委员会的活动也非常活跃。近年来，在国家科学技术部的 支持下，我国已经在深圳、天津、上海、西安、南京、重庆、武汉等地建立一批向企 业提供快速成形技术的服务机构，并开始起到了积极的作用，推动了快速成形技术在 我国的广泛应用，使我国r p 技术的发展走上了专业化、市场化的轨道，为国民经济 的发展作出了贡献。 1 3 课题的意义 我国r p 研究工作起步于9 0 年代初。早期以技术引进为主，据报导，我国至今已 有数十家企业或机构从国外引进r p 机器，加快了企业的新产品开发、取得了巨大的 经济效益。但出于引进价格昂贵，如美国3 d s y s t e m 公司生产的s l a 2 5 0 系统售价2 0 万美元，s l a 5 0 0 价格高达4 0 万美元；t e x a sd t m 公司的s l s 设备s i n t e rs t a t i o n2 0 0 0 售价约5 0 万美元。加之材料和易损件也依靠进口，使生产成本过高，往往是国内企业 难以承受的。如上述s i n t e rs t a t i o n 2 0 0 0 所用的激光头为易损件，大约每两年要更换一 次，每个售价约3 0 0 0 美元。f d m 技术所使用的耗材a b s 塑料丝，每公斤约2 0 0 美元。 为了解决中国制造业对r p 的迫切需求，1 9 9 1 年以来，在中国政府资助和支持下， 一些高等院校和研究机构积极开展r p 研究，并取得较大的进展。 为了发展国产化的快速成形系统，推广、应用快速成形技术，华中科技大学从1 9 9 1 年丌始，在政府的支持下开始进行r p 技术研究，1 9 9 4 年开发成功l o m 样机，到1 9 9 7 年就向市场推出商品化的l o m 成型设备，到2 0 0 0 年推出商品化的s l s 成型设备。为 了进步加快快速成形技术的发展、应用，降低设计、生产成本，降低国内企业应用 快速成形技术的门槛，华中科技大学快速成形中心依托本校资源，借助在研制l o m 、 s l s 快速成形设备中的经验，研制开发了低成本的f d m 快速成形设备。 1 4 本文的主要工作及章节划分 本文对f d m 快速成形系统进行了系统的分析，设计开发了f d m 快速成形设备的 硬件系统和软件体系结构。 华中科技大学硕士学位论文 = ；= = ；= = = = = = = 2 = = ；= = = = = = = 2 = ： 第1 章主要是课题的综述，介绍了本课题的相关背景和国内外的发展状况，以及 本课题的研究意义。 第2 章在分析了几种快速成形系统常用控制系统的基础上，提出了f d m 快速成 形系统的数控系统结构。同时在分析了w i n d o w s2 0 0 0 中时钟信号的实时性能后，提出 了f d m 快速成形系统的实时性设计方案。介绍了熔丝沉积快速成形法的工作原理及 控制过程，并在此基础之上提出了f d m 快速成形系统的总体硬件框架，包括扫描机 构、送丝机构和加热装置，并介绍了运动控制卡及执行电机。 第3 章介绍了演进式的柔性软件开发过程及f d m 快速成形系统的软件体系结构。 软件系统分为两部分，由上层应用程序的数据处理、逻辑控制和下层驱动程序的执行 机构控制单元组成，并介绍了上下层程序的通行机制和设备运行时保证逻辑不紊乱的 同步机制。 第4 章为全文总结和进一步研究的展望。 华中科技大学硕士学位论文 2f d m 控制系统 2 1 快速成形系统的控制系统结构 目前快速成形系统中的控制系统都是采用基于p c 的数控系统，其结构类型有以 下三种：上、下位机结构的控制系统；n c 专用模板嵌入微机系统；基于开放式总线 结构的单微机系统。 2 1 1 上、下位机结构的控制系统 d o s 操作系统允许用户对硬件模块直接操作，而且d o s 操作系统是一个单任务 操作系统，实时性较好，可以较容易地扩展为数控系统的实时平台【2 ”，因此许多数控 系统平台都是基于d o s 操作系统的，且数控系统采用上、下位机结构，如图2 1 所示。 由基于d o s 操作系统的下位控制机和基于w i n d o w s 操作系统的上位数据处理机组成。 下位控制机完成运动控制、状态检测等实时任务，上位机承担人机界面和s t l 文件数 据处理，得到加工轨迹数据及相应的控制指令，通过网络或串口与下位机共享资源， 实现大量数据的传输。 网卡1 商用p c 舸ll - i m e m d l l l 网卡i lt 串口通讯 0上 工业控制计算机 j 王 王 王 运动控制d a 、a d 转化开关量输入输出 图2 1上下位机控制系统结构图 e 、下位机之间传输的信息包括加工数据和实时数据，实时数据主要是指突发性 信息、联络协调信息和人工干预信息等，数据量少而简单，但实时性要求很高，此类 数据通过串口传输。加工数据传输量大，实时性要求不是特别高，采用基于i p x 协议 华中科技大学硕士学位论文 2f d m 控制系统 2 1 快速成形系统的控制系统结构 目前快速成形系统中的控制系统都是采用基于p c 的数控系统，其结构类型有以 下三种：上、下位机结构的控制系统；n c 专用模板嵌入微机系统；基于开放式总线 结构的单微机系统。 2 1 1 上、下位机结构的控制系统 d o s 操作系统允许用户对硬件模块直接操作，而且d o s 操作系统是一个单任务 操作系统，实时性较好，可以较容易地扩展为数控系统的实时平台【2 ”，因此许多数控 系统平台都是基于d o s 操作系统的，且数控系统采用上、下位机结构，如图2 1 所示。 由基于d o s 操作系统的下位控制机和基于w i n d o w s 操作系统的上位数据处理机组成。 下位控制机完成运动控制、状态检测等实时任务，上位机承担人机界面和s t l 文件数 据处理，得到加工轨迹数据及相应的控制指令，通过网络或串口与下位机共享资源， 实现大量数据的传输。 网卡1 商用p c 舸ll - i m e m d l l l 网卡i lt 串口通讯 0上 工业控制计算机 j 王 王 王 运动控制d a 、a d 转化开关量输入输出 图2 1上下位机控制系统结构图 e 、下位机之间传输的信息包括加工数据和实时数据，实时数据主要是指突发性 信息、联络协调信息和人工干预信息等，数据量少而简单，但实时性要求很高，此类 数据通过串口传输。加工数据传输量大，实时性要求不是特别高，采用基于i p x 协议 华中科技大学硕士学位论文 的网络通信来实现瞄扪。这类结构有如下优点；一是丌放式结构。上位机和下位机并没 有被限制在一起，它们之间只通过一定的通讯协议进行数据传递，上、下位机都能从 硬件和软件上进行扩展，实现功能增加和性能改进。二是重构性和扩展性好。由于开 放式数控系统采用模块化结构，可根据功能的需要重新进行硬件配置，具有相当的柔 性度。三是可实现远程制造。由于网络技术的利用，使得远程控制成为可能，可以拉 大上位机与下位机之间的距离，上位机位于环境优雅的办公室，下位机位于生产现场。 其缺点是：这样的结构造成控制系统硬件结构比较复杂，还需要上、下位机之间的串 口或网络连接，调试、安装比较繁琐1 2 。 2 1 2n c 专用模板嵌入微机系统 n c 专用模板嵌入计算机系统结构是在工业控制p c 机的扩展槽中插入c n c 专用 模板，工业p c 做非实时处理，实时控制由c n c 专用模板来完成【2 4 】。 n c 专用模板嵌入p c 系统在快速成形中的一个典型应用是c n c 专用模板采用美 国d e l t a t a u 数字公司的p m a c 控制板口”，p m a c 板是功能很强大的运动控制板，能同 时操纵1 8 个轴，另外p m a c 板还有一些独特的功能：功能强大的轨迹控制算法， 安全性保障措施。由工业p c 机完成数据处理和图形显示功能，轨迹控制都交给p m a c 板来完成。此外，还有c n c 专用模板用数字信号处理器( d s p ) 来完成的，一个例子 是采用美国德卅i 公司d s p 芯片，t m s 3 2 0 f 2 0 6 作为系统的核心，可以实现高速度、高 精度运动控制。1 2 6 j 这种系统的优点是能充分利用专用c n c 控制板强大的轮廓控制能 力，同时c n c 专用模板性能可靠、稳定和控制精度很高。另外软件的通用性强，而且 编程处理灵活方便，容易扩展。这种系统结构简单，但c n c 专用模板的价格非常高， 造成整个控制系统的成本相对较高口7 1 。 2 1 3 基于开放式总线结构的单微机系统 随着计算机技术的发展，软件和硬件技术都较过去有了很大的进步。一是w i n d o w s 操作系统以其功能强大、界面友好、操作简单而逐步代替d o s 操作系统，成为微机平 台的主流操作系统。二是i n t e l 及其兼容芯片厂家的竞争似的微处理技术以每1 8 个月 性能提高一倍的速度发展，使得现代微机的性能己经可以与以前的中大型工作站的性 能相当“5 1 。 由于微机系统的价格便宜、成本低，吸引了工业厂商的注意，由这些厂家开发出 来性能价格比很高，同时又能避免在工业环境下出现不良影响的工业用微机，使得在 华中科技大学硕士学位论文 微机系统上开发数控系统成为可能。为了适应这种需要，i b m 公司提出了开放式微机 总线结构，这种开放式总线结构方便了硬件设计和开发者开发与其兼容的硬件系统。 许多硬件厂商都开发了兼容于p c 总线提供多种控制功能的控制卡，如运动控制卡、 数据采集卡等，同时有的厂家还提供相应的驱动程序，这样方便了数控系统开发者进 行选择和二次丌发。 现在流行的系统总线主要有两5 冲：i s a 和p c i 结构。在选择开发的总线结构时，考 虑到1 s a 总线作为工业标准，具有结构简单，历史悠久，兼容性好，支持者众多的优 点，而且其最大数据传输速率约为8 m b s ，可以满足一般数控系统中数据传输量要求， 因此我们的f d m 系统选择在基于i s a 总线上进行数控软件的开发，本文所有选用的 控制卡都是与 s a 总线兼容的。 由于这些控制卡的功能比较单一，通过总线扩展插槽与系统总线相连，各个控制 单元模块之间通过选择不同地址信息而互相独立，这种结构能够很方便的实现控制系 统的模块化设计，并能进行扩展和简化：只需将总线扩展槽上添加或取出控制卡就可 以增加或减少系统的功能，这很适合低成本的数控系统，可以简化硬件的开发和维护 环节，而只需按照系统设计需要对控制卡单元进行选择：同时该结构使得所有的功能 都在同一台计算机上实现，去掉了上下位机的数据通信环节，简化了结构，有效的降 低了运行成本。 在进行软件开发时，虽然控制卡的硬件生产厂商可能提供了对硬件的驱动程序， 但是驱动程序往往不能满足实际的应用需要，通常开发者需要根据实际的开发需要和 硬件控制卡的功能来开发自己需要的驱动程序。 f d m 快速成形系统采用单台p c 的软件数控系统，按照开放式数控系统【z 州的要 求，选用通用控制板卡作为执行机构的控制模块，采用模块化的软件设计，选用w i n d o w 2 0 0 0 操作系统作为软件平台，应用程序和实时控制模块运行于w i n d o w s2 0 0 0 系统的 不同特权级，应用程序运行在用户态而控制程序运行在核心态。f d m 快速成形系统选 用单台p c 的软件数控系统，比上下位机结构具有更加快速、方便、高效的数据传递 效果，去除了上下位机的网络传输模块，简化了软件结构的设计，同时将原下位机的 实时控制模块移到单台p c 的核一t 5 态运行，这样原上下位机的网络通信则变为单台p c 的用户念和核心态的通信。单台p c 兼顾应用程序的数据处理和控制模块的运动控制 及状态检测等，对微机的性能要求提高，但是随着现代微机技术的发展，计算机的性 能越来越高，这已经不是一个问题。f d m 快速成形系统采用单台p c 的软件数控系统， 比c n c 专用模板嵌入p c 系统具有强大的成本优势，而且通用控制板卡的采用，在软 华中科技大学硕士学位论文 = = # = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = 目= = = = 一一： 件的辅助下，使系统运行稳定、控制可靠。 2 , 2 数控平台的选择 采用软件数控方法的数控系统将是开发基于p c 开放式数控系统的首选，这需要解 决两个方面的问题：选择个实时性好的操作平台和编写相应的数控软件。下面将对 这两个方面的内容分别进行论述。 2 2 1 几种数控平台的比较 ( 1 ) d o s d o s 是个流行的数控平台，它是个单任务、批处理式的操作系统，允许修改 中断向量和直接与硬件打交道，实时性比较强，运行于实模式下。但是它难以支持大 型算法和复杂的应用，操作界面不友好，此外d o s 下的编程工具功能不强，很难方便 地开发出大型、功能复杂的数控软件博j 。 ( 2 ) w i n d o w s9 5 9 8 m e 微软公司从19 9 5 年开始推出w i n d o w s9 x 操作系统，w i n d o w s9 x 是3 2 位抢先式多 任务和多线程操作系统，同时保持了与d o s 和w i n d o w s 3 x 的兼容性。在w i n d o w s 9 x 中操作硬件有3 种方式：是和d o s 一样，直接操作硬件；二是使用虚拟设备驱动程 序( v x d ) ；三是使用w i n 3 2 设备驱动程序模型( w i n 3 2 d r i v e rm o d e l ，w d m ) 。 w i n d o w s9 x 其实是一个1 6 位和3 2 位混和在一起的操作系统，其最大问题是稳定 性较差，用其作为数控系统的操作平台。将导致采用软件数控方法实现的数控系统稳 定性也相应较差。因此w i n d o w s9 x 也不适于作为软件数控系统的操作平台， ( 3 ) 实时操作系统 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 是指使计算机能及时响应外 部事件的请求，在严格规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实 时任务协调一致地工作的操作系统即1 。这样的系统能够对外部请求在严格的时间范围 内做出反应，有很高的可靠性。用这样的操作系统作为数控系统的操作平台能够获得 最佳的实时处理性能和很高的稳定性。但是大多数实时操作系统都是用在特定领域内， 特别是嵌入式系统，另外这种系统缺乏优秀的第三方开发工具，不能充分利用p c 上 丰富的软件资源。因此，用实时操作系统也不太适合开发基于p c 的数控系统。 ( 4 ) w i n d o w sn t w i n d o w sn t ( 包括后来的w i n d o w s 2 0 0 0 ，w i n d o w sx p ) 是一个真3 2 位抢先式可 华中科技大学硕士学位论文 = = # = = = = = ；= = ；= = = = = = = = = = = = = = 目= = = = 一一： 件的辅助下，使系统运行稳定、控制可靠。 2 , 2 数控平台的选择 采用软件数控方法的数控系统将是开发基于p c 开放式数控系统的首选，这需要解 决两个方面的问题：选择个实时性好的操作平台和编写相应的数控软件。下面将对 这两个方面的内容分别进行论述。 2 2 1 几种数控平台的比较 ( 1 ) d o s d o s 是个流行的数控平台，它是个单任务、批处理式的操作系统，允许修改 中断向量和直接与硬件打交道，实时性比较强，运行于实模式下。但是它难以支持大 型算法和复杂的应用，操作界面不友好，此外d o s 下的编程工具功能不强，很难方便 地开发出大型、功能复杂的数控软件博j 。 ( 2 ) w i n d o w s9 5 9 8 m e 微软公司从19 9 5 年开始推出w i n d o w s9 x 操作系统，w i n d o w s9 x 是3 2 位抢先式多 任务和多线程操作系统，同时保持了与d o s 和w i n d o w s 3 x 的兼容性。在w i n d o w s 9 x 中操作硬件有3 种方式：是和d o s 一样，直接操作硬件；二是使用虚拟设备驱动程 序( v x d ) ；三是使用w i n 3 2 设备驱动程序模型( w i n 3 2 d r i v e rm o d e l ，w d m ) 。 w i n d o w s9 x 其实是一个1 6 位和3 2 位混和在一起的操作系统，其最大问题是稳定 性较差，用其作为数控系统的操作平台。将导致采用软件数控方法实现的数控系统稳 定性也相应较差。因此w i n d o w s9 x 也不适于作为软件数控系统的操作平台， ( 3 ) 实时操作系统 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 是指使计算机能及时响应外 部事件的请求，在严格规定的时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实 时任务协调一致地工作的操作系统即1 。这样的系统能够对外部请求在严格的时间范围 内做出反应，有很高的可靠性。用这样的操作系统作为数控系统的操作平台能够获得 最佳的实时处理性能和很高的稳定性。但是大多数实时操作系统都是用在特定领域内， 特别是嵌入式系统，另外这种系统缺乏优秀的第三方开发工具，不能充分利用p c 上 丰富的软件资源。因此，用实时操作系统也不太适合开发基于p c 的数控系统。 ( 4 ) w i n d o w sn t w i n d o w sn t ( 包括后来的w i n d o w s 2 0 0 0 ，w i n d o w sx p ) 是一个真3 2 位抢先式可 华中科技大学硕士学位论文 重入的虚拟内存的操作系统口u ；同时为了防止用户程序访问和或更改重要的操作系统 数据，w i n d o w s n t 使用两种“处理器访问模式”：用户态( 应用程序运行环境) 和核 心念( 系统代码运行环境) ，这样保证了系统的可靠性及坚固性：同时还能够在多种硬 件体系结构和平台上运行。此外，w i n d o w sn t 的内核机制决定了这个系统还可以提 供较高的实时性。这种操作系统已经成为目前最为流行的p c 机上的操作系统，同时 己经支持绝大多数主流软件技术和拥有多种流行的开发工具。 由上述讨论得知，只有w i n d o w sn t 系统能够最大限度地满足软件数控的要求： 高可靠性，较高的实时处理能力，丰富及功能强大的软件技术。其中w i n d o w sn t 的高可靠性和较强的实时处理能力对数控系统来说是至关重要的，将直接影响软件 数控系统的可靠性和实时性。下面将对w i n d o w sn t 的可靠性和实时性两方面进行 讨论。 2 2 2w i n d o w sn t 的可靠性分析 w i n d o w sn t 使用两种处理器访问模式口1 埘】：用户态和核心态。运行于核心态的 系统代码和设备驱动程序有权访问系统数据和硬件，不受任何安全性约束；而运行于 用户态的应用程序由于受到硬件检查机制的限制，不能直接