（系统工程专业论文）数控机床控制系统仿真实验平台的开发与研究.pdf

摘要 摘要 随着对质量和成本要求的不断提高，数控机床的开发过程中迫切需要一种 可配置的仿真设计环境，这个环境不仅可以模拟数控机床的运行状态，而且能 够避免在数控机床的调试过程中损坏设备。本文提供了一种方法，它将数控机 床的控制系统与计算机仿真软件平台连接，通过建立对象模型，监控数控机床 各种控制策略。这种仿真技术被称为“硬件在环仿真”。 硬件在环仿真系统分为硬件和软件两个部分，本课题以数控机床可编程控制 器作为底层硬件系统，通过n i 数据采集卡与上层软件系统进行通信。软件平台 采用n e t 技术，针对数控机床的各个部件建立仿真对象模型。在这个平台上可 进行电气控制系统的调试，真实模拟实际设备的功能和信号，使被调试的控制 器就像控制实际设备一样。这样不仅能够对系统控制程序的正确性进行验证， 而且可以模拟建立不同的工作条件和故障状态，进一步完善控制器的可靠性和 安全性。 本文介绍了硬件在环仿真的概念，系统组成，对基于硬件在环仿真技术的 数控机床控制系统仿真实验平台进行了系统分析，重点论述了平台架构中的软 件系统和数控机床部件的对象模型。实践表明，在数控机床的开发过程中合理 采用硬件在环仿真技术可以有效的缩短开发周期，降低测试成本，提高数控机 床控制系统的可靠性和安全性。 关键词：硬件在环，控制系统，对象模型 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er e q u e s tt ot h eq u a l i t ya n dt h ec o s to fr a i s ec o n t i n u o u s l y , t h e d e v e l o p m e n to ft h en c m a c h i n et o o ln e e d su r g e n t l yak i n do fc o n f i g u r a b l es i m u l a t i o n d e s i g ne n v i r o n m e n t t h i se n v i r o n m e n tc a l ln o to n l ys i m u l a t et h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n o ft h en cm a c h i n et o o l ，b u ta l s oa v o i dd a m a g i n gi t se q u i p m e n t sd u r i n gt h ep e r i o do f t h ed e b u g g i n gp r o c e s s t h i sp a p e rp r o v i d e dak i n do fm e t h o d ，i tc o n n e c t st h ec o n t r o l s y s t e mo ft h en cm a c h i n et o o la n ds o t h a r ep l a t f o r m , c r e a t i n go b j e c tm o d e l ， s u p e r v i s i n gv a r i o u sc o n t r o ls t r a t e g yo ft h en cm a c h i n et 0 0 1 t h i s 虹n do ft h e s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi sc a l l e d “h a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o n ，h i l s ” h i l ss y s t e mi sd i v i d e di n t oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i nt h i sp a p e r , t h en c m a c h i n et o o lp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e ra st h eh a r d w a r es y s t e ma n dc o m m u n i c a t e s 、析廿1t h eu p p e rl e v e ls o f t w a r es y s t e mb yn id a t aa c q u i s i t i o nc a r d t h es o f t w a r e p l a t f o r ma d o p t s n e tt e c h n i q u e ，c r e a t i n gs i m u l a t i o no b j e c tm o d e lo f e a c hp a r t so ft h e n cm a c h i n et 0 0 1 c a nd e b u gt h ee l e c t r i c i t yc o n t r o ls y s t e ma n ds i m u l a t et h ef u n c t i o n a n ds i g n a lo fa c t u a le q u i p m e n t si n t h i se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，m a k i n gt h ec o n t r o l l e r d e b u g g e db el i k et oc o n t r o la l la c t u a le q u i p m e n t s s oi tc a n n o to n l yt e s tt h ea c c u r a c y o ft h ec o n t r o ls y s t e mp r o g r a m m e r , b u ta l s os i m u l a t ed i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o na n d e r l o rs t a t e si no r d e rt oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft h ec o n t r o l l e r i nt h i sp a p e r , t h ec o i l c e p ta n ds y s t e mc o m p o s i n go fh a r d w a r e - - i n - t h e l o o p s i m u l a t i o n a r e i n t r o d u c e d t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m o f h a r d w a r e - i n - t h e - l o o ps i m u l a t i o na p p l i c a t i o ni nt h ec o n t r o ls y s t e mf o rn cm a c h i n e t o o li sa l s oa n a l y z e d s o f t w a r es y s t e mo ft h ep l a t f o r ma n de a c ho b j e c tm o d e lo fn c m a c h i n et o o la r ep u te m p h a s i sp r e s e n t k e yw o r d s ：h a r d w a r e i n - t h e - l o o p ；c o n t r o ls y s t e m ；o b j e c tm o d e l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位敝作者签名：豸阮 鹕月。日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：文坛 。前年互月0 日 第1 章引言 第1 章引言 随着科学技术的发展和产品需求的提高，工业设备生产中所需工艺日益复 杂，开发阶段采用实物进行测试的难度和成本不断提高。采用硬件在环仿真技术 可以有效降低开发费用，缩短开发时间。在汽车和航空领域硬件在环仿真技术已 经得到广泛应用，是其重要的研究方法，并且硬件在环仿真技术的实现手段也在 不断完善和创新。数控机床制造业中同样可以采用这项技术，它可以为数控机床 控制系统的快速调试和安装提供有效的辅助手段，并且随着技术的不断发展，对 象模型功能的越加丰富，它必将深入到数控机床的设计阶段，为数控机床的生产 带来巨大变革。 1 1 课题介绍 本课题以无锡机床厂“设备控制器调试与程序验证试验平台项目为基础， 并由无锡机床厂提供资金和技术支持。 对于数控机床，功能不断增强，进而所需制造工艺和安装调试过程日益复杂， 利用硬件在环仿真技术建立虚拟开发环境可以切实得解决上述问题。为此，无锡 机床厂提出了硬件在环仿真技术的需求。 本课题针对以数控系统和可编程控制器为核心的机床控制器提供仿真调试 的试验平台，主要实现以下两个目的： 验证数控机床控制策略的正确性。据实地了解，在实际机床的生产过程 中，往往将数控系统与机床直接连接，缺乏中间必要的测试环节，调试 阶段会出现一些难于预料的问题。通过此平台，可以预先测试p l c 或数 控系统程序的执行情况，及时修改程序中不恰当的部分，减少实际调试 过程中出现的问题，提高机床开发的安全性。 机床数控系统的参数优化。机床产品开发完成以后需要调试其数控系统 参数以使机床性能最优。通过此平台，数控系统与虚拟测试平台建立一 个反馈系统，机床虚拟平台以直观的形式精确的反应参数调整的效果， 操作人员根据定量的反馈数据及时得调整数控机床参数以使机床性能 优化，缩短调试时间，提高调试精度。 硬件在环技术在数控机床制造业而言，是一个新型的技术，它为数控机床的 快速调试和安装提供了有效辅助手段。相关的机床制造商也察觉出其潜在的效 益，因而具有理论研究的价值和实际应用价值。 本文结构如图1 1 所示，正文共6 章。第1 章介绍了硬件在环仿真的概念， 第1 章引言 课题的基本情况和目前国内外的研究动态。第2 章阐述了硬件在环仿真的概念和 优点，并且从整体上分析了本科题实验平台的架构和软硬件的设计。第3 章介绍 了本课题使用的开发工具，并分析了实验平台软件系统的结构和功能，最后按照 数据流的层次分析了应用平台的数据处理过程。第4 章从编程的角度出发，从软 件应用平台和控件开发两个方面详细分析了软件系统的程序设计思路和代码实 现。第5 章介绍了本实验平台的使用方法。第6 章对本课题做了总结，并且阐述 了实验平台的特点和目前遗留的问题。 1 2 硬件在环仿真 图1 1 文章结构图 硬件在环仿真( h a r d w a r e i n - t h e 1 0 0 ps i m u l a t i o n ，简称：h i l s ) 是随着计算 机软硬件技术的发展而产生的一种集多项技术为一体的综合仿真技术。它是根 据控制系统中被控对象的功能和行为建立虚拟对象模型，控制器( 硬件) 通过高 速接口与对象模型相连接，组成与实际控制系统操作类似的硬件在环仿真系统 嘲。通过仿真实验可以对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测 试和评估嘲。 硬件在环仿真系统主要由三个部分组成：控制器、高速接口模块和实时对象 模型。控制器产生控制信号并接收实时对象模型的反馈信号；高速接口模块充分 利用其高速计算能力，可以在实时仿真模型和控制系统实物之间进行各种信号的 传递；计算机提供人机界面配置对象实时模型的参数，对象实时模型根据接受的 信号模拟实际被控对象的行为。 1 3 国内外研究状况和发展动态 硬件在环仿真系统在过去1 5 至2 0 年中主要应用于高级电子控制系统的设 2 第1 章引言 计。早期的此类系统是特定目的的电路板单元，用于模拟对未来软硬件，以及未 开发或调试的产品级系统。工程师利用原型开发系统能够测试新式设计，证实算 法，并在设计过程中的较早阶段检测软硬件集成。现在主要应用于汽车和航空领 域。医疗，工业设备和计算机设备等也有应用。 目前，硬件设备产品开发的过程中，技术日益复杂，精度要求和开发成本不 断提高，风险性越来越大。硬件在环仿真主要应用于产品开发的以下几个阶段： 产品化之前的设计阶段，应用硬件在环仿真技术建立的虚拟工程环境， 采用软件模型模拟产品的真实行为，并与硬件控制器通过特定接口连 接，可以满足设计阶段灵活，快速，反复修改的要求，提高产品精度， 并且大大缩短开发时间，降低开发成本。 产品测试阶段，运用硬件在环仿真技术，建立真实产品的模拟模块，构 建产品的虚拟测试平台，完成产品测试任务，避免产品测试中由于技术 故障或操作失误等造成人员人身伤害或损坏产品，降低了产品开发风 险。 除此以外，企业可以通过硬件在环仿真技术建立的虚拟平台培训初级员 工，以避免一些不必要的事故。 硬件在环仿真技术在汽车航空领域应用比较广泛。汽车工业尤其欢迎商用硬 件在环仿真系统。迪尔伯恩福特研究所，运用硬件在环仿真技术，模拟汽车的 a t r ( a b s t r a c t i o n a s s i s t r e g e n e r a t i v eb r a k es y s t e m ，筒称：a t r ) 刹车系统， 以开发混合动力汽车。在这个系统中，迪尔伯恩福特研究所开发自己的软件平台， 分别建立驾驶员，牵引发动机和刹车控制器模型，然后与刹车硬件部分相连接， 驾驶员模型根据常规驾驶情况发出刹车指令，牵引发动机和刹车控制器模型得到 指令后执行a t r 的算法，并向刹车硬件部分发出控制指令，根据实际刹车效果 调整a t r 刹车系统参数，优化刹车性能h 1 。 车载数据采集系统作为最常见的汽车电子测试应用之一，硬件在环仿真作为 其设计流程中重要的组成部分，对虚拟运行环境中的设备进行非常逼真的实际 i o 的模拟。其最显著的优点是可以对实际情况进行模拟，而不会产生实际危险。 它可以在真实世界中不能实现的极端条件下对控制装置进行测试一一在理论上 汽车可以达到的最高行驶速度下进行测试1 。功能强大的高逼真度硬件在环实时 仿真不仅通过缩短开发周期加快了产品上市时间，还由于测试期间无需使用实际 硬件而降低了设备成本以及相关的维护成本。e c u 是用于汽车发动机和传动系 统控制的电子装置，它接收传动速度、曲轴和凸轮轴速度以及油门位置等信号， 对此信息进行处理后，以产生用于控制发动机的信号和传动系参数1 。作为汽车 3 第1 章引言 核心的部件之一，e c u 设计中任何一个微小的差错都会导致车毁人亡，这使得 硬件在环仿真成为了在最终运用之前对e c u 进行测试的标准方法。 随着汽车工业对硬件在环仿真系统的接受，航空业也意识到了其重大意义。 航空领域的公司能够模拟飞机、导弹和卫星的飞行和环境特性。他们已经开发了 高度发展的系统f o r t r a n 模型，在实时硬件上运行，这在概念上与汽车公司的 快速原型的硬件相似。随着更加先进的基于模型的设计理念的推出，用于模型仿 真和代码生成的技术，可替代老式的c o s t 硬件检测系统上的f o r t r a n 模型。 硬件在环仿真技术汽车和航空业中的发展对机床领域是一个很好的启示。德 国斯图加特大学已在做这方面的研究，并取得了阶段性的成果。斯图加特大学的 机床硬件在环仿真系统中，硬件部分采用以t w i n c a t 为基础的i s g m o t i o n 运动 控制系统，软件分为实时和非实时部分，实时部分运用r t x ( 实时扩展软件包) 开发，根据机床各部分运动学和动力学规律进行信号和数据分析，满足真实环境 中实时性要求，并为非实时部分提供数据。非实时部分对实时部分提供的数据进 行分析和优化，并利用c a d 软件实现虚拟机床的3 d 可视化盯1 。 国内目前多所大学也在积极开展这方面的研究和开发。北京航天航空大学利 用硬件在环仿真技术，以l a b w i n d o w s c v i 为软件开发工具，建立飞机小型涡轮 发动机测试平台，根据飞机飞行中的环境参数，验证和研究飞机飞行中发动机的 动力学性能跚。吉林大学针对控制器传统开发方法中存在的局限性以及混合动力 汽车动力传动系统控制的复杂性，应用控制系统现代开发技术，为某型混合动力客 车多能源动力集成控制器开发了硬件在环仿真测试平台阳，。华中科技大学应用现 代电子控制技术对常规的喷油泵机械调速器进行了改进，设计了一个以高性能3 2 位处理器为核心的柴油机电子调速系统以实时操作系统i t c o si i 为软件平台，运 用面向对象技术编程，采用p i d 串级控制算法，实现了电子调速系统控制软件的开 发。通过硬件在环仿真实验验证了电子调速器改进的可行性和控制算法的正确性 n 训。开发实践表明，使用实时操作系统进行发动机控制系统的开发，能有效地提高 开发效率。上海交通大学完全利用m a t l a b 工具实现实时交互式车辆动力学控制 硬件在环仿真系统。该系统在硬件在环仿真研究过程中省去复杂不确定的驾驶员 模型，直接把人的驾驶行为作为仿真的一部分嵌入仿真过程，该仿真方案对进一 步研究e s p 控制逻辑以及该系统快速开发研究具有很大的意义n 1 1 。 随着p c 机的发展，不仅硬件在环仿真系统的开发成本不断降低，而且其开 发时间、风险、f o 硬件可用性、可维护性、特殊驱动器要求和连接等都得到了 很好的满足。因此，硬件在环仿真技术在产品开发和测试中将扮演更加重要的角 色，其技术也会不断成熟，应用范围必将不断扩大。 4 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 2 1 硬件在环仿真系统框架 2 1 1 硬件在环仿真系统的组成 硬件在环的仿真过程如图2 1 所示，可以分为三个不同的阶段：系统设计、 仿真进行时和系统参数优化n 幻。系统设计阶段建立控制系统仿真对象的几何模型 和物理模型，几何模型实现控制系统运动控制的可视化，物理模型监控系统的状 态变量。这些在整个系统的非实时部分。仿真进行时，控制系统通过实时数据通 信模块与仿真模型连接，双向传递指令信号。物理模型保存所有的状态参数。几 何模型获得必要的位置信息后仿真控制系统的运动状态。在实时部分与非实时部 分的数据通信中，为了防止数据的丢失，数据缓冲是必不可少的。仿真结束后几 何模型和物理模型对控制系统的状态变量进行评估。仿真系统利用这个评估结果 对控制系统的参数进行优化n 叭“1 。 图2 1 硬件在环仿真的系统结构 2 1 2 硬件在环仿真的特点 硬件在环仿真的实时性和硬件在环仿真的要求决定了其硬件系统具有以下 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 特点n 叼： 高速运算能力，以满足实时性或严格的时间要求。 高速而适应面广的f o 接口，以适应控制器硬件及传感器、执行器不断 更新换代。 体积小、轻便，适于在不同的实验室及随车使用。 可扩展性好，以满足控制器控制项目的增加及控制复杂性不断提高的要 求。 作为重要的研究开发工具，它应具有的作用决定了其软件系统应具有以下特 点： 模型编程过程简单。 灵活而友好的人机交互能力。 强大的数据记录及后处理能力。 2 1 3 硬件在环仿真的优点 硬件在环仿真系统通常具有以下几个优点： 节省成本。由于系统硬件部分由软件仿真平台替代，省去了实际的机器 设备和制造系统，这样就大大节省了系统开发的成本n 引。 安全性提高。操作失误或其他不确定因素造成的机器设备损坏或人身伤 害由于硬件设备的不再需要而得以避免。 缩短开发周期。各种设计思路可以在仿真环境中迅速实现，系统参数也 可根据需要随时修改，并且仿真系统运行的速度远远快于实际系统，所 以硬件在环仿真系统可以有效的缩短开发周期n 刀。 超前测试。一些新的理论和概念往往由于硬件系统不能实现而无法进行 实验，硬件在环仿真系统可以避免这样的问题n 町。 2 2 数控机床控制系统仿真实验平台 2 2 1 系统总体构成 仿真试验台架和系统框架如图2 2 所示： 6 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 图22 仿真试验台架示意 实验平台自下向上分为四个层次：设各层、数据传输层、仿真模拟层和人机 界面层。设各层为不同的实际控制器( 如p l c 或数控设备) 发送控制命令；数 据传输层采用n i ( n a f i o n a ll n s m a n e n t s ) 数据采集卡，型号可根据需要选定，负责 上层和下层信号的采集和传输。实现高速接口模型的功能。本实验平台采用n i m 系列p c i - 6 2 5 1 和p c i - 6 5 1 4 两款数据采集卡；仿真模拟层根据控制策略模拟具体 囤囤圈困 一 图23 系统框架示意囤 设备运行状态，并将相关信息传递给其它对象模型：人机界面层实现人机交互 配置对象模型的参数。 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 仿真实验平台实现以下主要功能： 仿真计算机完全模拟真实的机床设备，控制系统所发出的指令和所接受 的信息都由仿真计算机提供，使控制器完全运行在模拟的真实环境中。 可在仿真计算机上设定不同的仿真对象，并对其进行配置，从而适应不 同类型的控制器和设备。 可配置输出不同类型的实验报告。 可以在仿真环境中设定特定的运行和故障条件，以检验控制器的控制能 力和可靠性。 课题采用一般到特殊的方法，广泛收集国内外相关的文献资料，跟踪最新的 研究成果。本课题的研究拟采用如下图所示的方案和技术路线： 首先建立基于图形界面的仿真系统，这个系统在n e t 和c 撑的基础上开 发。 板卡选择n i 数据采集卡。 提取出机床设备的标准模块，分析它的属性，建立起面向对象的机床设 备库。 研究机床设备的控制策略，在对象模块的基础上组成机床整体的数字模 型。 研究实际控制器的输入输出，及虚拟设备和实际板卡之间的柔性配置。 建立p l c 类型的试验平台，以后扩展到数控系统。 进一步可将设备的控制模型引入到系统中，从而实现对系统动态性能的 模拟仿真，优化系统的控制参数，使机床运行在最佳状态。 实现机床设备的硬件在环( 半实物) 的优化仿真，开发出通用的仿真优 化试验平台。 关键技术： 机床对象模型和软件应用平台的建立。 软件平台与p l c 或数控系统的数据通信。 各个模块的数据通信和前后面板的数据通信。 满足实时性要求的循环扫描过程的编程实现以及循环扫描中信号的采集 和发送。 2 2 2 硬件选择 本实验平台目前主要针对3 m k 2 0 7 数控轴承内圆磨床( 其他机床类型可根 据需要进行开发) ，控制器为o m r o n c j l m 中型p l c ，其它类型的控制器可以 根据需要选择，n i 都有与之匹配的数据采集卡。 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 模拟信号： n im 系列p c i 6 2 5 1 数据采集卡具有1 6 路模拟输入，1 6 位分辨率，模拟和 数字触发，两个3 2 位8 0 m h z 计数器定时器，可同时执行多个控制回路并控制 经过脉冲宽度调制的信号，连接线和端子板分别采用n i 的r c 6 8 6 86 8 针经济型 电缆和c b 6 8 l p6 8 针经济型接线端子，在本实验平台中p c i 6 2 5 1 实现模拟信 号的采集和发送，数据采集速度可以达到毫秒级。 数字信号： n im 系列p c i 6 5 1 4 具有6 4 路光电工业数字啪通道( 3 2 路漏极源极输入， 3 2 路源极输出) 。这些通道的1 0 0 针连接器可与1 0 0 针附件牢固连接( 采用c b 1 0 0 i ok i t1 0 0 针d a q 设备的接线盒套件) ，具有可靠的工业应用特性，本实验平台 中i o 点数为4 8 ，所以需要使用两块p c i 6 5 1 4 实现开关量信号的采集和发送。 经过实验表明，数据采集卡所有通道完成一次数据采集和发送的时间约为 7 - 9 毫秒，可以满足数控机床控制系统实时性的要求。数据采集卡还可以根据实 际控制系统输入输出点数进行灵活的扩展。 2 2 3 软件框架 从上一节可以看出，课题的硬件部分都由相应厂商提供，主要的任务是连接 和应用，开发和研究的部分比较少，故不是本课题的重点。然而，软件系统没有 可供参考的资料，需要根据要求进行设计，工作量和难度比较大，是本课题的主 要研究对象。这一节对课题软件系统作一个大概的介绍，第3 章和第4 章将对这 一部分的设计思路和实现方法做深入的分析。 软件系统采用微软n e t 技术c 撑语言开发，主要分为三个部分：用户应用平 台、对象模型和硬件端口配置窗口。用户应用平台借鉴l a b v i e w 软件框架分为前 面板和后面板“引，前面板编辑对象模型，配置对象模型的参数，实现对象模型的 可视化；后面板进行对象模型的逻辑关联；硬件端口配置窗口列出计算机中所安 装的数据采集卡，并由用户根据需要配置数据采集卡端口地址，与实际控制系统 匹配。 对象模型在n e t 中通过控件实现。用户应用平台的前面板实现人机交互， 用户将需要的控件从工具箱中拖入工作区，然后调整控件布局，通过快捷菜单和 参数配置窗口设置控件的外观属性和其他参数。在用户应用平台的后面板设置对 象模型的逻辑关系，包括对象模型与p l c 端口的关联，对象模型之间的数据关 联，以及对象模型在实际当中动作顺序的控制等，最终实现控制器对机床的各种 控制策略。p l c 控制器的端口是一种资源，对象模型通过端口地址来使用这些资 源，硬件端口配置窗口列出了系统中可用的端口，用户可根据实际需要进行选择， 9 第2 章数控机床仿真实验平台框架结构 但是由于n i 数据采集卡担负着上层软件系统和底层p l c 控制器的数据传输任 务，所以对象模型所能看到的是n i 数据采集卡的端口，而非p l c 的端口，这两 种端口的表示形式完全不同，必须进行转换，以符合工业控制中标准端口地址的 表示形式，而硬件端口配置窗口的另一个重要目的就是实现这两种端口地址的转 换。 程序执行分为三个部分g 输入过程映像区，循环扫描，输出过程映像区。当 用户配置完仿真模型参数，开始循环扫描时，仿真计算机先将数据采集卡信号写 入过程映像区，然后仿真模型从输入过程映像区得到对应数据，执行内部算法， 并将结果写入输出过程映像区，一次循环结束后，仿真计算机将输出过程映像区 数据发送给数据采集卡，然后进行新的循环。数据采集卡完成控制器与仿真计算 机之间的数据通讯，仿真计算机监控控制器的对象模型的状态。 可以看出程序的执行过程与p l c 相似。过程映像区是存储数据的一种结构 嘲，而程序中这种数据结构是通过类来实现的，类可以保存数据采集卡的各种信 息，包括名称、型号、数字量、模拟量和计数器定时器的端口信息，以及控制 数据的输入和输出，保存输入输出数据等功能。在启动时，用户应用平台自动读 取系统安装的数据采集卡信息，同时创建上述类的对象，然后通过读到的信息初 始化这个对象，这样该类的对象就实现了数据采集卡在程序中的替代，并且可以 通过这个对象完成数据采集的操作。至此，数据采集卡的信息得以保存，但是对 象模型如何得到合适的端口地址并且通过它实现数据的读取和写入，这个问题将 在第4 章中进行讨论。 1 0 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 根据上一章的介绍，课题的主要研究对象是硬件在环仿真的上层软件系统。 下面就从软件开发的角度分析开发工具的选择和系统结构的设计。 在本课题中，我们需要对机床各个部件进行提取和分析，并通过软件编程建 立仿真模型，显然面向对象的语言更加符合要求。这一章的第部分主要对课题 中的使用的开发工具作一个简单的介绍，第二部分将对软件系统的开发进行模块 化分析，并讨论这些模块所实现的功能。 3 1 开发工具 3 1 1 雠编程语言 根据研究对象的特点，我们采用面向对象的语言进行开发。面向对象的语言 种类很多，本课题使用c 髯语言。 在过去的二十年里，c 语言和c + + 语言已经成为在商业软件的开发领域中使 用最广泛的语言。它们为程序员提供了十分灵活的操作，不过同时也牺牲了一定 的效率。由于c c h 语言的复杂性，许多程序员都试图寻找一种新的语言，希望 能在功能与效率之间找到一个更为理想的权衡点。 c # 由c 和c + + 语言发展而来，是一种简单、现代、面向对象、类型安全的 语言 2 1 o 它使得程序员可以快速地编写各种基于m i c r o s o i t n e t 平台的应用程序， m i c r o s o f t n e t 提供了一系列的工具和服务来最大程度地开发利用计算与通讯领 域。 正是由于c 撑面向对象的卓越设计，使它成为构建各类组件的理想之选无 论是高级的商业对象还是系统级的应用程序。使用简单的c 存语言结构，这些组 件可以方便的转化为x m l 网络服务，从而使它们可以由任何语言在任何操作系 统上通过i n t e m e t 进行调用。最重要的是，c 撑语言使得c + + 程序员可以高效的开 发程序，而绝不损失c c + + 语言原有的强大的功能。c 撑语言与c c + + 语言具有 极大的相似性，熟悉类似语言的开发者可以很快的转向c 拌语言。 c 撑语言允许类型定义扩展的元数据。这些元数据可以应用于任何对象。项 目构建者可以定义领域特有的属性并把他们应用于任何语言元素一一类，接口等 等。然后，开发人员可以编程检查每个元素的属性。定制的元数据和程序代码之 间的紧密对应有助于加强程序的预期行为和实际实现的之间的对应关系。 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 c 撑语言增强了开发者的效率，同时也致力于消除编程中可能导致严重结果的 错误。c 群语言使c c + + 程序员可以快速进行网络开发，同时也保持了开发者所 需要的强大性和灵活性。 3 1 2 n e t 基本框架 c 撑语言是基于n e t 技术平台的，下面两小节将介绍n e t 基本框架和c 撑的 开发环境m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 。 n e t 框架的核心是通用语言运行时( c o m m o nl a n g u a g er u n t i m e ，简称 c l r ) ，顾名思义它是一个可被各种不同的编程语言所使用的运行时陇1 。也就是 说，不同的语言都可以在统一的n e t 框架下进行程序开发。据统计，n e t 支持 的编程语言多大3 0 多种，其中不仅包括c 撑、v b 、c + + 和崩官方语言而且包括 f o r t r a n 、p e r l 、p y t h o n 、p a s c a l 等非官方语言。在项目开发过程不仅可以选择一 种合适的语言，还可选择几种语言进行同时开发，并且，符合一定的规范下，由 不同语言编辑的代码可以相互调用。 n e t 框架实现多种语言的集成开发需要两个方面的支持：中间语言 ( i n t e r m e d i a t el a n g u a g e ，简称i l ) 和通用语言系统( c o m m o nl a n g u a g e s p e c i f i c a t i o n ，简称c l s ) 。 图3 1 n e t 程序编译过程 1 2 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 通常程序员编写完程序代码后，会对其进行调试和编译，编译器将源代码编 译成计算机代码，由计算机执行生成应用程序。然而，n e t 框架程序设计的编 译过程略有不同。程序员编写代码时，c l r 并不知道使用的是何种语言，但编 译源代码，编译器会将不同的语言代码编译成统一的l l ，i l 的结构在n e t 中有 标准的规范，但l l 并不是二进制代码，无法与计算机进行交互。创建的i l 代码 存储在一个程序集中，程序集包括可执行的应用程序文件( 这些文件可以直接在 w i n d o w s 上运行，不需要其他程序，其扩展名是e x e ) 和其他应用程序使用的库( 其 扩展名是d 1 1 ) 。当程序运行时，n e t 使用即时编译器( j u s t - i n - t i m ec o m p i l e r ，简 称j i d 将i l 编译成机器代码。整个编译过程如图3 1 所示，由于增加了中间语 言环节，所以需要考虑效率的问题。微软经过测试，用n e t 开发的软件性能比 一般软件还要好。主要原因是，j i t 只编译程序执行的部分，并不是整个源代码， 但是j i t 如何知晓应该编译哪部分代码，这个问题是通过元数据来解决的，元数 据是一种可以完全自我描述的数据，通过它可以知道整个程序的结构，n e t 的 许多特性都与它有关。 虽然n e t 程序可以用多种语言进行编辑，但是每种语言必须遵守通用类型 系统的规范( c o m m o nt y p es y s t e m ，简称c t s ) 。c t s 描述了n e t 类型的定义 和行为。这个规范虽然与一般的基于对象的程序设计有很多相似的地方，但是仍 然存在其自身独有的特性，例如：反射。如果希望创建的类型可以被其他编程语 言方便的访问，只能使用编程语言中那些对其他语言老说也可用的特性，为此， 微软定义了通用语言规范c l s 。c l s 是c l r c t s 的子集，它定义了可以被任何 与c l s 兼容的编程语言访问到的、外部可见的类型和方法所必须遵循的规则。 n e t 基本框架是一个集多种技术为一体的复杂的体系结构，上述只是简要 介绍了其最为核心的部分，除此而外它还包括代码专业化，可靠的版本机制，资 源管理，互操作性等。这些方面的知识还需要花费大量的时间去认真学习和研究。 3 ，1 3 _ i c r o s o f tv i s u b is t u d i o m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o 是实现n e t 技术的集成开发环境，它秉承了微软软 件开发工具性能优越、功能完善、结构清晰、使用方便的特点。v s 向开发人员 提供了一套企业版模板作为开发人员开发应用程序的基础乜副，不仅在项目管理， 资源管理，源代码控制，关键字标识和格式控制做出了不少改进，而且还增加了 代码折叠，编辑错误标识和智能感知的功能。下面将简要介绍一下v s 编辑环境 的结构和主要功能。 v s 控件布局设计环境如图3 2 所示，代码编辑环境如图3 3 所示。控件布局 设计环境中除了常见的菜单栏，工具栏和状态栏外，还包括了许多软件开发的工 第3 章数控机床仿真宴验平台软件系统分析 具：工具箱窗口，资源管理窗口，属性窗口，错误列表，输出列表，任务列表， 文档大纲等，图3 2 中只显示了经常使用的几个工具。资源管理窗口以树状结构 的形式列出了用户开发的项目和每个项目中包含的文件和资源。 图3 2 控件布局设计环境 在代码编辑窗口中，如图33 所示，开发人员可以根据喜好修改文字的大小 和字体，并且设置代码中各种类型的关键字的颜色。在大型的软件开发中，代码 中的函数和类会非常多，这就为查找代码带来了麻烦，在v s 中每个名称空间、 类和函数的前面有一个小的或“+ ”号，用鼠标点击时，会展开或折叠相 应的部分，开发人员可以将完成的部分折叠起来，集中注意力开发关心的部分。 查找和替换是代码编辑中常用的操作，在工具栏中有两个c o m b o d o x 控件，左 边的c o m b o b o x 列出了文件中包含的类，右边的c o m b o b o x 列出了该类中的成 员，选择查找的选项，光标就会跳转到对应的位置。 在编辑窗口中输入对象的名称或“”号时，光标下方会弹出一个小窗口其 中列出了对象中所有公开的成员，不同的成员类型通过名称前的图标加以区分， 当选中一个条目时，窗口中还会显示一个提示框来说明该条目的相关信息，确定 以后选中的文字就会自动加入到编辑窗口中。这个功能在v s 中被称为智能感知。 它的实现得益于元数据，元数据中不仅描述了类与类之间的引用关系，而且还保 存了每个类中各种成员的信息， 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 十j 。” j1 ” 一 ，f ，j 乒特 ；苎森守备蝉。 l - 4 1 一。_ 。 i 】 b 一 一 r _ r t “e 日 刊 囊薹墨蓦二一 雾：p “。一“ i 帆2 曼。，_4 h 图3 3 代码编辑环境 3 1 ，4x i j _ x m l 可扩展标记语言( e x t e n s i b l em a r k u pl a n g m g e ，简称：x m l ) 提供了 一种标记内容的方式，可以添加关于数据用途的信息。信息使用x m l 存储之 后，称为解析器的应用程序就能够可靠地提取相关信息，并根据不同的需要处理。 x m l 可用于各种不同的应用程序，但其实质是：x m l 是一种表示数据的方式 2 4 1 x m l 功能丰富，本课题只使用了其中很少一部分，主要目的是在用户完成 测试任务后将相关的信息以文件的形式保存下来，以便以后继续使用，虽然文件 保存的功能在一般的软件当中是常见的功能，但是一直没有找到非常好的代码实 现，而x m l 基本上能够满足要求。x m l 的语言形式与h t m l 相似，在n e t 中 也有专门的类库予以支持，使用起来比较方便。 3 2 仿真对象介绍 本课题目前主要针对3 m k 2 0 7 数控轴承内圆磨床( 其他机床类型可根据需 要进行开发) 建立硬件在环仿真实验平台。3 m k 2 0 7 数控轴承内圆磨床主要用于 磨削中小型球轴承及圆锥滚子轴承套圈内孔，其机械结构如图3 4 所示，机床的 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 加工范围：工件内孔直径2 0 - ? d r a m ，工件宽度1 0 - 4 0 r a m 。工件转速为 5 0 0 1 4 0 0 i - m i a 变频无极调速嘶1 。工件进给可以采用步进电机和伺服电机两种形 式。 酗3 a3 m k 2 0 7 鼓控内心磨床机械结构幽 机床的磨削工作循环为定程磨削循环，根据砂轮修整方式分为计数修整和中 间修整循环。 磨削中间修整循环： 图3 5 磨削中间恪整循环 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 仪表磨削计数修整循环： 图3 6 仪表磨削计数修整循环 3 3 软件系统结构分析 从整体上分析这个课题，首先必须建立机床各个部件的仿真对象模型，程序 中是通过创建控件来实现对象模型的。n e t 中对控件的开发有一套完整的机制， 但是这些控件在什么环境下使用呢? 因此，还需要开发一个适合这些控件的软件 应用平台。于是，开发工作主要从这两个方面着手，这一节详细介绍仿真模型和 软件应用平台实现的功能，下一章将从编程的角度分析整个软件框架的实现。 3 3 1 数控机床对象模型 在对3 m k 2 0 7 数控轴承内圆磨床实地考察的基础上，并对其机械和电气原 理进行认真的分析，提取了它的对象模型，包括：卡盘、磨架、进给机构、仪表 架、修整器、主动测量仪、电磁阀、变频器、指示灯和按钮等。对象模型由三部 分组成：输入端口、内部属性和输出端口。输入输出端口实现数据的读取和发送， 内部属性显示对象模型的状态并提供配置参数。下面对主要的对象模型作简要的 介绍，其中方框左边为输入信号，右边为输出信号： 1 7 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 卡盘 磨架 进给机构 主动测量仪 激磁 磨架进 磨架退 磨架停 进使能 退使能 脉冲数 图3 7 卡盘对象模型 磨架 属性： 当前位置 磨架的前位位置 磨架的后位位置 磨架当前状态 图3 8 磨架对象模型 卡盘有磁 故障 到达磨架前位 到达磨架后位 进给机构 属性： 本次起始位置 脉冲当量对应值 前极限位置 后极限位置 进给状态( 快趋、 粗砉，光磨、快退) 图3 9 进给对象模型 主动测量仪 属性 工艺尺寸表 图3 1 0 主动测量仪对象模型 1 8 毛坯尺寸合格 尺寸到 尺寸到 尺寸到 第3 章数控机床仿真实验平台软件系统分析 对象模型都是根据设备实际功能和运行过程进行开发，一般都分为输入端 口，内部算法，输出端口三个部分。仿真模块既可以与控制器进行通信也可以与 其他仿真模块通信。整个程序的进程由控制器程序进行控制。 3 3 2 软件应用平台 上一小节介绍了对象模型在机床中的功能，对于软件开发而言，实现这些功 能只是最基本的要求。然而实际当中还需为这些对象模型开发一个合适的环境， 控制测试任务的流程，管理各种数据和资源，实现人机交互，软件应用平台就是 为了这个目的。这样又带来了许多新问题，例如：应用平台需要具备那些工具： 对象模型如何方便的添加到应用平台中；对象模型的编辑功能( 包括：移动，删 除，改变大小等) 如何实现；通过什么方式配置对象模型的参数等。下面将结合 应用平台功能的介绍来逐步解决这些问题。 图31 1 前面板和工具箱 如图31 1 和31 2 所示，应用平台由两个窗口组成：前面板和后面板。前后 面板的设计相似，比较简洁，这样的划分是为了将状态显示和数据管理分离。前 面板中除了传统的菜单栏、工具栏和状态栏外，工作区左边还有一个滑动的工具 箱。这个工具箱是借鉴v s 工具箱设计的。当用户将鼠标移动到“工具箱”按钮 上时，工具箱就会慢慢的滑动出来，其中可以按照