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摘要 本文在叙述了火焰切割机数控技术的发展历史、目前的研究状况以及未来的发 展趋势的前提下，结合哈尔滨焊接切割成套设备公司“开放式热切割机系统的研究” 课题，针对传统的专用封闭控制系统的不足提出了基于工业微机基础上的开放式数 控系统参考模型，阐述了开放化数控系统的特点、开放化途径、方法和形式。 文中对数控热切割机的软件系统做了较为全面的分析，探讨了w i n d o w s 系统的 多任务功能在切割机( 上位机) 软件系统中的重要作用，分析了切割机多任务系统。 以数控切割机的数据处理流程为核心，对系统的数据处理过程进行了全面的分析和 阐述，并根据这个核心的需要将控制系统的各个基础模块给予确定。本文对系统的 功能定义和实现也进行了必要的阐述。 本文在介绍了进行刀具半径补偿的分类、基本概念以及转接向量的转接情况的 基础上，对刀具半径补偿的关键技术转接向量的计算公式的推导做了更加详细的阐 述。从刀补建立、刀补执行和刀补撤销三个必需的过程入手全面介绍了刀补运算实 现的过程。并根据实际的加工例子逐步地推演了刀补运算在连续的加工过程中的实 现方法和具体的计算过程。 按照所提出的系统模型，本文中所介绍的数控系统采用了上下位机模式实现。 本文在简单介绍了下位机结构、数控系统硬件的大体构成等内容的基础上对系统的 上、下位机间通讯的实现做了较详细的阐述。同时，对系统对应的与下位机相联系 的运动控制实现方法也做了较为详尽的阐述。 关键词：热切割机，数控系统，开放式体系结构 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed e p i c t e dt h ed e v e l o p m e n to f t c m c n cs y s t e m , t h e l e v e lo f t c m - c n cs y s t e m s t u d y ，a n dt h ei n t e n d i n g t r e n do f t c m - c n cs y s t e m s t u d y i nt h e l i g h to ft h er e s e a r c hp r o j e c t ”i n t e l l i g e n t a n df u z z yc o n t r o lt c m - c n cs y s t e m ”，t h i s d i s s e r t a t i o np r e s e n t sd e t a i l e dr e s e a r c ho nt h eo p e n n e s so ft c m c n cs y s t e m ，a i m i n ga t t r a d i t i o n a l e x p e r tb l o c k e d c o n t r o l s y s t e m ，t h ed i s s e r t a t i o nb r i n g s f o r w a r dam o d e lo f t c m c n cs y s t e mw h i c hb a s e so no p e nt h o u g h ta n di p c t h e n , t h ed i s s e r t a t i o n d i s c u s s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f s y s t e m ，t h ew a y a n dt h ef o r mo f o p e n n e s s b y t h en u m b e r s t h i sd i s s e r t a t i o np r e s e n t st h ec o n s t r u c t i o no ft h es o f t w a r eo ft h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m ，a n d t h e nd i s c u s s e st h e e s s e n t i a l i t yp a r t i t i o no f m u l t i t a s kf u n c t i o no f w i n d o w s 9 8 n t o p e r a t i n gs y s t e ma i m i n ga tt h ec o r eo fd a t ap r o c e s s i n g , t h ed i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e st h e c o u r s eo fd a t ap r o c e s s i n go f s y s t e m a c c o r d i n gt ot h en e e do f t h i sc o r d ，t h ed i s s e r t a t i o n e n s u r e st h eb a s i cm o d u l eo ft h es y s t e ma n dd e s c r i b e st h ef r a m eo fs o f t w a r eo f s y s t e m a c c o r d i n g t ot h en e e d o f p r a c t i c a l i t y ，t h ed i s s e r t a t i o np l o t so u td e t a i l e dm o d u l e i na d d i t i o n , t h ed i s s e r t a t i o np r e s e n t se s s e n t i a l l yf u n c t i o n a ld e f i n i t i o n sa n dr e a l i z a t i o no f s y s t e m o nt h eb a s eo fd e p i c t i o no fb a s i c c o n c e p t i o n o fc o m p e n s a t i o n t h e , t y p e o f c o m p e n s a t i o n , t h ec o n n e c t i v ev e c t o ra n d t h ef o r mo fc o n n e c t i o n , t h ed i s s e r t a t i o nd e s c r i b e s t h e p r i n c i p l e o ft h e c o m p e n s a t i o n o ft o o l ，e s p e c i a l l yt h ec o n s e q u e n c eo ff o r m u l a eo f c o m p e n s a t i o ni nd e t a i l p r o c e e d m gw i t ht h ee s t a b l i s h m e n to fc o m p e n s a t i o no ft o o l ，t h e p e r f o r m a n c e o f c o m p e n s a t i o n a n dt h ew i t h d r a w a lo fc o m p e n s a t i o n , t h ed i s s e r t a t i o n i n t r o d u c e dt h ep r o c e s so fr e a l i z a t i o no f c o m p e n s a t i o no f t o o lc o m p l e t e l y a c c o r d i n gt o a c t u a le x a m p l e ，t h ed i s s e r t a t i o nd e d u c e dt h ec o u r s eo f r e a l i z a t i o no f c o m p e n s a t i o na n dt h e p r o c e s so f i d i o g r a p h i cc a l c u l a t i o n i nt e r mo ft h em o d e lt h a tw eh a v ea d v a n c e d ，t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ma d o p t s t w o - c p u m o d e t h e y a r ed i f f e r e n ta t t a c h e dc p u s 0 nm eb a s e o f p r e s e n t a t i o no f r e a lt i m e m a n i p u l a t i v e c p u s s t r u c t u r e ，n u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e m s s t r u c t u r eo fh a r d w a r e ，t h e d i s s e r t a t i o np r e s e n t sr e a l i z a t i o no f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt w oc p u sa tt h es a m e t i m e ，t h e d i s s e r t a t i o ne x p a t i a t e sd e f i n i t i o no f t h e s i g n s , c o r r e s p o n d i n g r e a l i z a t i o no f a l t e r n a t i o na n dt h e w a y o f m o t i o nc o n t r o lc o m p l e t e l y k e y w o r d s ：t o r c h c u t t i n gm a c h i n e ，c n c ，o p e na r c h i t e c t u r e 开放式热切割机数控软件系统的研究 1 综述 1 1 引言 1 9 5 2 年美国帕森斯公司和麻省理工学院合作研制成功了世界上第一台三坐标数 控铣床，到1 9 7 0 年以前，数控技术经历了电子管时代、晶体管时代和小规模集成电 路时代，这三代系统都是采用专用控制计算机的硬逻辑数控系统，统称为普通数控 系统( n c ) 。1 9 7 0 年在美国芝加哥国际机床展览会上首次出现了计算机数控系统 ( c n c ) ，称为第四代数控系统。从1 9 7 4 年起，微处理器成为数控系统的核心，一般 把这样的数控系统称为第五代数控系统。 近1 0 多年来，国内外数控机床发展得很快，不仅表现在数量上、质量上，数控 机床的种类也是目新月异当前，随着信息技术日益渗透到国民经济的各个角落，数 控技术正以微型计算机为基础向智能化方向飞速地发展。 1 2 国外机床数控技术的发展状况 1 2 1 数控系统及其体系结构的现状 由于模块化思想在数控领域的广泛应用以及数控技术在生产中的重要地位，世 界上出现了许多专门生产数控系统的技术公司和实体。有代表性的数控系统生产商 有：德国的西门子( s i e m e n s ) 公司、日本的法纳克( f a n u c ) 公司，、西班牙的法格 ( f a g o r ) 公司等。对这些公司产品的分析可以看出，进入8 0 年代以后，先进的数 控系统一般都具有以下特点f 8 心j ：结构上，主要是向两个方面发展，一是提高系统 的集成度，缩小体积；二是采用模块化，总线结构，便于剪裁、扩展和升级。 随着微型计算机技术的发展，现代先进的c n c 装置，都已完成了由1 6 位微处理 器向3 2 位微处理器的过渡。西班牙的f a g o r 的8 0 5 0 系列及意大利a - bo s a i 的9 3 6 0 系统，为了提高c n c 的运算处理速度都采用了3 2 位微处理器。 1 2 2 数控系统中开放式体系结构的发展 数控系统经历了几十年的发展，在硬件体积、重量、稳定性、可靠性、能源消 耗、维护使用的方便性及功能的多样性方面有了长足的进步。数控体系结构的发展 经历了从布线逻辑到存储逻辑的变化p 】。现代的数控系统处处体现着模块化思想， 系统的控制部分、驱动部分、电机、输入输出、传感器等均有不同的厂商提供并组 合，这就造就了利用外国控制系统和国产机器组合成自己产品的众多中国数控生产 东北林业大学硕士学位论文 商。同样，模块间的各自为政使得数控系统在体系结构上还存在相当的封闭性，从 软硬件模块到零件的编程，各厂之间互不相容，给生产和使用带来了极大的不便。 1 9 8 8 年g r e e n f i e l d 提出开放体系结构制造概念掀起了数控界标准化、开放化的 系统变革的开端。美国、欧共体、日本等展开了深入持久的研究，正全力研究新一 代开放式c n c 标准规范及产品。下面对这些开放式的系统加以简单的介绍。 1 2 2 1 美国的研究状况 世界上最早关于开放式体系结构的研究是美国国防部( d o d ) 1 9 8 1 年提出的“下 一代控毒器”计划”，这个计划目标是为控制商建立个统一的控制标准。其中， 1 9 8 6 年提出的为了夺回美国失去的数控市场的振兴美国国内机床工业的行动计划 使得美国的数控产业重新获得世界领先的地位。 1 9 8 7 年空军w r i g h t 研究开发中心( a fw r d c ) 与n c m s 共同领导下的“下一 代工作站机床控制器”体系结构的研究计划中制定了开放式体系结构标准规范 ( s p e c i f i c a t i o nf o ra no p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r es t a n d a r d ( s o s a s ) 和建立三个n g c 参 考模型。这个标准规范允许单独的设计者去开发具有互换性和相互协作的n g c 单 元，它包括了c h i c 兼容产品的所有功能，并为以后开发的产品提供了运行的基础。 “开放式、模块化体系结构控制器”的计划于1 9 9 4 年由通用、福特、克莱斯三 大汽车公司开始启动，其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更 具柔性、更加敏捷。该计划启动不久便公布了相应的规范，并促成了一系列相关研 究项目的运行【1 ”。 1 2 2 ，2 欧洲的研究状况 a o ：a r c h i t e c t u r eo b j e c t 图卜1o s a c a 系统结构 a p p l i c a t i o n - s o f t w a r e s y s t e m s o r w a r e h a m w a r e 开放式热切割机数控软件系统的研究 1 9 9 2 年5 月，欧洲二十多家机床、控制生产与开发商及有关研究机构联合启动 的“自动化系统中的控制的开放系统体系结构”( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o i sw i t h i na u t o m a t i o n ) 项目，简称o s a c a ”】【7 】。这个项目的主要目标是定义 一个今后控制器的开放式体系结构。它借鉴的开放式系统互联模型，通过对现有控 制系统的详细分析提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元”的结构，即将不同 的功能单元在基于消息的平台上连接起来。该模型的核心部分是通讯系统，它屏蔽 了操作系统的差异，保证了各功能单元的可移植性和互操作性以及系统配置文件的 通用性【3 3 】。 在开放式控制系统中，应用程序接口( a o ) 是系统平台向外部提供服务的通道 也是结构功能单元访问系统平台的唯一途径，它屏蔽了平台的真实实现，保证了系 统平台的硬件无关性和操作系统无关性。 1 2 2 3 日本的研究状况 数控程序 机器过程控制 译码，操作方式控制，智能过程控制等 刀其运动 轨迹控制 控制顺序 分立事件控制 图卜2o s e c 参考结构 面向于2 l 世纪制造工业的持久的研究计划是智能制造系统计划( i m s ) 。这个 计划在由日本工业界倡导的同时对其他国家开放。1 9 9 0 年，为了更好开展项目的合 作，建立了日本i m s 中心。1 9 9 4 年，又制定了一个长达十年的i r i s 研究计划，同时 开展了几项研究工作。i m s 的许多部分都与先进制造系统和自动化技术密切相关。 在多功能制造系统、基于知识的制造系统、智能监视系统等方面开展研究。所有的 东北林业大学硕士学位论文 这些项目都将对未来控制技术的发展产生重要的影响。 1 9 9 4 年，由东芝机器、三菱电子等6 家日本公司联合成立了一个名为控制器开 放系统环境( o s e c ) 的工作委员会。它研究的重点是在n c 本身和分布式d n c 控 制系统上，它认为站在制造的角度看n c 是分布式d n c 系统的一个服务器【l ”。o s e c 所谓的开放式系统本身就被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同 配置的要求、最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于p c 的标准化人机界面 的要求。o s e c 是将各功能单元分组并结构化在一些功能层中，其开放式系统包括 了3 个功能层共7 个处理阶层。o s e c 定义了一种新的n c 数据表示法一f a d l ( 工 厂自动化描述语言 ，该语言具有能面向对象设计、表征曲线形状等优点，并具有 广泛的覆盖性。 1 3 我国数控系统开发现状与差距 我国数控系统从1 9 5 8 年开始，已经有三十多年的发展历程。经过长时间的努 力，特别是我国改革开放政策的实施，“六五”期间引进数控技术，“七五”期间消 化吸收国产化，到“八五”开发具有我国自己软硬件版权的数控系统，使我国的数 控技术有了长足的进步。 虽然我国的数控技术有了长足的进步，但存在的问题也应引起我们的关注。目 前在我国的数控机床总量所占比重不到1 0 ，远低于发达国家2 0 - 3 0 的水平。成为 我国装备工业向前发展的瓶颈，同时更是我国数控技术发展的一个很好的促进【9 1 。 我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地发展，真正创新 的成分不多，就总体而论，我们的研究还仅仅处于开始阶段，虽然各个系统都向p c 平台方向发展，但在具体的实施开发中仍然存在一些问题。最大的问题即是开放性 不够、开发环境和支持手段不足，要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远 未达到，只是具有相当技术力量的开发单位才能使用，而作为能够普及到一般用户 的程度则还远远不够【4 0 】。在数控机床设计与制造中，我国已开始采用模块化技术， 对数控切削加工中的工艺参数、工具系统的优化、智能适应控制都进行过研究，它 为对智能化控制的进一步研究奠定基础，但上述工作仅仅是一个开端。热切割机数 控系统的研究开发同国外相比尚有较大差距，因此研究实用化、高性能的自主版权 的切割机数控系统是切割机行业的迫切任务。 开放式热切割机数控软件系统的研究 5 1 4 冷热加工数控机床的比较 数控热切割机床是数控机床的一种，它具有一般数控机床的特点，能根据数控 加工程序，自动完成从点火一一预热一通切割气体一一切割一一熄火一返回原 点的整套切害0 过程 4 4 【4 】；但热切割机床又有别于一般数控金属切削机床，它利用喷 嘴喷出的高温乙炔气体火焰把钢板害缝加热到熔融状态，用高压氧吹透钢板进行切 割，而不像金属切削机床那样，是用金属切削工具与工件刚性接触来进行切削加工， 故切削力很小，由于各种因素的影响，一般切割范围为6 3 0 0 m m 的钢板。 热加工机床的刀补方式与冷加工机床是不同的。由于加工可行往和连续性的需 要，热加工机床需要在切割各段连续曲线前穿孔，而在冷加工领域是没有这种问题 的，所以热加工机床的刀补建立有别于冷加工机床的直线过渡形式。热加工机床在 刀补建立时需要沿着第一段加工趱线轨迹切线方肉首先让出刀具半径的距离，然后 实现穿孔，否则容易破坏被加工零件的轮廓。同样，刀补的撤销也需要这种方法实 现刀具中心与曲线终点的最终对准。在插入型刀补中应该采用直线段插入，以免用 圆弧插入所带来的工件的尖角被长时阅灼烧而变形的问题。 很多年以来，机床的发展主要体现在冷加工领域，迄今为止，冷加工机床的数 控技术已经非常成熟，而且收到了很好的效果；热切割机床的数控化则起步较晚， 在发展水平上和冷加工机床还存在着一定差距，还有较深的发展潜力。 热切割数控系统目前已经实现了系统的开放化，以工业p c 为控制核心的数控系 统在工业生产上已得到了应用。然而，这些系统大多是基于d o s 开发平台的，数控 系统的功能受到了该开发平台的限制。 1 5 数控技术的发展趋势 随着社会和科学技术的发展，特别是微机和网络技术的发展，要求工业生产必 须满足高精度、高效率、高灵活性、高速、自动化、节能、环保、少或无切削的要 求。这些需求要求数控系统在未来的生产应用中，必然向着开放化、集成化、网络 化的方向发展， 1 5 1 开放化 传统的专用控制系统是控制器制造商针对特定的机床开发的，它是封闭、不兼 容和不可扩展的，很难二次开发和更新换代。而开放数控系统要求整个系统向用户 开放，向数控技术再开发人员开放，以便对系统进行维护和功能扩展。这就要求系 6 东北林业大学硕士学位论文 统有一个开放的软、硬件平台、开放的系统接口陋7 4 “，最重要是有统一的标准，这 样才能实现系统的兼容和互换。 开放式控制系统的基本特征是以通用的个人计算机( p c ) 的硬件和软件为基础 构建的。由于个人计算机的软、硬件上均有标准的规范和接口，因此计算机系统便 具有了可扩震性、可移植性、互抉性、互操作蛀和可配置性等特征j ”j 。控制器制造 商可以对系统功能任意剪裁和组配以满足不同用户的需求，也可以就一些功能模块 赋予用户再开发的权利和方便，这样就便于系统的维修和升级。 1 5 2 集成化 集成化的晟佳体现是一种全新的制造系统计算机集成制造系统( c i m s ) 。计 算机集成制造系统( c i m g ) 的基本思想是用计算机技术将制造企业中的市场分析、 经营决策、产品设计、工艺设计、质量控制、生产计划调度、乃至销售与售后服务 等各个环节集合成的一个综合优化的整体f 4 l 】【2 2 】f ”。由上述定义可以明了数控系统是 计算机集成制造系统的一个组成部分，是实现产品加工的必要环节；但由于系统集 成化的需要，数控系统还需要建立和完善相应的集成技术和标准。集成制造系统是 当前先进制造技术的重要组成部分，且系统的研究已进入了相对成熟的阶段。但目 前的系统的集成度还不是很高，各模块的信息获取和转换仍不是很理想，目前各国 学者正研究各种使系统集成度更高的技术。随着工业生产要求的不断提升，目前的 集成系统将向着更加高度集成方向的方向发展f 2 9 】【2 5 】。 5 3 网络化 随着近两年来i n t e r n e t 技术的发展，美国一些企业通过网络传播自己的先进 管理经验和信息集成技术，为美国及其它国家的企业实现这些技术提供了非常好的 示范和参考作用。由于9 0 年代信息技术的发展，如网络技术、万维两技术和分布计 算技术的发展，为创造新一代的制造思想和模式提供了空间。在数控系统中的应用 敏捷制造的信息基础结构和建筑于信息基础结构之上的网上设计制造技术是实现网 络开发的不可缺少的因素。网上设计技术的研究主要是在i n t e r n e t 两络环境下发展 先进的制造技术，使得在技术层次上能实现企业间的实时合作5 ”。网络技术的发展 使得远程控制技术迅速崛起，诸多研究机构和厂商纷纷对此投入了巨大的精力，希 望向企业数控全球联盟方向靠拢，由于县蔚的网络技术黔局限使得这一茸标在短期 内难以实现；但数控系统的网络化已是数控技术发展不可逆转的趋势。 开放式热切割机数控软件系统的研究 7 1 6 课题的提出、目的及意义 本课题研究一种基于p c 和w i n d o w s 平台的，用于火焰切割、等离子切割和激光 切割的开放式热切割数控系统。它具有全中文的人性化操作界面，可阻进行任意形 状的二维零件加工。本系统还有动态加工过程仿真、加工条件自动选定及优化等功 能。另外还具有丰富的图库，可以进入相应的控制界面调用相应的功能，实现常用 图形零件的便捷加工。该部分实现是通过相应图形的调用，进行参数的输入，并将 该参数转化为相应的g 代码，传送给主控制程序实现各图形的加工。 开放式切害杌数控系统硬件平台采用p c + 运动驱动卡，软件平台采用 w i n d o w s 9 8 n t ，开发平台采用v c + + ，替代原d o s 系统下的数控系统。这种方式下p c 机只负责常规的系统管理和维护，而具体的数控系统的核心功能，则由运动控制卡 实现直接实现。由控制卡硬件童接控制电机的动作，从而解决了w i n d o w s 平台下计 算机控制中经常碰到的实时控制问题所带来的困扰。 本系统研制成功提高了该类产品在市场上的竞争地位，本系统研制成功必然取 代现有封闭的、或d o s 平台下的数控系统，全面提野切割杌的整机性能，提高切割 机的性能价格比，增强其在市场上的竞争实力，是较为先进的热切割机数控系统。 1 7 课题来源及论文的主要研究内容 基于热切割机床数控系统的发展中存在的这些问题及我国的实际情况，结合华 崴焊切公司“开放式热切害9 数控系统”的课题对热切割加工数控系统领域进行的开 放式体系结构进行研究。 本课题的研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 分析和研究开放化的技术途径以及方法。分析热切割加工数控系统的开 放框架以及功能特性，选定开放式体系结构热切割加工数控系统豹软硬彳牛平台并研 究其开放式的系统参考模型。 ( 2 ) 研究开放式热切割加工数控系统的硬件结构。研究基于p c 机的开放式体 系结构的热切割加工数控系统的硬件构成方式。 ( 3 ) 研究开放式热切割加工数控软件的系统架构。 ( 4 ) 研究热切割加工数控系统加工控制的内部数据流程。在分析多任务和数 据流程的基础上，研究开放式热切割加工数控系统的软件结构。 ( 5 ) 初步研究c 功能的刀具半径补偿的算法及其实现。 ( 6 ) 研究数控系统的上、下位机通讯。 东j 稀业大学硬士学位论文 2 开放式数控系统参考模型 2 1 数控系统从封闭到开放 目前国际、国内使用和研究的数控系统可以分为三类：专用式、通用式和开放 式f ”1 。 在硬逻辑数控( n c ) 时期，数控系统就是一个完全专用的系统，它全部利用 硬件来实现所有的数控功能f 6 】。从7 0 年代到8 0 年代，微处理器进入了数控领域， 成为数控系统的核心。但由于当时的微处理器的性能很低，它的运算速度和处理能 力远远不能满足数控机床快速运动、实时控制的要求，因而许多数控功能还是用硬 件电路来实现，因此数控机床的控制器是个专用的计算机。为了适应专用硬件系 统，其操作系统或软件平台也是专用的。这样的专用控制系统是封闭的、不兼容的 和不可扩展的，很难二次开发和更新换代。 开放数控系统的发展是解决这一问题的有效办法。开放性就是要走开放化和标 准化驰道路，将数控系统划分为多个部分，各帮分之闺有一个接日，制定统一的标 准p 。只要符合这些标准，不同部件就可以无缝地联接在一起，组成高性能价格比 的控制系统。开放式数控系统采用模块化结构，每一模块可以独立开发、独立维护， 使之具有良好的可配置性、可伸缩性、可维护性；模块阅有相应的借口规范，保证 单独开发出的模块可以稳定、可靠地组成一个系统i “l 。由于制定相应的接口规范， 硬件模块和软件模块都具有良好的兼容性和互换性。系统中各模块相互独立，在此 平台上，系统厂、机床厂及最终用户都可很容易地把一些专用功能和其它有个性的 模块加入其中，进行系统开发设计时，允许各模块进行独立开发，为此要有方便的 支撑工具，各模块接口协议应明确，具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对 独立的功能模块通过通信实现信息交换，通过信息交换满足实时控制要求；同时使 来自不同供应商的模块之间具有相互操作性【2 7 1 。 为达到开放性，首先应对数控系统进行深入的研究，包括功能、结构、工作过 程等抽象出参考模型。然后根据参考模型制定标准，包括其组成、体系结构、接 口规范，这样集中许多厂商的力量就能生产出更高性能价格比的开放式数控系统。 2 2 p c 机与开放式数控系统 随着计算机技术的飞速发展，采用通用p c 机发展开放式数控系统，已成为数控 系统技术发展的最新潮流。在国内外，对开放式数控系统的研究是一个热点。 茎整苎垫塑型垫塑笙鏊! 主至堑塑竺銮= = ： 从目前研究来看，开放式数控系统体系结构还没有统一、明确的概念，实现技 术还处于百家争鸣的阶段。i e e e 定义开放式系统为“一个开放式系统应能使得各种 应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上；可以与其它应用系统 相互操作，并具有风格一致的用户交互界面1 3 ”。一般来说，对于开放式数控系统都 强调五个方面的性能特征1 3 3 j ： 1 、即插即用：数控功能采用模块化的结构且各模块具有即插即用的能力。 2 、可移植性：功能模块可运行于不同的控制系统内。 3 、可扩展性：功能相似、接口相同的模块之间可相互替换。 4 、可缩放性：控制系统的模块的数量与实现可根据具体的应用增减。 5 、互操作性：模块之间能相互协作，容易实现和其他自动化设备互连。 因此，一个完全开放的数控系统应该是；以分布式控制原则，采用系统、子系 统和模块分级式的控制结构f 6 卯，其构造应该是可移植的和透明的；系统的拓扑结构 和性能应是可缩放的，以便根据需要可方便实现重构、编辑，实现一个系统多种用 途。要达到开放。最重要的是要有统一的标准【1 1 1 ，系统的各个部件都要有标准。有 了统一的标准，就有兼容性，就可以实现互换。 微机中的每一部分在计算机中的位置和接口都有严格的标准，p c 是一个完全开 放的系统【4 8 】：它在软件上具有统一开放的操作系统w i n d o w s 9 8 n t , 并且可以运行大 量的不同种类的应用软件：微机在硬件上具有统一的、标准的系统结构，并允许用 户开发和扩展，具有良好的开放性。如果将数控系统的控制部分改造成微机控制， 这样不但硬件方面不需要重新开发，软件方面开发量也大大减少，并且可以很好地 支持计算机网络技术，充分利用微机的软硬件资源使系统的开发、升级和维护更加 容易 4 7 1 。采用p c 机使数控系统的开放性得到了一个质的飞跃。 开放型数控系统一般分为三种：数控专用模板嵌入p c 形成的数控系统、p c 机 与开放式可编程控制器形成的数控系统和全软件的数控系统【1 0 】f 射。 第一种是p c + n c 的形式。保持原先的数控内核不变，加入p c 前端，提供友 好的用户界面、通讯等功能。国内华中i i 型数控系统就是具有开放式系统特点的数 控专用模板嵌入p c 机结构的数控系统，该系统采用了以p c 机为硬件平台，d o s 、 w i n d o w s 操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式体系结构。这种数控系统 在p c 机上嵌入内装式p l c 单元，由光电隔离开关量输入板、光电隔离开关量输出 板及多功能板等数控专用模板。这种数控系统的控制软件，以d o s 操作系统为软件 支持环境，构造了一个具有实时多任务控制的数控软件平台，支持用户定制，用户 可以在此平台上进行修改、增删，灵活配置派生出不同c n c 控制装置，并提供了 东北林业大学硕士学位论文 一种标准风格的软件界面，是一个初步开放的软件系统。 这种形式的优点是可以保留原先封闭数控系统的功能，保护原有投资，但缺点 也是显而易见的，增加了成本( 加入了p c 机) ，n c 内核部分仍然是封闭的。 第二种形式是由p c 机来作系统的核心，将n c 控制卡插入到p c 机的标准扩 展槽中完成各种标准数控功能睁“。一般用p c 机处理非实时任务，由硬件扩展卡处 理实时任务。这种模式的优点是：控制卡可以保证实时性，而p c 机部分又提供较 好的开放性。这种系统由运动控制器以p c 硬件插件形式构成系统控制【2 “。数控上 层软件以p c 为平台，是w i n d o w s 等主流操作系统上的标准应用，并支持用户定制。 这种数控系统以美国d e l t a t a u 公司九十年代推出的p m a c n c 开放式多轴运动控制 器为代表；其它的类似产品有德国i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 、德国p a 公司的p a 8 0 0 0 、 美国o r m e cs y s t e m 公司的o r i o n 等。 第三种是由p c 机全面控制整个机床，既做实时任务处理，也做非实时任务处 理。硬件结构相对简化，数控功能多用软件来实现，采用实时操作系统。这种形式 的优点是结构简单、开放性好，缺点是对p c 机性能有很高的要求，实时处理能力 受一些影响。随着微机技术的不断发展，未来微处理器速度的大幅度提高，这种数 控系统将代替前两种形式的数控系统系统，成为数控系统的主流。 当前开放式数控系统的主流是第二种，许多c n c 厂商都有相应的产品。但是 它仍然是有限的开放，n c 核心控制部分还是相对封闭的。第三种形式是开放性最 好的种形式，它结构简单，性能价格比高，最重要的是通用的软硬件平台使它能 适应未来先进制造技术的要求。 2 3 开放式数控系统参考模型研究 2 3 1 开放式数控系统参考模型的建立原则 一般来说，开放式数控系统参考模型应遵循以下一些原则【2 7 】： 1 开放性原则：要在多个方面提供开放性特征，首先是平台开放。整个系统的 软、硬件平台都要开放。另外n c 控制核心也要提供开放接1 2 1 ，允许在其上进行二 次开发，以增强系统的功能。 2 普遍性原则：参考模型应该对开放式数控系统有普遍的指导意义。 3 模块化原则：整个系统应采用模块化的结构，各个模块间规定标准的接1 2 1 界 面，保证各个模块可独立开发，独立维护。 4 互换性原则：采用标准的软、硬件产品，使硬件系统和应用软件模块都具有 良好的互换性，从而保证最高的性能价格比和更好的开放性。 开放式热切割机数控软什系统的螂 究 i l 2 3 2 一个开放式数控系统参考模型 结合丌放式数控系统的发展趋势及丌发中的一些体会，相：这单提种较为先 进、实用的参考模型如图2 一l 所示。 圈2 - 1 开放式体系结构数控系统参考模型 由图2 一i 可以看出，这个参考模型具有分层结构同时也是模块化m 。软仆挎 铜块的最底层是操作系统层：一般应采用通用的移植性灯的垛f l j 系统，如w i n d o u s 9 8 、w i n d o w sn t 等。上一层是数控系统的应用软件层，它烃住操作系统- i + 发 来并在其中运行的控制软件，它的核心模块是总控制模块，负贞牾个系统的m 渊、 岛效运行，并统管理系统肉所有模块，该模块。i ，集。1 j 体现j 7 系统各任务绂圳| i 叽 低以及系统动作的时序。在应用软件中，代码处理模块通过定的力，刈数拎朋1 1 程序进行代删解释和预处理。以一定的精度和较为安全的方法软得4 i lj 岍的加i 数州。 得到的加工数据出刀补运算模块进行刀具半径补偿运算，以便： j i ij 川 婴水j ( 、1 0 件。在形状矿确儿加工轨迹互不干涉的情况“1 - ，_ ：_ j 补后的数据l l _ i 插补运算投块剐j 程逻辑控制模块来进行插补运算，将处理好的数据细化为底层硬件t u 识别的控i j i l 数 批。其细化后豹结果通过设备驱动程序操作棉应的硬件。 设备管理模块管理系统的设备如电机、传感器以及其它些刚心改箭。榆测 控模块对各种加了：状态、刀具状态、机床状态等进行检测、监控。过槲、逻辑控：川 模块卜要处础加i 。过程控制、顺序控制、各种) r 关鞋、机珠状念等。外部垃倾块 提供c a d c a m 按、网络接、专家系统接l j l 6 。强人的接ii 功能将f j 利j 川n 女 式数控系统和其它系统的连接和集成。最底层是机床系统硬件，f 台，他 帅【眯帆批 尔北林业人学硕十学位论文 结构、各种逻辑控制器以及电机等内容。 机系统，是操作系统和应用软件的载体， 上一层是控制器硬件1 卜台，它址个卯 一般采用工业p c 机的硬件结构。控制器 硬件平台基本配置有：硬盘驱动器、软盘驱动器、c p u 、内存、浸示器、f 建 【_ l _ l 标、光盘驱动器、网卡、声卡等。此外，为了适应数控的要求，还必硕t j 控制器和 机床硬件的接口，如数字i o 接口：为了提高系统的性能，也可以接运功控制i 、翱i 可编程控制器( p l c ) 等。 2 3 3 数控系统参考模型的特征 前面提出的丌放式数控系统参考模型由于采用分层次、模块化结构，各个模块 之恻有接口标准，只要符合这个标准，每一个模块都能被同类模块替换。该丌放式 体系结构中各模块相互独立，在此平台上，系统厂、机床厂及最终用户部可很乔劝 地把一些专用功能和其它有个性的模块加入其中。进行系统丌发设计t l - ，允许符 模块进行独立丌发，为此参考模型强调c n c 系统与外界的接口能力。，：放式c n c 系统应该提供系统内的有用信息，并提供相应的接口，因而系统支持嘲络技术的能 力是它适应未来制造系统的一个关键5 5 】【6 1 】。参考模型中的外部接口模块就提供了，。 外部交换信息的能力。该开放的体系结构也保证了系统对网络技术的支持。 参考模型也充分体现了开放性原则。参考模型采用p c 机的软戗件系统、卜f i 而p c 机的各个部件大都已经实现了标准化、模块化，可以说采用p c 使控制器蝴仆 和操作系统部分地达到最大限度的互换、可移植和透明 6 4 j 。信息技术新j 肄n 能更高的处理器的产生是必然的，而处理器生产商除了处理器的速度外最为浊睚f | ! j 便是系统的兼容性，不至于因此而失去业已存在的广大市场，因此尤i j 仑i t i 多幺：7 处理器产生c n c 系统都可以立即采用：这样就能保汪c n c 系统始终应川嫩新的| 】( 机技术。p c 机的低价格和高性能保证了数控系统的高性能价格比；w i n d o w s 操f 1 ： 统多任务机制使c n c 系统的利用率大提高，还有大量的应用软件一- j j 供f 止川? w i n d o w s 操作系统上的各种高级开发工具又使得c n c 系统的丌发难度大大降低、 丌发费用大幅度下降。 开放式热切割机数控软件系统的研究 3 切割加工数控系统的软件系统和控制原理 近年来。随着p c 机技术的迅速发展，与之原理及结构几近相同的工业p c 机的 性能得到了快速的发展，这使得工业p c 的软、硬件资源迅速丰富起来，而价格却 大幅度降低，开发基于工业p c 机的数控系统，已成为机床控制领域研究的热点。 工业p c 软、硬件资源的丰富使得数控系统的开发更加方便快捷，系统的开发 也不再受内存大小等硬件资源的限制：但这些优势目前而言均是以牺牲控制系统的 实对性为代价的，因为在多数情况下，以工业p c 目前的速度是不能兼顾或很好地 完成系统维护及实时控制这两项任务的【5 2 1 。针对以上矛盾，许多开发商采取了一种 折衷的方案，在这些方案中采用基于双c p u 的数控系统是目前较为流行的做法【2 盯。 在该种类型的数控系统中。上位机即工业p c 完成系统维护、加工代码读取、译码、 刀补、刀具位置显示等任务；下位机是一种连接于系统扩展槽内的、能够于上位机 进行实时通讯的、独立的控制微机，用于实现对系统实时加工的控制。这样，数控 系统兼顾了系统维护及实时控制两个方面，满足了数控系统的要求，也实现了数控 系统的开放化。 3 1 控制系统的组成 本课题所研究的数控热切割机系统采用上、下位机控制的形式，控制系统的组 成 圈3 - 1 控稠系统的组成 系统中，上位机的控制系统是基于p c 和w i n d o w s 平台的，实现系统的各种维 护任务并负责将加工数据传送到指定的端口或内存范围；下位机负责根据上位机的 加工数据控制电机实现实时的加工控制。在本系统中下位机采用深圳市摩信科技有 限公司开发的m c t 8 0 0 0 s 4 控制器，将数据由上位机获取后放入特定的内存空间， 下位机实时地读取该空间中的数据直接应用于电机运动的控制。 3 2 热切割加工数控系统的软件结构分析 高性能的热切割加工数控系统应具有开放化、多功能、系统化等特征。在软件 东北林业大学硕士学位论文 方面，要求有更加有效的软件设计方法，对系统中所有的硬件资源和软件资源进行 有效地管理。w i n d o w s 操作系统与原有的d o s 操作系统比较最大的特点就是有更大 的内存空间，提高了系统的处理能力和余地；另外就是多任务机制，可以使系统同 时进行多种任务的处理，这样就可以大大提高和丰富系统的性能，形成较先进的智 能化较高的控制系统【2 3 1 。 3 2 1 多任务划分 m i c r o s o f tw i n d o w s 操作系统是一个多任务的操作系统，它允许多个线程和进程 同时运行，在线程和进程的内部使用基于消息传递机制的任务管理【5 7 】【5 甜。因此，有 必要在w i n d o w s 环境下研究热切割加工数控系统的任务划分机制，以充分发挥程序 的运行效率，提高系统的性能。 任务划分要做到两点：任务本身的内敛性要强，任务之间的耦合性要剥5 引。只 有这样，才能保证系统对多任务进行更加有效的管理。数控火焰切割机的任务分为 实时任务及非实时任务两种。实时任务主要是和加工的加工控制密切相关的任务； 非实时任务主要是系统管理、维护及辅助的任务。 上位机的非实时任务有：参数输入任务、加工动态显示任务、命令输入任务、 文件服务任务、系统设置任务、系统帮助任务、故障诊断任务及输入事件处理任务。 这些任务的产生及处理是非实时的，也是随机的。这些任务的实现由w i n d o w s 系统 提供的消息映射机制得以实现。 7 上位机的实时