（机械制造及其自动化专业论文）面向网络化制造开放式数控系统的研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机技术的普遍运用和发展，智能化、网络化成为当代数控机床发 展的主要趋势。作为制造单元中重要组成部分的数控系统也在发生着深刻的变 革，正朝着开放式、网络化、智能化的方向发展。在网络化制造模式下，作为 制造业信息化基础的底层一c n c 控制系统的网络化实现就显得至关重要。除了能 实现传统数控功能外，还可实现远程监控和远程服务，能够进行异地加工信息 的采集和故障诊断，由其装备的制造设备可实现与上层企业信息层的通信，从 而极大地提高企业信息化程度，适应面向市场化的竞争要求。本文在研究开放 式数控系统的基础上，开发了一种基于串口服务的异构网，以满足不同结构和 技术层次的开放式数控的联网，为实现网络化制造提供了一种可行的低成本组 网方法。 本文首先阐述了开放式数控系统的含义、特点、功能要求及其组成形式； 其次着重研究了开放式数控系统的层次化和模块化体系结构。紧接着通过对当 前开放式数控系统组成形式的分析提出了基于p c + 运动控制器的开放式数控 系统方案，构建了基于i p c 和p m a c 运动控制器的具有双微处理器主从式结构 的开放式数控系统。该系统通过p c 的p c i 总线和d p r a m 来实现主从处理器 之间的通讯。并阐述了该系统硬件的组成、结构和系统控制核心i p c 、p m a c 和d p r a m 的特点。展示了面向网络化制造开放式数控系统的一种新方法。 针对目前企业网络制造存在的具体技术问题，提出了一种经济、可行的方 法应用于现有数控机床，使其适应网络化制造的需要。数控机床远程控制主要 解决远程计算机在数控加工时对n c 程序的上传和下送。根据机床的加工能力， 合理分配各机床的加工任务，保存机床的n c 程序。通过远程n t e 时姬t 将n c 程序正确地传输到各台机床，解决各机床的上网工作。对于通信口为r s 2 3 2 串 行口的机床，采用协议转换联网控制策略；在远程控制中，主计算机具有远程 调用功能，即数控机床可控制远端的计算机进行数控代码的发送。 关键词：开放式，网络化制造，数控系统，p m a c a b s t r a c t a b s t r a c t w mn l ec o m p u t e rt e c l l n o l o g ) rb e i n g 诵d e l y 哪e da n dd e v e l o p e d ，i n t e l l i g e n t i 跫 a n d 咖r l d n gh a v cb e c o m em 旬0 r 骶n do ft h em o d e mn cm 蛐t o o l s w 1 l i l e n cs ) r s t e m 嬲t t l ei i i l p o r t a n te l e m e n to fm 舡m f a c t m ec e ui sa l s ou n d e 理r o i n gp r o f o u n d c h a i l g e sw i l i c hd e v e l o pt o r w a r d so p e n i i l g ，i n t e l l i g e n t i z e 觚dn 确o f k i i l g t h e n t h c 玳帆m f k i i l go fc n cs y s t 眦w i l i c h 嬲n l eb 嬲e m e n to fm 眦u f a c t u r i l l g 叩p e a r sm u c h m o r es i g 面f i c a n ti nn e t 、o 幽n gm a n u | 瓠姗鹏m o d e n 0 to n l yt 0a c l l i e v e 缸a d i t i o i l a l n cf h 孙晒o i l s ，b l i ta l s o 血e yh a v ea c l l i e v e dr e i n o t cm o l l i t o r i i l ga n dl o n g d i s t 鲫 r 访c e s ，c 痢e do u tr e m o t ep r o c e s s i n gi n 南n n a t i o nc 0 1 l e c t i o n 觚df a u l td i a g n o s i s ， t l l em 纽味蛾u r i n gd e v i c e sb 硒e do ni tc 锄c o 舢n u i l i c a t e 诵t l lm eu p p e rl a y e ro ft h e e n _ t e 叩r i ，w i l i c hg r e a t l yp r o m o t ei ta p p l i c a t i o no fm ee n t e r p r i s et 0a d a p tt 0t 1 1 e m 砌喊c o m p e t i t i o n f o rs t u d y i i l gn cs y s t e m 枷s 矾c l ed e v e l o p s 趾i s o m e 血w e b b 弱e do nm es e r i a lp o r ts e r v i c e st 0m e e tm ed i 丘e r e n tc o n f i g u r a t i o n 觚dt e c l l l l i c a l l e v c lo ft 1 1 eo p e nn cn 咖o r 】kp r o v i d eap m c t i c a la n d1 0 w - c o s tm e t h o df o rn l e n e t 、) l ，o r 虹n gm a i 】删氲胤l r e 1 1 1 i sa r t i c l ef i r s t l ye x p o u i 池m em e a 芏l m g s ，c l l a r a c t e r i s t i c s ，缸1 c t i o n s 锄df o n n so f 0 p e nn cs y s t e m ；s e c o n d l y ，i tm a j i l l yi i l 们d u c e sl a y e r i i l ga i l db l o c k i i l ga r c 1 r e o f0 p e nn c s y s t e m t h e ni tp u t sf 0 m lp l a 衄o f p r o j e c t so fo p e i ln cs y s t e mb a u s e do n p c + m o t i o nc o n n d u e r 也r 。o u 曲锄a l y z i l l gc o n 蠡g u r 纰i o 璐o f m o d e m0 p 髓n cs y s t e m a n d o 玛a l l i z e so p e nn cs y s t e m 晰t l lm 硒t | e 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体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：星丛忘! 日期：噬：，：! 墨 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东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，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拯篮盘：导师签名缝日期：蛐 第一章绪论 第一章绪论 1 1课题研究的目的和意义 随着科学技术的进步，制造业发生了翻天覆地的变化，各种先进制造技术 正逐渐地应用于数控加工中。数控系统正向着开放式、网络化及智能化的方向发 展。在现代制造系统中，数控加工设备是制造系统的核心设备，是现代机械制造 系统的重要组成部分【l 】。 在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处 理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化 等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。由于 数控加工设备在制造业中的重要地位，世界上近1 0 年来，数控机床的数量增加 了1 0 倍，日本的数控机床品种已达1 3 0 0 多种，机床产值数控化率为7 0 ，有 些现代化机械加工车间，使用机床的数控化率已超过9 0 。我国是继美国、日本 之后的第三个数控机床拥有量的大国【2 j 。 随着网络技术和先进制造技术的飞速发展，作为制造单元中重要组成部分 的数控系统也在发生着深刻的变革，正朝着开放式、网络化、智能化的方向发展。 在网络化制造模式下，作为制造业信息化基础的底层删c 控制系统的网络化 实现就显得至关重要。除了能实现传统数控功能外，还可实现远程监控和远程服 务，可进行异地加工信息的采集和故障诊断，由其装备的制造设备可实现与上层 企业信息层的通信，从而极大地提高企业信息化程度，适应面向市场化的竞争要 求。 由于数控机床具有自动化程度高、加工的零件误差小、产品质量稳定、生 产效率高、便于产品的研制开发以及便于实现计算机辅助制造等特点而获得了迅 速的发展和广泛的应用。但是纵观国内数控机床的使用情况，相当一部分数控机 床的利用率还不是很高，效率还没有充分发挥，造成这种现象的原因主要是早期 数控设备都不具有网络功能，甚至没有通讯接口，一般也没有大容量存储设备。 而随着各种计算机辅助设计制造( c a d q w ) 系统的完善与发展，这些 c a d c 蝴系统越来越快的进入实际加工系统。然而数控程序、控制参数、刀具 补偿量等尚需在线手工录入，不利于c a d c 剐的一体化的实现。因此，采用 自动编程系统或c a d c 气m 系统离线生成数控程序和相应的控制参数与补偿量， 山东大学硕士学位论文 通过仿真预先验证加工程序的正确性，优化n c 加工程序，然后再利用数控机床 与计算机之间的通讯软件进行数据传输，实现并行作业，是提高数控机床使用效 率的有效方法。 对高校而言，数控加工技术是一门相对年轻、新兴的学科，同时也是一门难 于掌握的实用型科目。随着数控机床的普及应用，许多高校都拥有一定数量的数 控机床，但整体情况利用率不高，教学质量一般。要充分发挥学校设备资源，尤 其是重点精密大型设备的利用率，研究基于网络、满足现代制造过程的网络开放 式数控加工技术同样势在必行。 1 2国内外相关技术研究概述 1 2 1 开放式数控系统的现状与发展趋势 1 9 4 9 年，美国帕森斯公司在麻省理工学院的协助下试制成功了世界上第一 台数控机床以来，数控系统的硬件发展经历了几代的变化：第一代从1 9 5 2 1 9 5 9 年，采用电子元件构成的专用数控系统；第二代从1 9 5 9 年开始，采用晶体管电 路的数控系统；第三代采用中、小型集成电路的数控系统；第四代从1 9 7 0 年开 始，采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制系统；第五代从1 9 7 4 年开 始，采用微型电子计算机和微处理器组成的控制系统。 世界上许多数控系统生产厂家利用p c 机丰富的软硬件资源开发开放式体系 结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适 应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展，目前正朝标准化开放体系结 构的方向前进。 随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，人们逐渐认识到专用系统之间 的自成一体所带来的问题，迫切要求具有灵活配置、功能扩展简便、基于统一的 规范和易于实现统一管理的开放式系统。这时，创建一个强有力的开放性体系结 构己是数控系统发展的重要趋势。9 0 年代开始，一些发达国家针对所面临的开 放式数控发展的问题，以设计生产开放式数控系统作为目标，相继推出了各自的 开放式体系结构规范，这其中有美国的n g c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计 划，日本的o s e c 计划等。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n c 虻计 划分别发表了相应的研究内容，如在美国海军支持下，美国国际标准研究院提出 了e m c ( 增强型机床控制器) ；由美国通用、福特和克莱伊斯勒三大汽车公司提 出和研制了“o m a c ( o p 既m o d u l 甜a r c l l i t e c n 鹏c o n n d l l e r ) 一开放模式体系结 构控制器 。现今，国外c n c 开发商都在积极研制上述的开放式机床数控系统 被称为第六代数控系统嘞。 2 第一章绪论 我国的数控技术经过“六五 、“七五一、“八五 到现在“九五 的近2 0 年 的发展，基本上掌握了关键技术，初步形成了自己的数控产业。从1 9 9 0 年至2 0 0 0 年上半年，国家经贸委、原国家机械工业局等行业主管部门针对国际数控技术的 发展形势做了多方调研，最后决定由在国内数控领域和信息产业领域具有代表性 的多家企业组成联合团队，进行“新一代开放式数控系统平台 项目的开发，开 发新一代开放式数控系统平台，从而实现我国数控技术的跳跃式发展。我国的数 控技术在“八五一攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目标，以平台为基 础的发展战略，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华中i 型 和中华i 型是将数控专用模板嵌入通用p c 机构成的单机数控系统，航天i 型和 蓝天i 型是将p c 机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型的前后台型 结构。其中，华中数控系统有限公司的华中2 0 0 0 型高性能数控系统是面向2 1 世纪的新一代数控系统。华中2 0 0 0 型数控系统( 删c 2 0 0 0 ) 是在华中i 型 ( 删c 1 ) 高性能数控系统的基础上开发的开放式数控系统。该系统采用通用工 业p c 机，具有多轴多通道控制能力和内装式p l c 可与多种伺服驱动单元配套 使用。具有开放性好、结构紧凑、集成度高、可靠性好、性能价格比高、操作维 护方便的优点1 4 j 。 开放性数控是数控技术发展的必然趋势，开放式数控系统正朝着如下几个方 向发展： ( 1 ) 高速、高效、高精度 机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提 高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速 加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。 随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料 及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精 密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。 ( 2 ) 智能化 随着人工智能在计算机领域的应用不断深入，数控系统的智能化程度将不断 提高。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面： 为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动 生成； 为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的 自适应运算、自动识别负载自动选定模型等； 简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化自动编程，智能化人机界面 等； 3 山东大学硕士学位论文 智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。 ( 3 ) 信息化与网络化 未来的、进一步开放的数控系统将成为加工数据中心，它们从机床采集加工 数据，并实时地提供给整个企业的信息系统使用。管理人员能够获取生产过程中 的大量实时信息，从而即时地做出正确的决策，可以大大提高生产率，并节省成 本。美国公司的就是这样种完全基于软件的数控系统，它可以跟踪机床的工作 循环，包括转向时间和装卸载停机时间等，一旦某个环节出现问题，可以立刻做 出针对性的调整，不用等到事后再来分析信息，查找原因并采取措施。开放结构 的新一代p c - n c 由于采用了标准化的软件和硬件，它还可以从外部获取各种信 息，直至接受控制【5 】。 近年来随着计算机网络技术的飞速发展，网络化制造己经成为现代制造业发 展的必然趋势，因此数控系统的网络化也已成为第六代开放式数控系统应具备的 重要特征之一。未来的车间的概念将不再是“有许多带计算机的机床”而是“由许 多计算机构成的网络，上面挂着各种各样的机床”。工作人员和管理人员可以在 远程甚至在家里通过网络连到本地的局域网上，实时地监视每台机床的工作状 态，并做出变更和调整，加工程序和开发工具软件都放在服务器上，通过一台计 算机，每个人都可以调用这些软件，并控制每一台机床。当增加一台新机床时， 只需用一根网线将其接入网络，需要时可在对它进行控制的计算机上安装驱动程 序，计算机就会自动地识别这台新设备。从而机床就成为即插即用的计算机外部 设备，就象网络共享打印机一样。 1 2 2 网络制造技术的现状与发展趋势 近年来，随着经济全球化、信息和服务网络化，传统的组织结构相对固定、 制造资源相对集中、以区域性经济环境为主导、以面向产品为特征的制造模式已 与之不相适应，需要建立一种市场驱动的、具有快速响应机制的制造模式。在这 种趋势下，网络化制造的研究、开发和应用得到了广泛的重视，发展速度非常迅 速，并取得了丰富的成果。同时，只有了解网络化制造发展现状，才能进一步深 入研究网络化制造技术及其趋势问题，从而为以后开展网络化制造模式及相关理 论方法的研究奠定了理论基础。 国内外对网络制造的研究都非常重视。2 0 世纪9 0 年代初，美国里海大学发 表报告美国2 1 世纪制造企业战略，提出敏捷制造和虚拟企业的新概念。概念 一经提出立刻得到广泛关注，相关研究很多，其中网络化制造模式在企业中得到 了越来越广泛的应用。所谓网络化制造是指通过采用先进的网络技术、制造技术 及其其它相关技术，构建面向企业特定需求的基于网络的制造系统，并在系统的 4 第一章绪论 支持下，突破空间对企业生产经营范围和方式的约束，开展覆盖产品整个生命周 期全部或部分环节的企业业务活动( 如产品设计、制造、销售、采购、管理等) ， 实现企业间的协同和各种社会资源的共享与集成，高速度、高质量、低成本地为 市场提供所需的产品和服务。迄今为止，国内外许多专家、学者、企业应用人员 在网络化制造方面已经开展了大量的研究和应用实践工作。德国p r o d u h i o n 2 0 0 0 框架方案旨在建立一个全球化的产品设计与制造资源信息服务网；欧洲联盟公布 的“第五框架计划已将虚拟网络企业列入研究主体，其目标是为联盟内各个国 家的企业提供资源服务和共享的统一基础平台，在此基础上公布的“第六框架计 划 的一个主要目标是进一步研究利用m 舶e t 技术改善联盟内各个分散实体之 间的集成和协作机制。国内方面，华中科技大学的杨叔子院士阐述了网络经济时 代制造环境的变化与特点，指出了网络化制造模式的必然性，研究基于a g e n t 的网络化制造模式及基于利益驱动的动态重组机制。重庆大学的刘飞教授对网络 化制造的定义、内涵特征进行了描述，并归纳出了支撑网络化制造的技术体系； 浙江大学的祁国宁和顾新建教授则分析了网络化制造的几种发展途径并指出了 网络化制造模式在2 l 世纪制造业中的重要地位；贵州工业大学的谢庆生教授提 出了基于as p 模式的网络化制造系统结构，并针对我国发展网络化制造的实际 着重讨论了基于a s p 模式网络化制造的发展策略1 6 】。 网络制造是制造业自动化的重要组成模式。网络制造是基于b l t e m e t i n 仃a n e t 发展起来的，现在已成为制造业重要的发展趋势，包括几个方面：制造环境内部 的网络化，实现制造过程的集成；制造环境与整个制造企业的网络化，实现制造 环境与企业中工程设计、管理信息系统等各子系统的集成；企业与企业间的网络 化，实现企业间的资源共享、组合与优化利用；通过网络，实现异地制造。现在， 单元系统的研究占有很重要的位置，制造过程的计划和调度研究十分活跃，但实 用化的成果不多，制造系统的系统技术和集成技术已成为网络制造研究中的热点 问题。网络制造与并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟制造、绿色制造等现代 制造模式的提出和研究推动了制造自动化技术研究和应用的发展，以适应现代制 造模式应用的需要。 制造的网络化和全球化是基于h l t e m e t i n 仃强e t 的制造，已成为重要的发展趋 势。网络制造主要是产品制造网络，制造企业最终产出的是现实的产品。制造高 科技、高附加值的产品，就需要利用网络联盟充分发挥稀贵设备的加工能力，合 理利用社会资源。通过网络，企业能迅速响应顾客的要求，响应市场信息，最大 化的发挥企业的效能【7 】。 5 山东大学硕士学位论文 1 2 3 网络化开放式数控系统关键技术一d n c 的现状与发展趋势 1 2 3 1d n c 技术现状 1 9 7 4 年美国与日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统，从而使 数控系统进入第五代微型机数控系统，简称m n c 。随着d i n c 技术的发展，d n c 技术的内涵已发生了根本性的改变，d n c 的含义由简单的直接数字控制发展到 分布式数控。它是车间自动化的重要组成形式，是现代自动化制造系统的一种车 间运行模式，是实现f m s 和c i m s 的基础。现在意义上的d n c 系统除了具备传 统d n c 系统所具有的直接控制和管理若干台数控设备的功能外，它的另一任务 是将管理系统和执行系统相联，实现物料输送、物料储存、工件加工和装配活动 的集成，通过数据采集系统获得这些活动的反馈信息，并对反馈信息进行集中处 理。 七十年代以后，随着c n c 技术的不断发展，数控系统的存贮容量和计算速 度都大为提高，e i n c 的含义由简单的直接数字控制发展到分布式数字控制。它 不但具有直接数字控制的所有功能，而且具有系统信息收集、系统状态监视以及 系统控制等功能。 八十年代以后，随着计算机技术、通讯技术和c 订s 技术的发展，研呵c 的 内涵和功能不断扩大，与六、七十年代的d n c 相比已有很大区别，它开始着眼 于车间的信息集成，针对车间的生产计划，技术准备，加工操作等基本作业进行 集中监控与分散控制，把生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息 相互交换。而对物流等系统可以在条件成熟时再扩充，既适用于现有的生产环境， 提高生产率，又节省了成本。 1 ) d n c 通讯接口 d n c 接口的通讯功能主要有三种：下传n c 程序；上传n c 程序；系统状 态采集和远程控制。只具备第一种功能的叫基本d n c ；具备前两种功能的叫狭 义d n c ；三种功能均有的叫广义d n c 。最早期的d n c 用d n c 主机取代纸带阅 读机，因而只有下传n c 程序这一种功能；八、九十年代生产的数控系统绝大多 数配有r s 2 3 2 c 通讯接口，这类数控系统可实现上、下传n c 程序这两种功能； 九十年代生产的数控系统很多都带有专门的d n c 接口电路板，能实现上述三种 功能，如f a m7 c 0 、f a m 7 c 1 5 、f a 7 c 1 8 等系统，有的系统甚至配有m a p 3 o 等网络接口。 国外各大数控公司都非常重视专用d n c 通讯接口软硬件的研究。如日本的 f a 孙7 c 公司研究了两种接口：d n c l 和d n c 2 。d n c l 采用专用控制计算机， 6 第一章绪论 同步方式传输，具有很高的传输速率，可完全实现实时控制；d n c 2 采用通用计 算机，异步方式传输，速度稍低些。d n c l 和e i n c 2 均为一块标准的插件板，直 接插入数控系统的总线插槽，再借助专用通讯软件即可实现广义d n c 功能， d n c 2 有近4 0 项具体功能。美国各大数控公司更是纷纷推出了各种d n c 接口产 品，如r e m 匝xd n c 、r y b e t tc a m s h a r ed n c 以及s h o p l i n kd n c 等。 国内关于d n c 接口技术的研究更为活跃。由于国内还存在大量早期进口的 f a m ，c 6 m 、f a m 7 c 7 m 、s i l l 哪e 放8 5 0 等不具有广义d n c 功能的数控系统，因 而只能在原有数控系统的基础上进行改造。 2 ) 常见的d n c 结构形式 接口配置为穿孔机输入接口。 接口配置为纸带阅读机输入接口。 接口配置为r s 2 3 2 c 接口。八、九十年代的数控系统大多具有i 峪2 3 2 c 串 行通讯接口，这种d n c 结构直接把数控系统的r s 2 3 2 c 串行通讯口和d n c 主机 的r s 2 3 2 c 串行通讯口相连，从而实现n c 程序的下传和上传。这种结构在不需 要远程控制和状态采集的场合应用较多。 接口配置为网络接口。少数进口的高档数控系统具有接口，这种d n c 结 构通过直接在d n c 主机和数控系统中插上相应的m a p 3 o 等网络通讯接口卡并 运行相应的软件就可实现数控系统的局域网连接方式和数控系统所带的各种 d n c 功能【引。 1 2 3 2d n c 发展趋势 随着先进制造技术及相关技术的应用和发展，当前d n c 技术的研究主要呈 现出如下发展趋势： 研究重点从通信技术向生产管理软件技术转移 世界各国数控系统制造商正在积极寻找一条解决通信协议标准化问题的途 径或研究开发平台产品，纷纷投资研制d n c 通信接口，提供符合m a p 标准的 d i n c 网络选件及通信软件。其关键技术主要为了提高n c 机床利用率，提高整 个d n c 系统的柔性，提高可靠性。 协议的实现从智能硬件技术向软插件技术转移 以软件为主要技术手段，基于微机平台来实现异构系统的集成化管理。在 d n c 集成技术的研究中，以软插件技术做为指导，研制包括各种不同的数控系 统通讯协议的软插件库，从而完成异构数控系统的集成。 柔性制造技术的大量移植 国内外资料表明，d n c 集成化生产管理系统的研究，大都针对具体对象， 7 山东大学硕士学位论文 与数控机床的构成及工艺计划相关性较大。随f m s 、c 口s 等技术的发展，许多 f m s 、c i m s 生产管理方面的大量研究成果及实用经验应用于d n c 集成系统之 中，促进了d n c 技术的发展。 高速化数据通信技术的发展及现场总线的大量应用 高速数据通信及现场总线大量应用与d n c 系统，大大提高数据传输的速率 和可靠性，从而提高d n c 系统的可靠性和开放性。 1 3课题主要研究内容 针对开放式数控系统和网络化制造技术研究现状，本课题主要在如下三个方 面展开研究： 1 ) 开放式数控系统硬件结构的研究 首先阐述了开放式数控系统的含义、特点、功能要求及其组成形式；其次着 重研究了开放式数控系统的层次化和模块化体系结构。紧接着通过对当前开放式 数控系统组成形式的分析提出了基于p c + 运动控制器的开放式数控系统方案， 构建了基于i p c 和p m a c ( p r 0 鲫姗瞰a b l em l l l t i a x i sc o n 臼的l l 哪运动控制器的具有 双微处理器主从式结构的开放式数控系统。该系统通过口c 的p c i 总线和 d p ra m 来实现主从处理器之间的通讯。并阐述了该系统硬件的组成、结构和系 统控制核心口c 、p m a c 和d p r a m 的特点。具体分析了以p c + p m a c 为控制 核心的系统软件功能，展示了面向网络化制造开放式数控系统的一些思路。 2 ) 开放式数控系统网络化实现方法研究 针对目前企业网络制造存在的具体技术问题，提出了“面向网络化制造开放 式数控系统”。介绍了以一种经济和可行的方法应用于现有数控机床，使其适应 网络化制造的需要。数控机床远程控制主要解决远程计算机在数控加工时对n c 程序的上传和下送。根据机床的加工能力，合理分配各机床的加工任务，保存机 床的n c 程序。通过远程矾t e 对咂t 将n c 程序正确地传输到各台机床，解决 各机床的上网工作。对于通信口为r s 2 3 2 串行口的机床，采用协议转换联网控 制策略；在远程控制中，主计算机具有远程调用功能，即数控机床可“控制”远端 的计算机进行数控代码的发送。 3 ) 为了验证本文提出的面向网络化制造的开放式数控系统的可行性和可实 现性，设计了一套开放式数控试验平台，并对试验平台的软件系统进行了开发。 8 第二章开放式数控系统硬件结构 第二章开放式数控系统硬件结构 当今数控系统一方面朝着智能化、集成化和网络化发展，另一方面朝着高级 化、复杂化和个性化方向发展。为此，数控机床要求能实现接口通讯开放化、机 床结构模块化、控制功能专门化和操作系统个性化，从而开放式网络化数控系统 便成了数控系统的发展趋势和研究热点。 模块化开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。本节提出的以p m a c 运 动控制器作为c i n c 模块，工业控制机为系统支撑单元的双c p u 数控系统可以进 行人机接口和非实时控制部件的定制和参数化以及实时控制部件的参数化，实现 了具有更高程度的开放性。该数控系统已应用于南京四开s k y 系列铣床数控系 统的开发上，并取得了一定的效果。 2 1 开放式数控系统硬件方案设计 2 1 1 开放式数控系统硬件构成方案及特点 随着计算机技术的发展，p c 以其良好的开放性成为开放式控制系统的基础， 数控系统p c 化己成为必然的趋势。基于p c 的开放式数控系统主要有三种： p c 嵌入n c 型：该类型将p c 作为专用控制器的前端接口，把p c 嵌入到 n c 内部，使传统的专用c n c 带有个人计算机的特点，n c 与p c 之间用专用的 总线连接。该系统的c n c 作用没有改变，进行实时插补，伺服控制、电源控制 以及加i 控制等一些实时控制；p c 执行前端管理等非实时性任务，如人机界面、 存储和通讯等。系统尽管它也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分仍然是传 统的数控系统，其体系结构还是不开放的，不能实现n c 内核的开放。 n c 嵌入p c 型：以p c 机作为系统的核心，把运动控制卡插入到p c 机的 扩展槽中完成数控系统的功能，软件的通用性好，一般p c 机处理各种非实时任 务，运动控制卡处理实时任务。优点是可运行用户自定义的软件、成本低、界面 比传统的c n c 友好等。 软件( s o f t ) 型：c n c 功能全部由应用软件来实现，而硬件部分仅是计算 机与伺服驱动和外部1 o 之间的标准化接口，具有最好的开放性，能实现n c 内 核的开放、用户界面的开放。但系统的实时性要求处理比较困难，系统开发难度 9 山东大学硕士学位论文 大。 我们设计方案控制系统采用高性能工业计算机( d c ) + 运动控制卡构成开放 式的平台。运动控制卡实现运动轴的实时控制，检测卡完成各种工件测量信息的 采集，伙) 卡完成各种开关量信号的输入输出。软件基于啪o w s 系统，设 计成通用性较高的可编程控制方式，使整套控制系统软、硬件具有较强开放性。 该方案的特点： 该方案硬件结构简单，因而系统硬件可靠性高，由于控制和测量信息在系统 内部传递，系统数据传递实时性高，系统总体性能较好。而且系统所有资源共用 一个口c 平台，因而系统硬件扩充方便。软件设计基于w d o w s 平台开发， 可以充分利用各种软件资源和开发工具，系统软件设计周期短，很容易实现模块 化结构，功能扩充很方便。 该方案的一个重要优点是软、硬件具有开放性，数控核心( n c k ) 与硬件驱动 程序留有标准的接口。当修改硬件时，只需修改硬件驱动程序，而且许多硬件供 应商在提供硬件的同时也提供相应的驱动程序，使得系统升级和修改工作量大大 减少，提高了系统开发效率。 2 1 2 方案比较和拟采用的方案 几种方案比较起来，我们采用的方案具有如下优点： ( 1 ) 系统硬件结构简单，可靠性高。 运动控制器完成实时控制，工业计算机完成系统管理等非实时性任务，实现 系统资源的有效合理分配，信息传递快。 ( 2 ) 有良好的适应性和扩展性。 系统采用开放式的体系结构，不但能够根据用户的需要进行系统配置，而且 用户在自身需求发生变化时，利用开放的应用程序接口可方便进行功能扩展。方 案一所采用的软件结构决定了功能扩展很不方便，不适应开放式数控的发展。 ( 3 ) 系统控制灵活性好。 系统在不修改任何控制程序的情况下，通过选择不同的控制模式可以控制不 同类型的电机。 基于以上分析，我们采用工业控制计算机+ 运动控制卡构建开放式数控系统 实验平台。 2 2开放式数控系统硬件平台构建 l o 开放式数控的功能要求都是配置灵活、功能扩展简便、基于统一的规范和易 第二章开放式数控系统硬件结构 于实现统一的管理，从结构形式来看，n c 嵌入p c 型的开放式数控系统，由于 既可以充分利用飞速发展的计算机技术，又可以利用运动控制器的稳定性能，具 有很强的灵活性；而且由于可以充分利用计算机的软硬件资源，因而可以实现更 加友好的人机界面，所以是一种比较合适的结构形式。我们设计的系统也是采用 这种结构形式：以p c 为硬件平台，将p m a c ( p r 0 蓼雒姐a b l em u l t i - a 菌s c o n 昀l l e r ) 运动控制器插入口c 的总线插槽中，通过接口连接伺服单元和i o 单元，从而达 到控制机床的目的。i p c 与p m a c 采取总线的通讯方式，或者使用双口 r a m ( d p r a m ) 进行通讯。其结构简图如图2 1 所示。p m a c 与上位机( p c ) 两部 分是各自独立的，p m a c 以口c 为软硬件平台，进行如插补、位置控制等实时 控制；p c 机完成诸如初始化、代码编辑、参数管理等非实时性任务。 2 2 1 系统硬件平台 图2 1 系统结构图 系统硬件平台采用的这种结构，使得数控系统具有前端口c 机的柔性，而且 利用p 枷c 运动控制器的工业可靠性和它的成熟、稳定的数控可编程能力，还 可以实现对系统核心的部分定制，大大降低了开发难度。 2 2 1 1 运动控制器选型 p m a c 是美国d e l t at a u 公司推出的基于d s p 的可编程多轴运动控制器，是 世界上功能最强的运动控制器之一。p m a c 具有响应速度快、精度高、开发周期 短、编程和操作简单的特点，发达国家广泛运用于机器人、数控机床等多轴控制 的高精度伺服装置上。它借助于m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理器， 可以同时操纵1 8 个轴。它能够对存储在它内部的程序进行单独的运算，执行运 山东大学硕士学位论文 动程序、p l c 程序、进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主计算机进行 通讯。而且它还可以自动对任务进行优先等级判断，从而进行实时的多任务处理， 这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻主机和编程器的负担，提高了 整个控制系统的运行速度和控制精度。 基于以上分析，选用p m a c 多轴运动控制器作为控制系统的运动控制器。 2 2 1 2lp c 机选型 工业控制计算机简称工控机，是计算机技术与自动控制技术结合的产物。是 指能在工业环境中可靠运行，能和工业对象的传感器、执行机构直接接口、完成 测控( 包括管理) 任务的微型计算机系统。它可以用于生产现场，完成生产过程 的实时数据采集、实时处理及实时控制任务。也可以作为机械设备的一个有机组 成部分，完成机械设备的控制任务。与信息处理计算机相比，不仅具有p c 机性 能稳定，运算速度快等优点，工控机具还具有高可靠性和环境适应性强主要特点。 由于实验装置主要是应用于工业环境，因此实验装置的p c 机选用研华的工 业控制计算机。 2 2 2p m a c 运动控制器 p m a c 运动控制器是当今世界上功能特别强的运动控制器。它首先全面开发 d s p ( d i 西t a ls i 盟a lp r o c e 跖o r ) 数字信号处理器技术的强大功能。它是一块八轴接 口卡，不仅可以独立运行，也可以插入计算机插槽中运行。其输出由d s p g a t e 门阵列控制，可以并行输出，所以可以实现八轴同时联动。它由各种插槽组成， 其中，j s 为4 轴接线插槽，可控制4 个电机及连接4 个编码器输入，也可接d a 输出；j 1 为显示器插槽，可接显示器；为控制板插槽，可外接一个控制板；j 3 为手轮接入插槽，可接入脉冲发生器；j 4 为r s 2 3 2 瓜s - 4 2 2 接入插槽，可与计算 机进行串行通信；j 5 为加接入插槽，可接入输入输出变量；j 7 同j 8 ，其功能 为另外4 根轴接线插槽；j s 为1 6 位加输入接口插槽，j 6 为扩展输入插槽。 2 2 2 1p m a c 功能 ( 1 ) 具有单独的c p u 使用m 0 t o r 0 1 a 的d s p 5 6 0 0 2 数字信号处理器作为c p u ，主频4 0 m h z 利用d s p 的强大运算功能实现1 8 轴多轴实时伺服控制，既可以安装在p c 机p c i 插槽中， p m a c 的c p u 与主机的c p u 构成了双微处理器结构，也可以完全脱机运行，单 1 2 第二章开放式数控系统硬件结构 独执行存储于控制器内部的运动程序和p l c 程序。 ( 2 ) 具有开放式结构 p m a c 是基于工业p c 和w i n d 0 、椭操作系统，它提供全新的高性能技术和 啪o w s 平台；可控制各类电机一步进电机，交、直流伺服电机，线形电机， 液压伺服电机；可接受各类反馈增量绝对码盘，光栅尺，激光干涉仪，电位计， 磁滞伸缩传感器，旋转变压