（计算机软件与理论专业论文）基于windows的open+cnc技术在制码控制系统中的应用.pdf

茎士婴塑! 鉴鲤q 2 望曼坚里丛查塑堕塑丝基垄堑! 塑鳖型墨丝! 塑茎垄堡旦 摘要 本文详细介绍了基于w i n d o w s 平台下运用开放式数控技术的制码控制系统 的设计与实现。 首先，分析国内外数控技术的发展现状及趋势，未来的数控系统将向高速 化、高精度化、智能化、p c 化、网络化及开放式方向发展。本文再结合数控技 术的发展所需，根据课题的软件和硬件环境的现状，将整个系统分为硬件和软 件两部分来进行设计开发。 硬件部分的设计主要是能使现有的硬件设备( p c 机、制码机、驱动器、p c i 光电隔离卡) 能很好的配合运作加工，其中还需要设计针对p c i 光电隔离卡进 行改造的方法。 软件部分的设计，根据对当今国际上数控领域最具有影响力的三种计划 ( o m a c 、o s e c 和o s a c a ) 进行比较分析，以最为适合的o m a c 结构模型 作为开放式制码控制系统软件结构的基础，建立自己的软件结构模型，并在此 基础上实现该系统。在系统的实现过程中，对系统中一些关键技术展开了深入 分析与研究，具体有以下几点： 数据处理方面，采用了一种最佳的数据处理方法，即节省了内存资源 又提高了运行速度，有效的提高了制码加工的效率。 实时控制方面，在不增加其他硬件的基础上，通过分析比较w i n d o w s 下各种实时控制方法的运行效果，采用了w d m 技术对系统内核对象 进行操作的方法，能达到较高的精度要求。 多线程实现方面，整个系统采用主线程、用户管理线程、数据管理线 程、编译线程、制码加工线程和延时控制线程这六个线程，利用线程 问的同步与协调，来完成制码控n ) j n w 过程。 整个开放式制码控制系统经过调试，已投入到生产实践中进行检验，效果 良好。 关键字：制码控制系统，数控系统，实时控制，p c i 光电隔离卡， 数据处理，多线程 薹王婴鲤! 竖塑q 塑竺! 鉴堇查塑堕壅垦基查堡! 塑堡劁薹筮塑堑丛堕旦 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e sh o wt od e s i g na n di m p l e m e n tt h em a k e m a r kc o n t r o ls y s t e m u s i n gt h eo p e nc n ct e c h n o l o g i e sb a s e d0 1 0w i n d o w sp l a t f o r m f i r s t l y , t h i st h e s i sa n a l y z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n to fn u m e r i c a l c o n t r o lt e c h n o l o g i e sa th o m ea n da b r o a d t h ec n cs y s t e mw i l lb eh i g h s p e e d 、 u l t r a - p r e c i s i o n b a s e do np c 、n e t w o r k e da n do p e n - a r c h i t e c t u r ei nt h ef u t u r e c o n s i d e r i n gt h en e e do ft h ec n ct e c h n o l o g i e s d e v e l o p m e n ta n dt h ea c t u a l i t yo f h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es u b j e c t ，t h i st h e s i sd i v i d e st h es y s t e mi n t oh a r d w a r e p a r ta n ds o f t w a r ep a r tf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h es y s t e m t h em a i ng o a lo fh a r d w a r ep a r td e s i g n i n gi st om a k et h em o s to ft h ee x i s t i n g h a r d w a r ed e v i c e s ( s u c ha s ：p c s ，m a k e m a r km a c h i n e s ，d r i v e r s ，p c ip h o t o e l e c t r i c i s o l a t e dc a r d ) i nt h en e ws y s t e m h e r e ，t h es p e c i a lm e t h o dw i l lb ed e s i g n e df o rt h e a l t e r a t i o n so f p c ip h o t o e l e c t r i ci s o l a t e dc a r d c o n c e r n i n gt h ed e s i g no fs o f t w a r ep a r t ，a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so f t h r e em o s ti m p o r t a n tt y p i c a ls t r u c t u r e s ( o m a c 、o s e ca n do s a c a ) i nt h e i n t e r n a t i o n a ln cf i e l dt o d a y , b a s e do nt h eo m a cm o d e l ，t h eo p e nm a k e - m a r k c o n t r o ls y s t e mc o n s t r u c t si t so v d ns o f t w a r em o d e la n da c h i e v e st h i ss y s t e m i nt h e p r o c e s so ft h es y s t e mi m p l e m e n t a t i o n ，s o l l ek e yt e c h n i c a li s s u e si nt h i ss y s t e ma r e d e e p l ya n a l y z e da n dr e s e a r c h e d t h em a i na c h i e v e m e n t sa r em a d eb e l o w ： i nt h ed a t ap r o c e s s i n g t h i ss y s t e mu s e sa l lo p t i m u mm e t h o d t h i sm e t h o d c a ns a v em e m o r yr e s o u r c e sa n ds p e e du pt h ep r o c e s s i n g ，t h e r e f o r e ，i t i m p r o v e st h ee f f i c i e n c yo f m a k i n g m a r k i nt e r m so ft h er e a l - t i m ec o n t r 0 1 u n d e rt h eb a s eo fn o tu s i n go t h e rh a r d w a r e a n da n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h er u n n i n ge f f e c to fv a r i o u sm e t h o d sf o r r e a l - t i m ec o n t r o li nt h ew i n d o w sp l a t f o m l ，t h i ss y s t e ma p p l i e sw d m t e c h n o l o g i e sw i t ht h ew i n d o w sk e m e l ，w h i c hc a l la c h i e v et h eh i g hp r e c i s i o n m a c h i n i n g i nt e r m so ft h em u l t i t h r e a d ，t h i ss y s t e mh a ss i xt h r e a d s ，w h i c ha r ei n a i n t h r e a d 、u s e rm a n a g e m e n tt h r e a d 、d a t am a n a g e m e n tt h r e a d 、c o m p i l i n gt h r e a d 、 m a k i n g m a r kt h r e a da n dd e l a yc o n t r o lt h r e a d t h r o u g ht h es y n c h r o n i z a t i o n m a dc o o r d i n a t i o na m o n gt h e s et h r e a d s ，t h ep r o c e s so fm a k i n g m a r ki s a c h i e v e d t h eo p e nm a k e m a r kc o n t r o ls y s t e mh a sb e e nt e s t e dm a dc h e c k e di nt h ep r o d u c t i o n p r a c t i c e t h er e s u l tw a ss a t i s f a c t o r y w r i t t e nb y ：l ex i a o y a n ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db y ：p r o f z h o us h a o m e i k e yw o r d s ：m a k e - m a r k c o n t r o l s y s t e m ，n cs y s t e m ，r e a l - t i m ec o n t r o l ， m u l t i - t h r e a d ，d a t ap r o c e s s i n g ，p c ip h o t o e l g c t r i ci s o l a t e dc a r d i i 独创性声明 y 9 2 9 0 0 8 _ 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南暑土学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：永尽柱签字日期：辞由尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南暑土学有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南暑文学可以将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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：罨七缸导师签名：f 盈c 衫穆 签字日期：知名年妇f 日签字日期：沙f 年多月7e l 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址 电话： 邮编： 茎幽趔! ! ! 笪q 竺竺型竺垫查塑堕壅垄基垄鱼! 里鳖型薹堑生塑墅蕉窒旦 第一章绪论 数控技术( 即：数字控制技术n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) ，是一种将控制信息做数字化 处理后通过驱动单元对机械运动和工作过程进行自动化控制的技术，使用数控技 术的控制系统就称为数控系统。数控系统是一套集多学科优势于一身的综合系统， 它涵盖了软件技术、信息处理力工传输技术、自动控制技术、伺服驱动技术、 传感器技术等。自上世纪五十年代问世以来，随着上述技术的不断发展，数控系 统也不断的更新换代，逐步形成了基于p c 机的开放式智能化数控系统。与以前 的数控系统相比，它的功能更强大、效率更高，它真正使数控技术获得了广泛的 应用。因此，基于p c 机的开放式智能化数控技术在各个方面的研究与应用也越 来越受到重视。 1 1 数控技术的发展历程及发展方向 纵观数控技术的发展历史，可知数控技术的发展是逐步跟踪电子技术、计算 机技术及信息技术的发展而不断发展的。经过至今5 0 多年的发展，主要经历了硬 件数控( n c ) 、专用微处理器数控、嵌入式计算机数控和基于p c 的开放式智能 化数控四个阶段口3 1 。 前三个阶段的数控技术都存在着许多的局限性：功能都比较专一，体系结构 不够开放，用户不能自主地根据需要对数控系统进行裁剪，没有扩展性，设备和 系统不易更新升级。而基于p c 的开放式智能化数控技术，具有良好的开放性和 可扩展性，技术进步快，更新升级容易，用户可以根据自身的需求不断扩展功能， 性能和效率都有显著提高。 所以数控技术未来发展方向主要有口。5 j ： 向高速化和高精度化发展，高速化发展可以提高数控加工的效率，高精度 化的发展则能提高数控加工的质量，这两者是数控技术要求的主体，必然也是数 控技术未来发展的方向。 向开放式发展，在实现系统构成要素模块化的同时，要通过这些要素之间 的标准化，能够将由不同买方提供的要素自由地结合起来，从而能方便地构成完 善的系统。 向智能化发展，即具有拟人智能特征，在数控系统中具有模拟、延伸、扩 基于w i n d o w s 的o p e n c n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 展的智能行为的知识处理活动。 向p c 化发展，具有友好的人机界面，使用普及，为数控系统的标准化、 模块化和开放化奠定了硬件基础，也大大提高数控系统的可扩展性、可维护性和 易用性等。 向网络化发展，极大的满足数控生产线、数控系统、数控厂商和用户对信 息集成的需求，也是实现新的数控模式、远程控制等发展的基础单元。 1 2 国内外开放式数控系统的发展概况及研究动态 1 2 1国外开放式数控系统的发展概况及研究动态 由于传统c n c 系统逐渐显示出其弱点：专用性强、通用性差，软件为系统 制造商所有，不便于功能扩展和各种软件的支撑、更新升级，软件移植性差，组 网通讯能力差，对机床制造商和用户的专业水平要求较高等，人们提出了开放式 数控系统的概念，到现在还没形成统一的规范，但普遍赞同的观点是：开放式数 控系统是模块化、丌放型的系统，其核心是建立一种向数控系统的第三方硬件软 件开发商、机械制造商和最终用户都开放的体系结构和标准，使数控系统不依赖 特定厂家，达到可互连、互操作、可重组、可扩展和易维护的目的【6 】。开放式数 控系统能够兼容市场上提供的各种硬件和软件资源；能够根据用户的要求通过增 加或减少模块来增减系统的功能；能够实现和其他应用系统的通讯和协调工作。 同时，制造业对控制系统的要求越来越高，其需求内容越来越新，而需求内 容的变化越来越快，应对这样的变化趋势，开放式结构的出现将是必然的结果， 而由此带来的标准化之争日益激烈。欧美及日本各国都相继对开放式数控系统进 行研究并成立了开放式数控的研究机构，出台了各自的开放式体系结构规范。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“下一代工作 站机床控制器n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r 0 1 ) ”计划， 1 9 9 0 年美国国防部启动了o a s y s 项目来作为n g c 的后续工作，1 9 9 4 年，提出 了o m a c 开发计划。1 9 9 2 欧盟的o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) _ 划。1 9 9 8 年，日本也提出了o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 的参考模型。 1 2 11n g c 与o m a c n g c 计划于1 9 9 4 年完成，主要是为工业应用提供功能性和服务性的定义， 基于w i n d o w s 的o p e nc n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 最终以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 e s t a l i d a r d ，s o s a s ) 和“设计人员指南”作为开发符合n g c 规范的产品所需的信息， 并引发出n g c 标准化的成果。之后，由美国f o r d 、g m 和c h r y s l e r 三大汽车公 司为首，在n g c 的指导下，联合提出进一步的o m a c 开发计划。o m a c 将数控 系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器 接口等模块，并提出由基类、模块、系统结构设计和系统详细设计等组成的系统 开发“参考模型”。该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产 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，简化新技术到原有系统的集成和二次开发、简化系统使用和维护，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【6 ”。 1 2 1 2o s a c a o s a c a 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 t - i l l 项目计划。o s a c a 应用软件中主要包括五豢结构对象( a o ) ，即 人机控制a o 、逻辑控制a o 、运动控制a o 、轴控制a o 和过程控制a 0 f ”1 “。 虽然其他系统制造商可以根据o s a c a 的应用程序接i z l 和相关资料，开发自己的 a o ，重新配置系统，但是，由于o s a c a 没有考虑简化用户专用功能的实现机制， a o 所要实现的功能非常复杂，最终用户很难利用这种开放式系统实现专用功能 模块。 1 2 1 3o 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、丰田机器厂和 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，以建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准做为目标。o s e c 以日 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，并增力了定制和 分化产品的功能。o s e c 体系结构主要采用功能分层的模块方式，定义了逻辑功 能模块的服务内容和消息接口协议，由控制器厂商进行这些功能模块的个性化实 现。符合接口协议的功能模块，在o s e c 控制器中可以“插入即用”。这些功能模 块通过o s e ca p i 形式的消息通信连接起来 8 , 1 1 , 12 1 。 垄量幽! ! ! 竺盟q 塑尘坚垫查鲤婴塑丛基垄鱼! 堕堡趔墨笙主塑五叁壁型 1 2 2 国内开放式数控系统的发展现状及研究动态 随着i j k 技术、信息技术的不断发展，我国在数控技术方面也有了许多自己 的研究成果。目前国内已有的开放性控制系统有四种：华中i 型、中华【型、航 天i 型和蓝天i 型l ”】。我国的开放式数控系统的研究比较侧重于对用户的专用控 制功能的实现，例如华中科技大学的研究者们提出：开放式数控系统除了使硬件 模块具有统一的接口及互换性外，更重要的是使数控系统软件各模块之间具有一 致的接口及互换性，方便用户，使其易于融入新技术，降低使用成本1 8 j 我国在2 0 0 0 年也开始进行中国的o n c ( o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 数控 系统的规范框架的研究和制定，提出了开放式数控系统计划( c h i n ao p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mp r o g r a m ，c o n u c ) 。c o n u c 计划旨在指导开发新一代具 有我国自主版权的开放式数控系统平台，推动数控产品向规范化方向发展，为今 后数控产品的更新换代奠定基础，促进我国的数控技术的发展。c o n u c 计划在 参考国际数控领域几种主要开放式体系结构的基础上提出了我国的新一代开放式 数控系统结构的层次模型。参考体系结构由如图1 1 所示的四层构成：硬件平台、 系统软件、应用编程接i = 1 ( a p i ) 、数控应用软件。其中，硬件平台、系统软件、 应用编程接口( a p i ) 构成数控系统的运行平台，由集成开发环境开发生成的数 控应用软件在其上运行，从而构成不同品种、不同档次、不同性能、针对具体控 制对象的数控系统；各层次之间由相应的接口规范和标准进行信息交互，实现层 次之间的无关性1 6 。”。 数控应用软 件运行平台 图1 - 1 新一代开放式数控系统的层次模型 厶口 厶口 平 平 件 件 软 硬 八”v从v 基于w i n d o w s 的o p e n c n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 虽然我国的数控技术在向p c 平台方向发展和开放式数控系统研究方面取得 了不少成绩，但与美、欧、日等数控技术发达国家相比仍有很大差距，在具体的 实施开发中仍存在一些问题，最大的问题在于没有解决开放式数控系统的平台问 题，即开放性不够、缺乏互换性和兼容性、开发环境和支持手段不足，二次开发 的难度大，只有专业人员才会使用，向l 般用户普及的日标还远未达到。综上所 述，我们应该对自身有深刻的认识，在国家战略规划的指导下，扬长避短，学习 他人的经验，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，用系统的方法， 实现数控技术跨越式的发展。 1 3 开放式制码控制系统概述及主要技术难点分析 1 3 1 本文的主要研究工作 本课题来源于省部级重点纵向课题特种设备档案建档新技术。建档 新技术研制的全套设备由d k 2 5 型微电脑制标仪、电脑全自动数字制码机、 标记模、其它计算机配件及数码设备组成。电脑全自动数字制码机是采用计 算机控制，自动按序编号制作标记模的专用设备。本文的主要工作是运用当 前数控新技术基于w i n d o w s 的o p e n c n c 技术，量身定做一套开放式制 码控制系统，来控制电脑全自动数字制码机制码。 1 3 - 2 开放式制码控制系统概述 开放式制码控制系统主要由计算机与制码控制软件、电脑全自动数字制 码机、驱动器及p c i 光电隔离卡组成。其主要功能是使计算机控制制码机自 动按序编号制作标记码，即自动在圆形零件上按要求刻上标记码。制码机中 有几个步进电机，分别用来控制刀架转动、刀架上下移动和零件转动。p c i 光电隔离卡，主要是完成计算机的指令信号与t t l 高低电平信号之间的转换。 驱动器由稳压电路、放大电路等组成，主要是将计算机输出，经p c i 光电隔 离卡转换的信号电压放大，驱动制码机运转。 1 3 3 主要技术难点分析 1 3 3 1 硬件结构的设计 开放式制码控制系统中的硬件主要有p c 机、p c i 光电隔离卡、驱动器和 制码机四部分。驱动器和制码机都由专业人员设计，本人开发中有关硬件的 基于w i n d o w s 的o p e nc n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 主要设计是为配合驱动器和制码机一起正常制码，通过反复调试信号变换状 况来对p c i 光电隔离卡进行改造设计，使其能通过t t l 电平输出信号变换的 方式来控制制码机运作。 1 3 3 2 软件体系模型的构建 在开发开放式制码控制系统的应用程序之前，先需要进行总体设计，分 析建立软件的体系结构模型，具有模块化、开放性等特点。 1 3 3 3 数据的分析处理 开放式制码控制系统中，+ 数据处理占较重要的位臀，结合该系统的特点， 分析研究出一种最佳的数据处理方法，提高制码的效率。 1 3 3 4 实时控制 实时性影响到整个系统的稳定性和制码效率，也是开发中难度最大的。 需要分析各种w i n d o w s 系统下的实时控制方法，经反复实验和调试，确定何 种方法更为适合，运用到该系统中。 1 3 3 5 多线程技术 该系统需要有并行执行多个任务的功能，这就需要用到多线程技术。结 合系统的具体要求，分析各线程间的关系及同步问题，从而研究出，于放式制 码控制系统中多线程技术的应用方法及实现。 1 4 系统的整体设计思想和全文组织 1 4 1 系统的整体设计思路 开放式制码控制系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分，主要是改造 需嵌入p c 机中使用的p c i 光电隔离卡，以满足开放式制码控制系统中制码机 和驱动器的需要。软件部分，首先，采用o m a c 模型作为参考模型迸行软件 结构的总体设计，封装好各模块的功能：然后，运用多线程技术来实现多个 任务的并行处理：在数据处理模块中采用一种新的数据处理方法进行数据的 编译处理；整个系统的实时控制采用多媒体定时器、高精度实时计数器和 w d m 技术对内核对象驱动设计分别来实现，并通过实验进行比较，选择最为 适合的方法用于开放式制码控制系统中；最后，进行系统的整体联调，检测 其效果。 6 基于w i n d o w s 的o p e nc n c 技术的研究及其在制码控制系筇中的开发应用 1 4 2 全文组织 全文围绕开放式数控技术，针对制码控制系统的特点，对各方面技术进 行研究与改进，以提高制码系统的效率、可扩展性、可维护性和易操作性。 全文共分为八章，各章节的关系和工作组织如图l 一2 所示。 开放式数控系统的发展现状 及趋势的分析 开放式数控制码系统的特点 介绍及主要的技术难点分析 提出系统的设计思路 开放 式数 控制 码系 统的 硬件 的设 计 开放式数控制码系统 软件结构的总体设计 数据处 理方法 的研究 与应用 多线程 技术在 系统中 的应用 研究 系统宴 时控制 柏研究 与实现 系统的调试 可投入使用的开放式数控制 码系统 图1 - 2 全文工作内容的组织图 第一章绪论。综述了开放式数控系统国内外的发展现状、研究动态及 趋势，介绍了本文的主要工作和整体设计思想，并分析了开放式制码控制系 统的主要技术难点。 第二章基于o p e nc n c 技术的制码控制系统的硬件结构设计。分析开放 式制码控制系统中各硬件设备的特点及工作方式，详细介绍了对p c i 光电隔离卡 进行改造设计的方法。 基于w i n d o w s 的o p e nc n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 r 一 一一 第三章基于o p e nc n c 技术的制码控制系统软件结构的总体设计。分析 并比较当今典型的开放式数控系统的模型特点，然后结合制码系统的特点，最终 选择基于o m a c 模型建立开放式制码控制系统的整体模型结构。 第四章开放式制码控制系统的数据处理方法。分析数控系统中各种已经 成熟的数据处理方法，综合分析开放式制码控制系统的制码特点，提出一种新的 数据处理方法，并详细介绍了该方法在系统中的运用。 第五章开放式制码控制系统中实时控制的实现。分析多种实时控制的实 现方法，并介绍了一种运用w d m 技术对系统内核对象编写驱动程序的方法，能 达到较高精度的实时控制要求。分析各方法在系统中的运用，并通过反复实验调 试，比较各实时控制方法的效果。 第六章多线程技术在系统中的应用。介绍了w i n d o w s 系统下多线程技术 的实现方法，并结合开放式制码控制系统的线程特点，分析了多线程技术在该系 统中的应用过程。 第七章开放式制码控制系统的调试。详细介绍了开放式制码控制系统调 试的方法和步骤。 第八章总结与展望。对全文的工作内容进行整体总结，并根据开发的趋 势和本系统存在的不足，对该系统的研究进行了展望。 薹王幽型! 竺! 塑q 竺尘竖堡查丝婴壅垦基垄生! 蟹鳖趔丕笙主塑茎垄里旦 第二章基于o p e nc n c 技术的制码控制系统的 硬件结构设计 2 1 开放式制码控制系统的硬件结构 开放式制码控制系统主要由四部分组成，包括：p c 机、p c i 光电隔离卡、 驱动器、制码机，如图2 - 1 。 图2 - 1制码控制系统组成 p c 机：普通配置的个人电脑( 具有p c i 插槽) ，在w i n d o w s 操作系统环境 下，人机界面友好，使用方便，用户易操作。 p c i 光电隔离卡：嵌入在p c 机内，主要作用是进行p c 机与制码机之间的通 信。将输入输出信号以高低电平的形式传递。 驱动器：由稳压器、放大电路等构成，主要是将输出的电压信号放大，足以 驱动制码机运转。 制码机：主要由3 个三相六拍的步进电机构成，三个步进电机分别用来控制 刀架转动、刀架上下移动和电极的转动。 整个制码过程如图2 2 所示，首先由p c 机中的软件控制系统发出指令；指 令信号经p c i 光电隔离卡转换为高低电平信号；信号再经驱动器放大到能驱动制 码机工作的电压；驱动三个步进电机，控制制码机制码：在此项目中，驱动器、 制码机都已由专业人员设计完成，所以该系统主要的工作就是对p c i 光电隔离卡 进行改造设计，以使其能与驱动器一起控制制码机运作，p c i 光电隔离卡的改造 直接影响到系统的运行性能、控制精度，所以结合实际的步进电机工作原理和制 码机运作机制，改造p c i 光电隔离卡成为开放式制码控制系统硬件结构发计的关 键。 茎王塑! ! 竺! 塑q ! ! 竺! 竖茎查塑婴堑丝基垄堡9 旦塑剑墨笙曲互垄堕旦 计算机( p c ) h 其它外部设各 ： p c i 总线 l ： i i o 接口与光隔电路板 i ： l r 驱动器信号控制及其它接口 幸申幸 制码机 图2 - 2 硬件结构图 2 2 步进电机的控制技术 2 2 1 步进电机的基本原理 步进电机作为一种将电脉冲转化为角位移的执行元件，是机电一体化的关键 产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。当步进驱动器接收到一个脉冲信 号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度( 称为“步距角”) ，它的 旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和 加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为种控制用的特种电机，利用 其没有积累误差( 精度为1 0 0 ) 的特点，广泛应用于各种开环控制。现在比较 常用的步进电机有反应式步进电机( v r ) 、永磁式步进电机( p m ) 、混合式步进 电机( r - b ) 和单相式步进电机等【1 8 1 9 2 4 1 。 步进电机的原理都类似，只是根据一些基本参数的不同而采用不同的信号量 方式来控制运转。主要有电机固有步距角、步进电机的相数、保持转矩( h o l d i n g t o r q u e ) 、d e t e n tt o r q u e 等参数。其中比较重要的是步进电机的相数，它 o 基于w i n d o w s 的o p e n c n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。用 户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。该开放式制码控制 系统中用的是三相六拍步进电机，需要三个信号量来控制一个步进电机，再根据 六个信号量变换节拍控制电机运转。 2 2 2 步进电机的细分驱动原理 步进电机控制中已蕴含了细分的机理，即信号量节拍的变换规律。如三相步 进电机按a b c 的顺序轮流通电，为整步工作，即三相三拍。而按 a a c c c b b b a a 的顺序通电，则步进电机为半步工作，即三相 六拍。以a b 为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是 在i a 与i b 之间插入过渡向量i a b ，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合 成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，i a b 的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由0 b 变为0 50 b ， 从而也就实现了2 步细分。由此可见，步进电机的细分原理就是通过等角度有规 律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的 目的。在三相步进电机的a 相与b 相之间插入合成向量a 1 3 ，则实现了2 步细分。 开放式制码控制系统中的用到的步进电机就是采用了2 步细分，整个合成磁势转 动过程为l a i a b i b i b c i c i c a 。 2 3p c i 光电隔离卡的原理 该系统采用的是宏拓p c i 一7 5 0 5 光隔1 6 路输入1 6 路输出开关量板。p c i - 7 5 0 5 板是独立光电隔离1 6 路开关量输入1 6 路开关量功率输出板。p c i 一7 5 0 5 开关量输 入部分采用光电隔离技术，实现1 6 路电压型开关量的并行输入，有效的避免了外 部环境对主机的干扰和损坏，输入采用共地方式，不需要外接电源，各种开关量 相互独立，只要选用适当的限流电阻，保证光耦器件的输入电流为4 m a 左右，即 可适应不同电压的开关量输入，开关量电压范围为0 2 4 v 或0 1 2 v ，出厂为o 5 v 。p c i 7 5 0 5 输出部分采用光隔离技术，实现1 6 路开关量独立输出，可以提供 t t l 电平输出，也可以提供功率输出，其输出端晟大功率可驱动2 4 v 2 0 0 m a 负 载或1 2 v 2 0 0 m a ，可直接驱动继电器、电磁阀。各路输出信号均具有锁存功能。 p c i 一7 5 0 5 由图2 3 中的四大功能模块组成：p c i i s a 总线转换桥电路，地址 译码及数据锁存，开关量输入，开关量输出。由于光电隔离芯片是电流方式工作 堇王鲨! ! ! 竺塑q 2 竺型竺垫垄丝婴塞墨基垄鱼! 塑鳖鱼! 墨笙主塑茎叁鏖旦 的，只要保证电流在4 m a 左右，就不影响光隔的工作，因此改变限流电阻的阻值， 开关量输入信号电压的范围也可改变。读入值为1 ，表示现场为高电压信号；读 入值为0 ，表示现场为低电压信号。开关量输出信号为共外电源方式( 节点方式) ， 输出值为“1 ”，表示到现场为高电压信号：输出值为0 ，到现场为低电压信号。 d 0 0d 0 7 ji 功率输出 d 0 8 d 0 1 5 ， 功率输出 光隔t 光隔 i 光隔光隔 数据驱动il 数据驱动i l 数据锁存ji 数据馈存 总线译码 l 数据缓冲 p c i i s a 总线转换桥 p c i 总线 图2 - 3 逻辑方框图 2 4 开放式制码控制系统中p c i 光电隔离卡的改造设计 由于对步进电机的控制需要的是t t l 电平，而本系统中采用的宏拓p c i 7 5 0 5 卡是一种多功能输入输出卡，t t l 电平方式输出是它的一种工作模式，我们需要 做相应的改造以使其能以t t l 电平方式输出。 另外，计算机控制程序发出的高电平信号经p c i 光电隔离卡输出的电压只有 5 伏，而输入驱动器的电压要求达到1 0 伏，否则不能放大到3 6 伏，就无法带动 制码机工作。 2 4 1 实现1 1 几电平输出 由于该卡出厂为功率输出方式，需要将其改造成t t l 电平输出方式。具体操 作：将功率驱动：醢片m c l 4 1 6 ( 或2 0 0 4 ) 卸下，用短路线将其插座上的输入输出端 1 2 茎士塑垫! ! 塑盟业! ! 尘鉴垫查盟堕壅墨基垄塑! 旦笙型薹堕主丝翌丛生旦： 短接( 8 ，9 脚不能短接) ，光隔离输出的信号直接送到x s i 输出端上，来实现t t l 电平输出，如图2 4 所示。在板卡上有三块相同的功率驱动芯片，都必须以同样 的方法卸下，再短接。 1 卜十1 6 2 卜+ 1 5 3 卜- 十1 4 4 + 1 3 5 + + 1 2 昏卜_ + 1 1 7 _ 斗蚪一1 0 8 一b i - j 图2 - 42 0 0 4 芯片短接 2 4 2 功放驱动 p c i 一7 5 0 5 的输出采用的是光电隔离技术，经过反复试验，要使5 v 的输出电压 增大到l o 伏，可以通过增大光耦器件的上拉电阻值来达到增大输出电压的目的。 具体做法：在短接的m c l 4 1 6 ( 或2 0 0 4 ) 各端( 除8 ，9 脚) 与外接电源端接一 个3 0 k 的上拉电阻。这样，外接3 6 v 电压，产生大于l m a 的电流，同过光偶器 件就可以输出1 0 v 的电压，再经放大电路放大，驱动制码机运转。 茎主型! ! ! ! 塑塑塑竺q 坚垫查丝竖塞垦基垄鱼! 型塑型墨堑生塑翌垄窒旦 第三章基于o p e nc n c 技术的制码控制系统 软件结构的总体设计 根据1 2 节中介绍的目前国际上开放式数控系统领域最具有影响力的三种计 划：o m a c ( 美) 、o s e c ( 欧) 和o s a c a ( 曰) ，对其进行综合比较分析，并以 最为适合的o m a c 结构模型作为开放式制码控制系统模型的基础，建立开放式 制码控制系统的软件结构。 3 1 当前开放式数控系统模型的综合比较分析 美国o m a c 工程，与欧盟的o s a c a 计划、日本的o s e c 工程一样，都采 用了模块化的结构，并规定了系统集成的内部接口模块a p i 。o m a c 计划以其 它两种计戈0 为基础，尤其注重人机交互a p i 模块，而o s a c a 和o s e c 在方法 o s a c a ( 欧盟) o s e c ( 日本1 o m a c ( 美国1 面向对象的信息类 a p i 接口类型 函数调用 面向对象的组件 型 a p i 接口模块适中大模块细小模块 a p i 接口的优势大小适中易理解完善 不完全面向对象， a p i 接口的不足 变量代替了函数 过复杂 太简单 结构类型 c ，s 封装结构丁二组件的框架结构 已有的模块数 971 4 专用模块数 d 9 全部全部 底层结构有无无 潜在的应用范围可以接受可以接受广泛 模块的内部描述未定义未定义取决于终态设备 应用平台o s a c a 专用平台基于w i n d o w s 平台任何平台 有限状态机有无有 可以映射到c 、c + + 、j a v a 编程语言c 十+c 的1 d l 语言 应用分布式控制 可否可 应用d c o m 、c o r b a 等否否可 现代性陈旧陈旧流行 表2 - lo s a c a 、o s e c 、o m a c 计划的比较 1 4 基于w i n d o w s 的o p e nc n c 技术的研究及其在制码控制系统中的开发应用 上有许多相同的特点，如面向对象的方法，只是在它们规范的细节上有所不同。 三种计划的比较情况如表2 - 1 所示2 5 j ，经过比较分析可知： 表2 1 中的前四行主要是对a p i 接口的比较，三种a p i 的接口类型和抽 象的层次是不同的，o m a c 较其它两者更为复杂，但比其它两者划分的更详细、 更完善。 表2 1 中的五到十行主要是对三种计划整体结构模型的比较，他们分别按 照自己的方法对系统的功能进行了分组，指定自己的结构模型。o s a c a 和o s e c 都不够精细，各功能模块都是专用的，逻辑上不兼容，而o m a c 的参考结构就相 对更精细，通用性也较好，更具有模块性、开放性。 表2 - 1 中的后六行是三者在软硬件平台环境方面的比较，可知只有o m a c 真正地向许多软硬件平台开放。o s e c 只能运行在所规定的p c w m d o w s 平台上。 而o s a c a 需要运行在它自己的平台上。 o m a c 借鉴了许多另两个计划的研究成果，并采用了许多新的技术，相比 之f ，o s a c a 和o s e c 略显陈旧。 详细的比较表明，o m a c 在技术上更优一些。另外，o m a c 是由美国三大汽 车公司联合发起的，且得到f a n u c 、s i e m e n s 及a l l e n - b r a d l e y 等著名数控系统 生产厂商的支持。因此，无论从技术还是从市场的角度看，采用o m a c 计划都是 比较好的选择。 3 2 o m a c 结构模型 o m a c 的开放性和模块性是通过软件模块而不是硬件的组件来实现的。如果 选择了合适的硬件平台，那么硬件组件的可交换性不应成为主要障碍。图3 1 说 明了o m a c 模块的概念，其中的各种模块通过相互协作实现了不同的控制功能。 实际上o m a c 就是一种控制器，以下就将o m a c 作为控制器