（机械设计及理论专业论文）双刀立式车床开放式数控系统开发研究.pdf

a d v i s o r ：b a o r o n gq i n c o e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 锣o ft e c h n o l o g y a p r i l2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 都名 日期：沙年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并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 人授权浙江工业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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：枷 导师签名：扣袁秀 日期：口l 哞6 月3 日 日期：渺年6 月多日 r 网络技术的迅 商和用户的认 的主要发展趋 势。 本文针对c n c 系统及其应用于双刀立式车床控制系统中的一些关键技术问题展开了 深入分析与研究，并设计研制了相应的实验开发平台。该平台由两组可独立运动控制的两 轴联动开放式数控伺服系统组成。系统以w i n d o w 为开发平台、v c h6 0 为主要开发 工具，以m f c 为软件开发框架，采用面向对象技术和模块化的思想开发了p c 端开放式 数控系统软件。重点研究实现了i s o 格式的g 代码的读入、编辑、编译和校验，在编译 过程中能准确地显示错误数、出错原因、出错位置等信息，方便编程人员对g 代码的校 正。同时对数控加工文件提供了x y 平面、y - z 平面、z x 平面的刀具加工路径仿真，并 实现加工时的刀具路径实时显示，方便技术人员更好地预测和监测加工刀具轨迹。通过使 用多线程技术解决了系统的实时性响应及控制，实现了系统的多任务并行处理。 最后，以机床制造商及最终用户对数控系统开放性的需求为设计目标，具体设计开发 了基于运动控制卡的开放式数控系统，为用户提供了可以高效地构筑定制数控系统的配置 系统。同时提供了源代码级的运动控制驱动程序，便于程序的维护与升级。 关键词：双刀立式车床，开放式数控系统，w i n d o w s ，多轴运动控制卡 浙江工业大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n tr es e r c ho no p e nc n cs y s t e m f o rt w i n t u r r e tv e r t i c a ll a t h e a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n 仃o lt e c l l i l o l o g ) ri st h e k e yo fm a i l u f i a c t u i i n ga u t o m a t i c w i t l lr a p i d d e v e l o p m e n to fc o m p u t e r ，c o m m u i l i c a t i o n 觚dn e t w o r k ，o p e nn u m e r i c a lc o n 廿d ls y s t e mh a s b e e na p p r o v e db ym o r e 趾dm o r em a n u f a c t u r e r sa 1 1 du s e r s ，w h i c ha l s os h o u l db ef l e x i b l ea n d l o w - c o s t f u r m e m o r e ，t l eo p e nn 砌e r i c a lc o i l 仃o ls y s t e mh a sb e c o m et h eh o t s p o to fr e s e a r c h o fm u n e r i c a lc o n t r o l n o w a d a y s ， a 1 1 dt h em a i n d e v e l o p m e n tt r e n do fn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g yi nt l l em t u r e 1 1 1 ep 印e rd o e sa i l a l y s i sa i l dr e s e a r c hd e e p l ya b o u tc n c s y s t e ma n ds e v e r a lk e yi s s u e so f t 、i n - t m e tv e n i c a jl 砒ec o n t r o ls y s t e m i ta l s oh a sm a d ea d e s i 印o fe x p e r i m e n t a ld e v e l o p m e n t p l a t f o 珊a c c o r d i n g l y 1 1 1 e p l a t f o n n i sc o m p o s e do ft w ou 1 1 i to f 铆o a ) 【e s l i n k a g eo p e n n 眦e r i c a lc o n t r o ls e n r os y s t e m ，w h i c hc 锄b eo p e r a t e di n d e p e n d e n t l y a n dt h e s y s t e mi s d e s i g n e db yw i n d o w a sp l a t f o m ，b yv c + + 6 o 嬲m a i nt o o l 觚db ym f c 嬲s o 胁a r e 胁m e nd e v e l o p st l l e o p e nn u m e r i c a j c o n t r o ls y s t e ms o r w a r eo np c ，w h i c hi sf a c e dt o o b i e c t t e c h l l o l o g y 锄dm o d u l 撕z a t i o na n dr e a j i z e dg c o d eo fi s of i o 咖a tr e a d i n g ，e d i t i n g ，t r a l l s l a t i n g a 1 1 d c h e c k i i l go u t d 谢n gg c o d et r a l l s l a t i n g ，t h es y s t e mc 锄d i s p l a yq u a n t i t y ，r e a s o n 锄d p o s i t i o no fe 盯o rs ot l l a tc o n v e i l i e n tt op r o g r a m m e r sc h e c b n go u tt l l eg c o d e m e a l l w h i l e ，m e s y s t 锄p r o v i d e sx - yy - z ，z xp l a j l e so fm a c h i i l i n gt o o lp a mi i l l i t a t i n gt on u m e r i c a lc o m r o l p r o c e s sf i l e ，柚da l s oc 秭e so u tt l l er e a lt i m ed i s p l a yf o rm a c l l i l l i n gt o o lp a t l ls ot h a tc o i e l l i e n t t op r o 伊黜e r sb e t t e rf i o r e c a s t i n ga n di n s p e c t i n gt h em a c h i n i n gt o o lp a t h b ym a 虹n gu s eo f m u l t i t l l r e a d i n g ，w e 仃yt os o l v et 1 1 es y s t e m sr e a lt i m er e s p o n d i n ga i l dc o n t r o l ，a i l di m p l e m e n t t l l es y s t e m sm u l t i t a s kd i s p o s a lc o n c u r r e n t l y a tm ee n do ft h ep a p e r i no r d e rt os a t i s 聊n gt h em a c h i n et o o lm a n u f a c t u r e r s 孤de n d u s e r s r e q u i r e m e n t sf o rn u r n e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t ，i tc o n c r e t e l yd e v e l o p e do p e n n u m e r i c a lc o n t l o ls y s t e mo nt l eb a s i so fm o v e m e mc o n t r o lb l o c k ，锄ds u p p l yac o l l o c a t i n g i i ”1 ， ，7 o ”，r 。 浙江工业大学硕士学位论文 s y s t e mf o ru s e r s ，w l l i c hi sa b l et ob u i l da n dc u s t o m i z en 啪e r i c a lc o n t r o ls y s t e me 街c i e n t l y b e s i d e s ， f o rt 1 1 e p u 印o s eo ft h es y s t e m s m a i n t e n a i l c ea i l d u p g r a d e ， w ea l s o s u p p l y s o u r c e c o d e sm o t i o nc o n t r o ld r i v e rp r o g r 锄s k e yw o r d s ： 铆i n - t u l l r e tv e r t i c a l l a t h e ，o p e nm l m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，w i n d o w s ， m u l t i a x e sm o t i o nc o n n o lc a r d 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i 第l 章绪论l 1 1 概i 苤1 1 2 数控技术发展历程2 1 3 国内外开放式数控系统的研究3 1 4 数控系统的发展趋势4 1 5 课题研究的背景与意义5 1 6 课题研究的内容及其结构6 第2 章数控系统总体设计 8 2 1 系统设计需求分析8 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 第3 章 2 1 1 开放式数控系统模式一8 2 1 2 开放式模式选择。l0 系统软硬件1 0 2 2 1 系统模型一l o 2 2 2 系统硬件12 2 2 3 系统软件1 3 2 2 4 软件开发工具1 4 总体设计思想1 4 设计开发原则1 4 主程序总体设计1 5 2 5 1 - 旺应用程序框架一1 5 2 5 2 主程序界面设计1 5 2 5 3 主程序功能设计1 6 本章小结l8 系统关键技术研究2 0 3 1 译码2 0 3 1 1 编译方式选择2 0 3 1 2 编译的数控代码标准2 1 3 1 3 词法分析2 2 3 1 4 语法分析2 3 3 1 5 语义分析。2 3 浙江工业大学硕士学位论文 3 1 6 编译输出2 3 3 2 数据处理2 5 3 2 1 绝对及相对编程处理2 5 3 2 2 子程序调用处理2 8 3 3 插补算法2 8 3 3 1 数控插补方法2 9 3 3 2 数据采样插补法2 9 3 3 3 扩展d d a 数据采样插补法一3 1 3 4 定位精度分析及误差补偿3 8 3 4 1 反向问隙补偿原理。3 8 3 4 2 螺距积累误差补偿原理3 9 3 4 3 程序设计基本出发点4 0 3 5 对刀与找正系统实现4 1 3 。6 本章小结4 3 第4 章双刀立式车床数控系统设计4 4 4 1 车床结构及原理4 5 4 2 系统硬件设计4 7 4 2 1 运动控制器组件4 7 4 2 1 伺服控制平台4 9 4 3 系统软件设计5 l 4 3 1 系统主界面模块设计5 l 4 3 2 系统功能模块设计5 3 4 4 本章小结6 4 第5 章结论和展望6 5 参考文献“ j 变谢6 9 攻读学位期间发表的学术论文目录7 0 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 概述 数控( n u m 面c a 】c o n t r 0 1 ) 技术是由机械学、控制论、电子学、计算机科学4 大基础学 科发展起来的一门综合性的新型学科，是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网 络化、柔性化、集成化的基础。数控技术和数控机床的整体水平是一个国家工业现代化水 平和综合国力强弱的重要标志之一，已影响到一个国家经济发展和战略地位，大力发展以 数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国 家地位的重要途径之一1 1 ，2 1 。 从1 9 5 2 年第一台数控机床产生到现在，数控技术发生了很大变化，数控系统在性能 和功能方面也有了很大提高和增强，但是由于技术和商业经济利益等诸多原因，传统的 c n c 控制器是专用、自封闭的刚性系统，各自具有独立的软、硬件，数据处理和通信协 议等。系统集成者、设备制造商和用户很难，或者说几乎不可能对其控制程序进行修改和 改进，也不可能对机床控制信息实现访问，表现出非开放的特征，这种专用体系结构控制 系统，对发展柔性集成制造技术增加了技术难度和费用；阻碍了机床制造商开发、设计具 有自己特色的数控机床能力的发挥；给用户对数控机床的维护、改造和更新换代带来了诸 多不便。 这种模式导致数控系统用户对其产品供应商的极大依赖性，起产品的任何升级甚至维 修都只能由原系统供应商来完成。而在目前“多品种、小批量 的消费市场上，产品的品 种、质量、价格和交货期已成为增加企业竞争力的决定性因素。以前的数控产品供应模式， 已远远不能适应目前的市场需求，新的市场机制要求数控系统进一步向开放式控制系统转 化【3 1 。 因此工业用户都迫切要求改变这种缺乏柔性和个性的系统，提供具有柔性、开放结构 的控制o a c ( o p e na r c h i t e c t u l ec o n t r o l l e r ) ，以满足他们需求。数控系统的开放式体系结构 将迅速使数控系统在通用化、智能化和网络化方面大大发展，推动数控技术得到更广泛的 应用，提高数控产品在市场中的竞争能力。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 数控技术发展历程 现代的数控系统是从7 0 年代机床硬逻辑数控( n c ) 发展来的。随着计算机进入数控， 7 0 年代实现了计算机数控( c n c ) ，最初的c n c 系统都是专用、封闭的，到8 0 年代末，开 放式体系结构的思想提了出来【4 ，5 1 ，具有开放特征的c n c 系统逐渐成为n c 技术发展的方 向。 在7 0 8 0 年代，由于微处理器的性能很低，不能满足机床数控系统高速运算、实时控 制的要求，因而各数控厂商都用硬件电路来实现各种功能，如插补运算，同样也设计了专 用的软件系统。所有硬、软件技术只有数控厂商了解，对于用户和第三方开发商来说都是 封闭的。到8 0 年代末、9 0 年代初，世界数控系统的生产主要集中在少数几家大公司中， 如f a i l u c 、s i e m e n s 、a l l e n b r a d l a y ，它们的c n c 系统都是封闭的。 数控技术发展和计算机技术是密切相关的。由于走开放的道路，个人计算机( p c ) 得到 了飞速发展，它有统一的标准，各个生产商的产品可以互换，而封闭的c n c 系统由于采 用专用的软件和硬件，无法应用更新、更先进的计算机技术，封闭阻碍了c n c 技术的进 一步发展。 正是由于受到了p c 机飞速发展的启示，美国学者于1 9 8 7 年提出开放性体系结构的 思想，这种思想要求不同厂商的部件能无缝地组合在一起，组成高性能价格比的c n c 系 统【6 】。各部件间有互操作性，且规定标准的接口规范，采用模块化结构，使系统具有可配 置性，可伸缩性。向标准的通用的开放的p c 软、硬件结构转移，实现平台的开放，使系 统具有可移植性，易升级性和易操作维护性。同时还要求高性能和高可靠性。 这个思想实质上是通过制定开放式c n c 的规范，在开放的软、硬件平台上，系统的 各部件可由不同厂商来设计制造，依靠众多厂商的力量来生产高性能价格比的c n c 系统， 从而打破专用系统的垄断。 在此之后的1 9 9 4 年底，同样由美国的g m 、f o r d 和c l y s l e r 首次提出o m a c ( o p e n 、 m o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 计划，即开发开放式、模块化体系结构控制器，允许把流 行的硬件和软件集成为控制器的基础结构，它支持一个“事实上的标准环境”【7 。9 1 。 与此同时，欧洲也提出了自动化控制系统的开放式体系结构( o s a c a ) 的概念。1 9 8 7 年1 1 月，在德国机床制造厂联合会( v d w ) 的支持下，由斯图加特大学的制造控制技术研 究所( i s w ) 开始了对“未来控制技术 的研究。提出了新型控制器的原则是：可组配、模 块化和开放式。1 9 9 1 年1 1 月，e s p 融ti 开始的一项整个欧洲的控制系统计划o s a c a ， 其目标是研制出自动化控制系统中的开放式体系结构【l o 】。 浙江工业大学硕士学位论文 另一种开放式结构：日本的o s e c 计划。o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o 啪e n tf o r c o n 打o l l e r s ，控制器开放系统环境) 是由6 家日本公司( 东芝、丰田、m a z a k 、日本i b m 、 三菱电子公司和s m l 公司) 组成的一个工作组提出。o s e c 所谓的开放式系统本身被认为 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【1 1 j 。o s e c 的结构虽有独到之处，但与 其它开放系统结构一样，也只是处于试验阶段，目前并未形成商业化的产品。 事实上，目前国际及国内使用和研究中的数控系统可以分为3 类：专用式、通用式和 开放式【1 2 1 3 1 。 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。但作为大批量生产数控系统的一些公司，仍在大量生产专 用c n c 系统。因为这些产品是在传统的专用c n c 系统上发展的，为用户所熟悉，因而 容易被用户接受。而且可利用大批量生产的优势，不断降低产品的成本，所以这类产品目 前仍然是生产量最大的。 标准通用式控制系统对许多机床的特性不能完全支持，没有解决问题的自由度、不具 备某些机床或工艺特征所期望的特性。但由于批量大、价格适中、应用面宽，仍有一定的 需求。特别是后组配的数控系统。 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。开放式 应具有可扩展性、可移植性、互换性、可操作性和可配置性。开放式能带给控制器制造商、 机床制造商和用户最大的利益。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。机床制造商不用公开他们的技术秘密就能把他们的功能加入到控制系统中， 用户可进行再开发，系统的维修和升级都很方便。 现在，基于p c 的开放式数控系统，已成为当今世界数控领域开发和研究的热点。这 也是我国缩短与实际发达国家数控技术发展距离的机遇。 1 3国内外开放式数控系统的研究 研究开放式数控体系的主要目的是解决变化繁杂的需求与控制系统专一固定的框架 之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大地增强数控系统的柔性和 适应性。开放式数控系统的实现对数控系统制造商、机床生产商以及最终用户都有较大益 处。系统制造商可以在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现协作式开发，专注于提高 系统本身的性能，缩短开发周期，降低开发费用；机床生产商不仅可以根据需要配置最合 1 浙江工业大学硕士学位论文 适的控制系统，还可以将自己独特的软件集成到系统控制器，形成自己的特色产品；最终 用户可以说是开放式控制系统的最大受益者，他们可以最大限度地按照自己的需要选择产 品，通过系统特定功能模块的配置满足其个性需要，实现系统的集成和扩展，同时，开放 也使得系统的操作、维护更加方便i 】4 。 目前，数控技术在国外已经成为一种相对成熟的技术，其发展正逐步由专用型、封闭 式、开环控制模式向通用型、开放式、实时动态、全闭环控制模式发展。在集成化的基础 上，国外数控系统正在向超薄型、小型化发展；在智能化的基础上，综合了计算机、多媒 体、模糊控制、神经网络等学科，数控系统逐步向高速度、高精度、高效率方向发展；加 工过程中，数控系统可以自动修正、调节与补偿各项参数，正在向在线诊断和智能化故障 处理发展；在网络化基础上，c a d c a m 与数控系统集成为一体，机床联网，逐步实现中 央集中控制的群控加工【1 5 ，1 6 1 。 我国在9 0 年代中期已经开始了具有自主知识产权和一定开放特性的数控系统的研 发，代表产品有华中i 型，中华i 型，航天i 型和蓝天i 型。它们均是以p c 为平台构成 的总线式、嵌入式、多通道的结构，虽具有一定的开放特性，但还不具备开放式数控系统 的本质特征，主要问题在于没有解决开放式数控系统的平台问题。各系统所采用的体系结 构仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换性，其开放性仍停留在p c 平台的开放层次 上。其次是软件开发思想与技术落后，没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程的新 理论、新技术。 目前，国内对开放式数控系统的研究形成了一下几个方向：基于软件芯片的开放式 数控系统；基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统；基于w i n 9 8 n t 的开放式数 控系统；基于c o m 组件技术的开放式数控系统等。 1 4 数控系统的发展趋势 ( 1 ) 基于p c 的开放式。基于p c 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源 丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用p c 机作为它的前端机， 来处理人机界面、编程、连网通信等问题，原有的系统则承担数控任务。p c 机所具有的 友好人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。日本、 欧盟和美国等国家针对开放式数控系统，正在进行前后台标准的研究【1 7 】。 ( 2 ) 高速化和高精度化。这是适应机床向高速度和高精度方向发展的需要。要求数控 系统高速处理并计算出伺服电机的移动量，且伺服电机能高速做出响应。为能在极短的行 4 浙江工业大学硕士学位论文 程内达到高速度和保持高的定位精度，必须具备高加、减速度和高精度的位置检测系统和 伺服品质。通过减少数控系统的误差和采用补偿技术等方法来提高精度。 ( 3 ) 智能化。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度 将不断提高【1 9 2 1 1 。 ( a ) 应用自适应控制技术，数控系统能检测控制过程中的一些重要信息，并自动调 整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。 ( b ) 引入专家系统指导加工，将熟练工人和专家的经验、加工的一般规律和特殊规 律存入知识库中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。 ( c ) 引入故障诊断专家系统。 ( d ) 采用智能化数字伺服驱动装置，通过自动识别负载来自动调整参数，使驱动系 统获得最佳的运行。 ( 4 ) 网络化。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 【2 2 ，2 3 1 。工作人员和管理人员可以在远程甚 至在家里通过网络连接到本地局域网上，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和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，就像网络共享打印机一样。 ( 5 ) 信息化。未来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【2 4 j 。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。 1 5 课题研究的背景与意义 数控技术是制造业自动化的基础，数控系统已成为现代制造装备的“灵魂”和“核心： 高速、高精、复杂运动和自动化必须由数控系统( c n c ) 来执行；新工艺、新方法要通过信 息方式转化为对装备的控制；制造过程的监控、补偿、管理、重组、柔性化、智能化、敏 捷化和网络化也都要由数控系统来完成。同时，数控技术简化机械传动结构，软件补偿突 破传统机械精度极限，推动制造技术向更快、更精和更高水平发展。 气 浙江工业大学硕士学位论文 计算机数控技术是数控机床的关键技术，数控机床又是推行f m c ( 柔性制造单元) 、 f m s ( 柔性制造系统) 以及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等的基础【2 5 1 。计算机数控技术 己经成为制造业自动化的核心技术和基础技术，是当今世界机械制造技术的高技术之一， 是振兴国家机床行业、增强制造业国际竞争能力的基础。我国每年都有大量机电产品进口， 这也从宏观上说明了机床数控化的必要性。 本课题重点研究基于运动控制卡的开放式数控系统。数控系统采用开放式体系结构， 给用户提供一个开放式、标准的开发平台，该平台向用户提供开放的接口。在这个平台上， 用户可以通过标准化的步骤，既可以添加或更换一定的硬件，还可改变软件的结构，而且 允许与第三方的技术或产品进行集成。用户可利用这些开放的接口来进行系统的二次开 发，无需作很大的修改就可以形成新的控制系统。 且基于p c + 运动控制器的开放式数控系统直接将系统平台构筑于p c 微机软硬件基础 之上，可充分利用微机现有的软硬件资源，通过选择适当的n c 硬件和开发i p c 数控系统 支撑软件，可实现开放性较好的数控系统。 相比，传统数控系统大多是采用封闭专用的体系结构，用于实现某种专有的功能。这 类数控系统虽结构简单、成本低，但在增加用户的特殊功能时，需从头开始设计，造成大 量人财物的浪费。这种模式导致数控系统用户对其产品供应商的极大依赖性，其产品的任 何升级甚至维修都只能由原系统供应商来完成。而在目前“多品种、小批量”的消费市场 上，产品的品种、质量、价格和交货期己成为增加企业竞争力的决定性因素。以前的数控 产品供应模式，已远远不能适应目前的市场需求，新的市场机制要求数控系统进一步向开 放式控制系统转化。 课题通过对双刀立式车床开放式数控系统的应用研究，为中小机床制造商开发、设计 具有自己特色的数控机床，发展柔性集成制造技术提供了一定的理论基础与现实参考意 义。课题研究并采用基于运动控制卡的数控系统结构体系，不仅具备开放式数控系统的各 项优点，同时降低了中小机床制造商独立研究开发数控系统的技术难度和费用。且整个数 控系统开发周期短、开发费用低、系统可靠性高，有效提高了企业的市场竞争力。 1 6 论文研究的内容及其结构 随着开放式数控系统的发展，开放的程度逐步加深，开放式数控系统的研究开发就成 了必然趋势。课题深入研究分析了数控系统中g 代码编译、插补、误差补偿等关键技术 及其编程实现。同时采用基于运动控制卡的开放式体系结构，按照组件化思想进行整个数 - 6 - 浙江工业大学硕士学位论文 控系统的软、硬件设计开发，并将其应用于双刀立式车床的数控系统实现。 本文共分五章，包括绪论，系统总体设计，系统关键技术研究，双刀立式车床数控系 统设计，结论和展望。具体内容体现在以下几个方面： 第1 章，绪论。阐述了计算机数控技术在先进制造技术中的核心地位及开放式数控系 统对推行现代柔性、集成制造系统的重要意义；综述了数控技术的发展历程、国内外开放 式数控系统的研究发展趋势；介绍了课题研究的背景意义和论文的主要内容结构。 第2 章，系统总体设计。在研究对比分析了国内外主流开放式数控系统体系结构的基 础上，选择提出了一种适合于本课题数控系统设计需求的系统模型。并对整个数控系统的 软、硬件平台做了整体构架，进一步提出了系统总体设计思想和开发原则。同时对系统主 程序的相关构架和主要程序功能、界面设计进行了概述。 第3 章，系统关键技术研究。深入研究讨论了数控技术中译码、数据处理、插补算法、 定位精度分析、误差补偿和对刀找正等关键技术，为后续的编程实现相关数控功能提供了 坚实的理论基础。 第4 章，双刀立式车床数控系统设计。介绍分析了双刀立式车床的机械结构及工作原 理，在此基础上设计了相适应的数控系统所需的硬件平台结构。同时，重点研究实现了数 控系统所需的人机界面、译码等关键功能软件模块。 第5 章，结论和展望。总结本文的主要工作，指出需要进一步研究的问题。 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章数控系统总体设计 数控系统采用开放式结构，其应具有以下特征： 对使用者是开放的，应该可以采用先进的图形交互方式支持下地建议编程方 法，使得数控机床的操作更加容易； 对于机床制造商是开放的，即应该允许机床制造商在开放式c n c 系统软件的 基础上开发专用的功能模块以及用户操作界面； 对于硬件的选择是开放的，即一个开放的c n c 系统应该能够在不同的硬件平 台上运行； 对于主轴及进给驱动系统是开放的，即能控制不同厂商提供的主轴及进给驱 动系统； 对于数据传输以及交换是开放的，即应该能支持各种标准的数据传输与交换 协议。 2 1 系统设计需求分析 2 1 1 开放式数控系统模式 目前国际国内研究应用的开放式控制系统概括起来有三种模式： ( i ) 开放的人机接口 这种方式使得系统内部、系统与外部设备之间、系统与通讯网络之间、本系统与其他 系统之间实现互通，并且可以在保持原有数控基础上充分发挥各个厂家专用芯片的特殊功 效，但是人机接口的开放只是为用户提供了按自己需求灵活定制操作界面的途径【2 6 ，2 7 1 。 其主要实现方式为专用n c + p c 。将p c 作为专用控制器的前端接口，在传统的非开放 式的c n c 上插入一块专门开发的个人计算机模板，使传统的专用c n c 带有个人计算机的 特点。这里，传统c n c 没有改变，进行实时插补、伺服控制、电源控制以及i o 控制等一 些实时控制；p c 部分执行前端管理等非实时控制，例如人机界面、存储和通讯等。典型 的系统有悄u c l 8 i 、1 6 i 系统，s i m e n s 8 4 0 系统、n 啪1 0 6 0 系统。这种体系结构的数控系 统虽然也具有一定的开放性，但由于它的n c 部分依然是传统的数控系统，其体系结构仍 然是封闭的，用户并不能够介入到数控系统的核心。这类数控系统的结构复杂、功能强大 r 浙江工业大学硕士学位论文 但价格昂贵。 此种模式的控制器主要出自c n c 控制器制造商，其原因一方面是，许多用户对他们 的产品很熟悉，也习惯使用；另一方面，控制器制造商不可能在短时间内放弃他们传统的 专用c n c 技术。因此这是一种折衷方案。在它们专用c n c 系统中，p c 的前端接口，使 其具有p c 处理的柔性，也就是说，这种模式只具有部分的开放性、它不能实现n c 内核 的开放。 ( i i ) 开放控制内核层接口 这种方式能够根据具体应用情况来确定系统不见的组成，并可按接口协议集成自己的 控制软件模块【2 8 】。它能够充分发挥p c 机的作用，利用它完成一些实时性不强或非周期的 任务。而实时性的应用任务则由v c 或p l c 来完成。 其主要实现方式为p c + n c 控制卡。p c 机作为系统的核心，将控制卡插入到p c 的标准 扩展槽中完成各种标准数控功能。一般用p c 机处理各种非实时任务，由硬件扩展卡处理 实时任务。这种模式中，p c 部分能提供一定意义上的开放，控制卡能保证实时性，是目 前研究以p c 为基础的c n c 控制器的主流。美国d e l t a1 a ud a ：t as y s t e m 公司的p m a c - n c ，德 国p a 公司的p a 8 0 0 0 、美国o 咖e cs y s t e m 公司o 打o n 、德国的i n d r a m a t 公司的m t c 2 0 0 都是类 似这种模式。 ( i i i ) 控制内核层全部开放 这种方式是一种测定的开放方案。它实际上是一种d n c 结构，即用光缆将数字伺服 与基于p c 机的n c 装置相连，组成一个可靠性高，实时性强完整的c n c 系统【2 9 ，3 0 1 。它允许 用户按照开放结构标准和规范自行开发特殊应用领域中的软件模块和硬件模块。或则按需 要碑志系统功能而不依赖于任何一个系统生产商和开发商。 其主要实现形式为p c + c n c 接口板。将c n c 接口板插入到p c 机的标准插槽中，这 里的p c 是不需要改造的通用p c ，整个系统由p c 扩展而成。个人计算机既完成前端管理 等非实时任务，又完成如实时插补、伺服控制、电源控制以及i o 控制等一些实时任务。 c n c 接口板只担任沟通p c 接口和物理驱动器接口的任务。其典型产品有美国m d s l 公司 的0 p e nc n c 、德国p o w e r a u t o m a t i o n 公司的p a s 0 0 n t 等。 这种模式的控制器是真正意义上的开放式数控系统，能实现n c 内核的开放、用户操 作界面的开放。c n c 可以直接地、或通过网络运行各种应用软件，因而能满足机床制造 商和用户的最终要求。它能最大限度地利用p c 的软硬件资源，适应未来先进制造技术的 要求。 浙江工业大学硕士学位论文 2 1 2 开放式模式选择 现主流开放式数控系统皆以p c 作为其系统实现的基础，p c 成为开放式控制系统的 基础正是由于p c 机的开放性。p c 的开放性吸引了大量的技术人员投入软件开发，使得 p c 的软件极为丰富，发展极为迅速。利用个人计算机的软硬件资源来构造c n c 系统已成 趋势。优越性如下【3 1 。3 】： 封闭式数控系统的硬件和软件都是专用的，可看作专用计算机，开发和制造费 用巨大，技术难度高。采用p c 机软硬件平台直接作为数控系统的软硬件平台， 硬件不需重新开发，软件也只需开发c n c 应用软件系统。 使用p c 部件和开放构架的设计，可以充分利用p c 的完备硬件，充分利用计算 机领域的先进技术，提高c n c 系统的可靠性。可以在很大范围内选择硬件，避 免了专用c n c 在更换硬件和服务时间的限制。 有一个完整的操作系统环境，可以运行各种应用软件，可以利用操作系统提供 的各种资源和功能调用。利用p c 的网络连接功能，使自动化生产系统能有效地 组织，成为一个具有开放特征的数控系统。 c n c 加工程序的生成和验证可以离线运行，节省宝贵的加工时间。 可享受p c 硬件和软件发展的成果，与p c 同步发展。 综上所述，本课题的开放式数控开发将采用p c + n c 控制卡的开放模式。此基于运 动控制器的开放式数控系统，为不同的控制要求提供了个应用平台，通过分析控制对象 的具体要求，规划相应的控制功能，对运动控制器进行二次开发，就可以构建一个经济实 用的控制系统。该系统可以根据生产工艺的变化、设备功能的改进等定制合适的控制功能， 满足现代市场激烈竞争对产品更新换代周期缩短、生产设备柔性要求越来越高的要求。 2 2 系统软硬件 2 2 1系统模型 基于本章前小节对开放式数控的综合分析比较并选择采用开放控制内核层接口形式 的p c + n c 控制卡开放式平台结构，在此先对整个数控模型提出一个参考模型，如图2 1 所示。 此开放式体系结构数控系统的参考模型为一个分层结构，同时也是模块化的，每一层 都是一个模块。最底层的是机床系统硬件平台，它包括机床本体，x y z c 轴驱动器、各种 继电器、泵和蜂鸣器等。再上一层是控制器硬件平台，它是一个计算机系统，一般应采用 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 通用的p c 机硬件结构，还应提供与机床底层的接口，如数字i o 、可编程逻辑控制器( p