（机械设计及理论专业论文）基于sercos技术的开放式运动控制关键应用技术的研究.pdf

摘要 摘要 运动控制器的开放性是设备制造商保护自身投资，集成用户的特殊功能， 提高产品在国内外市场竞争力的关键技术。当今控制系统的开放性已经成为许 多国家和地区的政府及制造业发展的焦点，其成果不仅将促进科学和技术的进 步，还将具有重要的社会和经济意义。 针对运动控制器开放性的需要，在分析研究世界上流行的开放式体系结构 o s a c a 、o m a c 、o c e a n 、o s e c 的基础上，结合数字运动控制接口技术的 最新发展和i e c 6 1 1 3 1 3 标准，采用组件化、模块化的设计方法和面向对象的编 程思想，对开放式运动控制器进行了深入研究。论文的主要内容如下： 1 在深入研究o s a c a 、o m a c 、o c e a n 、o s e c 等开放式体系结构和对国内 各大数控制造商进行调研的基础上，参与了国家标准“开放式数控系统第 2 部分体系结构 的起草，并依据组件化设计原则，标准将软件划分为运 动控制组件、轴控制组件、逻辑控制组件、任务控制组件、诊断组件和人机 界面组件。系统中的各个功能组件是以独立应用程序的方式运行，模块之间 的通讯采用中性消息语言和共享内存。在体系结构中将任务控制模块从运动 控制功能中独立出来，使之具备与h m i 模块的通信、程序的解释和刀具补 偿、运动控制和逻辑控制的执行三大功能，从而提高了系统的灵活性。 2 通过对s e r c o s 接口的深入分析和研究，开发了实时l i n u x 操作系统下的 s e r c o s 接口驱动器与s o f t c n c 平台的接口i ，i n s e r c a n s 。该软件的 控制功能与技术规范完全符合s e r c o s 接口国际标准。以l i n s e r c a n s 为 通讯接口软件为基础还进一步构建了基于s e r c o s 接口技术的丌放式运动 控制器b j u t - o n c 。 3 推导了定长裁断的电子凸轮公式，应用此公式实现了辊切轮运动轨迹的加速 度连续，并在b j u t - o n c 平台基础上开发了数控定长裁断的控制系统，实 现了辊切轮精确的位置控制，使产品长度精度从+ 2 m m 提高到0 5 m m 。 4 开发了基于l i n s e r c a n s 的b j u t - o n c 运行系统，实现l i n s e r c a n s 与 软p l c 结合。采用a p ih o o k 原理，建立了l i n s e r c a n s 接口函数与软 p l c 软件外部库的通讯，解决了传统系统中不同操作系统下的动态链接库 无法直接调用的问题；通过对t c p i p 协议进行优化，实现了b j u t - o n c 运 行系统借助t c p i p 或r s 2 3 2 与c o d e s y s 开发系统之间的通讯。采用软p l c 技术的b j u t - o n c 运行系统提高了软件开发的灵活性，可操作性和可移植 性，缩短了软件丌发周期。 北京工业大学工学博+ 学位论文 5 b j u t - o n c 运行系统在全电子注塑机中的应用。针对注射成型的工艺特点， 采用位置控制和力矩控制相结合的控制方式，开发了基于b j u t - o n c 运行 系统的全电动注塑机的控制系统。样机的连续运行表明，注射速度最大可达 2 5 0 m m s ，系统响应时间最短为2 m s ：最大注射量为8 0 e r a 3 时，注射时间能 控制在5 0 0 m s 以内。 关键词：s e r c o s ；组件技术；开放式体系结构：运行系统； a b s t r a c t a bs t r a c t t h eo p e na b i l i t yo fm o t i o nc o n t r o l l e ri so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e si n n u m e r i c a lc o n t r o l l e rb e c a u s eo ft h ea b i l i t i e so fp r o t e c t i n gm a n u f a c t u r e r s i n t e r e s t s ， t h ea b i l i t i e so fi n t e g r a t i n gt h es p e c i f i cf u n c t i o n sf o rd i f f e r e n tu s e r sa sw e l la st h e a b i l i t i e so fc o m p e t i n gw i t hn e wp r o d u c t si nt h ew o r l dm a r k e t s i ti so n eo ft h eh o t t o p i c si nt h ea r e ao fm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n gn o w a d a y sd u et oi t sp r o g r e s si n t e c h n o l o g ya sw e l la si t si n t e r e s t si ne c o n o m i c sa l s o a c c o r d i n gt o t h er e q u i r e m e n t so fo p e nm o t i o nc o n t r o l l e r , a n da l s oa f t e r i n v e s t i g a t i o n t oo s a c a ，o m a c ，o c e a na n do s e c ，器w e l la sf o l l o w i e c 61131 3a n dt h el a t e s tr e q u i r e m e n t so fd i g i t a lm o t i o nc o n t r o li n t e r f a c e t e c h n o l o g y , t h eq p e nm o t i o nc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nc o m p o n e n t ，m o d u l a r a n do b j e c to r i e n t e dt e c h n i q u e s 。 t h em a i nc o n t e n t so ft h et h e s i sa r ea sf o l l o w i n g ， 1 d r a f t i n go u tt h en a t i o n a ls t a n d a r d “o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mp a r t2 a r c h i t e c t u r e b a s e do nc o m p o n e n tt e c h n i q u e sa f t e ri n v e s t i g a t i o nt ot h e a r c h i t e c t u r eo fo s a c a ，o m a c ，o c e a na n do s e ca sw e l la ss o m eo t h e rn c m a n u f a c t u r e r s t h en e wa r c h i t e c t u r ei sd i v i d e di n t om o t i o nc o n t r o lc o m p o n e n t ， a x i sc o n t r o lc o m p o n e n t ，l o g i c a lc o n t r o lc o m p o n e n t ，t a s kc o n t r o lc o m p o n e n t ， d i a g n o s i sc o m p o n e n ta n dh m ic o m p o n e n t e a c hf u n c t i o n a lc o m p o n e n ti s e x e c u t e db yi t sa p p l i c a t i o np r o g r a m t h es h a r e dm e m o r i e sa n dn e u t r a lm e s s a g e l a n g u a g ea r eu s e d i nt h ec o m m u n i c a t i o 。na m o n gt h ec o m p o n e n t s t h et a s k c o n t r o lf u n c t i o ni sn ol o n g e rd e p e n d e do n m o t i o nc o n t r o lc o m p o n e n ti nt h e a r c h i t e c t u r ea n db e c o m e sa ni n d e p e n d e n t o n ew i t ht h r e ef u n c t i o n s ， c o m m u n i c a t i n gw i t hh m ic o m p o n e n t ，i n t e r p r e t a t i n ga n dt o o lc o m p e n s a t i o n ， e x e c u t i n gm o t i o na n dl o g i c a lc o n t r 0 1 s ot h ef l e x i b i l i t yo fe n t i r es y s t e mi s e n h a n c e ds i g n i f i c a n t l y 2 t h el i n s e r c a n si sd e v e l o p e db a s e do na n a l y z i n ga n ds t u d y i n gs e r c o s i n t e r f a c e i ti st h ei n t e r f a c eb e t w e e ns e r c o sd r i v ea n ds o f t - c n cp l a t f o r mi n t h er e a lt i m el i n u x t h ec o n t r o lf u n c t i o n sa n dt e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n sc o u l d m e e tt oi n t e r n a t i o n a ls e r c o ss t a n d a r dp e r f e c t l y t h eo p e nm o t i o nc o n t r o l l e r b j u t - o n ci sc o n s t i t u t e db a s e d0 1 1t h el i n s e r c a n s 3 t h em a t hf o r m u l af o re l e c t r o n i cc a mi nf i xl e n g t hc u r i n gi sc a r r i e do u t i t - 1 1 1 - 北京f ：业人学一f ：学博十学位论文 i m p l e m e n t st h ej e r kp r o g r e s s i o no fp a t h t h eb j u t - o n ci sa p p l i e da sc o n t r o l s y s t e mo fn cc r o s s - c u t t i n gm a c h i n e t h el e n g t hp r e c i s i o no fl e n g t hc a nb e i m p r o v e df r o m + 2 r a mt o 0 5 m m 4 b j u t - o n cs y s t e mi s d e v e l o p e db a s e d o nt h el i n s e r c a n s i tc o m b i n e s l i n s e r c a n sw i t hs o f tp l ct e c h n o l o g y t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e i n t e r f a c ef u n c t i o n so fl i n s e r c a n sa n de x t e m a ll i b r a r yo fs o f tp l ci ss e tu d b a s e do na p ih o o kt h e o r y i ts o l v e st h ec a l l i n gf u n c t i o n so fd y n a m i cl i n k l i b r a r i e si nd i f f e r e n to p e r a t i o ns y s t e m b j u t - o n cc o m m u n i c a t e sw i t hc o d e s y s d e v e l o p m e n ts y s t e mv i at c p i po rr s 2 3 2a f t e ro p t i m i z i n gt h et c p i pp r o t o c 0 1 t h ef l e x i b i l i t y ，i n t e r o p e r a b i l i t ya n dp o r t a b i l i t yo fs y s t e ma r ee n h a n c e di nt h e b j u o n cw i t hs o f tp l c 5 b j u t - o n cs y s t e mi su s e di nt h ee l e c t r o n i ci n je c t i n gm a c h i n e a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fi n j e c t i o nm o l d i n gp r o c e s s e s ，t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d b a s e do nt h eb j u t - o n c ，w h i c hc o m b i n e st h ep o s i t i o nc o n t r o la n dt o r q u e c o n t r 0 1 t h eo p e r a t i o nt h em a c h i n es h o w st h a tt h em a x i m a li n j e c t i o nv e l o c i t y r e a c h e s 2 5 0 m m s ，t h em i n i m a lr e s p o n s et i m es h o r t e rt h a n2 m sa n dt h e m a x i m a li n j e c t i o nv o l u m ei su pt o8 0 c m 3a sw e l la si n j e c t i o nt i m ec o u l db e c o n t r o l l e dw i t h i n5 0 0 m s k e y w o r d s ：s e r c o s ；c o m p o n e n tt e c h n o l o g y ；o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ； r u nt i m es y s t e m - i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 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 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名康存鳞同期：工叩g 孕2 夕 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 黼 导师签名： 埘 贺7b f 1 期：多阳孚年2 q 第l 章绪论 1 1 开放式数控系统 第1 章绪论 数控技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术，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 和自动化必须由计算机数控系统( c n c ) 来执行和实现；新工艺、新方法、新技 术要通过信息方式转化为对装备的控制：制造过程的监控、故障诊断、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，采用数控技术后机械传动结构得到简化，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。除了机床和机器人以外，数控系 统也成为各种机电一体化产品的核心控制技术。 1 1 1 数控系统开放的必要性 各种各样的机器应用技术和日益增长的新型制造技术，迫切要求数控系统 灵活适应多种自动化解决方案，根据终端用户的需要实现客户化。传统的数控 系统是封闭的，是供应商专有的打包产品，它们无法满足当今新产品开发的需 求。这种模式导致了数控系统用户对产品供应商的极大依赖性，用户产品的任 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。因此工业用户迫切要求 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 n a r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 ) 以满足他们的需求川。基于p c 机的开放式控制系统和开放 式接口能够使机器制造商保护他的投资，他们的产品不再依赖于某个特定的硬 件、软件供应商，可以优化选配来自不同供应商的零部件，并要求供应商提供 最大的柔性，以便集成用户的特殊功能，从而提高产品在国际市场的竞争能力 【2 】 ， o 开放性数控系统的优势【3 】【4 1 ： 1 ) 灵活适应制造业的广泛需求。具有为各类制造装配提供多种自动化解决 方案的能力； 2 ) 可以方便地满足制造装备生产厂对数控系统个性化的需求，扩大产品的 北京t 业火学t 学博i j 学位论文 特色： 3 ) 便于设备维护和系统的扩展与升级，有效的发挥和保护企业的原有投 资； 4 ) 企业的产品不再依赖于某个特定的硬件和软件供应商。打破国际封锁， 可以优化选配来自不同供应商的零部件，并根据产品的特定功能自行集成； 5 ) 具有好的可移植性，及时采用计算技术、制造技术和软件技术的最新成 果： 6 ) 可以实现与信息技术的无间隙集成，促进网络制造技术的发展； 7 ) 可以实现对产品的远程诊断和远程服务。 1 1 2 开放式数控系统的定义 从开放式数控系统目前的研究成果看，虽然现在大多数控制系统供应商都 能提供具有一定程度的开放性，但是不同的供应商对开放性的解释非常不同。 有些控制系统供应商将开放性的定义限制在给出一个基于p c 技术的人机接口； 有些供应商将插入的板卡和软件算法集成在系统的专用部件中，甚至某些c n c 系统将一些算法集成到软件的实时部分。简而言之，这些产品虽然具有一定程 度的开放性，但它们仍然是基于非标准的接口和硬件，即不允许机器制造商将 一个供应商的软件模块替换成另一个供应商的软件模块。在i e e e ( 电气及电子 工程师协会) 中对于开放性是这样定义的：一个开放式系统能够使各种应用合 理地运行在来自多个供应商的不同平台上，与其它应用系统有互操作性，提供 一个一致的用户接口 s l 。因此开放式数控系统应该具有下列五个方面的系统特 性：系统互换( i n t c r c h a n g e a b i l i t y ) 、可伸缩性( s c a l a b i l i t y ) 、可移植性( p o r t a b i l i t y ) 、 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 和可扩展性( c x p a n d a b i l i t y ) 。开放式数控系统是开放式、 高可靠、高性能、系列化、智能化、网络化数控系统的通称，其核心是开放式。 开放式数控系统采用的是模块化的体系结构，它体现在应用软件模块( 面向 对象的结构对象) 与运行平台的无关性( 通过应用接口软件实现) 、系统中各应用 软件模块之间的互操作性和人机界面及通信接口的统一性【6 】。它的实质是采用 现有的商品化硬、软件和符合国际标准或事实标准的接口集成出数控系统。这 样的系统可以不再依赖于某个单一供应商，称之为“供应商中立结构 ，可以从 不同供应商那里优化选购组件或功能单元，可以运行在不同的平台上，使数控 产品具有适应各类制造装备的灵活性、可扩展性、可移植性、互操作性，实现 个性化产品的设计和丌发。同时所用的组件均可即插即用，从而大幅度降低数 控系统的制造周期、生产成本、维护成本，明显地提高了产品的市场竞争能力。 开放式数控系统的研究已经成为全球的竞争焦点。世界各发达国家都制定 第1 苹绪论 了计划并投入了巨资来推动该项技术的研究开发。最著名的有欧洲的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 sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ，自动化控制 系统的开放式体系结构) ，美国的o m a c ( o p e nm o d u l a r a r c h i t e c t u r ec o n t r o l s ， 开放式模块化控制器) 和日本的j o p o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ，控制器的开放式系统环境) 。2 0 0 2 年8 月在欧洲又启动了o c e a n 计划( o p e n c o n t r o l l e re n a b l e db ya l la d v a n c e dr e a l t i m en e t w o o r k ，先进的实时 网络下的开放式控制器) 。我国政府对发展开放式数控系统也给予了高度的重 视，将它定为我国数控产业发展的唯一出路，成为我国“十五”规划的重点研 究项目，并于2 0 0 2 年发布了国家标准“开放式数控系统第一部分：总则”。 1 1 3 开放式数控系统的实现方式 数控技术与计算机技术、信息技术、控制技术密切相关。近十年来，这些 相关技术的飞速发展无论是在硬件方面还是在软件方面都为数控技术的发展提 供了强大的支持。各种不同层次的开放式数控系统应运而生，而且正朝着标准 化开放体系结构的方向发展。当前开放式数控系统的实现方式有以下几种1 7 儿3 j ： i ) “p c 嵌入n c ”结构。如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、 n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数控系统。在不放弃多年来积累的数控软件技术的 基础上，这些数控系统制造商在专用n c 中引入了p c 技术，使得新开发的产 品可以充分利用计算机丰富的软件资源，并使产品具有一定的丌放性，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。因此，用户 无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，且价格昂贵。 2 ) “p c + 专用控制卡”结构。如r e r o x t hf m d r m n mb t v 3 0 等数控系统。这 种结构是将专用的c n c 控制卡和p l c 控制卡插入p c 机中组成数控系统，系 统采用专有的数控软件，用户可以根据自己的需求完成系统配置和应用软件开 发，因此这种结构的系统软件和应用软件是分开的。 3 ) “n c 嵌入p c ”结构。它由开放式体系结构的运动控制卡+ p c 机构成。 这种运动控制卡通常选用高速d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控 制能力。它本身就是一个数控系统或运动控制器，可以单独使用；也可以以p c 插件形式或通过网络连接的嵌入式系统来实现。它提供开放的函数库供用户在 w i n d o w s 或l i n u x 平台下自行- 丌发并构造所需的控制系统，同时还支持用户 定制，因而这种开放式运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。 如美国d e l t at a u 公司用p m a c 多轴运动控制卡构造的p m a c - n c 数控系统、 日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0 c n c 等。 北京了业大学工学博十学位论文 4 ) 软件型开放式数控系统。这是一种最新的开放式体系结构的数控系统。 它提供给用户最大的选择和灵活性，它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬 件部分仅是计算机与伺服驱动或外部f o 之间的标准化通用接口，而不再是包 含有许多插件板的专用硬件系统。各种自动化设备当作计算机的一般外设来看 待，并可以通过网络共享出去。用户可以在带有实时扩展的w i n d o w s 或l i n u x 平台上，利用开放的c n c 内核，开发所需的各种功能，构成各种高性能的数 控系统。在这种结构下，运动控制器以应用软件的形式实现，这样不但实现了 数控语言解释器、人机界面的用户定制，而且实现了运动控制策略( 算法) 的用 户定制，后者是更深层次的开放性的体现。其典型产品有美国m d s i 公司的 o 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 8 0 0 0n t 等。 1 2 国外开放式数控系统的研究现状 由于开放式数控系统的基本特征体现在系统的表现形式上，而对于系统体 系结构的具体内容和系统实现还没有统一的标准，因此为了制定开放式控制系 统的体系结构标准，工业发达国家已经投入大量人力、财力来组织产、学、研 各方面力量制定研究计划并开展了具体的研究工作。其中有影响的有美国的 n g c 和o m a c 计划，欧洲的o s a c a 与o c e a n 计划和日本的o s e c 计划。 1 2 1 美国的n g c 和o m a c 计划 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 o l l e r ，下一代工作站 机床控制器) 计划从1 9 8 9 年开始实施，旨在推动美国工业界形成一个广泛的伙 伴关系，以利于同国外竞争。n g c 是一个实时) j n - r 控制器，要求适用于各类机 床的c n c 控制和周边装置的过程控制，包括切削加工( 钻、铣、磨) 、非切削加 工( 电加工、等离子弧、激光等) 、测量及装配、复合加工等【9 】。n g c 与传统c n c 的显著差别是基于“开放体系结构”。其首要目标是开发丌放式系统体系结构标 准规范s o s a c ( s p e c i f i c a t i o nf o ra l lo 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 ) ，它用来 管理工作站和机床控制器的设计与结构组织形式。s o s a c 定义了n g c 系统、 子系统和模块的功能以及相互间的关系，提出了代表控制要求的九个功能设计 概念： 1 ) 分级式控制结构，指出了功能性的分解； 2 1 分布式控制适应于单个工作站内的多级控制； 3 ) 按系统、子系统和模块进行分类； 4 ) 虚拟机用于模块蒯的相互交换和相互操作； 第l 章绪论 5 ) 控制程序由三级设计表示： 6 ) 信息通过n m l ( n e u t r a lm a n u f a c t u r i n gl a n g u a g e ) 语言传递； 7 ) 公共的l o o k 和f e e l 是人机接口的一部分： 8 ) 信息库管理所要求的信息，并包括实时数据： 9 ) 传感器操作部件的操作按照标准协议进行。 在n g c 计划的指导下，美国f o r d 、g m 和c h r y s l e r 等公司，联合提出了 o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 开发计划，构造了系统基础框架， 信息库管理、逻辑控制、人机接口、运动控制、传感器接口等完整的体系结构。 该计划提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机构，使系统制造 厂、机床厂和最终用户分别从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和 二次开发、简化系统使用和维护等方面受益。如c i n c i n n a t im i l a c r o n 的a 2 1 0 0 系统就是依据此开放式体系结构开发而成的，它由双处理器组成，在w i n d o w s n t 操作系统下实现了多任务、多过程、多功能：还有d e l t at a u 公司利用 n g c 和o m a c 等协议，采用p c 机+ p m a c 控制卡构成的p m a c 开放式c n c 系统，它们都获得了良好的应用效果。 1 2 2 欧洲的o s a c a 和o c e a n 计划 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 lw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m s 自动化系统中开放式体系结构) ”计划是1 9 9 0 年由德国、法国、西班牙、 意大利、瑞士等欧共体国家的系统制造厂、机床制造厂和科研单位联合发起的， 于1 9 9 2 年5 月正式被欧盟官方所接受l l 。 o s a c a 计划事实上分为三个阶段，o s a c ai 、o s a c ai i 和i d a so s a c a 。 o s a c ai 完成了规范和应用指南的制定；o s a c ai i 为系统平台提供了软件模 块池( s o f t w a r em o d u l ep 0 0 1 ) ，它包括开发一个标准的、通用的o s a c a 系统平 台及一系列的标准组件；i d a so s a c a ( 即i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n d a w a r e n e s sa c t i o n ) 则致力于推广o s a c a 的思想及与其他开放系统组织如 o m a c 、o s e c 进行交流。o s a c a 计划中的三个阶段工作于2 0 0 0 年全部完成。 已公布的文件包括“o s a c a i & i if i n a lr e p o r t 和“o s a c a h a n d b o o k ”及其他 一些文件。 o s a c a 提出了一个“分层的系统平台+ 结构功能单元 的结构i l 。 o s a c a 认为一个开放式控制系统应以一个系统平台为基础，由一组逻辑的、 离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息；它在组件与平台之间 定义了很好的接e l ，不同供应商提供的组件可以在平台上协调工作；正确工作 的控制器可运行不同的系统平台之上。此结构由通讯系统( c o m m u n i c a t i o n 北京t 业人学t 学博 j 学位论文 ! i ，1 。；i i i ；二二；i 。i i ! ! ! ! 鼍 s y s t e m ) 、参考体系结构( r e f e r e n c ea r c h i t e c t u r e ) 和配置系统( c o n n g u r a t i o ns y s t e m ) 3 部分组成。 系统平台由系统硬件和系统软件组成，系统软件包含有系统的核心部分， 如操作系统、通讯系统和可选的应用程序如数据库、图形系统之类。系统平台 通过a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a mi n t e r f a c e ) 对外提供服务( s e r v i c e ) 。a p i 是结构功能 单元a o ( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 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的无关性。 o s a c a 采用的上述结构，充分保证了“丌放”的各个特征，即可移植性， 可扩展性，可替换性，可缩放性和互操作性。 在o s a c a 的基础上，欧盟又投资2 6 0 万欧元实施了o c e a n 计划，它的 目标是基于r tc o r b a 实现一个具有实时能力的分布式控制平台，凡是符合 开放标准的组件皆可动态的集成到该平台，即定义并实现分布式控制系统的实 时框架( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e mr e a l t i m ef r a m e w o r k ，d c r f ) 和定义并实现 基于组件的开放式数控参考体系结构【1 2 1 。 1 2 3 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 n m e n tf o rc o n t r o l l e r ) 计划是由日本国际机器人和 工厂自动化研究中心i r o f a ( i n t e m a t i o n a lr o b o t i c sa n df a c t o r ya u t o m a t i o n c e n t e r ) 建立的开放式数控委员会( o p e nn cs c o p ea n dd i r e c t i o n sc o m m i t t e e ) 的倡 导下，由三个机床厂( t o y o d a ，t o s h i b a ，m a z a k ) 、一个系统厂( m i t s u b i s h i ) 和二个信 息公司( s m l ，同本i b m ) 发起的。其目的是丌发基于p c 平台的、具有高性能 价格比的、丌放式体系结构的新一代数控系统。 o s e c 讨论的重点集中在n c ( 数字控制的) 本身和分布式控制系统上。o s e c 的开放c h i c 系统体系结构包括了3 个功能层和七个处理层。每一个处理层都 被划分为两部分：n c 基本功能部分和可变功能部分。o s e c 开放系统正是通过 这一特点来表现其开放性。f a d l ( t 厂自动化描述语言) 是o s e c 定义的一种新 的n c 数据表示法。 o s e c 认为目前软件技术的发展已使开发p c 机的潜能成为可能，特别是 面向对象编程和解释器两个方面的进步改变了嵌入式系统的设计，而目前c n c 所使用的表示法则太陈旧，已不能适应未来c n c 系统结构的需求，新的数据 表示法必须能满足如下要求： 1 ) 面向对象设计( 通用处理对象) ：面向对象的数据表达法是未来c a d 系 统的基础，当通用处理对象模型在c a m 中定义和使用时，c a m 系统可以直接 产生c n c 数据。 第1 荦绪论 2 ) 硬件抽象：数据本身必须能移植到带有解释器的每一台机器上。例如： 刀具位置不能像i s on c 数据一样直接编码在数据中。 3 ) 曲线：3 d c a d 的进步使机械设计者可能设计曲线形状。但当前的n c 数据缺乏表征曲线形状的标准，因而使零件程序非常庞大。 4 ) 广泛的覆盖性：从元件级( 电机，顺序控制器等) 到工作级( 加工设备等) 的设备控制描述。 5 ) 表达标准化：当前n c 代码允许由不同控制商定义的，从而限制了其标 准性。 o s e c 采用了一种新的接口协议，这一协议从c a d 和生产管理开始，分为 c a m 和生产监控，它们综合成为任务调度，然后利用各种库进行解释，形成 轴控制及p l c 所需的信息和数据，从而实现对机床的伺服和执行机构的控制。 这些接口协议主要通过自行开发的f a d l ( f a c t o r ya u t o m a t i o ne q m p m e m d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 中性语言体系来实现，包括i 0 口控制、信号处理控制、 电机控制以及电机联动控制等几类。 o s e c 认为i s o 所采用的e i a 代码是6 0 年代制定的代码，现己过时，为 此提出了o s e l ( o p e ns y s t e me n v i m n m e ml a n g u a g e ) 力l l - v 语言体系，这种语言的 特点是既可与e i a 信息码及刀具轨迹数据( c l d a t e ) 兼容，满足实时插补要求， 又能直接使用通用轨迹描述语言( 如曲线和曲面) 表达信息，可以为离线 c a d c a m 与实时控制器之间提供真正的连接。 1 3 国内开放式数控系统的研究现状 我国数控产业通过“八五攻关已形成的华中i 型、航天i 型等具有自主 版权的开放式体系结构系统，都是利用p c 机组成数控系统，使得c n c 重点由 硬件转向软件，为我国的数控产业发展缓解了硬件生产上的“瓶颈 制约，从 而加快了生产实用产品和实现规模生产的步伐。然而与国际上比，我们所生产 的开放体系结构系统还仅仅处于初始阶段，最大问题是开放性不够，接口界面 不是标准化的，不可能实现互换和互操作，要方便地进行二次开发的开放程度 还远未达到。存在主要问题是： 1 ) 开放式控制系统的概念不清晰，没有解决开放控制系统的平台问题。各 系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之间缺乏兼容性和互换 性，不具备可移植性和互操作性。 2 ) 通用操作系统如w i n d o w s 、l i n u x 没有得到充分利用。软件开发思想 与技术落后，始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对 象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术，而这些正是实现开放性控制系 北京工业大学工学博士学位论文 统的关键所在。 3 ) 科研单位各自在进行开放式数控系统的研究，各自采用不同的标准，形 成了各种不同的系统。不同的通讯协议和数据结构，使不同设备之间无法实现 信息交换，不同的软件之间无法实现信息的传输，不同的数据库之间无法实现 数据的共享，用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。 这样的产品最终仍然是互不兼容，实质上依然是各自封闭的开放式数控系统。 目前国内比较有代表性的丌放式数控系统主要有以下几种： 1 ) 基于软件芯片的丌放式数控系统【1 3 】【1 4 l 该系统提出了一种基于软件芯片的开放式数控系统的实现模式。在该模式 中，通过对数控软件的标准化与规范化的研究，运用面向对象的机制，把数控 系统的功能进行抽象并进行封装，将数控软件设计成具有通用接口，可以重用 的软件芯片，每一个软件芯片完成数控系统的一个独立模块的功能。用户在开 发时，可以将芯片库中检索出的软件芯片按照自己所要求的功能进行修改或者 直接重用，并且与自己新开发的软件芯片一起组装成目标数控系统，这样开发 一套新的数控系统将比以前节省更多的时间，而且数控系统总体质量也比以前 有大幅度的提高。 2 ) 基于w i n d o w s 下的开放式数控系统【1 6 1 该系统采用上下位机通讯模式，上位机工作在w i n d o w s 环境下，下位机工 作在d o s 环境下并根据实时性的强弱和数据量的大小将数据流分为加工数据和 限时数据。其中加工数据主要是指经过数据预处理得到的加工轨迹及相关数控 指令。上位机把这些数据计算好，通过网络供下位机使用。下位机根据这些数 据进行自主式控制，完成实时信息的处理。限时数据主要是指实时突发性信息、 联络协调信息、人工干预信息等，这类数据的数据量少而简单，并且实时性要 求也不是非常严格，以分块数据流形式传输，简单而可靠。该模式全方位开放， 上位机和下位机保持相对的独立，并采用模块化结构可以快捷方便地组建数控 系统，还可以利用网络实现远程制造。 北京工业大学在德国b o s c hr e x r o t h 公司和德国斯图加特大学s e r c o s 接口 中心的支持下开发了基于s e r c o s 和r t l i n u