（机械制造及其自动化专业论文）基于windows通用数控系统的设计研究及应用.pdf

基于w i n d o w s 通用数控系统的设计研究及应用 摘要 数控系统的发展与计算机技术是紧密相连的，当前数控技术的研究主流是在 p c 机上搭建数控体系。本文以p c 机为基础，以w i n d o w s 操作系统为平台，以 面向对象编程技术为手段，设计研究了具有开放性、模块化和可移植性的通用数 控系统。论文的主要内容包括： ( 1 ) 分析了国内外数控系统发展的概况以及基于w i n d o w s 通用数控系统的 实时性问题，并提出解决方案。 ( 2 ) 搭建了基于w i n d o w s 通用数控系统s 1 a r 2 0 0 3 的软硬件结构；设计 研究了s t a r - 2 0 0 3 数控系统的各个功能模块，详细设计了调整、n c 代码的编辑 和编译模块。能够实现数控系统的绝大部分功能。 ( 3 ) 在s t a r - 2 0 0 3 数控系统基础上，派生出s t a r - 2 0 0 3 w 数控弯管机系统： 设计了s t a r 一2 0 0 3 w 数控弯管机系统软硬件结构和各个功能模块，并进行系统 的安装调试。 关键字：数控系统：运动控制卡：面向对象编程( o o p ) ；数控弯管机 d e s i g n 、r e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o nu n i v e r s a lc n c s y s t e m b a s e do nw i n d o w s a b s t r a c t t h ed e v e l o p m e n to fc n c s y s t e mc l o s e l yc o n t a c t sw i t hc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， n o w ，c o n s t i t u t i n gc n cs y s t e mb a s e do np c h a sb e e na m a j o rd e v e l o p m e n t d i r e c t i o n o fn u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y t h eu n i v e r s a lc n cs y s t e mt h a ti so p e n i n g 、m o d u l a r a n di n h e r i t a b l eh a sb e e nr e s e a r c h e da n d d e s i g n e d b a s e do np ca n dw i n d o w s o p e r a t i n gs y s t e m w i t h o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t h ef o l l o w i n g sh a v eb e e n a c h i e v e di nt h i sp a p e r ： ( 1 )a n a l y z et h es u r v e yo fc n ct e c h n o l o g yo v e r s e a sa n dd o m e s t i ca n dt h e r e a l t i m ep r o b l e mo ft h eu n i v e r s a lc n cb a s e do nw i n d o w s a n dp u t f o r w a r dt h e p r a c t i c a b l es c h e m e ( 2 ) u p b u i l dt h es o f t w a r e & h a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es t a r 。2 0 0 3u n i v e r s a l c n c s y s t e mb a s e do nw i n d o w s ；r e s e a r c ha l lk i n d so f t h em o d u l e so f t h e s t a r - 2 0 0 3u n i v e r s a lc n cs y s t e m ；d e s i g nt h et w om o d u l e so f a d j u s t i n g m a c h i n et o o la n de d i t & c o m p i l en cc o d ei nd e t a i l t h e s 1 a r 一2 0 0 3s y s t e mc a nr e a l i z ea m a j o r i t yo f f u n c t i o nf o rc n c ( 3 ) t h es t a r - 2 0 0 3 wc n cp i p eb e n d i n gm a c h i n ei sd e r i v e df r o mt h e s t a r 一2 0 0 3u n i v e r s a lc n c s y s t e m b a s e do n w i n d o w s ； i t s s o f t w a r e & h a r d w a r es t m c t u r ea n da l l k i n d so ff u n c t i o nm o d u l e sh a v e b e e nd e s i g n e d ，a n dt h es t a r 一2 0 0 3 ws y s t e mh a sb e e ni n s t a l l e da n d t e s t e df i n a l l y k e y w o r d s ：c n c ，m o t i o n c a r d ，o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ， c n c p i p eb e n d i n g m a c h i n e 独创性声明 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志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒目b ：e ：些盍堂 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已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：像奄湾签字日期：1 ，口驴年了月巧弭 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王些盔堂有关保留、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，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 肥工业大学可以将学位论文的全部或部分论文内彝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。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权b ) 学位论文者签名：1 a 立浩 签字日期：砸p 年；月。? 曰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 签字日期 电话 邮编 - 格 y 月 磷僻 致谢 在我的硕士学位论文完成之际，特别地向我的导师韩江教授致以最诚挚的敬 意和最衷心的感谢! 导师对我研究生阶段的学习、研究及论文工作，自始自终都倾注了大量心血， 对我论文的选题、调研、修改直至定稿一直都给予悉心指导，并提出大量的修改 意见。导师渊博的知识、严谨求实的治学态度、诲人不倦的指导作风以及勇于开 拓的进取精神，是我今后学习和工作的楷模。导师在我近三年的硕士阶段学习和 生活中所给予的无微不至的关怀，是我的良师益友，我将永远铭记在心! 感谢王治森老师、杜晓荣老师，何凯老师对我的关怀和指导! 感谢我的好朋友陈杰在系统设计和程序编制的过程中给了我无限的帮助! 感谫 谭平、谈勇、周蓉、闰晓婧等同学在我的论文撰写过程中给予的帮助! 感谢师弟唐长平，余道洋，胡朝斌、曹斌、方兴等给我的帮助! 衷心感谢和祝福所有支持和帮助过我的老师、同学、朋友们! 我将怀念在合 肥工业大学c i m s 研究所的学习时光，衷心祝愿她的明天更加美好! 作者：何高清 2 0 0 4 年3 月 第一章绪论 数控系统是利用数字信号对执行机构的位移、速度、加速度和动作顺序实 现自动控制的一种控制系统。数控系统从1 9 5 2 问世以来，随电子技术、计算 机技求和自动控制技术的不断发展，经过六次产品更新换代，近年出现了基于 p c 机的开放式数控系统。早期的数控系统仅用于数控机床。自从出现了计算 机数控系统后，数控系统不仅普遍用于数控机床，而且在电火花线切割、电火 花成形、高压水射流切割、激光切割、快速原型制造和机器人等自动化控制领 域获得了越来越广泛的应用，而且随着计算机技术的迅猛发展，数控系统越来 越向开放式方向发展 1 】【2 】1 3 1 。 1 1 数控系统发展概况 数控系统可以分为硬件数控系统( n c ) 和软件数控系统( c n c ) 。硬件数控 系统使用硬件数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能，都由专用的、 固定组合逻辑电路来实现，不同功能的数控系统，其电路也不同。软件数控系 统使用计算机数控装置，这种数控装置的硬件电路是由小型( 或微型计算机) 加上通用( 或专用的) 大规模集成电路制成，数控系统的主要功能几乎全部由系 统软件来实现，所以不同功能的数控系统其系统软件也不同，而修改或增减系 统功能时，只需改变系统软件，不需改动硬件电路【4 l 。 早期的数控系统采用数字逻辑电路构成。1 9 5 2 年诞生的第一代为电子管 式，1 9 5 9 年发展为第二代晶体管式，1 9 6 5 年出现了第三代的小规模集成电路 式数控系统。这三代数控系统的所有功能均由硬件实现，所以称为硬件数控系 统。这种数控系统在改变或增减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件 电路，没有通用性和开放性，所以其应用范围受到很大限制，而且其可靠性较 低，造价较高。随着计算机技术的发展，1 9 7 0 年出现了通用小型计算机。于 是将它移植过来作为数控系统的核心部件，出现了第四代数控系统，即计算机 数控( c n c ) 系统。1 9 7 4 年，微处理器被应用于数控系统后，发展为第五代 数控系统，即现代c n c 系统。c n c 系统特别是现代c n c 系统的主要功能，如插 补运算、刀具补偿、用户数控程序的预处理、刀具加工轨迹仿真等均由软件实 现，所以c n c 系统又称为软件数控系统。软件数控系统可以按照需要改变系统 软件。自从出现了现代c n c 系统以后。才从根本上解决了数控系统可靠性低、 价格昂贵、应用不便、制造周期等关键问题。到7 0 年代末8 0 年代初，现代 c n c 系统进入成熟期，并在工业化国家形成产业化，数控系统及数控机床开始 批量生产和投放市场，数控技术在其它领域也得到了普及应用 5 1 6 1 。 c n c 技术的应用为制造业带来异常深刻的变革，但是，随着现代制造技术 的发展，对c n c 系统提出了越来越高的要求。从完成功能上看，一方面c n c 系 统必须适应d n c ( d i s t r i b u t e dn u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 、c a d c a m 及c i m s 的发展，能提 供一个可以集成不同开发商提供的软件并适合联网需要的平台；另一方面，随 着数控系统在机械制造、冶金、纺织、印刷、军工等行业的应用日益增多，中 小批量生产的趋势日益增强，必须根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本 地构筑面向用户的数控系统。这就要求c n c 系统具有模块化和可重新配置的特 点。从使用的角度看，新型c n c 系统应能运用于各种计算机软硬件平台上，并 提供统一风格的用户交互环境，以便予用户的操作、维护和更新换代。还应能 在普及型个人计算机的操作系统上，简便地应用系统所配置的软件模块和硬件 设备。机床制造商和用户能够方便的进行软件开发，追加功能和实现功能的个 性化，使c n c 系统具有p c 机的高速分析运算能力、大容量存储功能、各种软 件的支撑、图文显示的优势以及联网的灵活性。显然，现代的封闭式结构的c n c 系统根本无法满足这些要求。 此外，由干计算机技术的高速发展，c p u 的生命周期越来越短，目前一般 为6 8 个月。若按照传统的方法把一种计算机新技术应用在c n c 数控系统中， 不能进行技术的迅速更新换代。而且，c n c 的操作系统一般是基于d o s 平台， 界面不够友好，使用不够方便，对机床制造商和用户的技术水平要求较高。数 控系统生产厂商为了保持自己的市场竞争力，必须寻求更好的技术手段，使他 们的专用技术，能够随着计算机技术的更新换代而顺利的升级。在这种情况下， 基于p c 的第六代数控系统开放式数控系统便成应运而主。 1 2 开放式结构数控系统的特点及其优越性 1 2 1 特点 开放式控制系统的研究从8 0 年代开始，到现在还没有形成统一的标准。 n i s t fn a t i o n a li n s t i t u t eo f s t a n d a r da n dt e c h n o l o g y ) l j 定义为：“开放式体系结构 是能够实现所有功能的控制器，而构成这种控制器的所有硬件和软件都能够从 现有的大量资源中获得”。y a l t i n t a 坤。等认为：“开放式结构机床的控制器应 该是独立的应用程序、传感器和计算机模板的模块化集成，而所有的这些部件 是被不同的厂商提供的”。i e e e t l 定义为：“开放式控制系统应提供这样的能力： 来自不同厂商的软硬件在不同操作平台上运行的应用，并且该系统能够和其它 系统应用协调工作”。而欧洲o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e f o rc o n t r o l w i t h i n a u t o m a t o ns y s t e m s ) 对开放式体系结构也有类似的定义。 综上所述，丌放式数控系统注重兼容性、互操作性和模块化。设计者尽可 能完善系统各个功能模块，形成一个通用的数控系统，然后根据用户的需要搭 建一个特定的数控系统，这样便于系统的维护和升级。 1 2 2 优越性 开放式c n c 的优越性体现在以下几个方面【1 1 ： ( 1 ) 开放式数控系统一般对用户公开系统软、硬件结构，其软、硬件控制 接口形式对用户来说是透明的，有的厂家甚至给用户提供了可选配的硬件功能 配件及软件二次开发包，极大地方便了用户进行功能增补或系统升级。 ( 2 ) 兼容性使得在开放式数控上可以运行如c a d 、c a m 、c a p p 、工厂级和车 间级生产调度管理等多种软件；还可以插入网卡、图形加速卡、声卡和打印机、 摄像机等外部设备，易于组成高性能c a m 和组建数控网络，使不同的数控系统、 不同车间乃至不同厂商可以共享某些数据及加工程序，从而促进交流与合作， 提高工作效率，避免重复劳动。工程师和管理人员还可以在远程实时地对生产 线上的机床进行监控，甚至通过摄像机看到机床工作的图像。 ( 3 ) 数控系统生产厂商获得了更大的生存空间和自由度。开放型使他们可 以把资金和精力用于开发各自的软、硬件功能模块，从而丰富自己的产品系列 并为用户提供更多、更专业的选择。 ( 4 ) 作为数控系统用户的加工企业，得以摆脱以往对单一供应商的依赖， 他们可以从不同的供应商那里寻找最能满足自己需求的数控系统，并能根据自 己的需要选用不同功能的软、硬件模块，来构筑自己的数控系统。那些具有不 同功能的模块都支持某些标准的通讯协议和文件格式，可以互相替代，它们通 过标准化的应用程序接口( a p i ) 挂在操作系统平台上，由操作系统统一分配 资源，协调工作，彼此可以相互调用。要增加或减少某些功能时，只需安装和 拆卸相应的模块就行。由于所有的备品备件都可以轻易地在市场上买到，价格 也便宜，也使得维护维修非常容易，同时还降低了成本。 ( 5 ) 由丁p c 机的普及程度非常之高，在不久的将来，人们使用计算机非常 熟练和方便，这就使制造业可以大大缩短培训操作人员的周期，成本也将大大 降低。 1 3 通用数控系统的类型 本文在开放式数控系统异军突起的背景下，设计研究了基于w i n d o w s 通 用数控系统，此系统具有一定的开放性，它的研发是一种基础性的工作。完善 了通用数控系统之后，针对不同加工对象和工艺需要，继承和复用通用数控系 统的功能模块，派生出不同类型的数控系统，满足用户需要。通用数控系统按 照不同的方式，可以有许多的分类方法。 1 3 1 按p c 与n c 的配合分类 ( 1 ) p c 嵌入n c 中 1 3 】 1 4 】 1 5 】 这种系统采用了总线式、模块化的体系结构，把与n c 装置配套的p c 板卡 装入n c 系统的插槽中构成。其中p c 只作为前端的人机界面，可进行前、后台 编程，并利用p c 的存储和通讯功能。背后仍由专用结构的n c 系统来实现机床 控制。 ( 2 ) n c 嵌入p c0 0 1 1 6 】【1 7 1 18 这种系统采用p c 主板作为c n c 平台，插入实现n c 功能的各种模块，如运 动控制卡、d a 板、t o 板等，构成了具有高度灵活性的控制系统。但它们仍只 是在一定程度上丌放，其软、硬件的一部分还是专用的，机床伺服系统、反馈 设备的接口也可能是专用的。 综合考虑，通用数控系统采用后者的硬件结构。此结构能够充分利用p c 机丰富资源，如内存空间、大容量硬盘以及具有高速运算功能的c p u 等等，如 果改善和完备数控功能，可以着重设计研究n c 模块，实现数控系统的实时性 要求。 1 3 2 按采用的操作系统分类 ( 1 ) 采用l i n u x 操作系统1 1 9 1 2 0 1 2 1 】 由于l i n u x 操作系统具有较好的实时性，这种方式适于高档多轴高同步场 合应用。又由于l i n u x 操作系统是开放源代码的，与开放式数控系统的特征十 分吻合，因而用此系统能更好地配曼和修改系统，从而设计出真正开放的数控 系统。l i n u x 操作系统不足之处在于：其开发工具没有w i n d o w s 操作系统的齐 全，而且要自行研发各种板卡的驱动程序，增加了数控系统的研发周期和费用。 ( 2 ) 采用w i n d o w s 操作系统 w i n d o w s 操作系统具有良好的人机交互界面，利用w i n d o w s 平台，可以集 成现有的、成熟的各种功能，如c a d c a m 功能、e r p 、网络功能等等。而且对 于开发数控系统实现，w i n d o w s 操作系统还具有下列优点【1 0 1 2 ： a ) w i n d o w s 的技术成熟，操作简便，用户数量多，几乎垄断了整个p c 机 操作系统，关键是开发工具齐全而完备： b ) 支持多线程。多线程是3 2 位操作系统的主要特点，它具有一系列的优 点。对数控系统来说，最有用的特征是它支持抢占式的多任务机制，各线程之 间互不干扰，便于功能的扩充与裁减； c ) w i n d o w s 中引入了w i n - g 和d i r e c t x ，使它在图形、图像、音频、视频 等方面的处理能力大大加强，为多媒体技术融入数控系统提供了强大的系统支 持。 ( 3 ) 采用d o s 操作系统 d o s 是单任务的实时操作系统，不利于实现数控系统的多任务。为了在 d o s 环境下实现数控系统各任务的优先抢占调度，通用的作法是自行开发实 4 时多任务管理内核r t m ，但这只能满足部分要求。首先，d o s 运行于实模式 下，应用程序在d o s 环境下可直接对硬件操作，缺乏保护，程序稍有异常， 便有可能使系统死机，系统可靠性不易保证：其次，d o s 是1 6 位的操作系统， 其应用程序受6 4 0 k 内存限制，数控系统的很多功能不能实现；再者，d o s 不 支持w i n d o w s 开发工具，因此开发数控系统的周期长，难度大，实现与其他 应用系统的通信和协调工作，尤其是与互联网连接极为困难。 从数控系统的开放性和系统开发工具齐备程度的角度考虑，本系统采用 w i n d o w s 操作系统，研发具有一定开放性的通用数控系统。 1 3 3 按控制功熊分类 ( 1 ) 单机控制模式6 】 整个系统由一台计算机外加一些功能模块。由于p c 的通用性，所以组建 数控系统时必须借助于种种插到p c 机上的数控模板来完成系统。 这种模式的特点是硬件成本最低，但是软件开发上较为复杂。由于w i n d o w s 系统不鼓励直接对硬件进行操作，而是通过加载设备驱动程序后调用其中的函 数来完成相应的操作，又由于w i n d o w s 系统的多任务性，因而采用这种模式时， 运动控制的实时性很难得到保证。 ( 2 ) 主从式c p u 模式 在这种模式中，主c p u 置于p c 机中，从c p u 在单片机或基于d s p 芯片的 运动控制卡中。两者都可以在得电的情况下单独工作，一般通过p c 机的串行 口、并行口相互通信，或者直接把控制卡插到p c 机的i s a 或p c i 插槽中通过 总线通信。这种模式具有全方位的开放式结构，设计起来快捷方便，还很容易 满足控制所要求的实时性。 从系统选用n c 嵌入中c 的硬件结构来看，系统采用主从式c p u 模式。主 c p u 处理系统非实时性的任务，如坐标动态显示、轨迹动态显示和系统监控等， 从c p u 负责数控系统的实时陛控制，包括插补功能、位置控制和升降速处理等。 1 4 数控系统的发展趋势 1 4 1 基于p c 的开放性】【2 2 】 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、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。p c 机所具有的友好的人机界面，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。同本、欧盟和美国等针对开放式的c n c ，正在进行前后台 标准的研究。 1 4 2 高速度和高精度【5 j 1 2 2 j 速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质 量。目前，第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统 的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时， 新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的 数据处理能力。 1 4 3 智能化1 5 】 现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行 检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出 实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过 程处于最佳状态。 1 44 基于c a d c a m 的数控编程自动化【i 随着计算机应用技术的发展，目前c a d c a m 图形交互式自动编程已得到 较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用c a d 绘制的零件加工图样， 经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部 件加工程序，以实现c a d c a m 的集成。随着c i m s 技术的发展，当前又出现 了c a d c a p p c a m 集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必 由人工参与，直接从系统内的c a p p 数据库获得，推动数控机床系统自动化的 进一步发展。 1 4 5 更高的可靠性i s 数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采 用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路， 减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离 线诊断等多种诊断程序，实现对系统内软硬件和各种外部设备进行故障诊断和 报警。 1 4 w l 4 6 网络化与信息化 ( 1 ) 网络化1 2 3 】【2 4 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， 并作出变更和调整，加工程序和开发工具软件都放在服务器上，通过一台计算 6 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 外部设各，就象网络共亨打印机一样。 ( 2 ) 信息化 未来的、迸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，并实时地提供给整卜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，从而即时地作出正确的决策，可以大大提高生产率，并 节省成本。美国m d s i 公司的o p e n d 口c 就是这样一种完全基干软件的数控系 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，可以立刻作出针对性的调整，不用等到事后再来分析信息， 查找原因并采取措施。开放结构的新一代数控系统，由于采用了标准化的软硬 件，它还可以从外部获取各种信息，直至接受控制。 1 5 本课题来源、主要内容和研究的意义 课题来源于国家“十五”科技攻关项目( 2 0 0 l b a 2 1 5 c ) 的扩展。本人在开 放式数控系统迅速发展的环境下，设计研究了基于w i n d o w s 通用数控系统， 主要内容如下： ( 1 ) 分析基于w i n d o w s 通用数控系统的实施性问题，并提出解决方案；搭 建了基于w i n d o w s 通用数控系统s t a r - 2 0 0 3 的软硬件结构； ( 2 ) 研究了s t a r - 2 0 0 3 数控系统的各个功能模块，包括调整、n c 代码编 辑和编译、系统监控、系统参数设置和自动加工模块； 。 ( 3 ) 详细设计了调整模块和n c 代码的编译，包括语法检查、语意分析以 及处理子程序、宏指令等； ( 4 ) 在s t a r 2 0 0 3 数控系统基础上，针对市场和工艺的需要，派生出 s t a r 2 0 0 3 w 数控弯管机系统：设计了s t a r 2 0 0 3 w 数控弯管机系统软硬件 结构和各个功能模块，并进行系统的安装调试。 软件开发使用v i s u a lc + + 作为开发平台，利用多线程技术，充分利用面 向对象、软件重用等软件工程中的理论，使系统软件具备了可移植性和互操作 性，允许用户扩充或简化系统基本模块或构件，为以后系统开发打下基础。 本课题对通用数控系统进行设计研究，从理论上可以进一步明确通用数控 系统功能设计的方法，在实践上可以通过通用数控系统将制造单元和 c a d c a m c a p p 等系统进行集成，对我国改造传统制造模式，增加企业竞争 能力，具有重大的现实意义。 第二章s t a r - 2 0 0 3 通用数控系统软硬件结构 2 1w i n d o w s 系统实现实时控制的难点和解决方案 过去的实时系统，一般都是基于d o s 操作系统。d o s 是一个过程控制系统， 程序员开发实时系统对程序下一步要做什么完全可以控制，即使程序被中断也 不必担忧，因为中断执行完毕后仍返回被中断的程序流程，而且d o s 允许修改 中断向量，允许直接与硬件打交道，所以实时性很强。w i n d o w s 是事件驱动的 操作系统把事件转换成消息，在系统或应用程序消息队列中排队，通过消息队 列的流动来完成任务。但事件的产生是随机的，因此程序下一步作什么也是未 知的，所以实时性较弱。 实时数控系统的各个任务，包括输入、输出、控制计算和数据传输都必须 在确定时刻开始，在有效的截止时间内完成。因此，要完成实时控制任务，首 先就是要能获得精确的定时。w i n d o w s 环境下获得定时时钟的方法有下面几 种： 1 - 常规定时器 一般常用的是系统计时器，它使用函数s e t t i m e ：进行初始化，应用程序响 应s e t t i m e ：函数发送来的消息w mt i m e r 。这个定时器的最小定时精度通常 都可以达到1 0 0 毫秒，而且这个计时消息的优先权太低，只有在所有的消息( 除 了消息w mp a i n t ) 被处理后才能被处理。因此函数s e t t i m e ：只能用于一般 的定时，如刷屏、显示时间定时等，它远远不能满足实时数据采集的要求。 2 多媒体定时器 多媒体定时器( m u l t i m e d i at i m e r ) 使用自己单独的线程，调用一个自己的回 调函数( c a l l b a c kf u n c t i o n ) 它的优先级很高，它每隔一定时间就发送一个消息 而不管其它消息是否执行完。对于现在的i n t e lc p u 来说，它的最小定时精度 通常都可以达到l 毫秒。 3 使用外界时钟定时 由于在w i n 3 2 多任务抢占式工作方式下，应用程序不能完全占有c p u ， 因此w i n d o w s 环境下软件定时不准确所以在实际应用中，也可采用外界专门 的硬件时钟电路来获取可靠的时间触发信号，将外界的定时触发作为一个硬件 中断，采用中断方式来进行实时系统中各种任务的处理。这种方式既能够保证 精确定时，又可随任务的不同而通过编程的方式将它们的定时周期进行更改。 综上所述，在s t a r 2 0 0 3 数控系统中，采用硬件达到系统实时性的要求， 即用运动控制、 满足数控系统的这一要求，运动控制卡带有d s p ( d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ) 芯片，它独立于p c 机的c p u ，有自己的定时周期。运动控制卡与 p c 机构成了系统的“n c 嵌入p c ”硬件结构。 2 2s t a r 2 0 0 3 数控系统硬件结构以及工作原理 本文论述的基于w i n d o w s 通用数控系统s t a r - 2 0 0 3 ，是由合肥工业大学 c i m s 研究所研制开发的，本人参与了系统设计研究的大部分工作。它的硬件 结构与工作原理如图2 1 所示。由图可知，系统由工控机和各种功能卡( 有d a 板、运动控制卡、i o 板) 组成。d a 板控制主轴伺服单元，进行主轴的调速， 主轴起停和正反转由i 0 板控制：运动控制卡控制四个运动轴，完成插补功能、 实现位置控制以及进行升降速处理：i o 板接受各种输入信号( 如接近开关、 限位开关信号等) ，送给p c 机处理，输出各种控制信号控制辅助设备( 如打开 冷却泵，控制电磁阀、换向阀等) 。 p c 机 p c i 总线 d a 板ll 运动控制卡 主 单轴 元伺 服 监控四个运动轴x y z c 以 及部分r o 的端子板 i 0 板 控制面板 主 强电控制 电机驱i 电机驱li 电机驱ll 电机驱 动器xll 动器yjl 动器zif 动器c x 轴电机fi y 轴电机i z 轴电机l c 轴电机 穗 开 关 信 号 测点限 和开位 控关开 制以关 信及和 号检原 图21s t a r 2 0 0 3 数控系统的硬件结构 s t a r 一2 0 0 3 通用数控系统采用“n c 嵌入p c ”方式，n c 功能可采用运动控 制卡，它带有d s p 芯片。d s p 是一种能独立于p c 机c p u 的数字信号处理器， 构成了主从式的体系结构，它们是通过双端口r a m 来通信的【2 s 1 【2 9 】，即运动控制 卡提供两个r a m 通信通道，一个通道用于发送和接受命令，另一个通道用于主 机与运动控制卡之间的数据传递。工控p c 机可以完全管理运动控制卡的内存， 能在任何时候下载、监控或改变程序。这样就可以实现在程序运行过程中，读 取运动控制卡的运行状态参数。这种模式的优点在于具有全方位的开放式结 构，无论是主控程序还是底层控制程序需要修改或扩充，都能保证相对的独立 性，设计起来方便快捷，还可以实现远程数字控制。更关键的是，d s p 的独立 性能严格保证实时响应和连续插补，这正好弥补了w i n d o w s 操作系统实时性的 鳇 不足，从而保证了数控系统的功能要求。 2 3s t a r 一2 0 0 3 数控系统硬件构成 p c 机采用工控机。运动控制卡采用国内外的技术产品，本系统的运动控 制卡可以同步控制四个运动轴，实现多轴协调运动。其核心由a d s p 2 1 8 1 1 2 纠组 成，可以实现高性能的控制计算。a d s p 2 1 8 1 采用灵活的哈佛结构，哈佛结构 数据空问和地址空间是分开的，d s p 采用改进型哈佛结构，就是分开的数据空 间和地址空间都不只是一条，而是有多条 2 6 】，这种结构使得在一个指令周期 内可以同时完成多个操作：产生下一条程序的地址，从程序存储器里面取下一 条指令，执行一次数据传输，执行一次算术运算。在执行上述操作的时候，同 时可以进行d m a ( d i r e c tm e m o r ya d d r e s s ) 的传输、通过串口接受和发送数 据。a d s p 2 1 8 1 执行一条指令的时间为3 0n s 。a d s p 2 1 8 1 上述的优点使得该d s p 在高速信号处理以及时问控制领域( 指令精确到3 0 n s ) 应用非常的广泛。数 字信号处理器和f p g a ( f i e l dp r o g r a m a b l eg a t ea r r a y 即现场可编程门阵列) 组成了a d s p 2 1 8 1 技术的核心。f p g a 和p l d ( p r o g r a m a b l el o g i cd e v i c e 即可 编程逻辑器) 的功能基本相同【2 ”。 该运动控制卡提供c 语言函数库，来实现复杂的控制功能，设计者能够将 这些控制函数与自己的数控系统所需的数据处理、界面显示、用户接口等应用 程序模块集成在一起，设计研究符合特定应用要求的控制系统，以适合数控加 工的要求。 2 4s t a r 一2 0 0 3 通用数控系统软件结构 数控系统是一个典型而又复杂的实时系统，它的许多控制任务，如零件程 序的输入与译码、刀具半径补偿、插补运算、位置控制以及精度补偿等都是由 软件实现的。从逻辑上讲，这些任务可看成一个个功能模块，模块之间存在着 耦合关系；从时间上讲，各个功能模块之间存在一个时序配合问题。 s t a r 一2 0 0 3 是一个实时多任务的数控系统，它要进行系统管理和加工控制。 系统管理包括机床调整、n c 代码的编辑和编译、自动加工、系统参数设置、 自动生成n c 代码、系统状态显示，以及坐标、刀具轨迹、加工程序的动态显 示等。加工控制包括插补计算、位置控制、升降速处理等等。因为系统开发的 复杂性，所以在系统设计时，必须按照软件工程的思想进行系统的总体设计。 将系统软件划分为主控程序和底层控制程序( 由动态连接库支撑) 两部分，分 别完成系统管理和加工控制。对主控程序，采用面向对象( o p p ) 和各种编程 技术进一步分析研究，规划出与各个功能相对应的m f c 应用扩展类，形成各个 相互独立的功能模块：动态连接库由运动控制卡的制造商提供，用顽向对象封 装技术把它们封装起来，形成一个具有运动控制功能的、相对独立的运动控制 模块，这些模块因其具有独立性所以可以进行复用。这样，不仅可以提高了软 件的开发效率，而且使设计出来的软件可靠性高、易于维护并且更加符合开放 式数控系统的要求。 2 4 1 s t a r 一2 0 0 3 数控系统的软件结构 s t a r 一2 0 0 3 数控系统的c p u 为主从式结构，p c 机的c p u 为主c p u ，运动控 制卡的c p u 为从c p u ，主c p u 对系统资源( 系统存储器，系统总线) 有控制和 使用权，从c p u 无权控制和使用系统资源，它只能接受主c p u 的控制命令或数 据，或从c p u 向主c p u 发出请求信息以获得所需的数据。数控系统软件结构如 图2 2 。 主控程序负责系统各个模块的调度和管理，其包括机床调整、自动加工、 n c 代码编辑和编译、系统参数设置，还能够集成c a d c a m 功能，进行自动编 程。主控程序在w i a d o w s 平台下，完成多任务操作：在j j l - r 过程中，把控制权 交给底层控制程序，系统可以同时进行自动编程、代码编辑和系统监控等工作。 底层控制程序进行直线、圆弧插补、位置控制、自动升降速、原点开关和限位 开关等信号的检测，实现电子齿轮和速度追踪等功能。底层控制程序构成了系 统的运动控制核心模块，多数的模块必须与之通讯才能完成各自的功能。系统 监控模块必须访问底层控制程序，才能获取控制卡寄存器的值，了解系统状态； 加工程序必须调用它，才能进行零件的有序加工。 呈至塑些丝主墨耍! 坌三全垦!l 圈圈一囤 调整f 拦i 朦ii 鬻。il 暴霾m 工 调整模lj 参数设置li 系统监控 块il 模块il 模块 自动编程模块 面丽加工模 块 底层控制程序( 运动控制) 运动函数库( g t 4 0 0 s g d l l ) 结构体 图22s t a r 一2 0 0 3 数控系统的软件结构 2 42s t a r 一2 0 0 3 数控系统软件的工作原理 读结构体 后佃卅用 系统启动后，主控程序根据w i n d o w s 消息映射机制将用户的操作转换成一 系列的消息并发送到不同的功能块中进行处理，从而完成机床调整、n c 代码 的编辑和编译、自动加工、系统参数设置、自动编程、系统监控以及机床坐标、 工件坐标、每段加工轮廓的相对坐标的动态显示、刀具轨迹动态显示、加工代 码显示等等。自动编程模块集成了c a d c a m 功能，直接生成n c 代码。编程和 编译模块能够编辑和编译n c 代码，最终获得n c 代码调度控制所需的加工数据 结构体。加工模块读取加工数据结构体，映射并访问接口函数，调用运动函数 库，实现加工控制。调整模块访问接口函数，调用运动函数库，进行点动和手 动控制机床主轴和进给轴。系统监控模块访问接口函数，调用运动函数库，监 控数控系统的轴状态、坐标系状态、i 0 状态和命令状态。系统参数设置模块 访问接口函数，调用运动函数库，设置系统的最大加速度、最大主轴转速、最 大速度等。 对于底层控制程序只要把控制器制造商提供的接口函数封装起来，就构成 一个具有相对独立的控制功能模块。 2 第三章数控系统软件各个功能模块的设计 s t a r 一2 0 0 3 通用数控系统是一个基于p c 机和w i n d o w 平台的具有四轴联动 功能的开放式数控系统，此数控系统能在w i n d o w s 操作系统环境下实现四轴联 动控制。 3 1 所使用的几个程序设计技术 31 1 基于对话框的应用程序框架”副 s t a r 一2 0 0 3 数控系统是基于w i n d o w s 平台、多窗口的系统。窗口也即人机 交互界面。为了设计大量的用户操作界面，包括机床调整、n c 代码的编辑和 编译、自动加工、系统参数设置界面、自动编程、系统监控以及主界面，采用 基于对话框的应用程序框架比较合适，便于系统软件的设计和人机交互。 c d i a l o g 类是作为显示在屏幕上的对话框继承类的基类。对话框有两种类 型：模态型的和无模态型的。在程序继续执行之前，个模态型的对话框一定 被用户关闭；一个无模态的对话框允许用户在不取消或除去模态的情况下，显 示对话框和回返另外的一个任务。当用户启动应用程序时，对话框窗口就可以 直接显示出来。用户可以使用对话框最大化和最小化，而且只要对话框不是系 统对话框，用户都可以自由的切换到其他的应用程序中。类的数据成员和成员 函数定义以及对话框数据交换( d d x ) 函数都是由c l a s s w i z a r d 来负责完成。 应用程序的资源文件木r c 定义了图标和对话框。通常基于对话框应用程序的 i n i t i n s t a n c e 函数创建主框架窗口并返回t r u e ，从而允许程序的消息循环得 以运行，o n p a i n t 函数负责在用户最小化程序时显示应用程序的图标，在 o n i n i t d i a l o g 函数中编写代码来加载其他的图标，这个函数是在对话框创建 好之后调用的，在这里可以进行许多对话框的设计，比如全屏显示、布置控件、 初始化变量值( 特别是编辑控件) 、设计友好的人机界面等等1 3 2 】。 一个c d i a l o g 对象是一个对话框模板和基于c d i a l o g 继承类组合。用对 话框编辑器产生对话框模板而且在资源中储存它，然后使用c l a s s w i z a r d 产 生一个基于c d i a l o g 类的新类。一个对话框，像任何其他的窗户一样，接受来 自窗口的信息。在一个对话框中，用户对来自对话框的控制操作的通知信息特 别地感兴趣，因为通过它，使用户和对话框交互。使用属性窗户选择你愿意处 理的信息而且它将会为用户把适当的信息映射入口和信息处理成员函数加入 到新建的类中。用户只需要在信息处理成员函数中编写特定的程序代码。在几 乎所有的对话框中，用户把成员变量加入到基于c d i a l o g 的继承新类中，为了 储存用户通过对话框控件输入的数据或为用户显示数据。用户使用 c l a s s w i z a r d 产生成员变量而且使他们和对话框控件相匹配。同时，用户为每 个变量选择一个变量类型和可以允许的范围。c l a s s w i z a r d 把成员变量加入基 于对话框类的新类中，产生的数据映射自动地处理在成员变量和对话框控件之 间的数据交换。数据映射提供函数，这些函数用适当的值初始化对话框控件、 更新数据和使数据有效。 为了产生一个模态的对话框，构造函数在堆栈中为用户的继承新类构造一 个对象，然后调用d o m o d a l 函数产生对话框窗口和相应的控件。如果用户需要 产生无模态的对话框，在用