（机械电子工程专业论文）基于pc的开放式数控系统的研究与开发.pdf

摘要 当前制造技术正在向高速度、高精度、柔性化、智能化和集成化方向 发展，但是传统的数控系统已经很难满足终端用户进行二次开发的需要。 新的数控系统一一开放式数控适应了这一发展的需要。 针对中国工程物理研究院机械制造工艺研究所( 简称：中物院机制所) 旧设备的数控化改造和传统数控存在的弊端提出了研究开发开放式数控系 统的必要性。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 o g r a m m a b l em u l t i a x i s c o n t r o l l e r ) 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 统一一中物院机制所枫电一体化实验装置。该系统通过i p c 的i s a 总线和 d p r a m 来实现主从处理器之问的通讯。并孵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。y 具体分析了以! p c + p m a c 为控 制核心的机电一体化实验装置的系统软件功能r 阐述了机电一体化实验装 置的系统软件工作原理与实现机制和机电体化实验装置界面软件的工作 原理和实现机制：多文档多视图结构原理、m d i 应用程序框架原理，并用 v c + + 6 0 编写了整个系统的用户应用软件p m a o n c ，开发了中物院机制所机 电一体化实验装置的几个主要人机界面：初始他通讯模块界面、手动操作 模块界面、参数设置模块界面、状态显示模块界面和程序编辑模块界面。 展示了开发开放式体系数控系统的一些思路。、7 - 关键词：开放式结构，p n l c ，d p r a m ，多文档界面，p c o r a m 3 2 a b s t r a c t m o d e m m a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u ei sd e v e l o p i n gt o w a r d sa u t o m a t i o n ，h i g hs p e e d ， h i g hp r e c i s i o n ，f l e x i b i l i t y , i n t e l l i g e n c e ，s y s t e m a t i z a t i o na n di n t e g r a t i o n h o w e v e r , t h e t r a d i t i o n a ln ci sh a r dt om e e tt h e s p e c i a l n e e d so fu s e r sa n do ft h es e c o n d d e v e l o p m e n t t h en e wn c o p e n a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi u s ta d a p t st ot h e s i t u a t i o n a i m e da tt h ed i s a d v a n t a g eo f t r a d i t i o n a ln ca n dt h en e e d o f m a k i n g o v e rt l 聆o l d e q u i p m e n to ft h ei n s t i t u t eo fm a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n go fc a e 殳t h en e c e s s i t yo f r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fo p e n - a r c h i t e c t u r en ci sp u tf o r w a r d f i r s t l y , t h e c o n t e n t s ，c h a r a c t e r i s t i c s ，f u n c t i o na n ds u a l e t u r eo fo p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e ma r e s e tf o r t h w h a t sm o r e ，t h ea r c h i t e c t u r eo f h i e r a r c h ya n dm o d u l a r i t yi s c o n s t r u c t e d s e c o n d l bt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h es t r u c t u r eo ft h eo p e n a r c h i t e c t u r ee n c s y s t e m ， t h es c h e m eb a s e do ni p ca n dm o t i o nc o n t r o l l e ri sb r i n g sf o r w a r d , h a r d w a ms t r u c t u r e o fm a s t e r - s l a v eo p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mb a u m io 赴豫i c 。a n dp m a cm o t i o n c o n t r o l l e ri sb u i l t , i nw h i c hi n d u s t r i a le n m l m t e ra o 船a sm a 蛐静蝴：a n dp m a c m o t i o nc o n t r o l l e ra c t s 鼬s l a v eo n e 1 1 艟“嘲舶瑚l i 硼懒脯b l 鲫l _ 啡轴8 鼬钾q 铆鹎删鲥 s l a v eo n ei sa c h i e v e db yi s ab u sa 矾d p 8 a m l 删舔泌i 纽聪囊毒i 鹇0 ft h e i n s t i t u t eo f m a c h i n e r ym a 瑚i f a c t i l f j 自go f c a e pi s “m 蛾瑚c 协d t h ef o r m 日舔磷n | 秣哦 o f 出es y s t e m ，t h et r a i to f 翻l p c ，p m a c 蝴d 豫枷砒商螂湖e d s u b s e q u e n t l y , s o f t w a r e f t i n c , f i o no f 籼帮黼l 如b 瞄蠢l 。鬻吲m 匝灿t h 的r yo f m d i ( m u l f i - d o c u m e n ti n t e r f a c e ) o fi t $ s o a w a r es y s t e m i s a i s 黼t e d , 嘲t h e p c o m m 3 2i si n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ea p p l i c 融o ap 确铲哪s 瑚垮嘲缸魏隳姚o ft h e e n t i r e s y s t e m i s d e v e l o p e db yv c + + 6 0 ，w h i c h i sc o n s i s t e do f i a i t i a l i z a t i o n c o m m u n i c a t i o ni n t e f f a c e 。m a n u a l o p e r a t i o ni n t e r f a c e ，p l 嘲抽蝴i m m e a l a t i o n i n t e r f a c e ，s t a t u sm e s s a g e si n t 晒a n dp i ! o g m m 蜘辞弼l i i 毽蛔蛔唾b e v ( m t u 越l y , m o t i o nc o n t r o lp r o g r a m s 蛾c o m p i l e da n dt e s t e d s o m e 也q u g h 招蚋啦h o wt o d e v e l o po p e n a r c h i t e c t u r ec n c a r c p u tf o r w a r d k e yw o r d s ：o p e n - a r c h i t e c t u r e ，p m a c ，d p r a m ，m d l p c o m m 3 2 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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名：盘1 1 ：菱日期：2 0 0 3 年弓月肛日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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应遵守此规定) 签名： 盘1 3 ：金导师签毫：昔丈璞 日期：2 0 0 3 年弓月f 2 日 电子科技大学硕士研究生毕业论文 1 1 数控系统的发展 第一章引言 1 9 4 6 年在美国诞生了世界上第一台电子计算机。1 9 5 2 年，计算机技术应 用到了机床上，在麻省理工学院( m i t ) 诞生了第台试验性数控系统。从此， 数控系统的发展日新月异，到今天已经历经了两个阶段共六代：】9 5 2 1 9 7 0 年 为数控( n c ) 阶段，这一阶段划分为三代，即第一代电子管( 1 9 5 2 年) ：第二代晶 体管( 1 9 5 9 年) ：第三代小规模集成电路( 1 9 6 5 年) 。自1 9 7 0 年起，小型计算机 用于数控，数控技术进入计算机数控( c n c ) 阶段，这是第四代数控：1 9 7 4 年进入 第五代数控，其特征为微处理器用于数控：2 0 世纪9 0 年代开始后基于p c 的数 控( p c n c ) 开始得到迅速发展。 9 0 年代前的c n c 系统，主要是标准的数控装置，从控制软件开发发展 上看，标准的数控系统没有一个强有力的体系结构予以支撑，因而软件缺乏 持久开发的能力，不能进行高可靠性的软件扩展。 随着制造业的发展，中小批量生产的趋势日益增强，对数控机床的柔性 和通用性提出了更高的要求，希望市场能提供不同加工需求，迅速高效、低 成本地构筑面向用户的控制系统，并大幅度地降低维护和培训的成本，同时 还要求新一代数控系统具有方便的网络功能，以适应未来车间面向任务和定 单的生产组织和管理模式。而对于传统数控系统，如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h i m 5 0 系统、s i e m e n s 8 1 0 系统等是一种专用的封闭体系结构的数控系统，他们 自成一体互不兼容，不能适应当前制造业迫切需求配置灵活、功能扩展简便、 基于统一的规范和易于实现统一管理的发展需要。而且，进入9 0 年代以来， 由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代，各种不同 层次的开放式数控系统应运而生。 1 2 开放式数控的产生与发展 1 2 1 国外开放式数控系统的产生与发展 在8 0 年代初，便开始了推广基于p c 的开放式数控系统，但是直到9 0 年代 初才得以实现。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 电子科技大学硕士研究生毕业论文 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 j 下朝标准化开放体系结构的方向前进。 开放式数控系统的研究始于1 9 8 7 年，美国空军提出了著名的“n g c ( n e x to e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i d ec o n t r o l1 e r ) 下一代控制器”研究 计划和“开放式体系结构标准s o s a s ( s t a n d a r d so fo p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o ra u t o m a t ics y s t e m s ) ”，首先提出了开放体系结构控制器 的概念。1 9 9 2 年，欧共体开始实施自动化系统控制装置的开放系统体系结构 计划o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e e t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i c s y s t e m s ) ，该系统是以p c 为标准平台，加上能自由组合的软件模块，构筑成 “不依赖于特定卖主的开放型控制器”的结构。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 司共同组建了“控制器开放系统环境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 j1 e r ) ”，其目的是建立一个国际性的工厂自动化f a ( f a c t o r y a u t o m a t i o n ) 控制设备标准。自1 9 9 6 年开始，美国几个大的科研机构对n g c 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 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。 目前，国际上与开放性数控相关的项目比较多，但是最具影响力的仍是 欧洲的o s a c a 、美国的o m a c 、日本的o s e 。 1 2 2 国内开放式数控系统的发展及现状 我国的数控技术经过“六五”、“七五”、“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。我国 的数控技术，在“八五”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，而且在攻关过程中，瞄准或调整到以p c 机为基础的 发展路线上，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】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f h n c 2 0 0 0 ) 是在华 2 电子科技大学硕士研究生毕业论文 中i 型( h n c 1 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、t f t 真彩色液晶显示器，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。 然而就总体而论，虽然各个系统都向p c 平台方向发展，但在具体的实施 开发中仍然存在些问题。最大的问题即是开放性不够、开发环境和支持手 段不足，要作为用户方便地进行二次开发的开放程度还远未达到，只是具有 相当技术力量的开发单位才能使用，而作为能够普及到一般用户的程度则还 远远不够。 开放性数控是数控技术发展的必然趋势，开放性的体系结构给c n c 生产 厂家、机床制造厂和用户都带来了许多益处。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 c o n t r o ls y s t e m ) 开放式数控系统”的规范框架的 研究和制定。 1 3 开放式数控所面临的课题 i )一致性的人机界面( m m i ) 对用户友好，具有一致性的数控系统的操作界面，对于降低人员培训费 用，降低系统维护费用都具有比较重要的意义。本课题就针对人机交互的一 致性问题编写了中物院机制所机电一体化试验装置的人机界面。 2 )以软件为基础的控制器 在开放性数控的研究过程中，软件越来越受到重视。 o s a c a 认为当今数 控技术的发展，已经由面向硬件( h a r d w a r eo r i e n t e d ) 转向面向软件 ( s o f t w a r eo r ie n t e d ) 。0 s a c a 虽然对于硬件提出了一些中性的规范，但是 它对硬件的规范并不苛求。0 m a c 的最早倡议者者g m 公司认为，机床的控制 器可以实现各种程度的开放，最高程度的开放是以软件技术为基础的控制器。 o s a c a 、o m a c 、o s e 都提供了a p i 作为研究的重要成果。本课题所选用的p m a c 运动控制器就是以软件为基础的控制器，给终端用户很大的开放性。 3 )重视r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 的开发与应用 开放性数控要求不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作统 都能满足数控系统的需要。数控加工要求r t o s ，现在流行多种操作系统，用 户和c n c 开发厂商都面临着许多选择。些测试表明，流行的操作系统大多 无法满足实时性的要求。目前，微软正着手将w i n d o w sc e 操作系统转变为实 3 电子科技大学硕士研究生毕业论文 时操作系统。美国能源部的i c o n 制造操作系统项目正在研制m o s ( m a n u f a c t u r i n go p e r a t i n gs y s t e m ) 。 4 )数控系统开放程度 o s a c a 规定了3 个层次的开放程度：人机界面开放、内核有限开放、全 开放。人机界面开放的开放度只限于非实时控制部分( 面向用户应用) ；内核 有限开放的内核结构固定，但留有插入用户专用软件的接口，这两种程度的 开放，在目前实现是完全可能的。而最高程度的开放一一内核的完全开放， 它的系统结构是由过程可互换性、可升级性、可移植性、互操作性等决定的， 最终要求实现在标准平台能够任意组合所有模块的功能，目前还较为困难。 本课题所研究的开放式数控系统的开放程度为人机界面开放和内核有限开 放。 5 )具备网络通信功能 当今的c n c 处于c i m s 和d n c 的环境中，c n c 系统不仅能够控制独立运 转的机械，同时还要在综合化的生产环境中，用做生产的终端设备，网络通 讯功能已经成为c n c 系统的必备功能。i s d n 和a t m 技术的发展已经使得通过 i n t e r n e t 的数控系统具有实现的可能性。由此会产生一系列的如何防止外部 非法入侵等有关安全性的一系列问题。另外，在网络化的环境下如何实现数 控程序在不同数控机床上的可移植性是一个值得研究的重要问题。 1 4 课题的意义 当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着开放式数控系统的研究，正为我国 数控产业的发展提供了良好的契机，开发我国自主版权的开放式数控系统平 台是赶超发达国家的历史机遇。我国控制器硬件由于受制造业水平的影响， 可靠性差，成为制约我国数控产业发展的瓶颈。借用p c 硬件和建立开放式控 制系统软件平台就完全可以绕开这个问题。这样，与国外基于p c 的数控系统处 于同一起跑线上，可以打破国外对我国的技术垄断。 1 5 课题的主要工作 本课题主要是针对中国工程物理研究院机械制造工艺研究所旧设备的数 控化改造和传统数控系统的弊端提出了研究开发基于p c 的开放式数控系统。 课题在实际应用方面的意义在于为中国工程物理研究院机械制造工艺研究旧 设备的数控化改造和新设备、新技术的利用开发做技术上的准备。 4 电子科技大学硕士研究生毕业论文 本文首先阐述了开放式数控系统的含义、特点及其组成形式；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。本课题所研究的开放式 数控系统基于工业控制计算机和p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x jsc o n t r o l l e r ) 可编程多轴运动控制器，构造了以工控机为上位机、p m a c 多轴运动控制器为 下位机的双微处理器的结构。主要分析了i p c + p m a c 系统平台的系统软件功 能，并阐述了系统软件工作原理与实现机制和界面软件的工作原理和实现机 制，用v c + + 开发了用户应用程序p m a c n c ，实现了主要的几个人机界面：初 始化通讯界面、手动操作界面、参数设置界面、状态显示界面和程序编辑界 面。展示了开发开放式体系数控系统的一些思路。 5 电子科技大学硕士研究生毕业论文 第二章开放式数控系统 21 开放式数控系统的概念模式 开放式数控系统研究的主要目的是解决变化频繁的需求与传统控制系统 专一、固定之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统工具平台，极大 的增强系统的柔性和适应性。 参照i e e e 对开放式系统的规定，所谓开放式数控系统就是数控系统的开 发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或 剪裁结构对象( 数控功能) ，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技 术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统。 目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数 控系统功能库以及数控系统功能软件开发等是当前研究的核心。 根据这样的定义，开放式数控系统应具有如下特点： 1 )开放性：提供标准化环境的基础平台，允许不同功能和不同开发商的软 硬件模块介入。 2 )可扩展性：开放固化的标准化控制接口( 硬件和软件) ，硬件、软件模块 化，机械制造商和用户可灵活选用电机、驱动装置和反馈元件，可通过任意 增删特定功能模块来改变系统功能。 3 )可移植性：一方面，不同的应用程序模块可以运行于不同供应商提供的 系统平台之上；另一方面，系统平台可运行于不同类型、不同性能的硬件平 台之上，而整个系统也表现出不同的性能 4 )相互操作性：通过标准化接口、通讯和交互模型，不同的应用程序模块 通过标准化的应用程序接口运行于系统平台之上，不同模块之间保持平等地 相互操作能力，协调工作。 5 )相互替代性：不同性能、不同可靠性和不同能力的功能模块可以互相替 代，而不影响系统的协调运行。 开放式数控系统从全新的角度分析从实现数控系统控制功能的角度出 发，强调系统对控制需求的可重构性和开放性，强调系统功能模块面向多供 应商。它提高了数控系统对不同需求的适应性、规范了系统的实现模式。这 种开放性的系统概念设计，使得完整系统的构筑是完全面向应用需求的，实 现“按需构造”，这种构造的过程主要包含以下几个方面： 6 电子科技大学硕士研究生毕业论文 用户定义应用环境，如硬件、控制的各个单元设备等。 系统平台提供基本的服务，如通讯、管理等。 系统的构造者通过系统提供的标准集成和配置技术连接用户所挑选的功 能模块。 系统提供缺省的配置。 在系统完成构筑之前，支持系统的实验和仿真，并自动获得运行结果。 开放式数控系统的层次结构 根据开放式数控系统的定义，一个开放式数控系统的层次结构可以分为三 个部分：硬件平台、系统软件平台、由各个功能结构单元对象( a o ， a r c h i t e c t u r eo b j e c t ，功能单元对象) 组成的应用软件模块，如图2 一l 所示， 这里所谓的功能元对象是指相互独立的具有一定特性和行为规范的系统功能 单元对象，它是组成系统功能结构的最基本单位，对系统平台具有标准化的 接口。其软硬件平台的特点如下： 图2 - 1 开放式数控系统的层次结构 1 ) 硬件平台 硬件平台由控制系统生产厂提供，功能可以由用户在较大的范围内进行 配置和选择，如控制轴的数目和控制方式的选择、各种外设的选择等。 对于本课题所研究的基于p c 的开放式数控系统，硬件平台由工控机、p m a c 多轴运动控制卡等组成。用户可以根据具体情况选择不同的伺服控制类型以 控制不同类型和数量的电机，从而控制不同坐标轴和主轴运动。 2 )系统软件 7 o ”趵 d 复 电子科技大学硕士研究生毕业论文 系统软件由控制系统生产厂或专业c n c 软件开发商提供，主要是为应用 软件提供运行基础，它分为三个部分：系统核心，如操作系统、通讯系统、 动态的所有配置系统；可选的系统软件，如数据库系统、图形系统等；标准 的应用程序界面。操作系统、通讯系统、动态的实时配置系统组成控制系统 运行的基础，系统内部的通讯参照i s o o s l 的参考模型，遵循广泛认同的面 向消息的通讯机制( m e s s a g e o r i e n t e dc o m m u n i c a t i o n ) ，建立一个包含能够 满足实时需求在内的内部通讯子系统，提供应用软件的各个功能模块的相互 操作；系统与外部上级系统的通讯也应用于标准协议，如m a p 、c n m a 等；系 统与下层的通讯，如传感器，应适应标准的驱动接口和域总线。实时配置系 统是实现开放式数控系统开放性的关键，它应能允许系统根据配置清单和有 关参数在系统初始化时动态生成系统控制的软件拓扑结构。标准的应用程序 界面是应用软件的更改功能模块进入系统平台的唯一途径，它方面隐藏系 统平台提供的一系列服务的真实实现，使硬件与软件独立，另方面提供更 改功能模块在所有平台上的统一界面。 系统软件是应用软件与系统硬件之间的转接层，给应用软件提供统的 应用接口，来获得平台的服务。这些服务涉及的领域有通讯、数据库、配置、 图形和操作系统，以便用户在开发具体控制软件时只将精力集中在控制功能 上，而不必考虑其它机构的实现细节。只要各方面遵循统一的接口规范，开 发的应用软件就能够在不同的系统平台上运行。 3 ) 应用软件 其标准功能部分由控制系统生产厂或c n c 软件开发商提供，如标准的软 件界面和数据管理以及具体的某一系统的特殊功能等，同时允许用户自行扩 充和开发专用功能，用户可以把自己用c 或c + + 语言开发的遵循统一接口规 范的软件功能模块添加到数控系统中。 数控系统中的控制软件作为应用软件，可分为三层，第一层定义为五个 主要方面，如图2 2 所示。 人机控制包括了面向操作的功能，如程序设计、仿真、诊断等。 运动控制是控制系统的核心，包括零件加工程序译码到位置控制理论值 产生的全过程。主要功能有：程序译码、刀具的几何补偿、插补运算和坐标 变换，它是数控机床中应用、驱动和传感器之间连接的纽带。 轴控制设置了伺服轴和主轴驱动所必须的位置控制。由于有位置控制、 速度控制和转矩控制与模拟和数字驱动设备的多样性组合，从而这些位置控 8 电子科技大学硕士研究生毕业论文 制的执行方式不是固定的。如图2 3 所示，轴控制分为轴控制管理、位置控 制、速度控制和转矩控制四部分。 图2 - 2 控制软件开放式体系结构框图 图2 - 3 轴控制功能结构 逻辑控制负责输入和输出的双向连接，主要任务是完成p l c 集成到n c 的 软件配置。 过程控制则管理、维护由传感器系统或控制系统内部使用的来自外设的 信息。 概括地说，一个具体的数控系统是在系统平台上配置的相应应用软件模 9 电子科技大学硕士研究生毕业论文 块所组成。面向对象的程序设计( o o p ) 方法是目前软件开发的实用方法。采 用这种方法，应用软件模块作为对象来产生。 基于上述结构的开放式数控系统具有如下重要特征： 用户可在较大范围内根据需要选择和配置硬件。 用户可在开放式环境下扩充系统功能 系统可以自己运行第三方应用软件。 2 3 开放式数控系统的功能要求 通过对开放式数控系统层次结构的分析，说明开放式数控系统应具有如 下几个基本的功能： 1 ) 基本的调度管理功能 数控系统是一种复杂的实时多任务控制系统，它涉及到多种任务和功能 需要控制，所以对它们进行合理的调度管理，使之协调有序的工作是数 控系统的必备功能。 2 ) 人机交互功能 数控系统有大量的信息需要实时或非实时地显示出来，供操作人员参考。 同时，操作者也有大量的信息和命令要提供给控制系统，因此方便灵活 的人机交互功能是衡量数控系统性能的重要指标。本课题就开发了人机 交互的操作界面。 3 )加工程序的预处理功能 数控加工程序是以特定的标准代码( 典型的i s 0 ) 来表示其加工信息和加 工数据的，因此数控系统要对其进行解释和编译处理，提取辅助功能控 制信息供辅助功能控制用；提取数据信息和运动控制信息进行处理后供 轨迹控制用。 4 )轨迹控制功能 轨迹控制功能是数控系统的最重要的功能。根据预处理得到的加工信息 和数据进行刀具补偿和插补计算，得出每个插补周期的每个坐标的进给 量，进而控制伺服电动机运动，加工出所需的工件。 5 )伺服控制功能 伺服控制功能是控制器和机械的桥梁，数控系统通过它来控制电机进行 运动而完成相应的轨迹控制。 6 ) 逻辑控制及监控功能 l o 电子科技大学硕士研究生毕业论文 数控机床除了控制机床按要求的轨迹运动外，还要完成对加工所必须的 辅助设备的控制和监控工作，如换刀控制、限位保护等，以保证加工自动、 f l t 页g j 进行。 2 4 开放式数控系统的模块结构 系统的控制功能是由各系统功能模块组成的，而每一个功能模块都是由 功能相互独立的功能元按照一定的逻辑关系所组成的。从开放式数控系统的 功能模块结构看，开放式数控系统具有如图2 4 所示的结构。 这些功能模块既可以由硬件实现也可用软件实现。模块化结构有利于满 足用户的需要，用户可根据数控系统的具体功能进行配置，同时，也可将自 己的特殊功能模块按标准的接口规范和面向对象的编程方法嵌入到系统中。 图2 4 开放式数控系统模块结构 图2 5 系统控制都分的数据流程 具有上述模块化结构的数控系统的控制功能数据处理流程如图2 5 。输 入的零件加工程序经译码、刀补运算和插补运算后，形成包括轨迹控制、逻 辑控制和主轴控制参数在内的数据，分别传给坐标轴伺服驱动、机床逻辑控 电子科技大学硕士研究生毕业论文 制和主轴伺服驱动控制装置，以控制机床加工零件。 2 5 开放式数控系统的组成形式 目前，研究开放式数控系统的厂家很多，其组成形式也千差万别，不过 总体上都是向基于p c 的开放式数控系统方向发展。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。就 基于p c 的开放式数控的结构形式而言，当今世界上的开放式数控系统大致可 分为p c 连接型n c 、p c 嵌入型n c 、运动控制器+ p c 型、全软件型n c 等4 种 类型，其结构形式如图2 6 所示： 图2 - 6p c - n c 的组成类型 1 ) p c 连接型n c p c 连接型n c 是将现有原型c n c 与p c 用通用串行线直接相连的一种组成 形式。其优点是容易实现，且原型c n c 几乎可以不加改动的使用，也可以使 用通用软件。缺点是这种数控系统由于其开放性只在p c 部分，其专业的数控 部分仍处于瓶颈结构，且系统的响应速度、通讯速度慢。 2 ) p c 嵌入型n c p c 嵌入型n c 即在传统的专用数控机床中嵌入p c 技术，p c 与c n c 之间用 专用总线连接。其优点是原型c n c 几乎可以不加改动的使用，且数据传送速 度快，系统响应快。缺点是由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，不能使 用通用p c ，其体系结构还是不开放的，p c 的开放程度受到限制。因此这种结 构尽管也具有一定的开放性，但用户无法介入数控系统的核心。如f a n u c 公 1 2 电子科技大学硕士研究生毕业论文 第三章基于p c 的开放式数控系统试验平台的硬件结构 中物院机制所机电一体化试验装置要求是个开放式的数控试验平台， 为旧设备的数控化改造提供技术基础。该试验系统硬件组成的关键在于控制 系统的设计。 3 1 控制系统方案设计 3 1 1 典型的控制系统方案及特点 方案一：专用运动系统( c n c ) + p c 系统 图3 - 1 方案一专用运动控制系统+ 测量系统 该方案的控制系统采用：专用运动控制系统+ 位置检测系统的体系结构， 如图3 一l 所示。专用运动控制系统根据加工工艺要求，每个工序编写相应的 专用控制函数，完成相应控制功能。检测系统完成工件精确定位位置的检测， 并进行相应的数据处理，处理完后的数据，通过串、并行方式实时传递给运动 控制系统，两套系统可以进行并行实时采集和控制。 1 )该方案的优点： 两套系统分别完成运动控制与测量，每套系统可靠性、实时性较高，检测 系统与控制系统相互干扰小。专用运动控制系统技术成熟，技术风险小。 2 )该方案的缺点： 专用的控制系统采用封闭式结构，软件和硬件一一对应，往往控制程序 直接与硬件相关，不具备灵活性。其体系结构还是不开放的，p c 的开放程度 受到限制。因此这种结构尽管也具有一定的开放性，但其开放性只在p c 部分， 其专业的数控部分仍处于瓶颈结构，用户无法介入数控系统的核心。对控制 系统的改动的变更，往往需要重新修改控制程序。工作量大，开发周期长。 t 4 电子科技大学硕士研究生毕业论文 方案二：i p c + 运动控制卡 该方案的控制系统采用高性能工业计算机( i p 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，i o 卡完成各种开关量信号的输入输出。软件基于w i n d 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。如图3 2 所示： 图3 - 2 工业计算机+ 运动控制卡 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i p c 平台，因而系统硬件扩充方便。软件设计基于w i n 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。 由于该方案采用一套i p c 完成检测和控制，任务较多，如果软件设计不 当，很难保证系统的实时性。为提高实时性能，可采用双c p u 主板提高运算 速度与多任务管理能力。采用w i n d o w s 平台软件进行实时任务分配和调度， 可充分发挥系统性能，同时对w i n 进行实时扩展，就能完全在简单可靠的硬 件平台下完成高性能的实时任务，这也是今后实时控制发展的一种趋势。 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。 电子科技大学硕士研究生毕业论文 31 2 方案比较及拟采用的控制系统方案 方案二与方案一比较起来，方案二具有如下优点： 1 )系统硬件结构简单，可靠性高。 方案一采用专用运动系统( c n c ) ，解决了系统实时性问题，但系统任务不 能动态分配，容易造成系统任务不均和资源浪费，影响系统总体性能。方案 二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。 方案二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。 方案二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，拟采用方案二，利用工业控制计算机+ 运动控制卡构建 开放式数控系统实验平台。 3 2 系统硬件方案设计 该系统是以p c 机+ 运动控制器为控制系统核心并具有开放式数控系统 特征的机电一体化实验装置。在这个系统中计算机( p c ) 的主要功能是根据 具体装置的运动控制类型，优化指令形式，属于上层控制，其软件是通用的。 而伺服电机是主要的执行部件，具体完成运动控制。运动控制器就是根据上 层计算机给出的指令，结合具体的伺服系统类型，将其指令转化为伺服电机 的运动。运动控制器是工控机与伺服电机的连接桥梁。 3 2 1 系统硬件选择 机电一体化实验装置以p c 机+ 运动控制器为控制系统核心，因此系统性 能的好坏首先取决于p c 机和运动控制器性能的优劣。 3 ，21 1运动控制器选型 运动控制器，就是利用高性能微处理器( 如d s p ) 及大规模可编程器件 1 6 电子科技大学硕士研究生毕业论文 实现多个伺服电机的多轴协调控制，具体就是将实现运动控制的底层软件和 硬件集成在一起，使其具有伺服电机控制所需的各种速度、位置控制功能。 这些功能能通过计算机方便地调用。 目前开放式运动控制器主要有长沙力鼎科技有限公司的m c 系列运动控 制器、美国g e l t at a u 公司生产的p m a c 系列运动控制器、美国d m i l 公司的 d m c 系列运动控制器等。 与同类其它控制器相比，p m a c 运动控制器具有如下优点： 1 ) 伺服控制精度高，并且其独特的大带宽输入特性也通常是大多数控制 器的1 0 到1 5 倍。 2 ) 内置插补程序模块及p l c 程序模块通过硬件设置( 包括附件和备件) 、 参数设置、运动程序和p l c 程序的编程，p m a c 可以实现对某一特定应用场合 的特定构型。 3 ) p m a c 的c p u 通过特定设计的门电路阵列i c ( 集成电路) 与轴进行通讯， 实时性、可靠性高。 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。 32 1 2 p c 机选型 工业控制计算机简称工控机，是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。工控机是 计算机技术与自动控制技术结合的产物，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，工控机具还具有以下主要特点： 1 )高可靠性 对机械设备、生产过程的控制，要求有经济效益和社会效益，控制必须 可靠。它涉及到电器部件、机械部件、连接器以及配套的外围设备的可靠性。 2 )环境适应性强 工业环境恶劣，存在如振动、冲击、噪声、高频信号、电磁波、高湿度、 高温度、油、水、粉尘等各种不利条件，要求工控机有极强的抗干扰能力和 环境适应能力。 由于机电一体化实验装置主要是应用于工业环境，因此机电一体化实验装 置的p c 机选用研华的工业控制计算机( p i i l 8 0 0 e b 的c p u 卡、2 5 6 m 内存、2 0 0 1 7 电子科技大学硕士研究生毕业论文 硬盘) 。 32 2p m a c 运动控制器 p m a c 运动控制器是美国d e l t at a u 公司九十年代推出的基于工业p c 和 w i n d o w s 操作系统的开放式多轴运动控制器，也称为运动控制计算机。它主要 由m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 2c p u 与d e l t at a u 公司开发和特制的用户门i c 组成。 3 22 1p m a o 运动控制器的特征 1 )具有单独的c p u 使用m o t o r o l 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 4 轴多轴实时伺服控制，既可以安装在p c 机i s a 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 o w s 操作系统，它提供全新的高性能技术 和w i n d 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。 可接受各类反馈一增量绝对码盘，光栅尺，激光干涉仪，电位计，磁 滞伸缩传感器，旋转变压器等。 支持多种总线结构一p c ，v m e ，s t d ，p c i ，1 0 4 ，m a c r o ，还可独立运行予 r s 一2 3 2 ，r s 一4 2 2 。 可同时控制4 个轴，经扩展可控制1 2 8 个轴。 3 )自动对任务进行优先等级判别 p m a c 卡把任务按照优先级电路组织起来，可以自动对任务进行优先等级 判别，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。 4 )执行运动程序和p l c 程序 p m a c 有6 4 个非同步执行的p l c 程序( 3 2 个已编译3 2 个未编译) ，主要用 于执行与运动不同步的操作，它们可以以很快的的速度重复执行。 执行运动程序开始就进行对移动( 包括非移动的任务) 的所有计算。 p m a c