（机械设计及理论专业论文）开放式数控系统软件平台实现技术的研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 随着微电子技术的迅猛发展，数控系统的硬件日趋标准化、模块化、硬件可 靠性越来越有保障，相对来说软件质量越来越受到重视，而开放式数控系统软件 平台的设计已经成为开发数控系统的关键部分。 开放式数控系统软件平台由p l c 软件平台和人机界面编辑软件平台组成。 编译器是“p l c 集成开发平台”中最重要的部分，通过编译器的“翻译”用户程 序才能变成p l c 硬件能理解的内容，本文利用梯形图一指令表算法将形象化的梯 形图语言自动转化为指令表。在进行人机界面软件平台基本图元的绘制时，要用 到很多基本图元的实现算法，其中b r e s e n h a m 直线算法和b r e s e n h a m 圆弧算法最 为典型。 本文首先阐述了数控系统的一些基本概念，指出了本文研究的背景、研究的 内容和意义。然后结合亿图数控系统的基本特点以及开放式数控系统软件平台自 身的特点和实际要求，阐述了课题研究的相关基础，分析了开放式数控系统软件 平台应具有的功能和设计原则。接着介绍了实现该平台所使用的开发工具。 在软件平台实现论述部分，本文首先对p l c 软件集成开发平台进行了模块化 方法设计，把p l c 软件集成环境分解成项目管理模块、编辑模块、编译模块、模 拟仿真模块等，同时，设计出p l c 软件开发平台各模块问的数据流向，处理好模 块之间的消息传递和驱动。p l c 软件平台进行模块化之后，具体实现了各个模块 的功能。编辑器选用了形象、直观的梯形图语言作为编程语言，采用面向对象的 建模方法，建立p l c 系统类层次结构和元件库模型对象，以图形输入方式来编制 梯形图程序。编译器以树结构为中介将梯形图和p l c 指令联系起来，实现了从梯 形图到p l c 指令的转换。转换以梯级为单位，采用“正向深度优先扫描算法”来 构造逻辑树结构，然后对树结构进行遍历，得到相应的p l c 指令集。 接着建立了人机界面编辑平台框架结构以及三大对象模型，并分析了这三大 对象模型之间的关系。依据模型详细阐述了人机界面编辑平台各功能实现的具体 方法，主要包括了软件界面设计的阐述，以及如何实现图元的创建、拾取、编辑、 修改属性等功能。还实现了工程画面有效管理的技术。同时讲述了工程文件的数 据格式和实现存储和载入的方法。分析了数控器显示画面的数据结构，并根据此 数据结构的特点设计了工程画面数据编译方案，说明了在编译过程中几个问题的 处理方法。 通过对p l c 工作原理的分析和研究，仿真器实现了p l c 指令解释器的实现算 法的仿真，模拟了p l c 运行过程，从而实现了系统的离线仿真，同时，以数控折 弯机为例做实例分析，讲解了界面编辑系统在具体运用中的效果。 武汉理工大学博士学位论文 总之，开放式数控系统软件平台开发了p l c 梯形图的编辑环境，实现了梯形 图到p l c 指令代码的转换，并设计了仿真部分，弥补了原有同类型软件的不足， 同时在综合考虑到数控这个领域的特点以及不同用户的个别和共同的需求以后， 开发出了数控系统对话界面上需要的各种“零件”，在用户使用时就可以像“搭 积木”一样把这些“零件”组合成各种图形界面就可以了。 论文主要创新点： ( 1 ) 开放式数控系统软件平台具有集成矢量绘图功能； ( 2 ) 利用树结构设计了梯形图语言与语句表语言的互换算法，根据此算法设计了 梯形图编译器，可将形象化的梯形图语言自动转化为指令表。在编译的过程中， 该平台能对梯形图进行语法检查，给出错误信息，符合规范的梯形图就能转换成 相应的指令集； ( 3 ) 设计了p l c 模拟仿真数控操作界面，实现了p l c 指令解释器的仿真，提供模 拟p l c 输入输出的工具，模拟p l c 运行过程，实现了系统的离线仿真，可以对用 户p l c 程序的逻辑错误进行检查、修改。 ( 4 ) 数控操作界面具有多语言支持功能。 关键词：开放式数控系统；p l c 软件平台；梯形图；人机界面；图元 i l 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o e l e c t r i ct e c h n i q u e ，t h eh a r d w a r eo f c n cs y s t e mt r e n dt o w a r d ss t a n d a r d i z a t i o na n dm o d u l e ，t h ed e p e n d a b i l i t yo ft h e h a r d w a r ei sm o r ea n dm o r es e c u r e c o m p a r a t i v e l yt h eq u a l i t yo ft h es o f t w a r ei sb e i n g p a i da t t e n t i o nt o ，a n dt h es o f t w a r ep l a t f o r md e s i g no fo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m a l r e a d yb e c a m et h ek e yp a r ti nt h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e md e s i g n t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mi sc o m p o s e db yt h ep l c s o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ee d i t o rp l a t f o r m t h ec o m p i l e ri s t h em o s ti m p o r t a n tp a r to f ”t h ep l c i n t e g r a t i o np l a t f o r m ”，t h r o u g ht h et r a n s l a t i n go f c o m p f l e r t h eu $ c fp r o g r a mw i l lb et r a n s l a t e dt ot h ec o n t e n tw h i c ht h ep l ch a r d w a r e c a l l u n d e r s t a n d ，a n du s i n gt h e l a d d e r d i a g r a m i n s t r u c t i o n l i s t a l g o r i t h m ，t h i s d i s s e r t a t i o nr e a l i z e dt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h el a d d e r d i a g r a m t ot h ep l c i n s t r u c t i o na u t o m a t i c a l l y w h e nc a r r i e so np l a n n i n gt h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e s u r f a c es o f t w a r ep l a t f o r mg r a p h i cu n i t ，w em u s tu s em a n yb a s eg r a p h i cu n i ta l g o r i t h m ， b r e s e n h a ml i n ea l g o r i t h ma n dt h eb r e s e n h a ma r ca l g o r i t h ma r et h em o s tt y p i c a l i nt h es o f t w a r ep l a t f o r mr e a l i z a t i o np a r t ，t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s tc a l t i e so nt h e m o d u l a t i o nm e t h o d sd e s i g nt ot h ep l cs o f t w a r ei n t e g r a t i o np l a t f o r m ，d e c o m p o s e dt h e p l cs o f t w a r ei n t e g r a t i o ne n v i r o n m e n tt ot h ep r o j e c ta d m i n i s t r a t i o nm o d u l e ，t h ee d i t o r m o d u l e ，t h et r a n s l a t i o nm o d u l e ，t h es i m u l a t i o nm o d u l ea n ds oo n ，s i m u l t a n e o u s l y , d e s i g n e dt h ed a t af l o wd i r e c t i o i lb e t w e e nv a r i o u sm o d u l e so ft h ep l cs o f t w a r e p l a t f o r m ，p r o c e s s e sn e w st r a n s m i s s i o na n dt h ea c t u a t i o nb e t w e e nt h em o d u l e s a f t e r m o d u l a t i o n 。t h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l eh a sb e e nr e a l i z e d n ee d i t o rs e l e c t e dt h e v i v i d l ya n dd i r e c t v i e w i n gl a d d e rd i a g r a ml a n g u a g ea st h ep r o g r a m m i n gl a n g u a g e ， u s e dt h eo b j e c t - o r i e n t e dm o d e l i n gm e t h o dt ob u i l dt h ep l cs y s t e mc l a s sl e v e l s t r u c t u r ea n dt h ep a r ts t o r e h o u s em o d e lo b j e c t , e s t a b l i s h e dt h el a d d e rd i a g r a m p r o c e d u r eb y t h e g r a p hi n p u tw a y t h ec o m p i l e rt a k e st h e t r e es t r u c t u r ea s i n t e r m e d i a r yr e l a t e sb e t w e e nt h el a d d e rd i a g r a ma n dt h ep l ci n s t r u c t i o n ，h a sr e a l i z e d t h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h el a d d e rd i a g r a mt ot h ep l ci n s t r u c t i o n t h et r a n s f o r m a t i o n t a k e st h em e d i ca st h eu n i t ；u s e ”t h ed i r e c td e e pp r i o rs c a n n i n ga l g o r i t h m t ob u i l d t h el o g i ct r e es t r u c t u r e ，t h e nc a r r i e so nt h ec a l e n d a rt ot h et r e es t r u c t u r e ，o b t a i n st h e c o r r e s p o n d i n gp l ci n s t r u c t i o nc o l l e c t i o n t h e ne s t a b l i s h e dt h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee d i t o r p l a t f o r mp o r t a l f r a m e 1 1 1 武汉理工大学博士学位论文 c o n s t r u c t i o na sw e l la st h r e eo b j e c tm o d e l ，a n dh a v ea n a l y z e dt h er e l a t i o n sb e t w e e n t h eo b j e c tm o d e l s a c c o r d i n gt ot h em o d e l ，t h ed i s s e r t a t i o ne l a b o r a t e dt h ec o n c r e t e r e a l i z a t i o nm e t h o do ft h eh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ee d i t o rp l a t f o r mv a r i o u sf u n c t i o n s i nd e t a i l ，m a i n l yi n c l u d e dt h es o f t w a r ei n t e r f a c ed e s i g n ，a sw e l la shh o wt or e a l i z e e d i t i n gf u n c t i o n so fg r a p h i cu n i ts u c ha sc r e a t e ，s e l e c t ，m o d i f y , c h a n g ep r o p e r t i e s ，e t c a n dh o wt or e a l i z et h et e c h n o l o g yo fe f f e c t i v em a n a g e m e n to ft h ep r o j o c tg r a p h i c s i n a d d i t i o n , t h ed a t af o r m a to ft h ep r o j e e t 脚ea n dr e a l i z i n gt h em e t h o dt os a v ea n dl o a d t h ep r o j e c tf i l ea r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e nd a t as t r u c t u r e so fc n c d i s p l a y g r a p h i c sa l ed i s c u s s e d , a n dt h ec o m p i l i n gm e t h o do ft h ep r o j o c tg r a p h i c sd a t aa r e d e s i g n e da c c o r d i n g t ot h ef e a t u r e so ft h ed a t a ，a p a r tf r o mt h a t ，h o wt od e a lw i t hs o m e p r o b l e m sa b o u tc o m p i l i n gi se x p l a i n e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h r o u g ha n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gt o t h ep l cw o r kp r i n c i p l e ，t h es i m u l a t o r r e a l i z e dt h ea l g o r i t h ms i m u l a t i o no ft h ep l ci n s t r u c t i o ni n t e r p r e t e r , h a ss i m u l a t e dt h e p l cm o v e m e n tp r o c e s s ，a n dt h u sh a sr e a l i z e dt h es y s t e mo f f - l i n es i m u l a t i o n a tt h e s a m et i m e ，w et a k et h en u m e r i c a lc o n t r o lk n e eb e n dm a c h i n ea st h ee x a m p l et o e x p l a i nc o n c r e t eu t f l i z a t i o ne f f e c to ft h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee d i t o rs y s t e m i nb r i e f , t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mh a sd e v e l o p e dt h e p l cl a d d e rd i a g r a me d i t i o ne n v i r o n m e n t ，h a sr e a l i z e dt h et r a n s f o r m a t i o nf r o mt h e l a d d e rd i a g r a mt ot h ep l ci n s t r u c t i o n ，a n dd e s i g n e dt h es i m u l a t i o np a r tt om a k e 叩 t h eo r i g i n a ls i m i l a rs o f t w a r ei n s u f f i c i e n c y h a dc o n s i d e r e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f n u m e r i c a lc o n t r o lf i e l da sw e l la sd i f f e r e n tu s e ri n d i v i d u a la n dc o m m o ud e m a n d , w e d e v e l o p e de a c hk i n d ”t h ec o m p o n e n t s ”w h i c hi sn e e d e do nt h en u m e r i c a lc o n t r o l s y s t e md i a l o g u ec o n t a c ts u r f a c e ，w h e nt h eu s e ru s et h es y s t e m ，t h e yw o u l da s s e m b l e ”t h ec o m p o n e n t s ”i n t oe a c hk i n do fg r a p h i c a li n t e r f a c el i k e ”b u i l d st h eb u i l d i n g b l o c k ” t h em a i ni n n o v a t i o ns p o t ： 1 、1 1 l eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r ep l a t f o r mh a v et h ei n t e g r a t e dv e c t o r c a r t o g r a p h yf u n c t i o n 2 ) u s et h e e x c h a n g ea l g o r i t h mb e t w e e nt h el a d d e rd i a g r a ml a n g u a g ea n dt h e s e n t e n c et a b l el a n g u a g et od e s i g nt h el a d d e rd i a g r a mc o m p i l e r , t h ev i s u a l i z e d l a d d e rd i a g r a ml a n g u a g ew i l lb ea u t o m a t i c a l l yt r a n s f o r m e di n t ot h ei n s t m c t i o n l i s t 3 1t h eh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c ee d i t o rs o f t w a r ep l a t f o r mh a st h ep cs i m u l a t i o n n u m e r i c a lc o n t r o lo p e r a t i o ns u r f a c e ，h a sr e a l i z e dt h ep l ci n s t r u c t i o ni n t e r p r e t e r 武汉理工大学博士学位论文 s i m u l a t i o n ，a n dp r o v i d e st h et o o l t h a ts i m u l a t e st h ep l ci n p u ta n do u t p u t ， s i m u l a t e st h ep l cm o v e m e n tp r o c e s s ，h a sr e a l i z e dt h es y s t e mo f f - l i n es i m u l a t i o n ， a n dm a yc a r r yo nt h ei n s p e c t i o n ，t h er e v i s i o nt ot h eu s e rp l cp r o c e d u r el o g i c a l e r r o r 钔1 n h em u l t i l a n g u a g e ss u p p o r to ft h en u m e r i c a lc o n t r o lo p e r a t i o ns u r f a c e k e yw o r d s ：t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ，p l cs o f t w a r ep l a t f o r m ，l a d d e r d i a g r a m ，h u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，g r a p h i cu n i t v 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，除了本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，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我同一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：童生遗窭 日期：碰! 兰：盂 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件、允许论文被查问和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 签名：- 二豇l 上赵$ l 导师签名： 鞍公嗍止卫、7 武汉理工大学博士学位论文 第1 章概述 1 1 数控系统发展的历史 随着科学技术的发展及制造技术的进步，社会对产品多样化的需求越来越强 烈，产品的更新换代周期也越来越短，中小批量生产的比重明显增加，从而对制 造设备提出了更高的要求。为满足市场的需要，要求制造设备具有高效率、高质 量、高柔性及低成本的性能，数控机床作为一种自动化的加工设备而被广泛采用。 同时，随着现代机械制造业向更高层次的发展，数控机床也必将成为柔性制造单 元( f m c ) 、柔性制造系统( f m s ) 以及计算机集成制造系统( c i m s ) 的基础装备 m 。计算机数控系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品所必备的基础设备， 己成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。 1 9 5 2 年，美国麻省理工学院与帕森斯公司进行合作，发明了世界上第一台 三坐标数控铣床嘲。这台n c 机床的研制成功标志着n c 技术的开创和机械制造的 一个新的数控时代的开始。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段共六代的 发展。 第一阶段：数控( n c ) 阶段( 1 9 5 2 1 9 7 0 ) 。早期计算机的运算速度低，对 当时的科学计算和数据处理影响还不大，但还能适应机床实时控制的要求。人们 不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬 件连接数控，简称为数控( n c ) 。随着元器件的发展0 1 ，这个阶段历经了三代， 即电子管、晶体管和小规模集成电路。 第二阶段：计算机数控( n c ) 阶段( 1 9 7 0 年现在) 。到1 9 7 0 年，通用小 型计算机已出现并成批生产。其运算速度比5 0 6 0 年代有了大幅度的提高，于 是将它移植过来作为数控系统的核心部件，从此进入了计算机数控( c n c ) 阶段。 到1 9 7 1 年，美国i n t e l 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件一 运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称为中央处理单 元( 简称c p u ) 。到1 9 7 4 年微处理器被应用于数控系统“1 。到了1 9 9 0 年，p c 机 的性能已发展到很高的阶段，从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可以满足作为数控系 统核心部件的要求，而且p c 机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统 从此进入了基于p c 的阶段。总之，计算机数控阶段也经历了三代，即小型计算 机、微处理器和基于p c ( p c b a s e d ) 的第六代。 数控技术是机械、电子、自动控制理论、计算机和检测技术密切结合的机电 一体化高新技术，它能把机械装备的功能、可靠性、效率和产品质量提高到一个 新水平，使机械电子行业发生深刻的变化，可以说，数控技术是实现制造过程自 武汉理工大学博士学位论文 动化的基础，是t l 动化柔性系统的核心，数控技术是现代集成制造系统的重要组 成部分。 1 2 开放式系统与开放式数控系统 开放式系统的概念并非是因数控机床而提出的，它已经广泛应用于各行各业 各个领域，在几十年的应用和推广之中也体现出了它的巨大的优势和发展潜力。 开放式系统一般包括开放的使用环境、开放的运行机制、开放的运行基础、开放 的内部结构和明晰的功能划分。这里的开放式环境一般是指系统的使用方法符合 人们一般的使用习惯，同时尽可能地避免可能出现的错误操作以及潜在的对使用 者的伤害。开放的运行机制是指系统的运行机制是可见的、合理的和符合规范的。 开放的运行基础是指系统的运行平台是通用的，同时一个开放系统也应尽可能地 避免对其运行平台提出特殊要求，以使得系统具有更好的和更广泛的适应性和可 移植性。开放的内部结构和明晰的功能划分是指一个开放式系统应该拥有一个良 好的功能划分，这不仅使得系统内部运行的结构更加合理，同时也使得系统的二 次开发将变得更加简单可行、系统的维护也变得更加简单轻松。 对于用户来说，一个好的开放式系统所能提供的将不仅仅是简单的操作，而 是在操作两时使用户可以详细了解系统的运动过程、各种功能的实现方法以及在 出现故障的时候可以更加直观的发现问题的所在。而对于其他开发者来说，好的 开放式系统则至少应具备以下两方面的能力：首先它应该向开发者提供一个非常 完善的开发平台，这一平台应具备有良好的可移植性和较高的抽象能力。这意味 着系统向开发者所提供的开发平台应该是流行的和符合规范的：其次它应该提供 一个稳定的运行环境，这就是说系统的运行机制和控制应当是稳定的、持久的和 无错的。 开放式数控系统的基本结构有硬件平台、软件平台、一个用户可扩展的硬软 件空间和应用开发环境。 硬件平台：由数控系统生产厂提供，或是选择通用的标准模块，但其配置可 由用户在较大范围内选择，如控制轴数、控制方式、各种外部设备等。 软件平台：由数控系统生产厂提供，或c n c 软件开发商提供，它是系统的核 心软件，即c n c 、p l c 的基本软件，同时提供好的用户开发应用软件的环境。 应用软件：用户在数控系统生产厂提供的硬软件平台基础上，开发专用软件、 硬件，实现用户要求的控制功能。 以数控机床系统结构设计为例，开放式设计大概可以理解为以下凡层含义： 丌放的软件操作系统、开放的硬件系统和开放的编译开发环境。首先，开放的软 件操作系统是使用现有的通用操作系统，如w i h d o w s ，l in u x ，u n i x 等。再者， 2 武汉理工大学博士学位论文 开放的硬件系统是基于通用的计算机系统，如p c 机。最后，开放的开发环境则 是指其中软件的开发和编译是在通用的语言环境，如c + + 环境以及常用的程序 编制开发环境中。基于这种开放式环境开发出来的数控机床系统将具备有巨大的 二次开发和升级潜力，任何现有的已经进行完整测试的代码可以在只做少量改动 甚至不做任何改动的情况下用于下一代的机床数控软件系统中去，而当计算机硬 件系统无法完成软件所提出来的计算量要求时，只需对计算机硬件系统进行简单 的升级即可。而对于开发编译环境来说，c 、c + + 等语言编译器大都具有良好 的代码兼容性，以往开发代码完全可以在现有的集成开发环境中继续使用而无需 作任何改动，对于其他系统下开发的代码只需作少数改动就可用于现有系统之 中。再者由于c 语言所具有的跨平台兼容性，使得数控系统在合作开发和技术合 作方面将具有更大的可行性。 随着近几年p c 机软、硬件的稳定性和可靠性的不断提高，使得基于p c 机的 开放式数控系统的开发逐步成为可能，在各方面条件都不断充实和完善的基础之 上，我们提出了开放式数控机床系统的架构设计方案。 键盘 降口回 队巨巫困 卜( 亟蔓卧 亟困 卜( 塑巫时 亘困 卜( 画巫圜 爿而赢i b 厂1 磊订 图i - - i 开放式数控系统体系结构 1 3 开放式数控系统的现状 1 3 1 国外开放式数控系统状况 为了占领数控市场，欧、美、日等国相继针对自身的数控系统制定了各种不 同的开放式数控规范，如美国的n g c 和o m a c 计划，欧盟的o s a c a 计划，日本的 o s e c 计划等。 ( 1 ) n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r o l l e r ) 计划，目的是制定一套新一代的开放式 数控系统的规范，开发符合下一代控制器( n g c ) 规范的产品，提供n g c 标准化的 3 一一一一一 武汉理工大学博士学位论文 成果。n g c 的体系结构，是在虚拟机器基础上把子系统和模块连接到计算机平台 上。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成了原型的研究，并转向工业上的开发应用。与此 同时，美国三大汽车公司( 通用、福特、克莱斯勒) 为解决自身的发展中遇到的问 题，在n g c 计划的指导下联合推出了“开放式模块化体系结构控制器”o m a c ( o p e n m 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 ) 的开发计划“1 ，由政府正式实施。其目的是 开发一种模块化的可重构控制系统，能适应新技术的发展和用户需求，随时可纳 入和集成模块化软件与硬件，使之重构成一个高效的控制器，以实现具有低成本、 少维护、开发周期短、更新换代快的特点的控制系统。实际上，o m a c 是一种概 念并不是一种控制器和标准，这在美国工业界内也己普遍得到认同。 ( 2 ) 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 ns y s t e m ) 计划，是欧洲e s p r i ti i i 中项名为“自动化系统中的开放式控制系统体系结 构”的项目名称。以德国机床制造联合会( v d m ) 为主，协同欧洲2 0 余家厂商及科 研机构于1 9 9 0 年共同发起，在1 9 9 2 年五月正式得到欧盟的认可，分三个阶段 实施。第一阶段成为o s a c a - i ，在1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南 的制定。第二阶段o s a c a i i ( o s p r i t 9 1 1 5 ) ”1 ，于1 9 9 6 年四月结束，完成了按规 范对标准的通用系统平台的开发，并用来调试、验证、扩展第一阶段的各种规范。 第三阶段为i d a so s a c a( i n f o r m a t i o nd i s s e m i n a t i o na n da w a r e n e s sa c t i o n ) ， 于1 9 9 7 年1 月开始，着手推广o s a c a 思想及前期工作成果1 1 ，为使o s a c a 成为 自动化领域的通用国际标准而努力。 图i - - 2o s a c a 系统结构框图 ( 3 ) 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 ll e r ) 计划，控制器开放系统 环境，如东芝、丰田、m a z a k 三个汽车制造商和同本i b m 、三菱电子及s m z 信息 系统公司共同组建的“1 ，基于p c 机平台的，具有高性能价格比的开放式体系结 武汉理工大学博士学位论文 构的新一代数控系统，目的是建立一个国际性的工厂自动化( f a ) 控制设备标准， 能快速响应市场需求。o s e c 计划主要采用p c 十控制卡( n c 嵌入式) 的硬件结构， 实现了层次化、模块化的灵活配置。在系统方面，0 s e c 选择了以f l ( f u n c t i o n a l l a y e r s ，层次化功能) 为基础的开放式平台“。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。o s e c 将各功能单元分组并结构化在一些功能层中，其开放式系统包括 了3 个功能层共7 个处理阶层( 图1 - - 3 ) 。o s e c 定义了一种新的n c 数据表示法 f 仰l ( 工厂自动化描述语言) ，该语言具有能面向对象设计、能表征曲线形状 等优点，并具有广泛的覆盖性。这为进一步开发p c 机的潜能提供了软件基础。 l 设计层i + 操作规划层 加工过程控制层 + 运动控制层 + 轴控制层 伺服控制层 图1 3o s e c 开放数控系统体系结构 1 3 2 我国数控发展简况 自改革开放以来，我国数控技术的开发研究有了较快的发展，尤其是经过“六 五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 规划引进国外技术、“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 规划对引进技术的消 化吸收，“八五”( 1 9 9 1 1 9 9 5 ) 规划国家组织产业化攻关等各个阶段实施，开发了 具有我国自主版权的两个基本系统( 即平台) ，四种数控系统及其派生产品“”。他 们是中华i 型( 中国珠峰公司) 、航天i 型( 航天数控集团公司) 、蓝天i 型( 中科 院沈阳计算所) 、华中i 型( 华中理工大学) ( 如图l 一4 所示) 。其中中华i 型、 华中i 型是基于p c 十数控卡构成的硬件平台而进行开发的“4 。航天i 型是利用 p c 机的体系结构设计的与通用p c 兼容的微机，加上数控通用专用模板构成了 典型的前后台结构的多机系统。蓝天i 型是在原7 5 0 0 系列的高档数控的基础上， 通过大规模可编程门阵列( e p l d ) 二次集成的，缩小化设计后与通用p c 机互联， 构成了8 5 0 0 系列多机系统“”。这些高档数控系统的开发成功，使我国数控技术 武汉理工大学博士学位论文 有了长足的进步，也给我国数控发展带来了新的机遇，如今随着芯片技术及计算 机投术的高速发展，利用通用微型机系统设计开放式结构的数控系统，把开发工 作转到软件及算法上，已经成为目前国际数控系统发展的主要趋势。 图l 一4 华中i 型数控系统体系结构 上述高档数控系统，都具有多轴联动功能，连动轴数可在五轴以上，这说明 在新一代数控系统的开发研制上，我们己与国外站在同个起跑线上，彻底改变 了我国数控系统长期以来对国外的依赖“”。同时，高档数控系统的成功开发，也 为我国数控机床的发展提供了有力的保障。现在，我们已经能够自行开发出国产 数控机床所需的各种类型的数控系统。国产数控系统不论是经济型数控，还是普 及型( 中档数控) 及高级型( 高档数控) ，近几年来已进入中、小批量的生产并得到 了广泛的应用。当然，经济型数控仍然是我国应用量最大的系统。在大约1 0 年 左右的时间内，全国约有两万多台普通机床被改造成为经济型数控机床( 以车床 为主) 。用普及型和高档数控系统对普通机床、传统机床、进口机床、技术老化 机床及二手机床的改造在近几年也取得了显著的经济效益“”。例如：蓝天高档数 控国家工程研究中心，在批量生产的基础上，已向机床行业提供了2 0 0 余台高中 档的c n c 产品与配套机床“，不仅与国内十多个机床厂家的加工中心、车削中心、 数控车床、数控铣床等2 0 多种数控系统配套，同时也支持与完成了国家重大数 控加工设备的配套及攻关。蓝天高档数控系统还成功的装备了我国第台双过程 曲轴铣床，协同中科院长春光机所成功的装备了我国第一台数控非球面光学镜片 加工中心“。又如华中数控公司，对东方电机厂( 国产大型发电设备制造重点企 业) 的1 0 台重型机床和中型机床及其他企业中的几十台关键设备进行了数字化 改造，使之成为普及型和高档型数控机床“。更可喜的是，利用高档数控国家工 程研究中心的高档数控系统的优势和北京凯奇数控设备成套公司的伺服系统的 6 武汉理工大学博士学位论文 优势，联合开发的高档数控系统( n c 1 0 0 系统) ，已成功地向国外出口，于1 9 9 8 年开始向俄罗斯出1 38 0 套，实现了国产数控系统由进口向出1 3 的转折“”。它标 志着我国高档数控系统的技术水平已达到参与国际市场竞争的新阶段，是我国数 控系统技术发展中质的飞跃。 目前，我国数控技术在基于p c 的新一代开放式控制系统上有相当大的转机， 研制成功的四种类型各有其优点。但就开放性这一点来看，他们还不具备开放式 数控系统的本质特性，各系统采用的体系结构不一致，还没能解决开放式控制系 统的平台问题，相互问缺乏兼容性和互换性。显然，系统的软硬件还谈不上可移 植性和操作互换性。从软件来说还仅仅处于结构化开发水平，没有进一步利用面 向对象、软件复用、二次开发等软件工程中的新技术，致使应用系统的开放性与 开放式控制系统的要求相差甚远。为此，在进一步发展我国数控技术方面，在通 用p c 机体系结构的基础上，制定开放式数控系统技术规范的问题尤为重要。 1 4 开放式数控系统的组成结构 我们将一般数控系统的概念广义化，定义为由控制器、机械结构、伺服单元 等三个主要部分组成的产品模式。 控制器就是我们通常所说的计算机数控系统，它由专用或通用计算机硬件加 上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的运动控制功能、人机交互功能、数 据管理功能和相关的辅助控制功能“”，是数控装备功能实现和性能保证的核心组 成部分，是整个数控体系的中心模块。 机械结构是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台，如数控机床系 统中的铣床、车床和加工中心等机械部分；数控机器人系统中机械手和机械臂等。 机械结构根据具体应用场合的不同，具体形态千差万别，但都可以按照运动学和 动力学方法简化成运动机构的各种组合形式，这种组合越复杂其对控制器的能力 要求就越高，同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制，同样一种机械结构 可接受不同控制器的控制，这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的 产品类型。 伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道，它将控制器数字量的指 令输出转换成各种形式的电机运动，带动机械结构上执行元件实现其所规划出来 的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分，其任务实质是实现 一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控制。 在此基础上，随着开放式数控技术的出现，数控系统体系具备了自我扩展和 自我维护的功能，这得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬 件功能和性能的能力。因此，开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组 武汉理工大学博士学位论文 成部分融入了数控系统体系结构中，并在深刻改变着传统数