（材料加工工程专业论文）一种新型开放式快速成形控制系统的研究.pdf

_ 、 f ， 华中科技大学博士学位论文 摘要 ( 快述域形( r p ) 技术是八十年代t 1 ，期发展起来的先逊：| i | j 造技术，l 仃厂佝、川 i m 最u 仳k 期以来，由于快速成形设备的特殊性，其控制系统纠i 构复j ，成小研，制 约j ，快述成形技术的推广。因此，：辩璎引发低成本、岛t ，轷：的适川j 二多种类掣快速成 肜波筋的，：4 他能通用c n c 系统j 小谢题足旧家八、in 功化技术领域c j m s ) ：题y j ”饮j 越j 贝l j “快速原型制造系统”的m 监自l 成部分，j _ ! j ! 编0 为8 6 3 5 l 】一9 2 0 o l o 。 本义总结了现代c n c 的体系结构和常见的实现方法，提“ j ，- 种小依赖h 体坝俐 、k7 f i i 搬 1 ( 系统的软件c n c 。这种c n c 用软俐安观j 7 儿乎所仃的数纷j j j 能，j i 侏朋j j l j i 小的 受li 和驱动等硬件设备，并j t 体的蚀仆砹衔尤父，能嘭迂h 捋= j i l 他r l i 舯姒，山? 嵌氍。本文从理论上论“j 软o w 将j 0 仃哑，啊的一r i ：能、l - j 静n 和搬低n 弧k 小。，给小r 软件c n c 的实现策略、基本结构及4 h 哭的实现技术。 快述成形系统的加工速度快，达3 0 耐m i n 以上。加i ：的轨迹轮廓复- ，轮廓轨迹 微段“ k 、嘲锥曲线( 包含椭删弧、舣曲线弧和抛物线弧) ! j ci 次b e z i e r 蛐线构 成，维i i 软仆叫c 系统具备很快的运锌述艘和很人n 勺数舭f j ，储，r j * 特。忆 足j 种近川j 微线段高速连续插补的幺i 构和算彬、。这种舾补馆法将返z 产ojjl f l _ 。i 分l 吗处 川! ，f 9 1 i j nj + 运动学汁算，结构清晰，易j ：实现，具韵简r p 迎川胸接， j 拂：厅的 【 软p 近接力便，对高次曲线的师补挺供厂良好的支持。 m “巡加1 ：过程中，伺服系统的动态特r l ：会引起 k 人旧轮廓攒并。fq h ( ) 印，k o r e n r i 九提j 椭合轮廓控制( c r o s s c o u p l e dc o l l t r 0 1 ) 川j j 降低轮廓跌芥，这种钾法经过 2 0 多年的投腱，得到了较广泛应川，f l i 足，这种鳕：法j l ：4 i 遁介i ： 述加i 。为此，摊 j 利t j i i 的线性轮廓误差补偿的结构坪算法。，这种轮廓跌，h p 偿钟弘f 业r 分 川竹 ”灭j 地，能够给出稳定性判据和补偿p e 能的解析表达，钉搬女m 0 通川忡和 、h 述0 0 j t r 1 ：，逝合嗣裹加工。实验结果，理论分忻吻合，比k o r e l l 的煳合轮咏挖制j i 九业 “的加梢嫂和速度。 h 软仆实现了一种虚拟嵌入式的叮编程控制器，它与l l 州；的蚀件t 叮编烈控制器j 铂州似n 0 操作和编程界面，用户使用方便。虚拟嵌入 ，编槲挖f 制髅完j - e 除艄补暇，饥 边，山外，机眯所有运动机构的页乒挖制。它允许川j ：洲悟控制逻枷，以j 五川j ：小川类 华中科技大学博士学位论文 j n 数控枷r 设备，提高了软件c n c 的通川性。这种川编科挖： ；| j 器填现简t p ，【i 仃 似的运仃效率。， ， 为j 遁应c n c 网络应用的需要，提出厂种适川r 软件c n c 的叫络结构。它使川 】n t e r n “| q 技术和协议，如t c p i p 和吖r i ，等，具有很好的通川性，适川j i 择种i 叫 络介质和 f f 扑结构，能够对软件c n c 进j 1 ：远程监控。i 毗c r n “环境r 仃人 i 的软f ，i 土术和软仆j ：具支持网络应用的”发，便j ：软什c n cm 嗍络麻川扩腱。 给j 7 软件c n c 的一个具体j 越川实例经济，靶1 ，( ) m 。n ! j 1 1 l 川软仆c “内内恢j 上 f | | ；i ，为l ，【) m 所使用的各执行元件增j j 【1j 的软什控制* ，捉- i j 执行j i 什盼陀能，他 低忖! 能的兀件能够完成原来需要高性能冗件，；j 能完成的工作，人幅度降低j 成木，文 - i ，还给j 这蝗软件控制器的具体算法。1 ”发了一块使川l ，外总线的 i 卜jn n u 迎川蚀俐披 i 模板，使计算机ji ，【 m 系统分离汁辫机川1 j r ，f 1 仃选眦，蚍降低j 7 成 本疋挺： j l o m 系统的可靠性。改进j 7l ( j m 的【们：流程，使刚1 文仆i 门”处州7 切割j j uf 川时进行，缩短了加工时| 、口j ，义4 i 损火加l ：精度。达利t 使川软仆c n c 的鲐 济艇l o m 自2 0 0 0 年1 0 月研制成功以来，通过湖北省科技门的豁定l 订彩家川， h 仃r 阔n 勺m 场前景。7 灭键b d ：汁算机数字控制：7 快速原型制造：微线段捅补：耦合轮廓控制：嵌入代川编 程控制器；互联网：分层实体制造 t l 令 j 华中科技大学博士学位论文 a b s t r a c t t h er a p i dp m t o t y p em a c h i n i n g ( r p ) t e c l l i l 0 1 0 9 yi s a 1 1a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g ym a t 踟1 e 】喀e di nt h em i d1 9 8 0 s t h er ph a sh u g en i a r k e td 啪a n d b u t i t s c o m p u t c rn 哪e r i c a id o n t r 0 i ( c n c ) s y s t e m i sv e r ye x p e n s i v cb e c a u s et h er p s y s t e mi st o o c o m p l e xa n dh a sh i 曲s p e e dm a c h i n i n 吕t h e e c o n o m i ca i l dh i g l 巾e r f o n n a n c ec n c s y s t e m u s e df o rr pm u s tb ed c v e l o p e d t h ep m j e c ti ss u p p o r t e db y “8 6 3c i m s ”，n o 8 6 3 5 l1 9 2 0 0 1 0 。 t h es t m c t u r ea l l di m p l e m e n t e do fm o d e mc n ca r es u r 哪a r i z e d ，an e wk i n do fc n c s y s l e l ni sp r e s c n t e di nm i sp a p e r a 1 m o s ta 1 1f h c t i o n sa f ei m p l 啪e n t e dw i t hs o f h v a r ei n t h ec n c s y s t e m t h ec n cs y s t e mi si n d e p d c n to nt h es p e c i a lh a r d w a r c a n d _ 【1 1 es p e c i a l 0 p e r a c i o ns y s t e m i th a sh i 曲e rp e r f o 肿a l l c ea n d1 0 w e r c o s tt h a i lt h en o 瑚a lh a r d w a r ec n c s y s t e m s o m et e c h n o l o g i e sa i l db 鹞i cs t m c t u r eu s c di nt h ec n c a r e p r e s e n t e d t h er ps y s t 咖h 酾h i g h 印e e dm a c h i n i n g ，e x c e 酣3 0 m m i na n dn e e d st o p r o c e s s c o m p l e xc u r v e s an e wi n t e l p o l a t o ri sp r o p o s e d nu s e s 伽en e w s t m c t u r ea n dt h en e 、v a i g o r i t h r n s ，a i l dc a nb cu s e df o r h i 曲s p e e da n dh i g ha c c u r a c y m i c m l i n ei n t e r p o l a t i o n t h e i n t e 甲0 1 a t o ri ss i m p l et ob ei m p l e m e n t e d ，a n dh a sac o m m o n i n t e r f a c et h a lc a nm a l ( e st h e i n t c r p o i a i o rt ow o r kw i c ht h et h i r d _ p a n n e rc a m s o 脚a r e s oi tc a i lb eu s e df o rr a n d o m c u n ，e si n t e r p o l a t i o n al i n e a r c r o s s c o u p l e dc o n t r o l l e r ，d e s i 髓e d t o i m p r o v eh i g l ls p e e dc o n t o u r i n g a c c u r a c yi n d e p e n d e n t l y o f n | a c k i n ga c c u r a c y i nb i a x i a lm a c l l i n et 0 0 1f c e ddr i v e s e n f o m c c h a n i s m s ，i sp r e s e n t e d t h ec r o s s c o u p l e dc o n t r d l l e rp r e s e n t e dh e r ei s ai i n e a r s y s t e m1 1 0 tl i k ec o n v e n t i o n a ic m s s c o u p l e dc o n t m l i e r s ，s oi t i sv e r ye a s yt op e r f 0 彻i h e s l a b j l j l ya n ds t e a d y s t a t ee 玎o ra n a l y s i s ，t o0 p t i m i z em e c o n 仰】l e rp a r 锄e t c r s i lh a sh i 曲c r c o n t o u r i n ga c c u r a c ym a n t h ec o n v e n t i o n a lc r o s s _ c o u p l e dc o n t r o l l e r s ，a i l dc a f lb eu s e da t h i 曲s p e e d av i n u a lc l n b e d d e d i np m m 野啪c o n t p o l l e ri s p r e s e n t e d n i s i m p l e m e n t e dw i t h s o f 狮a r e b u t1 1 a st h es a m ep r o g r a ma n du s i n gi n t e r f h c ea sh a r d w a r ep m m g r 锄c o n t r o l l e l s o “i sv e r ye a s yt ob ep f o g r a m m e da i l dm o d i f i e dt oa d a p tt od i 腩r e n tm a c h i n e s t h e 华中科技大学博士学位论文 p r o m 乎踟c o n t r o l i e rc a ne x t e n dt h ea p p l i c a t i o ni i e l do f t h es o 脚a r ec n ct h ep r o g r a m c o n t r o l l e ri sv e r ye a s yt ob ei m p l c m e n t e d ，a 1 1 dm n s v e r yr a p i d l y ak i n do fn e t w o r ku s e df o rt h ec n cs y s t e mi sp r c s e n t e d t h en e t 、v o r ku s e st h e 。 i n t e m e tt e c h n o l o g ys u c h 觞t c p 佃锄dh t t p p m t o c o l ，s oi ti si n d 印e n d e n t o nt h es p e c i a l h a r d w a r e ，a n dt l l e r ea r eal o to f 丘e ea i l dt h et h i r d - p a r t n e rs o r w a r ec a nb eu s e dt od e v e i o p n e t 、v o r ka p p l i c a t i o n a ne c o n o m yl o m s y s t e mu s e dt h ec n cs y s t 咖i sp r c s e n t e d s e v e r a ls o f h v a r e c o n t m l l e r sa r ea d d e dt ot 1 1 es o f 时a r ec n cs y s t c m t h c s ec o n t r o e r sc 柚e 1 1 h 柚c et h e p e r f b m a l l c eo f t h ee l e m e n t su s 酣i nt h el o m m a c h i n e t h el o ms y s t e mc a nu s el o w p e r f o 咖a 1 1 c ee l e m e n t st or 印l a c eh i g hp e r f o 册a n c ee l 锄e n t st o 伊e a t l yr e d u c et h ec o s to f t h es ”t e m a j la l l - i n o n ei n t e r f k ec a r db a s e do ne p pb u si sd e v e l o p e d i tc a l ls e p a r a t et h e c o n t m lc o m p u t e r 疔o mm el o m s ”t e m s om e u s e r sc a nb u yt h ec o n t r 0 1c o m p u t e rb y t h e m s e l v e s ，m er c l i a b i l i t yo ft h el o m i n c r e 弱e da l l dm ec o s to ft h el o md e c r e a s e d t h e m a c h i n i n gs e q u e n c eo f t h el o mi si m p r o v e d t h el 髂e rc u t t i n ga i l dt h es t l p r o c e s sc a n m na tt h es a m et i m e ，m es p e c do f t h el o mi n c r e 觞e d t h ee c o n o m yl o m s y s t 哪h 醯ve 1 y i o w e rc o s ta n dh i g h e rp c r f o 咖a n c et h 孤m ec o n v e n t i o n a lu ) m s y s t e m i th a sp a s s e dt h e a p p r a i s a la r i dh 雏h u g e m a r k e td e m a i i d k e y w o r d s ：c o m p u t c rn 啪谢c a lc o n n d l ；r a p i dp r o t o t y p em a c h i n i n g ；m i c r 0l i n e i l l t e r p o l a t i o n ；c m s sc o u p l e dc o n t r o l ；e n b e d d e dp r o g r 锄c o n t m l l e r ；1 1 1 t e m e t ；l o m i n a t e d 0 b j e c tm a l l u f k t u r i n g 华中科技大学博士学位论文 1绪言 本章简要论述了快速成形设备计算机数字控制系统( c n c ) 研究的目的与意义，综 述了c n c 技术的国内外发展概况、技术水平，介绍了作者的主要研究工作。 1 1 引言 当今社会，产品竞争越来越激烈，“缩短开发周期，快速投放市场”成为广大商 家公认的获胜策略。在技术方面，产品开发商为了获得竞争优势，大量采用计算机技 术，如计算机辅助设计c a d ( c o m p u t e r - a i d e dd e s i g l l ) 、计算机辅助制造c a m ( c o m p u t e r - a i d e dm a n u f k t u m g ) 、计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r a i d e d e n g i n e e r i n g ) 、并行工程c e ( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) ，这些技术对于缩短产品开发周 期做出了一定的贡献。然而，在c a d 设计与实物零件之间缺乏一个快速环节，r p 技术正好充当了中间连接的角色。它以离散堆积原理为特征，从21 2 维的角度完成 三维模型加工，降低了制造难度。自从它应用于工业实践以来，服务对象遍及航空航 天、交通工具制造、机械电子、工模具、家用电器、电脑、通讯产品、玩具、样品模 型制作、医疗器械等行业，缩短了新产品从设计开发到投放市场的周期，给广大企业 带来了巨大的经济效益，满足了小批量、多品种生产的需要，它还解决了某些传统工 艺无法加工零件的制造问题。r p 技术正在和将要为机械加工行业的发展起着不容忽 视的作用i l 。j 。 1 2 课题的研究目的、意义与来源 虽然r p 技术有巨大的市场需求潜力，但是r p 设备价格昂贵。以l o m 设备为 例，美国h e l i s ”公司的l o l 5 ，售价为1 0 万美元，新加坡瞄n e 唱y 公司的z i p p y i ， 售价为1 3 0 万元，这些还是价格相对便宜的小规格型号。高昂的价格使r _ p 设备集中 在大企业和服务中心，广大中小企业不敢问津，潜在的需求不能转化为现实的需求。 造成r p 设备价格高昂的原因，固然与前期巨额科研投入有关，但主要还在于其 结构复杂，生产成本高。在r p 设备的成本中，机械部分所占的比重较小，控制系统 占有较大比重。i 冲设备要求控制系统具有高速控制能力和巨大的数据处理能力， _，_hh一。一一一一一 l 华中科技大学博士学位论文 般通用c n c 系统不容易满足这两方面的要求。r p 设备使用一些精密的传感和执行元 件，要求能够长时间稳定工作，对可靠性提出了较高的要求，这些都导致了成本上升。 本课题着h 艮于发展一种低成本、高可靠、高性能、高柔性的c n c 系统，使其能 够适用于多种不同类型r p 设备。该控制系统基于3 2 b i t 的多任务操作系统，如 w i n d o w s 、l i n u x 等，有巨大的数据处理能力，能够进行3 2 b i t 的高速运算，满足速度 和容量的要求。该系统还能够使用简单可靠的低性能传感和执行元件，实现原来需要 高性能元件才能实现的功能。降低成本，能够推动r p 设备的普及，大的生产批量能 够分摊研制成本，为新的研究提供支持，进一步降低价格。提高性能，形成良性循环， 对r p 技术的普及和提高具有重要的意义。 本课题是国家八六三自动化技术领域c “s 主题目标产品发展项目“快速原型制 造系统”的重要组成部分，项目编号为8 6 3 5 1 1 9 2 0 一0 1 0 。 1 3 开放式数控系统 计算机数控( c n c ) 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，已成为当今先进制造技术的一个重要组成部分。然而，现今市场上组成c n c 系统( 以f a n u c ，s m m e n s 等为代表) 的硬件模块和软件结构绝大多数是专用的， 互不兼容，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这就造成了不同厂家的 控制系统相对独立、彼此封闭。 随着技术进步，市场竞争的加剧，这种专用体系结构的数控系统越来越暴露出其 固有的缺陷。一方面，各控制系统间互连能力差，影响了系统的相互集成，风格不一 的操作方式以及专用件的大量使用，不但使用户培训费用增加，还给数控设备用户 ( c n c 系统的最终用户) 带来很多不便；另一方面，系统的封闭性使它的扩充和修 改极为有限，造成数控设备制造商( c n c 系统中间用户) 对系统供应商的依赖，并 难以将自己的专门技术、工艺经验集成入控制系统并形成自己的产品特点，这将不利 于提高主机产品的竞争力。此外，专用的硬、软件结构也限制了系统本身的持续丌发， 使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。 总之，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代 制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。 华中科技大学博士学位论文 1 3 1 开放式数控系统的概念 研究7 f ：放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之问的 矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。通俗地讲，丌 放的目的就是使c n c 控制器与当今的p c 机类似，系统构筑于一个开放的平台之上， 具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能以 适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商， 并相互兼容。 事实上，基于上述指导思想的开放式数控系统也符合i e e e 关于开放式系统的定 义：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格 的交互方式。根据这一定义，开放式数控系统应具有以下基本特征： ( 1 ) 可互操作性。通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同的功能模块 能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工 作。 ( 2 ) 可移植性。系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模 型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过一致的设 备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之上。 ( 3 ) 档次皆宜性。c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，既可以增 加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 ( 4 ) 可互补性。指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协调运行。 1 3 2 国外在体系结构方面的研究进展m 1 2 l 控制系统开放式结构的出现将导致新一代控制器的产生，并成为未来制造业的一 大支柱。因此，欧美及日本等国都相继进行了大量研究工作，并出台了各自的开放式 体系结构规范。 1 9 8 9 年，美国由政府资助的n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 1 e r ) 研究计划，作 为丌放性结构控制器的标准提案受到了广泛关注。n g c 与传统c n c 的显著差别是它基 于“开放体系结构”，其首要目标是开发“开放式系统体系结构标准规范” 华中科技大学博士学位论文 ( s p e c i f i c a t i o nf o ra no 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 ，s o s a s ) ，此规范用 来管理工作站和机床控制器的设计和结构组织。n g c 计划于1 9 9 4 年完成了原型研究， 并转入了工业开发应用。例如，美国f o r d ，g m 和c h r y l s e r 等公司在n g c 计划的指导 下，联合提出了o m a c ( 0 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 ) 丌发计划。该计划 定义了一个应用于汽车工业的开放、模块化体系结构的控制器规范，其硬件继承了 v m e 系列的v m s 。尽管目前还不够完善，但由于“a p i 的接口层”的标准化，使用户 能够充分发挥自己的主动性，从而可装入自己所需的独特功能，甚至可以装入 w i n d o w so s ，将c a m 等现有的p c 机资源移植到控制器中。实现o m a c 的好处在于能减 少投资和生产的费用，容易将市场化的通用技术与用户自身的专有技术融为一体，从 而能高效地重构新型控制器，使得不断涌现的新技术能及时植入。 与n g c 同步，日本的一项面向2 1 世纪制造产业的长期研究计划智能制造系 统( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，i m s ) 也在讨论中，该项计划由日本工业界 领导，同时也与其他国家合作。1 9 9 0 年，曰本i m s 中心成立。1 9 9 4 年，历时l o 年的 i m s 计划日程表发表并开始启动，大部分计划都与先进制造系统和自动化相关，如多 功能机床系统、敏捷制造系统、基于知识的人工智能表达式系统和智能监控系统等。 该计划对将来控制系统技术的发展将产生深远影响。同时，日本还启动了另一项开放 系统计划0 s e c ( 0 p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r 0 1 l e r ) 计划。其主要内容是 基于p c 平台的开放式系统，宗旨就在于确定“不依赖于特定卖主的丌放性控制器” 的结构。这计划由3 家机床企业( 东芝机械、丰田工机、山崎) 与3 家信息系统开 发企业( r 本i b m 、三菱电机、s 札) 发起，提出了控制器的分层模型，明确了各层 次模块的功能、服务内容及接口规范。此外，还定义了一种新的n c 语言f a d l 语 言。目前，该组织已经发展到由1 8 家公司和一家社团共同参与的致力于推进c n c 系 统开放化的协会。 面对国际市场的形势和制造业的发展趋势，欧洲采取的对策是：联合起来发挥各 家的长处，积极吸收世界上的各种新技术，开发满足世界市场尤其是亚洲市场的产品。 要达到这一目的，首先要具有能容纳或联合各家技术的新型控制器。早在1 9 8 7 年1 1 月，在德国机床厂联合会( v d w ) 的支持下，就曾由斯图加特大学的制造控制技术研 究所( i s w ) 对“未来控制技术”进行了研究，提出的新型控制器方案的原则为：可 组配，模块化和开放式。1 9 9 1 年1 0 月，一项涉及欧洲各国的控制系统计划o s a c a ( o p e n s 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 ) 开始启动，它是欧 4 华中科技大学博士学位论文 洲各国的合作计划，立足于提高机床和控制系统制造商在世界市场中的竞争力。项目 工期从1 9 9 2 年5 月到1 9 9 6 年5 月，历时4 8 个月。其主要任务是制定一个与制造商 无关的开放控制系统结构。0 s a c a 计划的成功将减少新产品的上市时f 、日j ，提供更强的 客户定制功能和柔性程度，减少了开发、维护、培训和文档建立的费用。 1 3 3 国内在体系结构方面的研究进展限” 国内的数控技术，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，都瞄准到以p c 为基础的发展路线上， 并以此形成了两种平台，四个基本系统，其中，华中i 型和中华l 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，而航天i 型和蓝天l 型是将p c 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。国内其它单位也先后丌发出基于 p c 的数控系统“”2 。 以华中i 型数控系统为例，它采用工业p c 为硬件平台，d o s 及其丰富的支持软 件为软件平台的开放式体系结构( 如图1 1 所示) 。这种系统具有软硬件资源的通用 性、丰富性、透明性，软件的可再生性，引入高新技术进行升级、换代的适应性等诸 多优点，从而大大缩短了通用系统、特殊专用系统开发生产周期，提高了系统可靠性 和软件工程化速度。 华中i 型数控系统的p c 机配置为： 3 2 位工业型通用微机( i p c ) 包括：c p u 板，显示模板，机笼，电源。系统配有电 子盘用于存储系统程序，最大1 6 m 的零件程序存储器。配有硬盘和软盘作为后备存储 器。可配嚣9 ”、1 2 一v g a 单显，1 4 一v g a 彩显或t f t 显示器，用来进行菜单显示、故障 显示、加工图形仿真及加工过程的动态跟踪显示。 华中i 型数控系统在工业p c 机上嵌入的数控专用模板有： 内装式p l c 单元，由三块功能板组成：h c 4 1 0 34 8 路光电隔离开关量输入板， h c 4 2 0 34 8 路光电隔离开关量输出板及h c 4 3 0 3 多功能板。系统的位置单元接口可根 据使用的伺服单元有不同的具体实现方法：当伺服单元为数字式交流伺服时，位置单 元接口采用m o x c 1 0 4 四串口通讯板( 标准r s 2 3 2 串口) 当伺服单元为模拟式交流 伺服时，位置单元接口采用h c4 4 0 3 位置环板。系统带断电保护，带r s 2 3 2 c 接门， 可直接与c a d c a m 连接，带网络卡可连入工厂网络。 华中科技大学博士学位论文 图1 1 华中i 型的体系结构 华中i 型数控系统的控制软件，以d 0 s 操作系统为软件支持环境，构造了一个具 有实时多任务控制的数控软件平台，提供一个方便用户的二次开发环境，以便用户( 包 括系统厂) 在此s f 台上进行修改、增删，灵活配置派生出不同c n c 控制装最，并提供 了一种标准风格的软件界面。这是一个初步开放的软件系统，还必须按照全开放的思 想与国内同行进行通用界面和标准协议的研究和开发。 华中i 型数控系统的软件结构如图1 2 所示。图中的底层软件为华中i 型的软件 平台，其中的r t m 为自行开发的实时多任务管理模块( 由于m s d o s 为单任务、非实时 性操作系统) ，负责c n c 系统的任务调度，n c b l o s 为基本输入输出系统，管理c n c 系统所有的外部控制对象，包括设备驱动程序的管理( 对应不同的硬件模块，对应不 同的驱动程序，故更换模块只需更换驱动程序，配置很灵活) 、位置控制、p l c 调度、 插补计算和内部监控等。也可以把r t m 和n c b i o s 统称为n c b a s e ，如图中的虚线框所 示。 过程层软件( 或称上层软件) 相当于前后台型软件结构中的背景程序，负责零件程 序的编辑、解释和参数设置，p l c 的状态显示，m d i 及故障显示等任务的完成。通过 n c b i o s 把它与底层软件隔丌，使得过程层软件不依赖于硬件。为适应不同的系统， 华中科技大学博士学位论文 只需改动过程层软件。 图1 2 华中i 型的软件结构 国内开放型c n c 还仅仅处于开始阶段。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一些问题。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爿能使用，而作为能够普及到一般用户的程度则还远远不够。但 不管怎么说，利用p c 机使得c n c 的重点由硬件转向软件，为国内的数控发展消除了 硬件生产上的“瓶颈”，从而可能加快生产出实用产品。p c n c 毕竟使c n c 向丌放性 体系结构迈出了一大步。 1 4 国内外快速成形设备数控系统现状 快速成形技术的成形原理是：把待加工的三维实体沿高度方向( z 向) 进行切 片，得到每层截面的加工轨迹，加工精度要求越高，则切片越薄，层数越多，需 要每层截面具有很快的加工速度；快速成形机每次只加工一个截面( 用激光烧结粉 末材料或切割片层材料等) ，一个截面加工完成后，自动叠加一层成形材料，继续 加工直到所有的截面加工完毕，生成三维实体。从成形原理可以看出，快速成形 机是一个两轴半联动( x y 轴联动+ z 轴步进层进给) 的数控装置，还要实现成形材 料的自动叠加和粘贴，成形材料预热和加热的温度控制，加工环境的氧含量检测 一p_。一一 7 华中科技大学博士学位论文 等许多辅助控制功能。 从快速成形系统的工作原理可以看出，它与普通金属切削机床相比，有许多相似 之处，但也有其特殊性，主要体现在以下方面： ( 1 ) 加工速度快，达3 0 m m i n 以上，远高于通常机床的每分钟数米的水平，要求数 控系统具备高速控制能力，能够对高速下产生的轮廓误差进行补偿。 ( 2 ) 需要实时在线对三维实体模型进行切片处理，生成加工轨迹，要求数控系统具 有快速的数据处理能力和巨大的数据存储空间。 ( 3 ) 除两轴半联动外，快速成形机需要控制的对象多，如激光功率控制，温度控制， 若干辅助运动部件( 用于成形材料的叠加和粘贴) 的控制等。由于被控对象的 不同，数控系统应具有不同的控制算法。 一般的通用数控系统不易满足这些要求。“，以华中i 型为例，它的空行程最大速 度仅为2 4 m m i n ，并且它的软件系统以1 6 b i t 的d o s 操作系统为基础，内存管理能力 有限，数据处理容量受到极大限制“”，此外开放性不够，不易增加专用的控制算法。 因此，快速成形设备生产厂家往往在开放式数控系统体系结构的基础上，研制自己专 用的控制系统。为了同时满足加工速度和数据处理的要求，快速成形设备的数控系统 通常采用双计算机结构，一台计算机完成实时控制，另一台计算机完成实时在线数据 处理。 华中科技大学从1 9 9 1 年丌始从事快速成形技术和设备的研究，生产的l o m 系统 处于领先地位，其控制系统历经多年发展和多次改型，结构较为成熟，如图1 3 。 上位机使用3 2 b i t 的w i n d o w s 9 5 操作系统，具有巨大的数据处理能力和精美的图 形界面，负责实时在线三维实体模型切片处理和人机对话。下位机使用d o s 操作系统， d o s 环境下容易设计实时控制程序，市面上也有很多面向d 0 s 的实时控制模板可供选 择，可以方便地搭建数控系统，缩短研制周期。两台计算机之间通过串口和以太网联 结，以太网用于传递大量数据，串口则用于零星的突发信息交换，通过以太网，下位 机还可以与局域网中其它的计算机通信。 采用图示的体系结构具有以下的特点： 1 ) 开放式结构。系统的结构清晰，上下位机相对独立，无论是对上位机还是下位机 程序进行改进或扩充，都能保证相对的独立性，便于系统的软硬件设计。 2 ) 快捷方便。由于开放式数控系统采用模块化结构，很容易利用市场上现有的模块 组建成一个数控系统。当然，为使系统集成度更高，性能更好，成本更低，不排 华中科技大学博士学位论文 除使用专用模块，往往采取一个核心专用模块外加一些通用模块的方式。 3 ) 可以实现远程制造。由于网络技术的利用，使得远程控制成为可能。比如在如图 所示系统中，上位机与下位机的距离可以很大，上位机位于环境优雅的办公室， 下位机位于生产现场。工作站或远程设计的产品可以通过网络传给上位机，进行 制造。 上位机 工作站 串口lj 网络适配器ll 网络适配器 局域网 串【二l p c 总线 川差帷 多轴控li 暑 制模块ll 苎 _ 一i7 c 雏 图1 3 快速成形数控系统的体系结构 清华大学的快速成形数控系统采用相似的体系结构，区别在于使用美国d e l t a t a u 公司的p m a c 智能c n c 控制卡取代了下位机控制子系统，p m a c 智能c n c 控制卡上 具备c p u ，是一台完整的计算机，插入到p c 机的i s a 插槽中，完成除人机界面和三 维实体模型切片之外几乎所有的数控功能。美国s t r a t a s y s 公司的快速成形数控系统 也采用相似的体系结构，下位机除了使用专用控制器外，上位机则采用了美国s g i 公司的基于u n i x 的r i s c 工作站。其它公司的数控系统体系结构都大同小异。 双机结构的优点在于各计算机各司其职，较好满足了加工速度和数据处理两方面 的要求，系统结构清晰，易于扩展和实现。但带来的问题是成本高，结构复杂。上位 华中科技大学博士学位论文 机、下位机和通信网络中任何一个子系统故障，都会导致整个系统瘫痪，影响了可靠 性。为了提高可靠性，需要使用高质量的子系统，进一步提高了成本，还增加了维护 难度。这种结构还限制了性能的提高，两台计算机之间的通信速率有限，很难超过 1 0 m b s ，影响了复杂形体的加工效率。这些问题导致了快速成形设备价格高昂，影响 了快速成形设备的普及。需要探索一种新型快速成形设备数控系统的体系结构，克服 双机系统成本高、结构复杂的缺点，同时保持其歼放式结构，使其易于扩展和具备网 络应用等功能。 1 5 课题的主要内容及本文的主要工作 主要内容是快速成形设备通用c n c 系统的体系结构和软件功能；经济型l o m 系 统的数字控制技术。 具体工作有以下几方面： ( 1 ) 针对快速成形设备的特点，总结了现代c n c 系统的体系结构，提出了一种 不依赖具体硬件平台的软件c n c 系统。它突破了传统c n c 以硬件为主体的框架，以 通用3 2 b i t 多任务操作系统为软件运行平台，与具体的硬件运行环境和硬件接口无 关，具有很好的开放性和通用性，同时具有i 莳可靠、高性能、低成本等优点。 ( 2 ) 设计了一种新型层次结构的插补器，能够对微线段构成的曲线进行连续高 速插补。对各种高次曲线插补提供了良好的支持。 ( 3 ) 提出了一种新的线性轮廓误差补偿算法，突破了自耦合轮廓控制算法提出 以来的算法结构，能够给出稳定性判据和补偿性能的解析表达式，具有很好的通用性 和高速下的稳定性，且易于实现。 ( 4 ) 设计了虚拟嵌入式的可编程控制器，用于完成除插补联动运动外机床所有 运动机构的顺序控制，对其结构和实现方法作了详细探讨。 ( 5 ) 引入i n t e r n e t 的技术和协议，与具体的网络硬件无关，使软件c n c 系统能 够在网络环境中运行。 ( 6 ) 以软件c n c 系统为基础构造了经济型l o m 的控制系统。设计了能够使控制 计算机与l o m 分离的通用硬件接口模板，和能够用低档部件取代高档部件的控制算 法，大幅度降低了l 叫系统成本。改进了l o m 的s t l 文件的切片算法，提高了加工速 度。 华中科技大学博士学位论文 2 软件c n c 系统的提出与实现 2 1c n c 系统的多级层次结构 计算机数字控制技术( c n c ) 从2 0 世纪5 0 年代开始发展，发展到现在已经比较成 熟和完善了。现代c n c 系统功能强大，有许多不同的结构形式和实现方式，但都可 以在逻辑上看成是图2 1 所示的多级层次结构旧2 ”。 图2 1c n c 系统的多级层次结构 华中科技大学博士学位论文 现代c n c 的多级层次结构由三大功能层组成，即应用、控制和驱动层。每个功 能层次又由若干子功能层次组成。这种多级层次结构推动了现代c n c 系统的发展， 使不同的厂家可以为不同的层次生产通用的产品，例如，市场上就有不同厂家生产的 通用c a d c a m c a p p 、伺服电机、轴运动控制器和裸机床等出售。可以自由组合这 些通用部件，来实现专门用途的系统，这加剧了市场竞争，迫使厂家提高质量，降低 成本。 2 2 c n c 系统的实现 虽然现代c n c 系统具有相似逻辑结构，但由于各生产厂家的规模、技术实力、 成本及市场策略的不同，导致c n c 系统有不同实现方式。目前有代表性有三种实现 方式。 ( 1 ) 专用结构