（机械工程专业论文）开放式体系结构数控系统及其应用研究.pdf

a b s t r a c t o p e na r c h i t e c t u r e i st h es t a t e o f t h e a na n dat e n d e n c yi nt h ef i e l do fn c s y s t e m i nt h i sr e p o r t f i v eb a s i ca s p e c t so fo p e na r c h i t e c t u r en cs y s t e m n a m e l y c o n c e p t o f o p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e ra n di t s d e v e l o p m e n th i s t o r y o p e n a r c h i t e c t u r eo fn cs y s t e ma n di t s p e r i o d i c r e a l i z a t i o n v a r i a b l em o d ec o n t r o i t e c h n o l o g yo f s e r v os y s t e m r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no fan c s y s t e mb a s e do np c b u si p cf o rp l a n eg r i n d i n gm a c h i n et 0 0 1 r e s e a r c ha n dd e s i g no fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g yb a s e do nc a n b u s f o rd n c s y s t e m a r er e s e a r c h e d a tt h eb e g i n n i n go ft h er e p o r t t h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fo v e r s e a sa n d d o m e s t i cr e s e a r c ho no p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e ra r es u m m a r i z e d f u r t h e r m o r e t h es t r a t e g i e st od e v e l o p o p e n a r c h i t e c t u r en c s y s t e m i no u r c o u n t r ya r ep r o p o s e d b u st e c h n o l o g yi so n eo fh a r d w a r es u p p o r tt or e a l i z eo p e na r c h i t e c t u r en c s y s t e m b u s e su s e di nc o m p u t e rs y s t e m s o n e su s e di nm e a s u r e m e n t c o n t r o l s y s t e m sa n df i e l d b u st e c h n o l o g ya r e c l a s s i f i e da n dd i s c u s s e d t h e i ra p p l i c a t i o n s i t u a t i o na n d p r o s p e c t si nn cs y s t e m s a r es u m m a r i z e d a r c h i t e c t u r e so fo s a c a o m a ca n do s e ca r ea n a l y z e d o nt h eb a s i so ft h a t a g e n e r a lm o d e l f o ro p e na r c h i t e c t u r en c s y s t e m w h i c hi sp e r i o d i c a l l yr e a l i z a b l e i s p r o p o s e da d o p t i n g s o m ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e s s u c ha s d i g i t a l s e r v od r i v e i n t e r f a c e s e r c o s f i e l d b u sa n ds oo n t h e n h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo p e n n e s so f t h ea b o v em o d e ii sd i s c u s s e d a n dt w or e a l i z a b l es t r u c t u r e sf o rt h em o d e l n a m e l y p c b a s e da n dp c n c a r e p r e s e n t e d s e r v o c o n t r o li st h el o w e s ti e v e li nt h ec n ch i e r a r c h i c a lc o n t r o l s y s t e m r e s e a r c ho nm u l t i m o d e sc o n t r o ji st h el e a d i n gd i r e c t i o nj n t h i sf i e l d v a r i a b l e m o d ec o n t r o im e t h o d ss u c ha ss l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l e x p e r t v a r i a b l em o d ef u z z yc o n t r o l f u z z yp r e d i c t i v e c o n t r o l f u z z y n e u r a ln e t w o r k i n t e l l i g e n tc o n t r o l f u z z ya d a p t i v ec o n t r o l a r ed i s c u s s e d a c c o r d i n g t ot h eg e n e r a ld e s i g np r i n c i p l e so f o p e n a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r an c s y s t e mb a s e d o np c b u si p cf o rm k 7 16 3h o r i z o n t a lp l a n eg r i n d i n gm a c h i n et o o l i s s u c c e s s f u i l yd e v e l o p e d i t s f e a t u r e ss u c ha so v e r a l is c h e m e s o f t w a r ea n d h a r d w a r ec o n s t r u c t i o n f u n c t i o n sa c h i e v e d e x p e r i m e n t sa n dm e a s u r e m e n tr e s u l t s o p e r a t i n gi n s t r u c t i o n sa n df u r t h e rd e v e l o p m e n ts u g g e s t i o n sa r ed e s c r i b e di nd e t a i l d n c s y s t e mr e f l e c t st h ee x t e r n a lo p e n n e s so fn cs y s t e m c o m m u n i c a t i o ni s t h ek e yt e c h n o l o g yo fd n cs y s t e m a n df i e l d b u si sa ne f f e c t i v ei n t e r c o n n e c t i o n m e d i af o ri t t h e r e f o r e t a k e nc a n b u sa st h ec o n n e c t i o nm e d i a t w od n c s t r u c t u r e sa r er e s e a r c h e d o n ei sc o m p o s e do fs a m et y p ec n c s y s t e m sb a s e do i l p c b u s1 p c t h eo t h e ri sc o n s t r u c t e dw i t hd i 圩e r e n tt y p e so fc n c s y s t e m s t h e i r h a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o n s t r u c t i o n sa r ed e s i g n e d k e y w o r d s o p e na r c h i t e c t u r e c n cs y s t e m f i e l d b u s s e r v oc o n t r o l p c b u si p c p l a n eg r i n d i n g m a c h i n et o o l d n cs y s t e m c a n b u s 掌 究i 作报告 第1 章绪论 提要 盯放式体系结构是当前数控系统的研究热点和发展方向 对开放式数控系统的研究 历年 l 国内外研究现状进 j 了综述 提山了我国发展开放式数控系统的对策 总线技术 是实现开放式数控系统的硬什基础之一 对计算机系统总线 测控系统总线和现场总线 技术及其在数控系统中的应川现状及前景进行了综述 关键词 开放式体系结构 数控系统 总线技术 现场总线 1 1 机械制造业的现状和我们面临的任务 2 l 世纪是知识经济的时代 知识经济的主要基础是高科技产业 o e c d 经 济合作与发展组织 将高科技分为8 类 信息科技 生命科技 能源科技 材 料科技 环境科技 海洋科技 空间科技 软科技 作为上述高科技的基础有 5 个领域 信息科技 先进制造科技 材料科技 生命科技与集成科技 j 可 见 先进制造技术是目前和未来世界科技发展的热点之一 面向2 i 世纪的机械制造技术的发展趋势主要体现在以下几个方面 精密 化 柔性化 数字化 智能化 网络化 集成化 敏捷化 虚拟化 绿色化 其中数字化 智能化和网络化是制造技术目前的发展热点和未来的重要特征 0 4 1 目前正在发展的先进制造模式包括 精良生产 l p 敏捷制造 a m 虚拟制造 v m 集成制造 c i m 智能制造 i m 独立制造岛 a m i 分散式联网制造等卜 目前正在发展的先进制造技术包括 纳米制造 生物 制造 空间制造等 与工业发达国家相比 我国的机械制造业相对来说较为落后 国内的专家 学者从战略高度和技术角度对我国发展先进制造技术的策略进行了研究 6 对世纪之交的中国机械制造业的发展重点 发展战略和发展方针进行 了论述 发展重点为 重要基础机械 重要基础件 重大基础机械 汽车 基 本发展战略为 竞争促发展战略 依靠科技进步战略 有限目标重点突破战略 经济规模战略 内外结合战略 科技发展方针为 强调适用先进的技术 突出 质量和服务 以企业为主体 提高自主开发能力 增强技术素质 针对我国的具体国情 经济体制改革不断深入 多种经济成分并存等特点 国内有关专家 如张伯鹏教授和雷源忠高级工程师等提出了我国面向2 l 世纪 的制造模式一一q l r f 制造模式 即优质 q u a l i f i e d 精良 l e a n 快速 掌 究i 作报告 第1 章绪论 提要 盯放式体系结构是当前数控系统的研究热点和发展方向 对开放式数控系统的研究 历年 l 国内外研究现状进 j 了综述 提山了我国发展开放式数控系统的对策 总线技术 是实现开放式数控系统的硬什基础之一 对计算机系统总线 测控系统总线和现场总线 技术及其在数控系统中的应川现状及前景进行了综述 关键词 开放式体系结构 数控系统 总线技术 现场总线 1 1 机械制造业的现状和我们面临的任务 2 l 世纪是知识经济的时代 知识经济的主要基础是高科技产业 o e c d 经 济合作与发展组织 将高科技分为8 类 信息科技 生命科技 能源科技 材 料科技 环境科技 海洋科技 空间科技 软科技 作为上述高科技的基础有 5 个领域 信息科技 先进制造科技 材料科技 生命科技与集成科技 j 可 见 先进制造技术是目前和未来世界科技发展的热点之一 面向2 i 世纪的机械制造技术的发展趋势主要体现在以下几个方面 精密 化 柔性化 数字化 智能化 网络化 集成化 敏捷化 虚拟化 绿色化 其中数字化 智能化和网络化是制造技术目前的发展热点和未来的重要特征 0 4 1 目前正在发展的先进制造模式包括 精良生产 l p 敏捷制造 a m 虚拟制造 v m 集成制造 c i m 智能制造 i m 独立制造岛 a m i 分散式联网制造等卜 目前正在发展的先进制造技术包括 纳米制造 生物 制造 空间制造等 与工业发达国家相比 我国的机械制造业相对来说较为落后 国内的专家 学者从战略高度和技术角度对我国发展先进制造技术的策略进行了研究 6 对世纪之交的中国机械制造业的发展重点 发展战略和发展方针进行 了论述 发展重点为 重要基础机械 重要基础件 重大基础机械 汽车 基 本发展战略为 竞争促发展战略 依靠科技进步战略 有限目标重点突破战略 经济规模战略 内外结合战略 科技发展方针为 强调适用先进的技术 突出 质量和服务 以企业为主体 提高自主开发能力 增强技术素质 针对我国的具体国情 经济体制改革不断深入 多种经济成分并存等特点 国内有关专家 如张伯鹏教授和雷源忠高级工程师等提出了我国面向2 l 世纪 的制造模式一一q l r f 制造模式 即优质 q u a l i f i e d 精良 l e a n 快速 折江九掌博士后研兜工作报鲁 r a p i d 柔性制造 f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g 5 心禽义址 嘶 祥户 依 靠科技进步 以i t 2 g 3 j 4 z 的方式完成制造 即一次制造成功 1 t 成身i 技 术与分组作业 2 g 按质按毋按时 3 j 零废品零库存零污染零放障 4 z 该模式的特扯足 以g t 为基础 采用计算机控制和决策 应j i 数控技术把先 进制造技术0 高索质的职 j 平i i 精良生产的管理体制结合起来 典现岛嫂集成 l 机械制造业赴工业和国民经济的基础 数控机床是机械制造q k 的最基本装 备 是先进制造技术的基础 在上述中国机械制造业的发展重点中 重要基础 机械主要是数控机床 加工中心和生产线 i 关于机械制造业的科技发展方针 强调采用适用的先进技术和可持续发展模式 提高自主丌发能力 并促进科技 成果的产业化和商品化f 6 j 制造强国是买不来的f 9 j 面对我国数控产业的现状 和前景 发展形势确实很严峻 工业发达国家8 0 年代末数控化率就已达到1 0 以上 而我国1 9 9 5 年仅 为1 5 1 9 9 5 年国产数控机床国内市场占有率只有2 3 其中9 0 以上配备 的是国外数控系统纠 我国通过 六五 引进 七五 消化和 八五 攻关 在数控技术上取 得了突破性进展 到9 0 年代初 中期 开发出了多套拥有自主知识产权的数 控系统 代表型号有 蓝天i 型 航天i 型 中华i 型 华中i 型 这些系统 均采用了总线式 模块化 多通道的软硬件结构 具有开放性 符合当前国际 数控技术的发展趋势 在性能上 这些国产数控系统无论是联动轴数 5 9 轴 控制轴数 最多可达2 4 轴 最小分辨率 o 1pm 快进速度 2 4 m m i n 插补功能 加减速功能 联网通信功能等方面均具备了全面和较高的水准 可 靠性也达到了一定的水平 1 9 9 7 年国产数控机床国内市场占有率已从1 9 9 6 年 的谷底 约1 7 回升到2 4 其中国产数控系统在国产数控机床所占的份 额中已提升到2 0 7 i 国家计委 九五 数控技术产业化攻关目标是2 0 0 0 年国产数控机床在普 及型数控车床和加工中心中的市场占有率达到5 0 其中国产数控系统在国 产数控机床中的装备率达到5 0 从国内外环境和市场条件看 要实现目标 尤其是后一个5 0 任务艰巨i 民族数控产业的振兴 单靠有限的几个品牌和几家单位的努力是远远不够 的 只有通过有关的政府部门 高校 科研单位和产业界的共同努力 从基础 理论 实现技术 产品化 商业化各个环节进行深入的研究和广泛的合作 形 成百家争鸣 百花齐放的局面 才能在国外的技术封锁和激烈的市场争夺中树 立起国产数控系统的地位和形象来 浙 掌博女后 究z 作m 告 i 2 开放式数控系统的研究现状 1 2 1 传统数控系统体系结构的局限性 k 期以来 数控系统的体系结构主要有两个模式 一是采 j 专j j 芯片和大 印制扳桕结合的封闭式体系结构 以只本f a n u c 公司的产牖为代表 另一种 是采用非标准总线 具有一定丌放性的总线式体系结构 以美国a b 公司的 产品为代表m 1 1 6 上述两种体系结构是数控系统发展历史过程中优胜劣汰的结 果 这些大型的c n c 控制器制造商 不仅为数控设备生产c n c 数控系统 而且可以生产包括主轴 电机及其驱动器等全部配套产品 使其成为市场上居 于垄断地位的主导产品 相对封闭的体系结构有利于制造商保护自己的产权 可以方便地集成和发展自身在系统的各个单元技术上形成的专长和特色 并且 实现利润的最大化 应该说 对制造商自身是相当有利的 但对用户而言 则 带来了许多不便 一 功能扩展困难 对有特殊要求的用户来说 通用c n c 系统不能满足其特殊要求 而由于其封闭性结构 用户无法自主扩展功能 二 维修困难 虽然这些大公司的名牌数控系统可靠性较高 但一旦有故障 用户 无法自行维修 势必造成因停车和维修带来的巨大经济损失 三 难于实现信 息集成 由于各大公司的产品实行封闭或半封闭的体系结构 接口标准不统一 因此这些产品难以融入车间网络以实现f m s 乃至c i m s 系统 七十年代后期至今 制造业的生产组织特点由批量大生产逐渐向更能适应 市场机制的小批量 多品种的柔性生产过渡 相应地对制造设备的需求由单功 能的大型机床向中小型并具有良好柔性和复合功能机床过渡 1 2 2 问题的提出 机械制造业是工业和国民经济的基础 而数控设备是制造业的基本组成单 元 制造自动化c m s 的最终实现根本上取决于数控设备的自动化水平及其能 够达到的可供系统集成的开放化程度 到目前为止 可以说数控设备自身的自 动化问题已经得到了很好的解决 并且在一定的程度上实现了可供系统集成的 信息和硬件接口能力 可以实现小范围内的f m s 乃至c i m s 系统 但这种集 成无论在体系结构还是在具体的软 硬件上都具有很大的局限性 原因在于到 目前为止还没有形成 个从设计 制造到集成整个开发和生产过程能够为机床 制造商 系统开发商和系统集成商所广泛接受和遵循的统一标准和规范 这就 是开放式数控系统需要解答的问题 为了克服封闭型的 专用数控系统由于缺乏统一的接口标准而造成的编程 语言 人机界面 操作系统等方面的各自为政 进而给用户带来的诸多不便 8 0 年代末提出了设计基于统一设计标准和规范的开放式数控系统的问题 开 嘶江大掌 士后研究工作报告 放 数控系统的 小 f f j m 力化控制系统及j 0 牛 天领域内r l 8 0 年代后划 f f i 的 放 体系结构挖制器 研究 1 2 3 开放式体系结构控制器的研究历程 j l 放式体系结构 的 恕蛙初起源于计算机i 作站系统 尤j c 足s u n 微世机系统 l 8 0 年代 外放武计算机系统给汁算机科学 淞柬了 次孳命 它使研究人员和第二方的外发商可以按照原始汁算机供应商提供的规范j i 发和 添加硬件 软件及其他的支撑设施 这样使产品增多 用户基数增大 从而使 供应商和丌发商实现更大的利润 事实证明 丌放式体系结构 在个人计算 机领域取得了巨大的成功 随着计算机技术 微电子技术 信息网络技术的发展 丌放系统 思想 首先影响到自动化控制领域 开放式体系结构控制器 成为国际上该领域的 研究热点 并逐渐影响和渗透到其他相关领域 如开放式数控系统 开放式测 控系统等 到目前为止 关于开放式体系结构控制器的研究已经有一些成果 但尚未 形成一个国际范围内统一的概念和体系结构规范 一些工业发达国家的有关机 构正致力于 开放式体系结构控制器 标准的研究和制订 如美国的n g c 和 o m a c 计划 欧共体的o s a c a 计划和日本的o s e c 计划等 j 2 2 1 2 4 j 1 9 8 6 年 美国空军发起了智能加工工作站计划 m s i n t e l l i g e n t m a c h i n i n g w o r k s t a t i o n 其目标是将智能引入加工实践 该计划为工艺规划和基于传感 器加工的专家系统集成奠定了基础1 2 在i m s 的基础上 1 9 8 9 年 美国空军 发起了下一代工作站 机床控制器计划 n g c n 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 其主要目的是建立一个控制供应商中立的控制标准 提 供一个能够连接c a d c a m 和基于传感器加工的扩展的机床控制环境的商业 版本m 由美国国家制造科学中心 n a t i o n a lc e n t e ro f m a n u f a c t u r i n gs c i e n c e n c m s 参予 并经美国空军机械制造技术委员会 a i rf o r c em a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yd i r e c t o r a t e a f m t d 授权给m a r t nm a r i e t t s 公司的 先进 自动化技术开发部 于1 9 8 9 年秋天开始实旌 并最终完成了 开放系统体系 结构标准 s o s a s s p e c i f i c a t i o n f o ra l l o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e s t a n d a r d 4 3 i s o s a s 致力于为工业控制器家族的可互操作 可移植 可派生 可互 换的组件的开发提供方便 其基础是开放系统计算和数据通信方法论1 2 9 9 5 年 在n g c 的基础上 美国又开始了 项o a s y s 计划 由美国国 防部 d o d 资助 以s o s a s 规范为基础 包括了2 0 个公司 目的在于建立 8 个控制器并在6 个不同的系统平台上测试这8 个控制器1 4 o m a c 计划为美国三大汽车公司 克莱斯勒 福特和通用为了克服其汽 车工业自身发展过程中碰到的一系列问题于1 9 9 4 年开始的名为 开放式 模 嘶 掌博女目 究i 作m 眚 块化体系结构控制器 计划 j i j 的作j 降低控制系统的投资成本和维护赞川 使控制系统j 仃 k 的加l 运行时州和尽快适应需求的变化并简化川 o 号有技 术的集成 o m a c 最终公嘶j 了一个名为 o m a ca p i 的规范 4 3 1 o s a c a 为欧j i 体的一项联合研究计划 于1 9 9 0 年启动f l l 全称是o p e n s y s t e ma r c h i t e c t u r e f 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 即自动化系统f 4 的控制的开放系统体系缔构 o s a c a 致力于为控制供应商 机床制造商 研 究机构和政府机构提供一个共同标准 目的在于为众多的控制器定义一个独立 于硬件的参考体系结构规范 以提高欧洲机床生产商和控制开发商在世界市场 上的竞争能力 1 4 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 s 控制器开放系统环境 是由 六家日本公司 其中三家是机床制造商 于1 9 9 5 年组成的一个工作组 其研 究主要集中在基于p c 机的控制系统上 其主要目标是在所有以数字控制器为 特征的工厂自动化控制设备上实现 个开放的体系结构 3 0 l 4 3 1 o s a c a o m a c 和o s e c 经过初期的发展 目前已走上了相互联络的轨 道 其最终目标是推出一个统一的国际性的开放系统体系结构标准 在美国正在进行的其他项目包括 由空军资助的o a s y s 计划 由d o e 资助的i c o n 计划 由d o e 资助的t e a m 计划 n i s t n 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 应用n g c s o s a s 框架进行的增强机床控制器计划 e m c e n h a n c e dm a c h i n ec o n t r o l l e r 等 1 2 4 开放式数控系统的研究现状 开放式体系结构 的思想融入机床工业较晚 时至今日 用户采用的绝 大部分仍然是封闭式结构的机床控制器 硬件对用户完全封闭 软件只能按照 数控编程语言进行常规编程 灵活性很差 另外 难以实现c a d 到c a m 的 接口 更不用说集成一些传感器和先进的自适应控制算法 对机床制造商来说 由政府组织制定的开放式体系结构规范只是一种原理 性的阐述文件 在具体实施时必须采用某 特定的硬件体系结构 开放式体系结构规范在数控系统中的实施案例主要在大学的研究机构中进 行 第一个开放式体系结构控制器是由n s f d a r p a i d a 于1 9 8 8 年资助的机 床开放式体系结构智能控制器 m o s a i c m a c h i n et o o lo p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r 3 q m o s a i c 项目采用如下标准进行子系统间的知识转 换和传送 c 编程语言 u n i x 或实时u n i x 操作系统 v m e 总线作为标准 平台 实时u n l x 系统是在u n i x 系统中加入了诸如多任务处理 任务间通信 和硬件中断处理等实时处理功能 已经成为计算机科学的一种事实上的标准 女4 掌博女 1 旨日lz 作报q 筇一 个j 放式系统模块化设汁的实施案例是分层丌放式体系结构多处理器 c n c 系统 h o a m c n c h i e r a r c h i c a lo p e na r c h i t e c t u r em u l t i p r o c e s s o rc n c s y s t e m 5 1 该系统采用多处理器独立进行过程控制和监控任务控制 采用i s a 总线连接各模块 主控制模块上运行操作系统并作为实时任务调度器 c n c 控制模块通过 级总线控制各运动轴 t e l t z u r b a s i k s h a w k y 和e l b e s t a w i i 丌发了开放式体系结构控制环境下的 多通道控制策略 该丌放式体系结构控制硬件包括两个平台 1 基于u n i x 系统的工作站管理用户界面和文件系统 2 由v m e 多处理器总线加运动控 制卡和i o 卡及通用c p u 设施组成的实时平台 l u n d h o l m 设计了一个新的适应控制系统和集成框架i 1 该系统是一个模 块化系统 通过b i t b u s 与主控计算机相连 可以向网络上添加新的模块 因 而柔性较好 但b i t b u s 网的速度太慢 t u n g 和t o m i z u k a 建立了一个采用i s a 总线的基于p c 的控制器 3 4 用于 铣削过程的高级跟踪控制和适应控制 在我国 目前为止尚没有有组织地开展 开放式体系结构控制器 的标准 和规范的研究 在开放式数控系统的具体实现方面已开展了大量工作 尤其是 在 八五 科技攻关中 形成了具有自主知识产权的多套数控系统 以华中i 型 中华i 型 蓝天i 型和航天i 型为代表 国内在开放式体系结构数控系统的研究和开发方面主要有如下成果 华中i 型数控系统m j 采用工业p c 机上配备适配器卡 位置控制板 卡 i o 板卡等 结构 模块化 层次化 扩展性较好 蓝天开放式高档数控系统l s t s 4 采用的是将标准工业p c 机与蓝天多微处 理机数控系统通过总线数据通信模块桥接形成的 双总线结构 i s a 总线 s s 多主总线 它是在保留数控系统原有控制结构的基础上 实现系统控制模块的 开放 从而集机床控制 通信与系统集成于一体 可满足国内多数加工中心 车削中心和柔性制造系统以及高级车铣等数控机床的需要 值得一提的是 蓝 天多处理机数控系统的硬件系统 专用数控系统 的模板设计由于采用了 f p g a e p l d 等可编程芯片而实现了缩小化设计 这一技术是9 0 年代的先进 技术 其软件系统结构关键特点是基于功能分布的多处理器机制和基于虚拟机 械功能的多过程 多插补器 多轴联动 多轴控制机制 中华i 型数控系统口1 以3 2 位工业控制微机为基础建立通用c n c 平台 采用c m e b u s 总线 具有总线模块化 开放性的系统结构 采用多轴和多通 道技术 得以实现高速 高精度加工 文献 5 9 1 研究了在w i n d o w s3 x 和w i n d o w s9 5 n t 等w i n d o w s 系列的操作 系统下 利用v i s u a lc 语言实现运行于p c 计算机平台的开放式数控系统 6 浙江 掌博士后r o o f 究 t 作报鲁 l 幺系统利川w i n d o w s 操作系统的实时特征来实现插补等实叫 功能 订m i l h 1 对象的特点 以及较好的 f 放性 值得一提的是浚系统提出井使川了软总线雨 软c p u 的概念 义献f 6 1 1 也采川了以i 业p c 机为核心的开放式体系结构 趺计了一个通 h 魁数控系统 文献1 6 3 1 也采川p c 机为控制核心 研究了一4 剥 开放型结构的数控系统 该系统采用了多项新技术 如 1 采用多媒体技术 增加触摸屏操作功能及 语苦提示功能 使系统可操作性提高 2 采用了新型现场总线联网技术 c a n 增加刚络实时控制功能 3 采用了位姿自适应控制功能 提高了 制造过程的敏捷性 4 采用了转角一线位移双闭环位置控制 提高了系统位 置控制精度和稳定性 5 采用了实物映射加工控制功能 文献1 6 8 1 研究了采用面向对象技术实现的层次化 模块化的适用于龙门 式平面磨床的柔性数控系统结构 该系统采用了通用p c 机控制的开放式体系 结构 文献 6 9 研究了以p c 总线工控机为控制核心的 新型曲轴磨床数控系 统 其最小设定位移量为0 0 0 1 r a m 此外 为了实现专用数控系统向开放式数控系统的过渡 文献 4 9 提出 了一种衍生式计算机数控系统 e c n c e x t r a c t e dc n cs y s t e m e c n c 具有 两种体系结构 功能衍生结构f e c n c 和开放衍生结构o e c n c 其中o e c n c 的核心采用工业p c 机 原专用数控系统则作为该工业p c 机的一个独立的功 能部件 另外通过一块衍生的智能控制卡衍生必要的功能 因此o e c n c 也 是一个基于工业p c 机的开放式数控系统 综上所述 国内在开放式数控系统研究方面有一定的广度 但大多局限于 具体的体系结构的实现研究 对抽象 概念层面的研究仅限于跟踪国外技术发 展动态 在体系结构的实现上 可以归纳如下 1 硬件平台 多采用通用p c 工业p c 作为硬件平台 符合9 0 年 代以来国际上的发展主流 但p c 机在驱动能力 响应速度等方面 尚比专用数控系统差 在高性能数控系统中 难以独立承担复杂的 实时处理任务 而必须采用多c p u 分级式或分布式结构 这样一 来p c 机的资源利用率大降 性能价格比也势必下降 2 总线 多采用了通用的i s a 总线 尚未见采用v m e 总线的实例 也较少采用其他多主总线 v m e 总线是一种高速总线 且采用了 总线仲裁机制和中断优先级机制 适于多处理器系统 而i s a 总线 虽然也支持多个c p u 共享系统资源 但为主从结构 故v m e 总线 更适合高性能数控系统采用 m 后 r 工 担 3 操作系统 人多采用了d o s 操作系统 较少采川w i n d o w s 操作系 统 没仃采川u n i x 操作系统的 d o s 是 种实时雌任务操作系统 在应川j i 数控系统时需刀 发实时多任务调度管理系统 丽w i n d o w s 足一种j 1 放式多任务操作系统 w i n d o w s9 5 n t c e 足多进程 多 线程 抢先多任务的3 2 位操作系统 符合数控程序向3 2 位发展的 趋势 另外w i n d o w s 在多媒体处理能力上具有独特的优势 但 w i n d o w s 操作系统目前尚不能完全满足实时性控制方面的要求 微 软雁着手将w i n d o w sc e 转变为实时操作系统 目前条件下 采用 一些替代方法来增加w i n d o w s 的实时处理能力 可以满足数控系统 的实时性要求 u n i x 是 种实时多任务操作系统 适于工作站以上 的的机型 从长远看 w i n d o w s 将成为开放式数控系统的主流操作 系统 4 编程语言和方法 c c 是被广泛采用的编程语言 但在软件开发 思想上 大多采用了结构化设计思想 较少真正达到面向对象设计 的层次 而采用软件工程的先进思想 实现面向对象设计的设计 真正实现软件结构的开放化 是目前国际上数控软件开发的趋势 1 2 5 我国发展开放式数控系统的对策 开放系统 是微电子技术 计算机技术和集成自动化技术等当前主流技 术领域的前沿研究热点 随着信息网络技术的发展 这一特点已具备了赖以实 现的物质和技术基础 使 开放化 日益成为当今世界的重要特征 对微电子 和计算机领域的设计人员来说 通过一定的授权方式从i n t e r n e t 网上获取某项 技术或产品的内核已经成为现实 如s u n 公司于1 9 9 9 年4 月宣布通过公共源 代码授权模式 s c s l 在网上正式公开p i c o j a v a 处理器的内核技术 使得外 部开发人员能非常容易地得到所需的技术内核 为开发工作提供了极大的便 利 也有助于芯片设计的发展和不断创新f i j 可以预见 未来的科学和技术 将在一定程度上跨越国界 这为相对来说在科技上较为落后的国家提供了一个 在高起点上自主发展的机遇 尽管如此 由于非科技的因素 国与国之问的技 术限制和封锁还是广泛存在的 自主发展 科技攻关才是 个国家科技发展的 根本出路 世界科技的完全 开放化 将是一个遥远而漫长的理想 对我国发展开放式数控系统的几点思考 1 尽快开展 开放式数控系统 通用设计规范的制定和标准化工作 在政府资助下 对国内目前在 开放式数控系统 研究和产品开发领 域的成果进行归纳总结 在吸取国外相关研究先进思想和技术的基础上 结合国内的研究特点 着手国产新一代数控系统的标准化工作 标准应符 浙江大掌博士后研究工作报告 合困情 l 订特色 既能独树 i 口 又具有向上发展和转向的灵活性 只 有建立了困家标准和舰范 j 能更有利于国内数控系统j 打i 内f l r 场和参 与国际竞争 2 自主j 发足根 奉 路 从技术j i 讲 国际一卜扑j 先进的数控技术领域仍对我国实行封锁 从市 场上讲 单纯鞯引进高新技术设备不仅需付出大量的资余 而且只能导致 技术上的落后 制造强国足买不束的 从知识产权上讲 我国已经加入 了国际知识产权组织 鉴署了 伯尔尼公约 必须走自行设计和自我开 发的道路 事实证明 我国完全有能力靠自己的力量攻克数控领域的任何 技术难题 坚持走自主开发之路 是缩小与国际先进水平差距的根本途径 3 加快产品化和产业化进程 加强产学研合作 通过国家的宏观调控 高校或科研机构 公司或企 业之间通力协作 加快既掌握技术的产品化和产业化 4 开拓国内市场是当务之急 国内数控系统首先应立足国内市场 通过提高技术含量 可靠性和售 后服务 价格竞争优势等措旅 以建立应用示范工程为突破口讯速扩大国 内市场占有率 5 参与国际竞争是长远目标 只有参与国际竞争 才能实现经济和技术与国际前沿水平同步发展 成为真正的制造强国 当前世界的竞争特点表明 强强联合 组建利益集 团 是参与国际竞争的有效组织形式 1 3 总线技术及其在数控系统中的应用 1 3 1 总线的概念及其优点 总线是计算机系统 测控系统 制造自动化系统等实现硬件互连和信息传 递的手段 设备间连接实现标准化和逐渐开放化 总线技术起到了关键作用 总线技术自身的发展和完善 将是数控系统实现开放式体系结构的重要技术支 撑 种产品能否适应已建立的工业标准和兼容市场上已有的产品 是产品能 否具有竞争力的决定性因素之一 因此研究总线技术对于科研和产品开发都是 有积极意义的 总线技术的采用 对计算机测控系统和制造自动化系统在系统设计 生产 使用和维护管理等方面都具有很多优越性口 1 简化系统设计 总线技术使系统设计发展到模块化结构设计阶段 将系统划分为若干功能子系统和功能模块 改变了以往由大板结构 浙江大掌博士后研究工作报告 合困情 l 订特色 既能独树 i 口 又具有向上发展和转向的灵活性 只 有建立了困家标准和舰范 j 能更有利于国内数控系统j 打i 内f l r 场和参 与国际竞争 2 自主j 发足根 奉 路 从技术j i 讲 国际一卜扑j 先进的数控技术领域仍对我国实行封锁 从市 场上讲 单纯鞯引进高新技术设备不仅需付出大量的资余 而且只能导致 技术上的落后 制造强国足买不束的 从知识产权上讲 我国已经加入 了国际知识产权组织 鉴署了 伯尔尼公约 必须走自行设计和自我开 发的道路 事实证明 我国完全有能力靠自己的力量攻克数控领域的任何 技术难题 坚持走自主开发之路 是缩小与国际先进水平差距的根本途径 3 加快产品化和产业化进程 加强产学研合作 通过国家的宏观调控 高校或科研机构 公司或企 业之间通力协作 加快既掌握技术的产品化和产业化 4 开拓国内市场是当务之急 国内数控系统首先应立足国内市场 通过提高技术含量 可靠性和售 后服务 价格竞争优势等措旅 以建立应用示范工程为突破口讯速扩大国 内市场占有率 5 参与国际竞争是长远目标 只有参与国际竞争 才能实现经济和技术与国际前沿水平同步发展 成为真正的制造强国 当前世界的竞争特点表明 强强联合 组建利益集 团 是参与国际竞争的有效组织形式 1 3 总线技术及其在数控系统中的应用 1 3 1 总线的概念及其优点 总线是计算机系统 测控系统 制造自动化系统等实现硬件互连和信息传 递的手段 设备间连接实现标准化和逐渐开放化 总线技术起到了关键作用 总线技术自身的发展和完善 将是数控系统实现开放式体系结构的重要技术支 撑 种产品能否适应已建立的工业标准和兼容市场上已有的产品 是产品能 否具有竞争力的决定性因素之一 因此研究总线技术对于科研和产品开发都是 有积极意义的 总线技术的采用 对计算机测控系统和制造自动化系统在系统设计 生产 使用和维护管理等方面都具有很多优越性口 1 简化系统设计 总线技术使系统设计发展到模块化结构设计阶段 将系统划分为若干功能子系统和功能模块 改变了以往由大板结构 大掌 j f i h 兜i 作n 寺 实现系统的全部功能的复杂设计方法 使得系统设计过狂火为简化 2 易于建立统 的一l 业标准和设计规范 总线技术怒一利 易于实现 标准化f 由技术 能够得到多家制造商的支持或成为一种营遍的工业 标准和没计规范 3 便于纠 织大规模 产和降低产品成本 4 能够力 快产品更新换代速度 适应电子技术飞速发展的需要 5 可维护性好 易于实现软件诊断 1 3 2 总线分类 第一种总线是1 9 7 0 年美国d e c d i g i t a le q u i p m e n tc o r p 公司为其p d p 1 1 2 0 小型计算机推出的u n i b u s f i 此后近2 0 年时间里 由于当时条件下设 计思想的 不开放 和制造商自身发展和利益驱动的限制 产生了多种标准和 非标准的总线 使得总线结构设计成为计算机系统 测控系统和制造自动化系 统普遍采用的技术 但却没有在各领域内一统天下的总线标准 按总线的应用领域 可分为计算机 包括外设 总线 测控总线和网络总 线 按数据传送方式 有位并行传送总线和位串行传送总线 并行传送总线按 其传送的数据宽度 可分为8 位 1 6 位和3 2 位总线 等等不 对于某一特定的总线 它可能是上述分类方法的交叉 本文的目的是归纳 出适于数控系统领域采用的总线 因此按总线的应用领域对计算机系统总线和 测控总线予以分类介绍 1 计算机总线 在计算机体系结构的发展过程中 总线技术随着微处理器芯片技术的发展 而不断更新换代 总线数据宽度由最初的8 位发展到1 6 位 3 2 位乃至6 4 位 计算机技术是测控系统以及制造自动化系统赖以发展的基