（电工理论与新技术专业论文）基于sercos接口的软cnc系统的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mi st h er e s e a r c hh o t s p o to fn cf i e l dn o w s o f l c n ci st h em o s ti m p o r t a n tp a r to f o p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i si sb a s e do ne l e c t r i c a lc o g i n e 湖 i n gt h c o r ya n dn e w t e c h n o l o g ya n d c h a r a c t e r i s t i c 船t h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o no f c o m p u t e ra s s i s t a n td e s i g n t h i st h e s i si sf o c u s e do n 锄o p e nn cs y s t e mb a s e do ns e r c o si n t e r f a c e b a s i c f u n c t i o no fs o f l c n cc a nb er c m l i z e dw i t hn cs y s t e m i tc a nb ea l s ou s e di nl a s t m a c h i n ec o n t r o ls y s t e m f i r s t l y , t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ec o n s t r u c t i n go fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e p l a t f o r mo fs o f l c n c ，i n c l u d i n gs e r c o si n t e r f a c ec 盯d ，s o f l s e r c a n ss o f t w a r e a n dr t xr e a l - t i m es y s t e ma n ds oo n s e c o n d l y , i td e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o no f s o f l c n c ，i n c l u d i n gt r a n s l a t i o no fn cc o d e st ot h es y s t e m , t o o l sc o m p e n s a t i o na n d i n t e r p o l a t i o na n ds oo n f i n a l l y , i tt a k e st h el a s tm a c h i n es o f l c n c 勰a ne x a m p l et o i n t r o d u c et h ef u n c t i o n so f s o f i c n c s e r c o si n t e r f a c e , as e r i a lr e a l t i m ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m , i st h ec o n n e c t o ro f n cc o n t r o l l e r , d r i v e s ，m o t i o nu n i ta n df ou n i ti nn cc o n t r o ls y s t e m ，w h i c ha r e c o n n e c t e db yaf i b e ro p t i c a lr i n g s os e r c o si n t e r f a c ec a nr e a l i z er e a l t i m ea n d s y n c h r o n o 璐d a t at r a n s f o r m a t i o n , a n de n s u r es y n c h r o n o i l sm o t i o na n dc o n t r o l p r e c i s i o no fs y s t e m u s i n gs o f l s e r c a n sc a r di n s t e a do fs e r c o si n i t i a t i v ec a r d c a n s i m p l i f yi t sp a r a m e t e r ss e t t i n g i ti sc o n v e n i e n tf o ru s e rf u r t h e rd e v e l o p m e n t i nt h i st h e s i s t h es 0 1 a r ei sp r o g r a m m e dw i t l lv i s u a lc 抖6 0i nw i n d o w sx p e m b e d d e dr t xr e a l t i m es y s t e m t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h e s et w op r o c e s si s r e a l i z e db ys h a r e dm e m o r y k e y w o r d s ：s o f t c n c ，s e r c o si n t e r f a c e ，r t x r e a l - t i m e s y s t e m , s o f t s e r c a n s ，l a s tm a c h i n e v l 上海大学硕士学位论文 原创性声明 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。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：立盎日期：z 翌z ：三：纠 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名：i 壁塑蔓日期：划 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 阐述了选择该课题的背景，包括数控系统的发展，开放式数控系统的现状。 介绍了鞋楦工艺的发展过程，最后描述了课题研究的现实意义，论文的主要内 容。 1 1 选题背景 1 1 1 数控系统发展史 1 9 4 9 年美国帕森公司与美国空军合作，研制了一种计算装置，用于满足日益 复杂的飞机叶片的自动加工，于是帕森公司首先提出了数字控制的概念。1 9 5 2 年美国麻省理工学院研制出基于电子管和继电器的数控装置，用于控制铣床， 它标志着第一代数控系统电子管数控系统的诞生。2 0 世纪5 0 年代末，完全 由固定布线的晶体管元器件电路组成的第二代数控系统晶体管数控系统研 制成功，取代了昂贵的易坏的、难以推广的电子管控制装置。随着集成电路技 术的发展，1 9 6 5 年出现了第三代数控系统集成电路数控系统后，使这些问 题的解决难度稍稍减轻了一些。1 9 7 0 年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首 次展出了第四代数控系统小型计算机数控系统，然后，随着微型计算机以 其无法比拟的性能价格比渗透各个行业，1 9 7 4 年，第五代数控系统微型计 算机数控系统也出现了。应用一个或多个计算机作为该系统的核心组件的数控 系统统称为计算机数控系统即c n c ( c o m p u t e r i z e d n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) “1 。 1 1 2 开放式数控系统 什么是开放式数控系统? 目前认为开放式数控系统应具有下列特征。1 ： ( 1 ) 采用分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构 造是可移植和透明的。 ( 2 ) 根据需要可方便的实现重构、编辑， ( 3 ) 开放式体系结构中各模块相互独立， 以便实现一个系统的多种用途。 系统厂、设备制造商及最终用户都可 上海大学硕士学位论文 容易地把一些专用功能和其他有个性的模块进行独立开发，为此要有方便的支 撑工具，控制程序设计按“系统”“子系统”“模块”三级进行，各 模块接口协议要明确。 ( 4 ) 要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信 实现信息交换，满足实时控制要求。 ( 5 ) 提供良好的人机界面。 总之，所谓开放式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制 系统。 1 1 3 国内外开放式数控系统的发展现状 ( 1 ) 国外开放式数控系统的发展及现状 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 具有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 通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展，目前正朝标 准化开放体系结构的方向前进o ，。 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 t g 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 ) 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 ma r c h i t e c t u r ef o ra u t o m a t i c s y s t e m s ) ”，首先提出了开放式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 l ls y s t e n l a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i l i na u t o m a t i cs y s t e m s ) ，该系统是以p c 机为标准平 台，加上能自动组合的软件模块，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 公司三家制造商和日本i e 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 i l s y s t e me n v k o n m e n tf o rc o n g o l l 盯) ，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开放模式体系结构控制器o m a c ( o p e nm o d u l a r 2 上海大学硕士学位论文 a r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 。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“1 。 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 c 。 ( 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i 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，航大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( h n c 2 0 0 0 ) 是在华中i 型( h n c 一1 ) 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，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、性价比高、操作维护方便的优点嘲。 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 发中仍然存在一些问题。最大的问题则是开放性不够、开发环境和支持手段不 足，若用户需要方便地进行二次开发，对于那些具备相当技术力量的开发单位 才能使用，而对于一般用户则很难。 开放性数控是数控技术发展的必然趋势嘲，开放性的体系结构给c n c 生产厂 家、设备制造商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 n n u m e r i c a lc 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 2 课题研究的现实意义 开放式数控系统能很好地解决频繁变化与封闭控制之间的矛盾，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，降低制造成本。开放的 目的就是使n c 控制器与当今的p c 机类似。系统构筑于一个开放的p c 平台上， 具有模块化的组织结构。允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统 3 上海大学硕士学位论文 的功能，迅速适应不同的应用需求，即系统具有互换性、可伸缩性、可移植性、 互操作性、可扩展性等等。它实质上是一种通用计算机上的标准应用程序，而 非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。 当今，在国际数控设备激烈的竞争环境中，开发出具有自主版权的国内一 流的高性能数控软件，有利于推动我国数控技术的发展，缩短我国在此行业与 发达国家的差距，以及发展我国的制造业。尤其随着p c 机进入数控领域，极大 的丰富了数控系统的软硬件资源，有利于实现模块化，开放化。 数控技术是制造技术的基础，是提高产品质量和性能，降低产品成本，缩 短生产周期的关键。我们处在一个主流系统与非主流系统各行其道、共享市场 的时代，中国进入w t o 后，大量的外国公司产品及技术将瓜分中国的市场。我 们迫切需要有自己的控制系统，以及适合国情的控制系统结构、硬件资源及软 件工具。这不仅需要科研人员的不懈努力，还需要市场的培育及支持。有理由 相信，有中国特色的先进控制系统将在竞争激烈的自动控制领域占有一席之地。 1 3 论文的主要内容 本课题是以上海大学电工理论与新技术专业研究方向为指导，是以“广东 佛山狮玛科技有限公司致力于自主研发高实时性、高精度、高速度的数控鞋楦 机系统”为背景，对数控鞋楦机系统的开发进行了研究。 本次研究的内容主要包括； ( 1 ) 软c n c 的软硬件平台构建 针对基于s e r c o s ( s e r i a lr e a l - t i m ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 接口的开放式 数控系统进行分析，在此基础上分析软c n c 的结构，组成和特点。 ( 2 ) 软c n c 在数控系统中的应用 首先介绍了对n c 代码的处理，将代码解释分成三部分：词法分析，语法分 析和语义分析，分别进行处理。其次介绍了刀具补偿的方法。最后介绍了插补 算法，直线插补和圆弧插补。 ( 3 ) 基于软c n c 的数控鞋楦机系统开发 首先说明了为什么最终确定这种开发方案，然后介绍了该系统的开发过程。 数控鞋楦机加工过程中，控制系统起关键作用。采用软c n c 完成鞋楦机数控系 统，软件部分起到衔接作用，并调用s o f t s e r c a n s 的函数来控制伺服电机的运 4 上海大学硕士学位论文 行。 根据鞋楦机的加工工艺，对数控系统中数据转换流程作出分析，在此基础上 进行了系统的总体设计。最后根据通用数控系统的特点，并考虑开放性开发鞋 楦机数控系统应用软件。 5 上海大学硕士学位论文 第二章软c n c 系统的软硬件平台构建 阐述了基于s e r c o s 接口的开放式数控系统，以及软c n c 的系统结构，组成 和特点 2 1 概述 软c n c 并不是简单的将硬件功能软件化，而其中涉及的关键问题是数控系统 的体系结构问题，因此研究软c n c 首先要看其工作环境，即数控系统采用的是 哪种系统结构。本章首先介绍开放式数控系统的体系结构然后介绍软c n c 在本 次软c n c 的研究中针对的是基于s e r c o s 接口的数控系统体系结构；软件开发平 台是在w i n d o w sx p 操作系统上嵌入v e n t u r c o m 的实时w i n d o w s 扩展系统r t x 。 s e r c o $ 技术决定了控制系统软硬件结构；r t x 是实现w i n d o w sx p 所欠缺的实时 功能。硬件平台采用s o f t s e r c a n s ，它向运动内核提供的接口纯粹是软件，不再 需要c n c 和p l c 专用卡，它有一个实时系统和w i n 3 2 都可调用的动态链接库。 启动一个建立在w i n d o w s 基础上的软件工具就能通过s o f t s e r c a n s 来控制驱动 器的运动。由于s o f t s e r c a n s 提供了一个d l l 接口，为编程者减少了开发软件 的复杂性。应用软件可采用c ，c + + ，p a s c a l 编写。用s o f t s e r c a n s 写的运动控 制软件与硬件无关，使系统有更高的开放性和软件可重用性。它是目前企业的 信息技术和工厂自动化完全融合的最好平台“1 。 2 2 开放式数控系统模块结构 鉴于s e r c o s 接口优秀的通讯功能，将其应用于工业数控，必然对整个制造 行业产生重大影响。综上所述，基于p c 和s e r c o s 接口的开放式数控体系模块 结构如图2 1 所示。 各个模块的功能描述如下： s e r c o s 接口 1 ” s e r c o s 采用光缆环的形式连接数字控制器、驱动器、执行机构和输入输出 部件，并在彼此之间进行实时通讯。控制器与驱动器之间的数据交换通过光缆 6 上海大学硕士学位论文 环来完成。在单个环上连接控制单元的被称为主控器，控制环上的所有通讯。 直接的数据交换只发生在控制单元和驱动器之间，而非驱动器与驱动器之间。 通过s e r c 0 s 接口进行交换的数据类型分为实时数据和非实时数据两种类 型。实时数据包括命令值，反馈值，控制字，驱动状态，实时位。非实时数据 包括初始化配置，参数设置，诊断数，数据块元素访问等。 s e r c o s 最激动人心的能力是位置命令操作模式。它把轴的位置环从控制器 移入驱动器，把轴的各种特定功能全部放入了s e r c o s 兼容驱动器内，其中包括： 检测，返回机器零点，迸给前馈，反向误差补偿，导程误差补偿，数字存储示 波器，快速移动到确定的停止位置。以前上述这些功能都放在控制器中，并且 当绝对需要时才包含。现在通过s e r c o s 接口可以把它们都包含在驱动器中，我 们把具有上述功能的驱动器称为智能驱动器。 s o f t s e r c a n s l l 月 使用s o f t s e r c a n s 使s e r c o s 接口变的更为简单和有效。它在s e r c o s 接口和 控制器之间架起一座软件的桥梁。使用软件连接简化了s e r c o s 接口的硬件复杂 性，c n c 开发者不用花费太多的时间去了解s e r c o s 就可快捷方便的应用。 is e r c 。s ；m e r t k e ooo 田田田 圈2 1 基于s e r c o $ 接口的开放式敦控体系结构圈 d 田 上海大学硕士学位论文 s o f t c n c 平台 这是自由度最大的一个模块，也是体系的开放性所在。s o f t s e r c a n s 作为c n c 与底层运动执行部件的接口，s e r c o s 接口的国际标准化己经完全实现向底层运 动执行部件的开放性，而s o f t c n c 作为s o f t s e r c a n s 与用户界面及网络通讯等 模块之间的接口，为用户开发出适合用户专用的数控软件提供了一个最简洁的 平台。不同类型设备的数控系统具有相同的共性和不同的个性，s o f t c n c 的框架 结构以它们的共性为基础，同时具有满足不同个性需求的能力。 在这个基础s o f l c n c 平台上，用户可以根据自己的行业需求自组开发软件 模块，如处理数据模块，显示模块，用户界面模块等，运动数据经由共享内存 送往s o f t s e r c a n s ，最终由s e r c o s 接口送往执行机构。反馈回用于显示的信 息和监控信息也经由共享区送往数据显示线程。所以s o i t c n c 的设计实际上就 变成了共享内存区内具体数据结构的设计以及各个专业模块的设计。 h m i 模块( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 即人机接口界面，用户可根据自己的 需求设计理想方便的界面。 由上述模块结构可以看出该种模块结构的数控体系，其开放性体现在： ( 1 ) 基于p c 由于p c 机发展迅速，技术成熟，软件资源丰富，因此充分利用 p c 机资源，并将其功能集成到c n c 中去，在p c 机硬件平台和操作系统的基础 上，构造出数控系统功能。由于p c 总线是一种开放性的总线，所以这种系统的 硬件体系结构就具有了开放式、模块化、可嵌入的特点，为机床厂和用户通过 软件开发给数控系统追加功能和实现功能的个性化提供了保证。 ( 2 ) 采用s e r c o s 标准接口为使s e r c o s 接口成为各制造商共同协定的国 际标准，s e r c o s 接口定义了4 0 0 多个参数，并为厂商提供了自定义参数的机 制，它全面描述了世界各厂商生产的数字驱动器技术参数，使s e r c o s 接口具 有更高的开放性“”。 8 上海大学硕士学位论文 田2 2s e f t c n c 体系结构 ( 3 ) 开放的软c n c 平台。s o f i c n c 作为s o i 【s e r c a n s 与用户界面及网络通讯 等模块之间的接口，为用户开发出适合用户专用的数控软件提供了一个最简洁 的平台，在这个软c n c 平台上，用户可以自组开发软件模块，如图2 2 所示。 ( 4 ) 灵活的界面设计。可以根据用户实际需要进行界面设计。 2 3 硬件系统 硬件体系结构图如2 3 所示： 田2 3 系统硬件早台结构图 9 上海大学硕士学位论文 该体系的硬件要求如下： p c 机； s e r c o s 接口( s e r c a n s ) ； 光缆环； 伺服驱动器( 由用户根据要求选择数目) ； 伺服电动机( 由用户根据要求选择数目) ； s e r c o s 卡是一种即插即用型计算机通用接口卡，它与i o 站，驱动器之间 构成一个环路，即s e r c o s 接口环。环路采用光缆连接。i o 站是输入输出模块， 分别控制按钮和输出，连接模块用于i o 站和光缆环的连接，同时也是通讯转 接单元。本硬件体系的s e r c o s 接口中，采用s o f t s e r c a n s 来处理通讯。所以这 里的卡为被动式主控卡。该被动式主控卡的内部芯片为s e r c o n 8 1 6 。 2 4 软件系统 基于s e r c o s 接口的软件系统要求如下： w i n d o w sx p ，至少3 2 m 内存 实时操作子系统v e n t u r c o mr t x m i c r o s o f tv is u a lc + + 6 0 s o f t s e r c a n s 软件平台结构如图2 4 所示： 圈2 4 系统软件平台结构图 l0 上海大学硕士学位论文 高精度、高速度的数控系统对于实时性要求很高，一般都在i m s 以下，但是 在w i n d o w sx p 平台下，若要达到这么高的定时精度，很难通过多线程编程来满 足高档数控系统的实时性，因此在本系统中选用了r x d ( 5 5 软件来实现系统的实 时性控制。 2 4 1r t x 随着软件迅速发展，w i n d o w s 为工业控制领域的发展注入了新的活力。 w i n d o w s 有助于组织和管理数据信息，w i n d o w s 中令人注目的动态数据交换( d d e ) 功能，使同一台计算机中的不同作业或多台计算机之间能动态交换数据，为工 业实时控制软件中开发图形用户界面提供了有效的途径。w i n d o w s 虽然具有多任 务功能，但由于它的结构是为办公室自动化而设计的，不具备实时性和坚固性， 人们很少将它直接用于实时控制，而是寻求一种更佳的实时操作系统。 v e n t u r c o m 公司成立于1 9 8 0 年，专门致力于基于w i n d o w s 的嵌入式实时控制软 件，r t x 为开发成果的其中之一。 r t x 在n t 的基础上增加了一个实时的子系统，称为r t s s 。r t s s 从概念上讲 类似于一些其他的w i n d o w sn t 的子系统( 如w i n 3 2 ，p o s i x ，w o w ，d o s 等) 。它 拥有自己的执行环境和a p i 。但有一个重要的区别就是，r t s s 不使用n t 的调度， 它执行自己的实时线程的调度。而且，在单处理器环境中，所有的r t s s 的线程 调度发生在w i n d o w s 任务调度之前，包括w i n d o w s 管理的中断和延时程序。r t x 包括一个实时性硬件抽象层( h a l ) 。这个扩展层用来实现r t s s 与x p 之间中断 的绝缘性。w i n d o w s 不能屏蔽由r t s s 管理的中断，但是w i n d o w s 的中断却能被 r t s s 进程屏蔽。实时硬件抽象层支持r t s s 下的高分辨率时钟和定时器，同时也 支持n t 中的非实时的定时器。除此之外，实时性 i a l 还具备其它性能，如软件 中断机制，基本异常处理等“”，如图2 5 所示。 在安装r t x 后，会在“启动”“程序”里自动生成如下几项管理工具： r t s s r u n 、r t s s k i l l 、r t s s v i e w ，、r t s st a s km a n a g e r 、r t x s e r v e rr t s s r u n 用 来开始一个r t s s 进程、加载r t s sd l l 、注册一个r t d l l ； r t s s k i l l 终止一个 r t s s 进程；取消一个未加载的r t d l l ( 但不能取消已经被r t s s 进程加载的 r t d l l ) ；以及查看所有正在执行的r t s s 进程。r t s s v i e w 采用树型目录显示查看 关于r t s s 进程的信息，以及与此相关的对象，如事件、信号、已加载的r t d l l s 11 上海大学硕士学位论文 等。r t s st a s km a n a g e r 查看和控制系统中所有激活的r t s s 进程和已注册的 r t d l l s 。r t x s e r v e r 处理r t s s 程序执行后的输出。可以在r t x s e r v e r 中直接查 看，也可以把输出保存到一个日志文件中。 圈2 5r t x 内核结构图 在安装好v c 之后安装r t x ，会在p r o j e c t 选项中自动添加a p p w i z a r d 这一 项。我们可以选择在该环境下进行软件开发，就像我们选择m f ca p p w i z a r d 一 样。我们也可以选择w i n 3 2a p p l i c a t i o n 或c o n s o l ea p p l i c a t i o n ，只需要做一 些相应的设置。生成的文件类型：宰r t s s ，丰r t d l l 。 r t xa p i 是基于w i n 3 2a p i 的，对于熟悉w i n d o w s 编程的开发者来说，这就 能充分利用已有的经验，代码和开发工具。r t x 支持部分w i n 3 2a p i ，但不包括 g u i ( 图形用户接口) 部分。同时它还拥有专属于自己的a p i 函数，被称为r t a p i ( r e a lt i m ea p i ) ，如中断的处理在w i n 3 2 中没有涉及，但在r t a p i 中却涉及 到。在语法上r t a p i 和w i n 3 2a p i 具有相似的语法结构，但具有更好的实时性。 r t x 支持cr u n t i m el i b r a r i e s r t s s 进程可以与cr u nt i m el i b r a r i e s 静态 连接。同时r t x 支持u n i c o d e 。由于r t xa p i 并不支持所有的w i n 3 2 函数，因此， 一个应用程序它应该至少包括两个进程，一个是基于w i n 3 2 的，可以利用g u i 以及专属于w i n 3 2 的函数，另一个基于r t s s ，来保证实时性。 r t x 函数主要包括如下方面：进程与线程管理：内存管理；时钟和定时器； 内部进程通信；设备管理；中断管理；文件输入输出管理。进程和线程管理涉 及进程和线程的创建( c r e a t e p r o c e s sc r e a t e t h r e a d ) ，设置线程的优先权 ( r t s e tt h r e a dp r i o r i t y ) ；内部进程通信涉及如何通过共享内存 12 上海大学硕士学位论文 ( r t c r e a t e s h a r e d m e m o r yr t o p e n s h a r e d m e m o r y ) 、事件对象( r t c r e a t e e v e n t r t o p e n e v e n t ) 、信号( r t c r e a t e s e m a p h o r er t o p e n s e m a p h o r e ) 、互斥对象 ( r t c r e a t m u t e xr t o p e n m u t e x ) 进行通信。具体函数不再一一叙述。 利用r t x 可以在w i n d o w sn t 下实现实时的子环境，达到实时和非实时的完 美结合。采用微软标准的开发工具v c 并利用r t x 提供的a p i 接口可以开发出满 足工业实时要求的控制软件。 2 4 2s o f t s e r c n s 从结构上来讲，s o f t s e r c a n s 在软件平台上提供的就是在r t x 的环境中嵌入 了一些动态连接库d l l 及函数接口a p i 。 圈2 6 实时数据交换的时序圈 从作用上来讲，s o f t s e r c a n s 在软件平台上提供的是： 对s e r c o s 环中多达4 0 个驱动器接口进行操作 在s o f t s e r c a n s 与w i n d o w s 进程或r t x 进程之间进行实时数据交换 简便的信号时序分配 对所有驱动的直接诊断管理 并行命令通道 访问系统的全部参数 多进程问的通讯 采用s o f t s e r c a n s 进行通讯“” 利用s o f t s e r c a n s 交换的数据由两部分组成，一个是周期性数据，它是实 时数据，在每一次通讯循环中都要进行交换，如位置命令值、速度命令值、驱 13 上海大学硕士学位论文 动器的实际值或i 0 站状态；另一个是非周期性数据，它用于设置和修改s e r c o s 环中s o f t s e r c a n s 及所有驱动的参数以便实现对伺服驱动器或i o 站的各种控 制。 周期数据交换时序图如图2 6 所示。一个周期的开始由m s t 信号触发，m s t 信号由控制器发出。在a t 信号来临后，驱动器传送命令值给控制器，在m d t 信 号到来时，控制器发送命令值给所有的驱动器，一个数据交换周期结束，在下 一个m s t 信号到来时新一轮交换周期开始。信号的发送和接收都由s o f t s e r c a n s 完成。一旦所有的a t s 信号都被收到后，信号数据被s o f t s e r c a n s 复制。n c 数 据交换区间的大小可以由用户控制。 m s t ( m 鹤t 珂s y n c h r o n i z a t i o nt e l e g r a m ) 主控器同步报文，到达m s t 时进行新 的运动周期操作 a t ( d r i v et e l e g r a m ) 驱动器报文，接收伺服运动的实际值 m d t ( m 嬲t e r d a t a t e l e g r a m ) 主控数据报文，发送伺服运动的命令值 s - 0 - 0 0 0 6向s o f t s e r c a n s 发送a t 数据的启动时间 y 一0 0 0 0 8s o f t s e r c a n s 结束访问a t 数据的结束时间 y - 0 0 0 0 6 n c 访问的开始时间 y - o - 0 0 1 3n c 访问( 写命令值，读实际值) 的最大时间长度 y 一0 0 0 1 2s o f t s e r c a n s 访问命令值的开始时间 y - 0 - 0 0 0 4s e r c o s 的周期循环时间 运行阶段 在启动之后，s o f t s e r c a n s 根据参数y - 0 一0 0 2 9 设定的运行状态操作。共分 为5 个通讯阶段： c o m m u n i c a t i o n p h a s e 0 ：闭合光缆环，如果光缆环已闭合，进入阶段1 ； c o m m u n i c a t i o np h a s el ：在阶段l 下，检测环中存在的驱动器。在确认所有 环中驱动器分别对应的参数地址后，进入阶段2 ； c o m m u n i c a t i o np h a s e2 ：在阶段2 下，n c 可以读写所有的s 和p 参数。在 从阶段2 到阶段3 的过程中，s o f t s e r c a n s 完成如下任务；设定应用所需的操作 模式；从计算片中读出所有数据；检测命令值列表和实测值列表；计算如t 和 a t 时间段：传送计算出的通讯参数到驱动器；传送信号配置参数到驱动器；对 所有驱动器执行诊断命令( s - o 一0 0 9 9 ) ：对所有的驱动器执行传送命令 14 上海大学硕士学位论文 ( s - 0 - 0 1 2 7 ) 。 c o m m u n i c a t i o n p h a s e 3 ：在从阶段3 到阶段4 的过程中，s o f t s e r c a n s 完成 下列操作：对所有的驱动器执行传送命令( s 一0 - 0 1 2 8 ) c o m m u n i c a t i o np h a s e4 ：在该阶段进行周期的数据交换。 2 5 软洲c 9 0 年代以前，计算机数控系统都是专用的，即是由不同的数控系统生产厂 家自行设计和制造的，它们具有不同的软硬件模块、人机界面、操作系统和非 标准化接口等，这样一来，用户不但不能对系统进行再开发，就连维修和更换 相关模块都非常困难。软c n c 的基本概念就是相对专有系统的，一些开放系统 只是对系统的人机界面等非实时控制部分实现了有限的开放，某些开放性较好 的系统也只支持用户通过标准接口对系统控制核心的有限访问。而在这里我们 的开放式系统支持运动控制策略的用户定制，体现了一种核心级的开放思想， 即数控系统将“完全开放”。以p c 上的标准插件形式的开放式运动控制器为控 制核心，伺服控制和机床逻辑控制均由运动控制器完成。运动控制器可编程， 以运动子程序的方式解释执行数控程序g 代码等，支持用户扩展，以p l c 子程 序的方式实现机床逻辑控制，运动控制器的开放性还体现在其层次分明的体系 结构、其功能特性可由上层软件灵活定制等。由于处理机性能的日新月异和操 作系统技术的不断进步，这种“硬件功能软件化”不仅不会导致任何系统性能 损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性将有利于系统实现更深入的开 放性和系统性能的快速增长，这也正是“软c n c ”的基本思想“”。 2 5 1 软渊c 的工作流程 图2 7 开放式数控体系的工作藏程 软c n c 的特点是将c n c 的全部或大部分功能均由p c 机来承担。一般通过现 上海大学硕士学位论文 场总线来和伺服进行通讯，这样p c 机的优越性可以全部保留。软件资源丰富， 开放性好，造价低。在本系统中采用p c 和s e r c o s 接口的数控机床体系，既保 证了系统的开放性又有足够的实时性和可靠性，工作流程如图2 7 所示。 2 5 。2 软渊c 的结构 不同类型设备的数控系统具有共性和个性，s o f t c n c 的框架结构以它们的共 性为基础，同时具有满足不同个性需求的能力，如图2 2 所示： 在软c n c 平台上，用户可以根据自己的行业需求自主开发软件模块，如处 理数据模块，显示模块，用户界面模块等，运动数据经由共享内存送往 s o f t s e r c a n s ，最终由s e r c o s 接口送往执行机构。反馈回用于显示的信息和监 控信息也经由共享区送往数据显示线程。所以软c n c 的设计实际上就变成了共 享内存区内具体数据结构的设计以及各个专业模块的设计。 2 5 3 软渊c 的内容 译码 刀具补偿 进给速度处理 轨迹插补 2 5 4 软渊c 的特点 软c n c 有其自身的特点，它的主要特征是“”： ( 1 ) 完整的机床控制功能 软件数控中运动控制的主要使命是执行运动子程序，协调各坐标轴的运动， 实现刀具的运动轨迹控制。采用开放式数控系统编写的软c n c 软件，可以实现 机床的一般控制功能，实现译码、刀补、插补及机床常用的其它功能。 ( 2 ) 采用s e r c o s 运动控制协议 外围连接采用标准规范，即s e r c o s 开放性协议规范。充分利用s o f t s e r c a n s 的强大的通讯和控制性能，利用光缆通讯，使得系统控制简单、方便、稳定。 采用核心开放体系结构，支持系统界面和运动控制算法的用户定制，对采用智 上海大学硕士学位论文 能控制策略有充分的考虑。 ( 3 ) 充分利用p c 可以通过提高主c p u 的性能提高数控系统的性能，c p u 强大的计算能力和操 作系统充分的实时性支持是软件数控可行性和可用性的基础。非实时控制部分 可以和实时控制部分运行在同一实时操作系统上，也可以运行在通过网络连接 的分时系统上，系统的速度不再受到专用硬件卡上的速度限制，因而可构成高 速度的数控系统。 ( 4 ) 面向对象的设计思想 使用面向对象的设计，模块化设计，使代码的可重用，扩展方便。面向对 象的设计、实现思想和方法能更好地表达数控系统中各功能体的功能抽象性和 相关性，我们提出的软件数控体系结构参考模型完全融合了面向对象的基本思 想。 ( 5 ) 可扩展性 开放式数控系统的模块化和层次化的特点使其具有可扩展性，价格低廉，通 用性强，精度高，速度快，使得用户在更新系统时易于增删相应的模块，从而 方便的将现有的机床进行数控系统的升级，提高系统的性能，减少资源的浪费。 以软c n c 代替硬c n c 不再使用c n c 硬件卡，使得系统的结构简单，成本降低。 ( 6 ) 设计方便 系统的表现形式和目前常见的c a d c a m 等系统一样，完全只是一种主流操作 系统( 实时扩展) 上的应用软件，设备驱动软件) 。可采用c ，c + + ，v i s u a lc + + ， p a s c a l 来编写软c n c 程序，不必要使用专用的程序软件对c n c 进行设计。 ( 7 ) 友好的操作界面 该数控系统具有更加友好的操作界而，更灵活的数据处理和信息反馈等，比 国内经济型为主的数控系统具有更实用性和可靠性。 2 6 小结 本章阐述了软c n c 的开发环境，基于s e r c o s 接口的开放式数控体系的软硬 件平台和软c n c ，在软c n c 的结构中突出了实时部分和非实时部分的连接结构。 软c n c 的工作内容主要有译码、数据处理、插补，最后总结了软c n c 的特点。 17 上海大学硕士学位论文 第三章软c n c 在数控系统上的研究 具体阐述了软c n c 的内容：译码，刀具补偿，插补运算，其中译码分为：词 法分析，语法分析，语义分析。刀具补偿分为：刀具长度补偿，刀具半径补偿。 插补运算分为直线插补，圆弧插补 3 1 概述 软c n c 的特点是将c n c 的全部或大部分功能均由p c 机来承担。一般通过现 场总线来和伺服进行通讯，这样p c 机的优越性可以全部保留。软件资源丰富， 开放性好，可以降低造价。在本章的研究中采用p c 和s e r c o s 接口的数控机床 体系，既保证了系统的开放性又有足够的实时性和可靠性。 3 2 译码 译码是数据处理中的重要