基于PC的开放系统开发 开题报告.doc

第 7 页基于PC的开放系统开发（开题报告）基于PC的开放系统开发数控技术0703（07230294）楼炯摘要：为了适应现代机械加工对数控系统高速度、高精度、柔性化和智能化要求，传统的数控系统难以满足用户的需要，而开放式系统解决了传统数控系统兼容性差和功能难以扩展等不足。本文对基于PC的开放式系统进行了研究，以PC +MCX314芯片为核心组成的运动控制卡的结构模式来实现数控系统的功能。系统软件采用分层、模块化的设计思想，具有自动、手动、坐标显示、编程能力强功能。关键词：开放式，运动控制，MCX314。1 研究背景1.1 课题背景及来源 随着科学技术的发展，机械零件的形状和结构不断改进，对零件加工质量要求越来越高1。这使得数控机床在生产中得到广泛应用，同时也对数控系统提出更高的要求。尤其是随着柔性制造系统的迅猛发展和计算机集成制造系统的兴起和不断成熟，基于PC的开放式数控系统必将取代传统数控系统在机械生产制造业中发挥重大的作用。1.1.1 课题背景先进制造技术是改造传统制造业的有效手段，而数控技术和数控设备是先进制造技术的重要组成部分1。我国的机床数控技术起步于1958年1。在过去的50年里，一方面从国外购进数控系统，一方面积极研究开发，取得了长足的进步。中等数控系统已经达到中小批量生产能力，如广数、华中等。随着科学技术和制造业的不断发展，对数控系统也提出了更高的要求，主要体现在高的运算速度和高精度、高可靠性以及完善的功能。为了适应不断出现的新的加工需求，数控系统应具有更强的软硬件重构能力而且重构的成本要低重构周期要短；为了适应未来面向任务和订单的生产模式，使生产控制系统的集成更为简便有效，必须改变数控系统封闭形的设计模式；为满足不同需要，数控系统应具有高度的模块化，可重新配置、修改、扩充和改装；较低的系统开发维护及培训的成本和较短的周期3。为了适应这些需要，必然要把传统的数控系统开放化。1.1.2 课题来源 浙江凯达机床股份有限公司是专业生产数控机床的企业，目前自行开发和生产的数控系统有KENT-10T、KENT-18T、KENT-18TC、KENT-18TM。为了适应市场的需求和潜在的需求，对基于PC的开放式数控系统进行研究具有较大的实际意义。1.2 课题的目的和意义1.2.1 课题的目的目前，开放式数控系统己经成为数控技术的发展趋势，很多研究机构都在对其进行研究，利用PC机的丰富的软硬件资源发展总线式、模块化和智能化的CNC系统，成为开放数控系统的最佳选择6。同时，通过对本课题的研究，加强对所学专业课程理解和提高应用能力，并使自己更多更深刻的了解这方面的知识，为将来的研究和开发打好基础。1.2.2 课题的意义浙江凯达机床股份有限公司所生产的KENT-10和KENT-18均为传统的闭式结构，对用户而言，因为不了解其内部结构和性能而只能使用已定义的输入和输出，几乎不可能加入新的控制策略和增加新的功能。随着计算机在制造过程的应用越来越广泛，用户对改造制造过程性能的需求也逐渐体现出来，因此闭式结构数控系统的局限性就越见明显。要达到现代制造技术对数控系统的要求，同时也为适应市场的要求，数控系统应能够被用户重新设置扩充修改和改装，并允许模块化的集成而不必重新设计硬件。目前PC机技术不断成熟，性能越来越好容量不断增加而价格则越来越低，为开发高性能低价格的数控系统提供了条件13。发展基于PC的开放式数控系统成为凯达机床股份有限公司今后发展的主要方向。2 文献综述基于PC的开放式数控系统形式是PC+运动控制器，选用操作系统平台为Windows98，运动控制器为MCX314芯片构成的ISA/104总线接口的运动控制卡。2.1 基于PC的开放式数控系统概述2.1.1 开放式数控系统概述在计算机技术飞速发展的今天，商业和办公自动化的软硬件系统开放性已经非常好，如果计算机的任何软硬件出了故障，都可以很快从市场上买到它并加以解决，而这在传统封闭式数控系统中是做不到的13。为克服传统数控系统的缺点，数控系统正朝者开放式方向发展。其主要形式是基于PC的NC，即在PC的总线上插上具有NC功能的运动控制卡完成实时性要求高的NC内核功能，或者利用NC与PC通讯改善PC的界面和其他功能。 开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃。其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可被利用，系统软硬件可随着PC技术的发展而升级，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且针对用户的二次开发也带来方便，促进了数控系统多档次多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或裁剪构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发周期大大缩短6。2.1.2 开放式系统发展情况， 数控系统的开放化趋势，在全球制造业中己成潮流。目前，欧洲、美国和日本都在进行自动化领域的开放式数控系统体系结构的研究，纷纷推出各自的开放式数控体系结构规范。 在美国，于20世纪90年代初由国防部委托马丁一马瑞塔航天研究所(Martin Marietta Astronautics)开展了下一代数控系统(NGC -Next Generation Controller)的研究计划，其主要技术课题是开放式数控系统结构和中性语言，NGC计划标志数控系统开放化时代的开始。自1996年开始，美国几个科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容，如在美国海军的支持下，美国际标准研究院提出了增强型机床控制器EMC (Enhance Machine Controller)计划。美国汽车工业三大巨头GM（通用）、For d（福特）和Chrysler(克莱斯勒)与数控系统控制器厂商合作，开发以PC为基础的开放式模块化控OMAC(Open Modular ArchitectureController)。 OMAC的基本目的是规定控制器制造商所生产的产品应符合开放化、模块化体系控制器的要求，并使用户受惠。使用该结构，可使制造者减少最初投资、缩短开发时间、得到最大的机器可使用时间、减少维护费用，容易把使用者的专业技术集成在系统上，可插入和运行各种硬件和软件，并可有效地重新构架控制器以适应新的控制或加工过程，同时能结合最新技术6。 在欧洲，1991年10月开始了一项整个欧洲的控制系统计划用于开放系统结构的控制器内部自动化系统OSACA。其研究的目标是研制出自动化系统中的开放式控制系统体系结构。OSACA项目是在德国斯图加特大学机床与设备研究所主持下，联合德、意、法、瑞、英、西等11个国家的有关研究所、大学和制造厂商，制定了开放式数控系统的标准规范，该系统规范以PC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6。 在日本，1994年12月成立了通产省的外围组织IROFA(国际机器人及工厂自动化技术中心)，下属的NC开放化政策委员会，主要课题是“开放型NC装置的定义”及“参考模型(含接口)的制作”。1994年，成立了由东芝机械、丰川工机、山崎、日本工BM、三菱电机和SML等发起的开放系统环境OSE (Open System Environment)研究会，其目标是制定开放式控制器的体系结构和安装规约，进行实验验证和标准化活动6。 开放化的趋势在全球制造业中己不可逆转，其直接结果将是产生高度模块化的、可以方便联网集成的、容易进行一次开发的、拥有大量第二方应用软件支持的、价格便宜的现代数控系统。 国外的数控研究己经取得了巨大进展，主要表现在:数控装置性能大为提高，一批高精度、高效率、具有联网通讯功能的数控系统相继问世并得到应用。数控系统的处理器完成了从16位向32位和64位的转变，其伺服驱动也从直流式转向交流全数字式，数控系统体系结构从封闭转向开放，从而使数控系统可充分利用计算机技术的丰富资源，能根据控制对象的要求迅速、灵活地更换软硬件，并能及时吸收新技术，使得数控技术发展步伐加快，开发周期大为缩短。 在国内，一系列数控产品如华中I型、航天I型和蓝天I型等己在生产中投入使用，产生了巨大的经济效益。这些国产数控系统运行可靠，拥有自主的知识产权，在体系结构上己向基于PC的第六代数控系统过渡。 2.2 开放式数控系统的结构开放式数控系统可以分为三个部分:硬件平台、系统软件平台、由各个功能结构单元对象组成的应用软件模块。系统的硬件平台由数控系统的进给装置、反馈装置等组成。功能可以由用户在较大范围内配置选择，一般其硬件平台与最终用户所选用的机床载体有关，需根据用户的最终生产需求来确定。同时硬件平台的使用，也决定了系统的软件部分的最终功能的实现。系统软件平台主要是为系统的应用软件运行提供基础，它分为三个部分:系统核心、可选的系统软件和标准的应用程序界面。应用软件的标准部分由控制系统的开发商提供，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。根据CNC系统的硬件结构与组成，基于PC的开放式数控系统可以分为四种主要的 类型：PC连接CNC型、PC嵌入CNC型、CNC嵌入PC型和全软件型CNC11。3 技术路线本系统根据课题实际情况，选用“ PC+运动控制器”的构成模式来进行本数控系统的研究和设计。系统平台选用常用且便于小型化的Windows98系统，在此平台下，利用C/C+语言实现系统的非实时功能和人机界面。同时，以日本NOVA公司推出的四轴二联动运动控制芯片MCX314作为核心，开发出基于PC机ISA总线的运动控制卡和相应的控制扩展板，来实现数控系统的实时功能部分。系统软件将在以上确定的硬件的基础上，利用Windows的多线程技术和中断机制解决数控软件的实时多任务处理，采用一种开放式、模块化软件设计方法，使系统软件具有开放性和扩展性。3.1 PC平台的建立本系统考虑选用台湾研扬公司生产的PC/104嵌入式主板SBC-456/E作为系统的硬件PC机平台。在此基础上，插入32MB内存，并根据系统要求设计一个适合本系统使用的具有标准接口的键盘。考虑到数控系统的工作环境，硬盘由于是靠磁头来读取高速旋转磁盘的数据，其抗震性抗损坏性不高，所以选择CF卡作为存储设备。操作系统选用Windows98，并对其进行精简以适应本计算机，满足数控系统运行要求。3.2 MCX314运动控制芯片MCX314是日本NOVA电了有限公司研制的DSP运动控制专用芯片，性能优良、接口简单、编程方便、工作可靠，可广泛应用于数控机床、机器人等领域的运动控制8。芯片能与8位或16位数据总线接口，通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控，实现直线、圆弧、位元3种模式的轨迹插补，输出脉冲频率达4 MHz。每轴都有伺服反馈输入端、4个输入点和8个输出点，能独立地设置为恒速、线性或S曲线加/减速控制方式，并有2个32位的逻辑、实际位置计数器和状态比较寄存器，实现位置的控制。3.3 运动控制卡与扩展板MCX314与计算机通过总线接口通信。由于系统工控主板的CPU为32位，并且芯片与CPU之间主要进行I/O处理，因此考虑运动控制卡通过8位数据，以ISA总线作为标准与CPU通信。运动控制卡的信号输出通过功能扩展板来实现，通用输出信号使用输出缓冲器，各种输入信号通过光电耦合器与内部电路隔离。扩展板分为两个通道，每个通道对应一个运动轴。3.4 软件结构 系统软件分为两个大的部分，一部分是上位机部分，为主控模块，分为参数配置、程序、加工、手动、显示、图形等模块。另一部分是MCX314运动控制板部分。主控模块与MCX314通信，读取其寄存器的状态值，并根据系统的状态，向MCX314发送相关的控制指令。4 进度安排本课题的主要工作可分为硬件设计和软件设计两部分，其具体任务及进度安排如下：n 13周，资料准备，完成开题报告。n 45周，MCX314运动控制卡和扩展卡的设计。n 67周，完成硬件系统的构建。n 78周，完成对W98操作系统的精简，删减不必要功能。n 810周，主控模块、显示、参数设置、程序编辑等程序设计，并完成运动控制卡程序设计。n 1011周，系统调试，并完成论文初稿。n 1112周，完成论文定稿。参考文献1任玉田，包杰，喻逸君，焦振学.新编机床数控技术.ISBN7-5640-0418-5.北京：北京理工大学出版社，2006； 2 王爱玲，白恩远，赵学良等.现代数控机床.北京：国防工业出版社，2003.4；3 王爱玲，张吉堂，吴雁等.现代数控原理及控制系统. 北京：国防工业出版社，2002.1；4 吴祖育，秦鹏飞.数控机床.上海：上海科学技术出版社，2002.2； 5 Prischow 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