（机械制造及其自动化专业论文）开放式经济型数控系统的pc104解决方案.pdf

上海大学硕士研究生学位论文 摘要 开放式结构体系是现代数控系统发展的趋势和方向，软件结构化、规范化设 计是软件工程的要求。本文详细讨论了开放式结构体系思想和结构化方法。并从 具体的市场需求出发，运用这些思想方法，构建了基于p c 1 0 4 模块、带有远程 服务功能的新型经济数控系统，达到了经济、小型、高功能的目标。 为合理使用系统资源、提高系统性能，本文基于信息流分析的方法，结合现 代计算机接1 2 1 技术，详细描述了粗、精插补理论，推导了二次插补的实现公式， 设计了应用线路。可编程电子技术的运用是开放化结构体系思想的要求和体现， 本文在分析可编程器件特点的基础上，在各个功能模块中广泛运用这些技术。本 文还介绍了远程服务应包含的内容，详细分析了基于公用电话网的数据传输过 程，建立起了适合于经济型数控系统远程服务的数据传输系统。 以上的研究和研制工作，初步形成了系统的设计步骤，构建了实际的数控系 统，为市场需求提供了一个合理的解决方案。为同类产品的开发和设计提供了一 个案例。 关键词：开放体系结构经济型数控系统p c 1 0 4 结构化设计可编程电 子技术远程服务数据传输 上海大学硕士研究生学位论文 b s t r a c t o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e i st h ed i r e c t i o no fm o d e mn u m e r i c a lc o n t r o l ( n c ) s y s t e ma n ds t r u c t u r ed e s i g ni so n eo f m e t h o d so fs o f t - w e r ee n g i n e e r i n g t l i sa r t i c l e d i s c u e s s e st h ei d e ao f o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d s t r u c t u r ed e s i g nd e e p l ya n do f f e r s ar e a l i z a t i o np r o j e c tf o rn e we c o n o m i c a ln c s y s t e mt om e e tt h et r e en e e d so f m a r k e t t h i sk i n d so fs y s t e me n j o y s l o n g d i s t a n c e s e r v i c ef u n c t i o na n dh a sa c h i e v e dt h e m a r k e t t a r g e t ss u c h a se c o n o m y ，m i n i t y p ea n do t h e r h i 。g hf u n c t i o n s t h ea r t i c l ei n v e s t i g a t e st w o s t e pc u r v e - i n t e r p o l a t i o na n di n f o r m a t i o nf l o w t h e o r y i nd e t a i l ；i no r d e rt ou s et h ew h o l es y s t e m sr e s o u r c er e a s o n a b l ya n dt oe m b o d yt h e d e s i g ni d e ao fo p e na r c h i t e c t u r e ，t h i sp a p e ra p p l i e sm o d e m e l e c t r o n i cp r o g r a m m a b l e t e c h n o l o g y i na l lf u n c t i o nm o d u l e s a f t e r i n t r o d u c i n g t h ec o n t e n t so ft h e l o n g d i s t a n c es e r v i c em o d u l ea n dt h e c o u r s eo fd a t at r a n s m i s s i o nb a s e do np u b l i c t e l e p h o n en e t ，t h ea r t i c l e r e a l i z e si n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o nb e t w e e nn c s y s t e ma n d m a i ns e r v i c ec o m p u t e r s u c c e s s f u l l y t h r o u g ht h e s ew o r k ，t h ea r t i c l eh a sf i n i s h e dt h ew h o l ed e s i g no f t h en e w t y p e n c s y s t e ma n ds u p p l i e dt h em a r k e tw i t ha r e a s o n a b l es o l u t i o np r o j e c t a tt h es a m e t i m e ，t h ep r o j e c tf o rn cs y s t e mb a s e do np c 1 0 4o f f e r sa r e f e r e n c em o d e lf o ro t h e r m e c h a t r o n i c sd e v e l o p m e n t k e yw o r d s ：o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ee c o n o m i c a ln c s y s t e m p c f0 4b u ss t r u c t u r ed e s i g n p r o g r a m m a b l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y l o n g - d i s t a n c es e r v i c e d a t at r a n s m i s s i o n l i 上海大学硕士研究生学位论文 刖吾 自从上世纪9 0 年代以来，由于现代电子技术和计算机技术的飞速发展，推 动数控技术更快的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用计算机丰富的软 硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。其硬件、软件和总线规范都是 对外开放的，使数控系统有更好的通用性、适应性、扩展性，并向智能化、网络 化方向发展；而且人机界面极为友好，并具有远程服务的功能。由于有充足的软、 硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行系统集成得到有力的支 持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的 开发和广泛应用：既可升级或剪裁功能模块构成各种档次的数控系统，又可扩展 构成不同类型数控机床的数控系统，符合可重构设计的理念。尤其是国内厂家可 在这种控制系统中采用国外高性能计算机模块，开发起点高，开发生产周期将大 大缩短。因此，开放式体系结构是数控系统发展的方向和趋势。 中国加入w t o 之后，制造业获得蓬勃的发展，其作为世界制造工厂的作用 越来越明显地体现出来。而在这些加工的产品中，有一大部分是小型五金零件。 因此，沿海各省都把五金零件的加工作为产业发展的一个方向。特别浙江省更是 把小五金零件的生产加工当作“十五”计划期间带动全省经济发展的支柱产业。 随着经济体制的不断完善，广大的中小企业、民营企业乃至家庭工厂也加入到生 产小五金零件的行列中来，整个市场竞争也就越来越激烈。这些小五金零件的加 工要求精度和表面质量适中，而且批量多、交货期短，成本又要求较低。因此需 要大量的投资少、交货期短又适合上述加工要求的经济型数控机床。由于市场变 化快，产品转型快，已有的普通经济型数控机床已经不能满足用户的要求，跟不 上市场发展的需要。而价格经济，性能较过去的经济型系统有较大改善的新型经 济型数控将有巨大的市场。数控系统是数控机床的核心。符合这一市场要求的数 控系统就潜在巨大的市场机遇，因此发展这样的数控系统就成为十分有意义有价 值的工作。 那么究竟需要有怎样功能的数控系统呢? 作者和宁波某公司合作，通过在浙 江省部分地区市场调查分析发现：鳢在= 夏主弛j 旗捏腮务功能! 良好的人 机交互界面和具可重构性的数控系统将受市场欢迎。因为开放式体系结构是将来 数控系统发展的方向和趋势，又符合可重构的设计理念，所以用开放式结构体系 的思想来构建这一功能丰富的经济型数控系统。同时数控系统是典型的机电一体 化产品，采用机电一体化产品的概念设计方法进行设计应该能够选择出相对优化 的方案。当然这一系统的构建要依靠计算机硬件和软件技术、c p l d f p g a 等可 编程电子器件技术的发展。同时也要建立在数据通信技术和公用电话网络技术的 发展基础之上。 上海大学硕士研究生学位论文 第一章开放式数控系统结构体系及本文的立题 引言：在前言中提出了用开放体系结构的思想来构建数控系统，可以方便的 选用国际高新技术模块来集成自己的系统，大大地缩短开发周期；可以按照一定 的方式实现重构来满足客户的不同要求；本章将详细介绍开放式结构体系思想。 1 1 开放体系结构的概念 目前，国内外在开放式控制器的研究上投入了大量的人力和物力，主要集中 在功能划分、功能信息之间交换规范以及实现功能的方法上，对于开放式控制器 的概念有过一个“百家争鸣，百花齐放”阶段。 在经历了长时间的研究后，i e e e 给出了开放系统的一个定义：“a no p e n s y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i t i e s t h a te n a b l ep r o p e r l yi m p l e m e n t e da p p l i c a t i o n st or u no n a v a r i t y o f p l a t f o r m s f o r m u l t i p l ev e n d o r s ，i n t e r o p e r a t e w i t ho t h e r s y s t e m s a p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n t ac o n s i s t e n ts t y l eo f i n t e r a c t i o nw i t hu s e r 。即一个开放式系 统必须具有不同应用程序能很好地运行在不同供应商所提供的不同的平台之上 的能力，不同的应用程序能够相互操作的能力和一致的交互风格【2 1 。根据定义， 典型的开放系统应具有以下四个基本特征，即可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 、可 移植。i 生( p r o t a b i l i t y ) 、档次皆宜性( s c a l a b i l i t y ) 和可互换性( i n t e r c h a n g e a b l i t y ) 。下面 分别介绍这几个特征。 1 ) 可互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) 互操作性是指不同的应用程序模块通过标准化的应用程序接口运行于系统 平台之上，相互之间保持平等的相互操作能力。这一特性要求提供标准化的接口、 通讯和交互模式。在信息集成环境下，控制系统能与不同设备系统彼此互连，实 旌正确、有效的信息互通，同时在信息互通的基础上，能信息互用，完成应用处 理的协同工作。 2 ) 可移植性( p r o t a b i l i t y ) 可移植性指应用软件的选用和使用可以与它所使用的系统无关。它能在甲系 统所提供的环境下运行，也能在乙系统提供的环境下运行，而不须或仅须做少量 修改。通过可移植性的设计可以解决软件公用问题。实现可移植性的基本要求是 设备无关性，即通过统一的设备接口，完成对设备的控制。而统一的设备接口则 要求具有统一的数据格式、行为模型、通讯方式和交互机制。 3 ) 档次皆宜性( s c a l a b i l i t y ) 档次皆宜性指增添和减少系统的功能仅仅表现为特定模块功能单元的装载 与卸载。控制系统的功能、规模应是灵活可变的，即可通过增加硬件和软件等功 能模块以构成功能更强大的系统，也可以裁减其功能模块来适应低端应用：同一 软件既可以在低端硬件配置上运行，也可以在该系统的高端配置上应用。 上海大学硕士研究生学位论文 4 ) 可互换性( i n t e r c h a n g e a b l i t y ) 可互换性是指系统的各个部件依据功能、可靠性及性能要求相互可以替代、 构成开放体系结构的系统，不受唯一供应商所控制，也无须为此付出昂贵的版权 费用。相反，只须支付较少的费用，即可获得系统的各组成部件，并且可有多个 来源。 1 2 典型开放式控制器的规范 开放式控制器的规范是为整个控制系统产业提供的标准和规范，由国家和 大公司投资进行研究和推广。下面介绍几种在国际上影响比较大的开放式控制器 的标准和规范研究。 1 2 1 美国的o m a c ( o p e nm o d u i a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o i l e r s ) 1 9 9 4 年，美国汽车行业发起o m a c 的计划，由三大汽车公司起草了个用 应于汽车工业的开放、模块化体系结构控制器的规范。o m a c 提出了系统基础 构架，构造了完整的系统体系结构。其基础构架包含了信息库管理、任务调度、 人机接口、运动控制、传感器接口等。其目的是降低投资和生产周期的费用，容 易集成客户技术和更易于适应变化的要求。即以p c 为平台，用具有与欧洲 o s a c a 计划同样模块结构的系统，有步骤地使之实用化。【2 】【3 】最近在原先s o s a s 的结构基础上，下一代控制器n g c 工作也被启动，在美国海军的支持下建立n s t ( 国家标准与技术管理机构) ，提出了使n s t 分级模型适用于s o s a s 的n c 分 级模型。在此基础上，利用市售的适合于i b m p c 兼容机的n c 插件和软件，试 制工位控制器( s h o pf l o o rc o n t r o l l e r ) 和实验室发展控制器。 1 2 2 日本的o s e c 与n g c 同步，一项面向2 l 世纪制造产业的长期研究计划，该计划由日本 工业界领导。1 9 9 4 年，一项将历时十年的i m s 计划日程表发表并且开始启动。 其中的大部分计划都是和先进制造系统和自动化有关。如多功能机床系统、敏捷 制造系统等。这些计划将深刻地影响到未来的控制系统技术。日本同时启动了另 一项开发系统计划，其主要做法是基于p c 的平台上开发开放系统。三家机床制 造商在1 9 9 5 年组建了一个工作组o s e c ，把实现能应用于所有具有数字控制器 特征的工业自动化控制设备作为其追求的目标。如今，该工作组已经发展到由 1 8 家公司和一家社团共同参与的致力于推进c n c 系统开放式的协会5 】 6 】i 7 1 。 1 2 3 欧洲的o s a c a o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t ha u t o m a t i o ns y s t e m ) 是 由欧共体国家2 2 家控制器开发商、机床生产商、控制系统集成商和科研机构1 9 9 0 年联合发起的，并在1 9 9 2 年5 月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟的p r i t i i i 项 目计划1 8 1 1 9 儿m 】。一个o s a c a 控制系统在结构上分为两部分：应用软件和应用平 台，见图f 1 一】) 所示。 上海大学硕士研究生学位论文 图( 1 1 ) 中系统软件部分由系统核心，如操作系统、通信系统和动态的实时配 置系统组成：图中应用软件层实现系统的控制功能要求：系统软件层向上为应用 软件层提供操作系统平台和通讯协议等；由应用软件层和系统软件层组成的软件 部分建立在系统硬件层上。同时系统硬件层向下为接口控制层提供总线扩展平台 和接口资源等；接口层则负责在系统层和外设之间起承上启下的作用。各层次内 的组成部分均采用模块化结构。层次之间，层次内部模块之间采用开放式设计。 软应用软件 件 应用软件层 部 分系统软件 系统层 硬系统硬件 件 部 接口控制层 分扩展接口 图( 1 - 1 ) 开放式系统结构图 应用软件主要包含了一系列离散的结构对象( a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) ，这些对 象是完成一定的独立功能的任务进程。系统平台则包括系统硬件和系统软件。系 统硬件包括各种电子设备、工业微机、i o 卡等。系统软件包括了操作系统、通 信系统和驱动程序等。系统平台为应用程序提供了一个标准的应用程序接口 ( a p i ) ，a p i 隐藏了与平台相关的实际操作，这样就允许各个应用模块在不同的 环境移植。 o s a c a 的参考结构是一种“分层的系统平台+ 结构化的功能单元”的体系 结构，o s a c a 的通信系统解决了各个a o 模块如何在独立于系统的情况下交换 信息。通信系统主要完成两方面的任务：通信机制的制定和标准协议的制定。前 者指制定独立于硬件的模块之间信息交换的方法和原则；后者指制定通用模块的 标准和原则等。o s a c a 的配置系统主要用于划分系统平台所需实例化的a o ， 并对它进行实时配置，建立系统软件的拓扑结构。0 s a c a 系统平台上的配置系 统能处理a o 类库。在系统运行之初，系统所需的a 0 被实例化，a o 间的连接 也被建立起来。当系统要求重新配置时，只要按照新建立的软件拓扑结构，修改 配置文件，将所需的a o 重新实例化即可，系统程序不需重新进行连接和编译， 这样用户可以随意增加和减少控制功能，建立自己的控制系统。 上海大学硕士研究生学位论文 1 3 开放式控制器的发展现状 自八十年代以来，世界制造业尤其是机床制造业竞争日益激烈，为了占有 市场，各国都展开了研究全新的机电一体化体系结构技术。美国，日本，德国都 加快了他们各自在开放体系结构上的步伐。下面介绍各国在开发式体系结构研究 上现状。 1 3 1 国外研究现状 文献【i2 j 中美国空军赞助、m a r t i n 和m a r i e t t ac o ，( n a t i o n a l c e n t e ro f m a n u f a c t u r i n g s c i e n c e ，国家制造科学中心) 为主体进行合作实施的开放系统结构 标准一下一代通用控制器，n g c ( n e x tg e n e r a t i o nw o r k s 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) 。n g c 试图开发一种开放式系统结构标准s o s a s ( s p e c i f a c a t i o n f o ra no p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r es t a n d a r d ) ，计划使其成为一种应用于机床工具的 a n s i 标准。n g c 的主要目的在于定义一个开放式结构，以满足机床控制器的柔 性、高性能、高性价比的要求。 文献【b 1 描述了c i m f l e x 技术公司在1 9 9 2 年承担了一项为期四年的研究项 目，其目的是为了建立一种新的技术和方法，以便快速开发高性能的智能控制器， 这些控制器主要用于分布式智能控制和管理。这个计划主要包含了四个基本的组 成元素。一是应用于智能控制的参考结构的标准；二是应用程序的构建；三是可 重用模块的构建：四是开发工具的创建。 文献 1 4 b 】建立了一种基于动态可重构软件基础上的软件体系结构，这种结 构主要用于基于传感器的控制系统。这种方法将基于当口的设计方法和面向对象 的方法结合起来，提出了一种基于端口对象的概念。这种基于端口的对象具有输 入和输出接口，对象可与其他的模块进行通信。系统设计了一个全局数据缓冲区 作为信息交换的中介，共享缓冲区中存有全局端口状态变量表。系统提供了一种 全局状态机制来实现系统的各个模块之间的通信。 文献i b ”提出了一系列数控系统的开放式体系结构。这些开放式体系结构 强调对用户需求的开放性、对供应商的独立性强调了提高数控系统和数控机床对 外界变化的适应能力。从总体上讲，对开放式数控系统的研究在技术上具体体现 为平台技术和面向对象的系统参考结构。前面提出的o s a c a ，o m e c 等开放式 控制器的规范，最初提出这些规范和标准的目的是实现开放式数控机床，但是现 在完全开放的数控产品不多，目前有f a n u c l 6i 1 6 8i 型、s i e m e n s8 4 0 d 系 统等。 1 3 2 国内研究现状 国内的开放式控制系统的研究较国外存在一定的差距，对开放式体系结构方 面的研究相比国外来讲还比较少。国内已有的开放式数控系统有四种：华中型、 中华型、航天型和蓝天型。 上海大学硕士研究生学位论文 文献【l6 】提出了一种“软件数控”的概念，包括伺服控制在内的决策完全采 用基于p c 的软件来实现和核心控制策略的用户开放性是软件数控的两个重要的 特点，结合前面我们谈到的开放式数控系统的体系模块化结构特征，将会是开放 式数控系统的一个里程碑。 1 4 数控系统开放体系结构的意义 可重构技术的要求 可重构技术在c i m s 制造系统、敏捷制造技术、企业质量管理系统和信息管 理系统中都发挥了重要的作用。由于开放式的数控系统采用模块化和结构化设 计，模块化设计把硬件系统和软件系统的构建划分成若干可重构和可维护的项 目，所以开放式体系满足可重构性设计的要求。当数控系统的出现放障，仅仅需 要更换故障模块；当企业生产的产品转型，只需更改设备部分的接口定义，机床 控制系统的大部分可以在新的制造设备中继续使用。这样对控制系统制造商和控 制系统使用商提高时间效益和经济效益，都具有重要意义。 对于控制器生产制造商或者软件开发商而言，采用开放体系结构标准进行生 产，都可大大缩短开发周期，更易满足客户的不同的需要。通过开放体系的结构 设计，可以使用户获得功能更强大，价格更便宜的控制系统，并且更容易功能集 成、系统维护和二次开发。由于可以方便的选用市场上高新高效技术模板、控制 器来集成自己的系统，采用开放式体系结构还可以缩小我国与国际制造业强国之 间的差距，快速提高使用者的产品竞争力，这对我国机电一体化行业的发展具有 重大的意义。 1 5 基于工控机( ip c ) 控制模式的开放式数控系统 根据上面的分析和资料，开放式结构数控系统的一种方法是以通用硬件工业 用p c 机为基础，采用面向对象的模块化的设计方法来构造系统，下面以美国 d e l t at a u 公司开发的开放式可编程多轴运动控制器为例说明。 ip c + d s p 运动控制卡( p m a c ) 的控制模式 p c + p m a c 多轴运动控制卡的控制模式利用了以d s p 为核心的多轴运动控 制技术。p m a c ( p r o g r a m e m u l t ia x i sc o n t r 0 1 ) 是美国d e l t at a u 公司遵循开放式系统 体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器。在运动控制领域经过二十几 年的探索，d e l t at a u 公司成功地将m o t o r o l ad s p 5 6 0 0 1 芯片用于p m a c ，加上专 用的用户门阵列芯片，结合p c 机的柔性，使得p m a c 对系统的控制成熟可靠。 目前d e l t a t a u 的p m a c 最多可以实现1 2 8 轴的运动控制。 p m a c 适应多种硬件操作平台，可在i b m 及其兼容机上运行，在w i n9 5 、 9 8 、2 0 0 0 及w i n n t 及l i n u x 下运行及开发，具有p c 、s t d 、v m e 、p c i 、1 0 4 总线及串口脱机运行的功能，方便用户选用适合自己的主机。同时，底层的控制 上海大学硕士研究生学位论文 程序只针对p m a c ，所以同一控制软件可以在不同的硬件平台上运行。p m a c 适用于所有电动机，包括普通的交流电动机、直流电动机、交、直流伺服电动机、 步进电动机、直线电动机、陶瓷电动机等，也适用于液压马达，控制精度可达到 5 n m 。对不同电动机，p m a c 可提供相应的p w m 、p f m 、d a c 、d i r + p u l s e 等控 制信号。一般的p m a c 控制器都具有1 6 位d a c 输出的能力。通过对p m a c 控 制器有关地址的改动，还可实现对程序的仿真运行。 p m a c 可接收各种检测元件的反馈，包括测速发电机、旋转变压器、激光干 涉仪、并行数据、光电编码器、磁致伸缩位移传感器、光栅尺等。p m a c 的绝大 部分地址向用户开放，包括电动机的所有信息、坐标系的所有信息及各种保护信 息等：因此，系统的设计和选型灵活自如，不受局限，可将各种先进的设计理念 融人系统，而且同一系统可选用不同的电动机，接收不同的反馈信息。 p m a c 控制器提供1 6 位、3 2 位的d l l ，还有a c t i v e x 控件p t a l k ，用户 可使用c + + 、v b 、v c 、d e p h i 在n t 、w i n 9 5 、w i n 9 8 、2 0 0 0 下开发自己的人 机界面接口。支持用户调用现成的直线、圆弧、样条、p v t 三次曲线等插补模 式，同时支持标准的g 代码、m 代码、t 代码、d 代码、s 代码，实现以往的机 床语言所不能完成的功能。p m a c 内置了p l c 功能，一般可将i 0 扩展到1 0 2 4 人和1 0 2 4 出、可以编写6 4 个异步p l c 程序，对i o 的操作几乎是纯软件的工作， 通过类似于汇编语言的指针变量，可以让用户按位、字节进行控制等。 图( 1 2 ) 双c p u 开放式数控系统 电 机 常用的基于p m a c 的并行双c p u 开放式数控系统，其结构原理图如图( i - 2 ) 所示。 数控系统在工业控制机0 p c ) 平台基础上，采用p m a c 多轴运动控制器和双 端口存储器( d p r a m ) ，构成该数控系统的控制中心。工控机上的c p u 与p m a c 上海大学硕士研究生学位论文 构成主从式双微处理器结构。其中p m a c 机床三轴的运动、控制面板开关量的 控制，工控机则主要实现系统的管理功能。为了实现p m a c 控制的功能，还需 在接上相应的i 0 板、伺服驱动单元、伺服电机、编码器等，最终形成一个完 整的数控系统。整个控制系统硬件由工业控制机、p m a c 运动控制器、i o 板、 双端口r a m 、伺服单元及交流伺服电机等组成。 1 6 论文的立题 正如前言中所谈到的，中国加入w t o 之后，各省把小五金零件的生产加工 当做重要产业发展方向。随着经济体制的不断完善，广大的中小企业、民营企业 乃至家庭工厂也j h ) , n 生产小五金零件的行列中来，整个市场竞争也就越来越激 烈。市场分布也就十分的广泛。这些小五金零件的加工批量多、交货期短，成本 又要求较低。需要大量的投资少、交货期短又适合上述加工要求的经济型数控机 床。经济型数控机床本来是指结构简单，但价格便宜，满足一般精度要求的加工， 能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件的数控机床。由于市场 变化快，产品转型快，已有的普通经济型数控机床已经不能满足用户的要求，跟 不上市场发展的需要。而价格经济，性能较过去的经济型系统有较大改善的新一 代经济型数控机床将有巨大的市场。数控系统是数控机床的核心。符合这一市场 要求的数控系统就潜在巨大的市场机遇，因此发展这样的数控系统就成为十分有 意义和价值的工作。 开放式结构体系的数控系统是发展方向，新型经济型数控潜在有巨大市场。 本文基于此认识的基础上，结合实际的工程项目一一新型经济型车床数控系统的 研制过程，通过大量具体针对性的工作，研究和探索了基于开放体系结构思想和 机电一体化产品设计方法的新型经济型数控系统的解决方案。 文章的第二章将构建基于p c 1 0 4 计算机的开放式数控系统结构体系。它不 但是课题本身重要组成部分而且是今后硬件和软件工作的主要平台；第三章章将 详细讨论车床控制软件结构化模块划分过程和插补过程的实现。第四章将以 f p g a 、c p l d 在开放式数控系统各功能模块中的典型应用为例，介绍开放式体 系和可重构系统的具体实现。第五章将探讨基于公用电话网组成的远程服务系统 设计。第六章将作全文的总结和展望。 1 7 本章小结 本章详细介绍了开放式结构体系的思想和国内外发展状况；在分析了开放 式结构体系的基础上引出了本文的立题一一基于开放体系结构思想的新型经济 型数控系统的研究。 上海大学硕士研究生学位论文 参考文献 f l 】李开生、张慧慧、费仁元等，机器人控制器体系结构研究的现状和发展，机 器人，、b 1 2 2n 0 3 ，2 0 0 0 ，5 2 】陆志强，吴祖育，梁建刚。1 9 9 7 开放式数控体系结构的研究机电体化，4 ： 1 3 1 5 3 】杨文龙，姚淑珍等。1 9 9 7 软件工程电子工业出版社 4 齐治国，谭庆平等。1 9 9 7 软件工程高等教育出版社 5 旌进发，梁锡昌。1 9 9 7 机械模块学理论中国机械工程，8 ( 6 ) ：5 3 5 5 【6 】易明，1 9 9 2 变化中的市场和模块化系列产品。建筑机械，2 ：2 5 3 0 7 】劳俊等，1 9 9 4 模块化与现代制造技术。制造技术和机床，9 ：4 0 _ q 3 8 】周明德等；开放式控制系统的现状、趋势和对策，中国机械工程v o l i o ，n 0 1 0 ， 1 9 9 9 ，1 0 ，p 1 0 9 m 一1 0 9 3 9 周厚伏，裴仁清基于p c 1 0 4 的开放式数控系统，机械与电子，2 0 0 2 年第 六期，p 1 5 1 0 w o l f g a n gs p e l l i n g ，p e t e rl u t z ，d e s i g n i n ga p p l i c a t i o n f o ra no s a c a c o n t r o l ，p r o c e e d i n g o ft h ei n t e r n a t i o n a lm e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g c o n g r e s sa n de x p o s i t i o n ，d a l i e s u s a ，n o v e m h e r l 6 2 1 ，1 9 9 7 ： 11 j e r r yy e n g ma n do m a cp a r t n e r s h o p m a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ，1 9 9 8 ，7 1 2 周学才等，开放式机器人通用控制系统，机器人，v o l 。2 1 n o ，1 ，1 9 9 8 ， p 2 5 3 1 1 3 3 范永，谭民，机器人控制器的现状及展望，机器人，v o l 。2 1 n 0 。1 9 9 9 ，p 7 5 - 7 9 1 4 w i n d o w s b a s e dp cr o b o tc o n t r o l l e t ，y a s k a w an e w sr e l e a s e ，1 9 9 7 ，1 0 ； 1 5 m a m o r um i t s u s h i ，t a k a a in a g a o a no p e na r c h i t e c u r ec n c c a d c a m m a c h i n i n gs y s t e m w i t hd a t a b a s e s h a r i n g a n dm u t u a li n f o r m a t i o n f e e d b a c k a n n a l so ft h ec i r p ，v o l4 6 n o i ：2 6 9 2 7 4 ，1 9 9 7 1 6 y o r a mk o r r e n c o n t r o lo fm a c h i n et o o l s ，a m s ej o u n a lo fm a n u f a c t u r i n g s c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ，v o l ，1 1 9 ：7 4 9 7 5 5 ，1 9 9 7 1 7 d e l t at a uc o m p a n y ，u s e rm e n u ，2 0 0 0 - 9 上海大学硕士研究生学位论文 第二章：数控系统结构体系设计 引言：第一章详细介绍了开放体系的具体规范以及开放式数控系统的国际国 内发展现状。我们可以看出开放体系结构设计是数控系统发展的趋势。本章将在 开放式数控体系结构思想基础上，从市场要求与功能设计出发，结合具体项 目一一宁波某公司经济型车床数控系统的研制，具体说明数控系统体系结构设计 过程。 2 1 市场需求和设计要求 小型、经济型数控系统的需求越来越大，其中很大一部分是车床数控系统。 那么市场到底需要怎样的数控系统呢? 对数控系统的设计者提出了那些设计要 求呢? 决定因素有四个：成本( c o s t ) 、质量( q u a l i t y ) 、交货期( t i m e ) 和服务 ( s e r v i c e ) 。j 一 副 就成本和性能而言：由于市场面向中小企业、民营企业乃至家庭企业，机床 加工的产品批量多、转型快。因此整台机床的成本要求在2 5 万内，而对数控系 统要求争取在l 万元以内。对性能的要求与单片机经济型数控系统区别在于：软、 硬件具有可重构性：完善的远程服务体系和友好的人机交互界面。 就质量而言：由于准备要使用在工况较为恶劣的环境中，对数控系统的稳定 性和可维护性要求较高。结构小型化，采用标准模块有助于提高系统的可靠性。 就交货期而言：由于小型加工型企业加工的产品批量多，数量少；而且往往 产品交货期短，因此，要求数控系统和机床的交货期也是十分紧迫。一般从订货 到组成整机也就是二个星期左右。 就售后服务而言：经济型数控系统的使用对象为教育程度一般的工人，所以 服务涵盖的内容就更广泛。具体的内容有：安装调试、远程故障诊断、远程状态 检测、远程人员培训和加工程序编写：因为部分用户采用排刀方式来j j a - r 以提高 零件生产的效率，而针对具体零件的排刀，不熟练的用户会耽误很多时间而影响 加工效率，所以本文讨论的售后服务还包含远程辅助排刀。对于远程服务，本文 将在第五章详细论述。 2 2 明确控制系统的功能 以上的设计要求，开发对象应完全具有和一般车床数控系统同样的功能同 时，还要体现开放式结构体系思想和远程服务功能。软件设计要求人机界面采用 中文、图形方式，可以在线实时输入加工数据，实时显示加工状态，也可在线进 行系统状态参数的调整等。具体的设计指标有；最小脉冲当量0 ，0 0 2 r a m 0 0 0 1 m m ( 可设置) ；最大编程尺寸+ 9 9 9 9 9 9 9 m m ；控制轴数2 轴( x ，z ) ；直线插补、圆弧 插补、螺纹插补和刀具补偿功能；远程服务功能：远程辅助排刀功能：本文研制 的数控车床采用步进电机作为进给执行元件：主轴转速控制实现变频器无级调 上海大学硕士研究生学位论文 速；x 轴和z 轴步进电机都与机床直联，不用减速箱，以提高加工精度和光洁度， 减少振动：步距角的圆整可由系统内部处理；并安装机械零点，行程开关。 根据所提出的具体功能指标，将功能划分为人机界面功能模块、数据变换功 能模块、控制功能模块和远程服务功能模块。人机界面功能主要完成操作命令和 加工程序的输入输出，可以在线修改程序和加工轨迹显示等；数据变换主要指数 据的形态和格式在信息流动的过程中发生变化；控制功能包括实时管理、伺服控 制和输入输出控制等；远程服务包括远程检测、故障诊断、远程培训和远程辅助 排刀功能等。 2 3 将控制系统的功能分解 由图( 1 1 ) ，在开放式数控系统中，控制系统的功能主要由基本系统层、软 件应用层和接口控制层实现。本文根据功能模块中的信息内容尽可能独立的原则 和艚性能价格比原则，合理将这些功能划分到上述三个基本层次中去。 基本系统层完成信息流的变换；基本系统层还要完成各功能模块间物理连接 与信息传递的作用。 接口控制层完成开关量输入输出，并提供相应的接口函数；伺服处理模块完 成伺服方式；本文在专用的软件模块完成位置伺服后，由专用的硬件模块实现步 进精插补；硬件精插补将在第三章中详细介绍。 应用软件层完成人机界面的管理和加工轨迹显示，伺服进给量直接送伺服控 制模板接口；实现各种功能变换如比例变换、补偿变换等；实现实时操作控制， 远程服务功能。 2 4 系统方案的设计 以上有关功能的分解实际是从机电一体化集成理论的功能角度分析了车床 数控系统的整体构成。本文根据经济型数控系统市场市场要求和设计要求，提出 以下几种解决方案。 2 4 1 单片机系统解决方案 单片机是单片微型计算机的简称，指在一块半导体芯片上集成了c p u ，存储 器r a m r o m 以及输入输出接口电路，能够独立完成控制功能。 我国早期的经济型数控系统大多采用单片机作为基本控制器。单片机的特点 是：面向实时过程，位处理能力和输入输出能力通常较强，而面向事务的管理能 力较弱，如寻址空间、指令处理负责，处理事务效果差等；尤其缺乏在网络和远 程通信方面的能力。因此不能用单一的单片机系统去完成较复杂的控制任务或带 太多管理任务。并且其研制周期较长、初拼研制费用高。它可作为局部的c p u 系统应用在键盘模块、i o 模块中。尽管就单一产品而言，单片机价格较为低廉， 但由以上的分析得知，单片机系统很难满足加工轨迹显示、远程服务等功能要求， 上海大学硕士研究生学位论文 更不能满足开放式体系结构的要求。 2 4 2 工业微机控制系统解决方案 应用在工业场合的微机控制系统又称为工业控制机( i p c ) 。随着个人计算机 技术的迅速发展，i p c 与p c 在操作系统、总线结构、体系安排上全面兼容。和 普通p c 比较，它具有较鲜明的特点： ( 1 ) 丰富的输入输出功能。通过高效的i 0 通道，能够和工业控制对象的传感 器、执行机构直接接口，完成对设备的控制。 ( 2 ) 实时性较强。工业控制机具有时间驱动和事件驱动的能力。需要有实时操 作系统和较多优先级的中断系统，良好的存储器配置。 ( 3 ) 可靠性。i p c 可靠性较p c 高。 ( 4 ) 较为昂贵。同等c p u 类型的i p c 的价格比p c 机高出许多。所以在工作环 境好，干扰较小的情况下可以采用普通p c 加装接口模板来设计控制系统， 以节省费用。 其组成开放式数控系统的典型方式就是本文第一章1 5 节所描述的基于工 控机( i p c ) 控制模式的开放式数控系统。工控机+ p m a c 卡组成开放式数控系统 功能主要特点在于它的集成化、兼容性和数字运算的高速性。在较高级的、多轴 连动的开放式数控系统中优点突出。但在发展经济型数控的中小企业乃至潜在市 场较大的家庭企业，这种方式在技术和市场推广上受到一些制约，具体体现在： 1 ) 上位机工控机资源使用不足 在图( 1 - 2 ) 中，主频为2 3 3 m h z 的工业控制机在此系统中仅仅作为数控系 统的管理模块，实现人机交互、显示模块的支持和管理。而工控机强大丰富的输 入输出功能、大量高效的i o 通道，能够和工业控制对象的传感器执行机构相连 的接口被闲置；强实时性和多优先级的中断系统不能发挥有效作用；良好的存储 器配置被当作一般机械硬盘使用。从而造成工控机使用不足，上位机c p u 资源 浪费十分严重。使得整个数控系统的性能价格比降低。 2 ) 下位机p m a c 功能具体系统针对性差 由第一章1 5 节分析我们可以看出p m a c 整体功能的确十分强大。但在由 p m a c 组成的具体经济型数控系统中，p m a c 适应多操作平台、响应多种反馈、 多插补模式和变量控制p l c 功能等许多功能基本大多被闲置不用。这种现象一 方面造成了p m a c 资源的严重浪费，另外使用企业购买了许多用不到的功能， 相对加重了企业的负担，不利于数控机床的推广发展。 3 ) 价格昂贵，不满足低成本要求 目前对大部分的中小企业，一方面有添置数控机床，改良设备以提高产品质 量的愿望另一方面缺乏资金或资金不充裕；况且在市场经济体制中，企业发展迅 速，产品转型快。因此价格低，性能优良的产品就十分受欢迎。而花费几万元的 上海大学硕士研究生学位论文 工控机+ p m a c 模式的数控系统不能满足中小企业对产品成本的要求。 4 ) 操作复杂，培训周期长 由于p m a c 卡功能的复杂导致使用和操作整个数控系统较为复杂；一般的 工程技术人员要清楚理解p m a c 的功能也要花费不少时间，所以这也给培训和 维修带来一定的困难，对其市场推广不利。 2 43 新方案的提出 本文研究的着眼点是解决广泛分布在全国各地的中小企业、民营企业乃至于 家庭工厂小型、经济型数控设备的配置问题，开放式体系又是