（机械制造及其自动化专业论文）开放式数控系统若干关键技术的研究及应用.pdf

开放式数控系统若干关键技术的研究及应用 摘要 数控系统的发展与计算机技术是紧密相连的，当前数控技术的研究主流是 在p c 机上搭建数控系统，本文以p c 机为基础，对开放式c n c 系统的体系结构、 硬件系统、软件设计及其若干关键技术进行了分析研究。论文的主要内容包括： 1 分析了开放式c n c 系统的体系结构。 2 讨论了开放式c n c 系统的硬件系统、软件设计。 3 研究了开放式c n c 系统软件设计中的若干关键技术：多线程技术在开放 式c n c 系统中的应用技术，网络数控技术，w i n d o w s 操作系统的实时控制技术。 4 在开放式c n c 系统理论分析基础上，重点总结和研究了具有开放式体系 结构的数控弯管机( s t a r 0 3 w ) 的软、硬件系统，数控涂胶机( s t a r 0 4 g ) 的软、 硬件系统和基于a u t o c a d 2 0 0 0 的自动编程系统( s t a r a p s 0 4 ) 。 关键字：开放式数控系统；网络数控系统；实时控制；自动编程系统；数控弯 管机：数控涂胶机 o p e n n u m e r i a lc o t r o l s y s t e mk e y r e c h n o l o g y s r e g e a r e ha n d a p p l i c a t j o n a b s t r a c t n c ( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 )s y s t e m sd e v e l o p m e n t i s d e 印l y a s s o c i a t e dw i t h c o m p u t e rt e c h n o l o g y n o w ， n ct e c h n o l o g y sr e s e a r c hm a i n s t r e 锄i s d e v e l o p i n g n u m e r i c a lc o n t r o is y s t e m 、v i t hp c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) t h i sp a p e ra n a l y s e s o p e n c n c ( c o 如【p u t e r n u m e r i a l c o n f r o 【)s y s t e m ss y s t e ma r c h i t e c t u r e ，h a r d w a f e s y s c e m ，s 0 肌a r ed e s i g na n di c ，sk 叫l o c h n o j o 秭w h i c hj sb a s e do np c t h ef o j j o 州n g i sc o n t a i n e d ： 1 a n a i y s e so p e n c n c s y s t e m ss y s t e ma r c h i t e c t u r e ， 2 r e s e a r c h e so p e nc n c s y s t e m sh a r d w a r es y s t e m ，s o r w a r ed e s i g n 3 d i s c u s s e s o p e n c n c s y s t e m s o r w a r e d e s i g n s s e v e r a l k e y t e c h n o l o g y ：m u l t i - t h r e a do p e r a t et e c l l i l 0 1 0 跚n e t w o r k n 眦e r i c a lc o n t r 0 1 t e c h n 0 1 0 9 y w i n d o w so p e r a t es y s t e m sr e a l t i m ec o r 灯o lt e c h n o l o g y 4 d i s c u s s e sn u m e r i c a lc o n 订o lp i p eb e n dm a c l l i n e ( s t a r 0 3 w ) ss o 胁a r e s y s t e ma 1 1 d h a r d w a r es y s t e m ，n 啪e r i c a lc o n 仃o ls p m yg l u cm a c h i l l e ( s t a r 0 4 g ) s s o r w a r e s y s t e m a n d l a ：r d w 趾e s y s t c m 姐da u t o m 撕s m p r o g r a m m i n g s y s t e m ( s 1 、a r a p s 0 4 ) b 婚e do na u t o c a d 2 0 0 0 ，w 毯c hi s b 豁e do no p e nc n c s y s t e m k e yw o r d s ：o p e nc o m p u t c rn u m e 币c a lc o n t r o ls y s t e m ，n e t w o r kn 啪e r i c a l c o n t r 0 1 s y g t e m ，r e a l - 1 砸1 ec o m r o l ，a u t o m a t i s mp r o g r 猢i n g s y s t e m ，n 啪e n c a l c o n 仃o lp j p eb e n dm a c h i n e ，n 啪e r i c a lc o n t r 0 1 s p r a yg l u em a c l l i n e 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士 学位论文质量要求。 主席： 委员： 答辩委员会签名( 工作单位、职称) 西乏轰般移雨 锄饼乃 牲嚷步瞅卿 口学设i 极髯) 庵峨参，蕊 稚辫t 导牌嵌 彦霄 式 中 钒妙 粑躬嗡龠 张弘 it_-；腼彬 订徽 & 。 羡铭 师导 插图清单 图2 一l 系统平台9 图2 2 多c 刚结构形式1 1 图3 一l中断型软件系统结构图1 7 图3 2 实时l i n u x 总体结构】8 图3 3l i n u x 实时控制软件功能模块图1 9 图3 4l in l l x 系统管理软件功能模块图1 9 图3 5 网络数控的组成2 4 图3 6 网络数控系统层次结构2 5 图3 7w i n s o c k 在w i n d o w s 编程中的位置2 7 图3 8 面向连接的套接字工作过程2 8 图4 一l 数控弯管机的硬件结构3 7 图4 2 右旋管式弯管机机床坐标系3 8 图4 3 一段管形示意图3 9 圈4 4 数控系统x 、y 、z 界面4 l 图4 5 数控系统y 、b 、c 界面4 l 图4 6 数控弯管机软件系统手动操作模块4 2 图4 7自动加工程序流程图4 2 图4 8 数控弯管机软件系统自动操作模块4 3 图4 9 数控涂胶机硬件结构d 4 图4 一1 0 数控涂胶机软件系统自动加工模块4 5 图4 一1 1 数控涂胶机软件系统手动加工模块4 7 图4 一1 2 数控涂胶机软件系统文件创建及修改模块4 8 图4 1 3d x f 文件处理流程图5 2 图4 1 4a u t o c a d 2 0 0 0 中的实体模型5 5 图4 1 5 实体模型g 代码格式文件5 5 图4 1 6 数控涂胶机系统仿真界面5 5 表格清单 表1 线程的相对优先级的含义2 3 表2 多媒体定时器来实现定时控制的有关函数3 4 表3 直线、圆、圆弧相应坐标点所对应的组值5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，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经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 盒胆王些叁堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储躲套童许签字嗍训婷牛月坍 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权垒熙王些盘堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：景益许 签字日期：沙好q ，月刃萌 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 翩躲磷 签字日期：万年p 月叫日 电话 邮编 致谢 值此论文完成之际，首先要衷心地感谢我尊敬的导师韩江教授! 在近三年 的研究生学习期间，韩老师在科研工作中，以他严谨务实、一丝不苟的治学态 度和对学术问题的独到见解，对研究课题的准确把握深深地影响了我。韩老师 具有丰富的科研经验，他循循诱导，不仅教给我们知识，更教给我们独立分析、 解决问题的能力使我能够克服困难，把项目和论文都尽量做得更好。在生活 上，韩老师能够把我们的生活冷暖放在心头，经常关心我们的生活。 从开始收集与本论文有关的资料，一直到本论文的完成，韩老师都给予了 我无私的指导和帮助。在选题、开题及至完成论文的每一个阶段，韩老师都严 格把关，并在论文的写作思路上给予了建设性的意见。对论文的审阅也同样耐 心细致，大到论文的框架，小到一个字词的运用，韩老师都是一样地细心纠正。 感谢合肥工业大学机械与汽车工程学院的夏链老师、祖垣老师、何高清老 师、何凯老师! 在我攻读硕士学位期间，他们在项目研制过程中给予了我许多 指导和帮助。 感谢合肥工业大学c i m s 研究所的王治森教授对我的关怀和指导! 感谢我的同学唐长平、方兴、胡朝斌、曹斌、曹哲术、王宗思等，和他们 在一起的学习和生活时光将值得我永远纪念。 感谢师弟王建兵、程志、郭建强、姜晓林、成勇、潘斌、陆荣峰等给予了 我的帮助! 最后还要特别感谢父母的养育之恩，是他们数十年的不辞劳苦、任劳任怨 给予了我强大的精神支柱，使我最终得以完成学业。 作者：余道洋 2 0 0 5 年4 月 1 1 数控技术发展的历史 第一章绪论 数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、 测量技术、机械设计与制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来的进 行机床控制的新技术。 数控技术的广泛使用，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带 来了深刻的变化。数控技术是国防现代化的重要技术，数控技术是关系到国家 战略地位和体现国家综合国力的重要基础性技术。 数字控制( n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) 是数字化信号对机床运动及其加工过程 进行控制的一种方法，简称数控( n c ) 。最初的数字控制系统是由数字逻辑电路 构成的，因而称之为硬件数控系统。随着计算机技术的发展，硬件数控系统被 逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控系统( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r o l ，简 称c n c ) 。数控技术在各行各业特别是在制造业中得到了广泛的应用。 到目前为止，数控系统的发展已经经历了以下几个阶段： 从本世纪五十年代初美国推出第一代数控系统到1 9 7 0 年，数控系统的发展 经历了电子管、晶体管、集成电路三代。这几代数控系统都是利用逻辑电路来 实现控制功能，因此被称之为“硬件”数控。其功能简单、灵活性差、设计周 期长，因此限制着其进一步的发展与应用。 七十年代开始，出现了采用以大规模集成电路为基础，采用内装小型计算 机的计算机数控( c o m p u t e r n u m e r i c a l c o n t r o l ，c n c ) 系统，标志着数控系 统进入了以计算机为主体的阶段。由于软件的灵活性，大大地推进了c n c 系统 的发展。 1 9 7 4 年，微处理器的出现又给数控系统的发展带来了机遇，出现了采用内 藏式微处理器芯片的c n c 系统，真正地实现了机电一体化，进一步缩小了体积， 降低了成本，且由于c r t 的应用，简化了编程和操作，使数控系统达到了一般 企业所能接受和普及的程度。 1 9 7 9 年，c n c 进入了第四个阶段，其特征仍以微处理器为基础，另外采用 超大规模集成电路、大容量磁泡存储器、可编程接口和遥控接口等，功能更为 完备，基本上完成了标准型单机系统的开发。 1 9 8 1 年，c n c 的发展进入了第五个阶段，达到了全功能的技术特征。其体 系结构朝柔性模块化方向发展，辅助软件也发展很快，具有交互式对话编程、 三维图形校验、实时多任务操作等，并向机床制造厂提供了开发手段，以a i ( a r t i f i c a li n t e l l i g e n c e ，人工智能) 方式纳入机床制造厂的丰富工艺经验， 在产品上实现标准化、系列化，可按用户需求来扩充、裁减，以满足不同用户 层次的需求。 3 2 位c p u 以很强的数据处理能力在c n c 中得到了广泛的应用，使c n c 系统 进入了高速、高精度阶段。3 2 位c n c 已成为国外数控装置的主流。为了迸一一步 提高数据处理速度，一些公司推出了多c p u 结构的c n c 系统。g e f a u n c 在1 9 9 1 年选用了双r i s c 处理器作为其g e f 1 5 系统的主c p u 。同时通过软件补偿等各 种方法，c n c 系统的加工精度不断提高。这些措施使c n c 系统的高速、高精度处 理能力达到了一个很高的水平。 近年来，基于个人计算机的c n c 系统得到了很大的发展。1 9 9 4 年基于p c 的c n c 控制器在美国首先亮相市场，此后这类系统获得了高速的发展，成为最 具影响的发展，这个发展的热潮就是开放式体系结构数控系统的研究与开发 【1 】 2 【3 】【4 l 。 1 2 开放式体系结构数控系统 1 2 1 传统数控系统体系结构 尽管传统的数控机床是有人机交互模块、零件程序译码和数据处理模块、 轨迹插补模块、轴伺服控制模块、i o 模块和任务协调模块组成，但是长期以来 占据大部分制造业市场的数控系统( 以s i e m e n s 、f a n u c 等为代表) 应用的是一 种专用的、封闭式的体系结构。所谓专用具有以下含义： 1 组成系统的硬件是专用的，主板、c p u 板、伺服板以及它们的连接方式 等都是专门设计的，与其他系统同类型的电路板是不通用的； 2 系统软件结构是专用的，系统软件技术细节是不公开的，不提供给用户 的： 3 虽然它们在组织结构上也分为上述若干个模块，但是在具体实现方法上 却有很大差别，这与各生产商选择的基础技术、技术政策、指导方针、发展历 史等因素有关。例如各个系统的内核功能一般都是根据n c 程序来处理轴的运动， 但是内核各部分之间的交互方式、通讯协议和机制、内核与外部模块之间的交 互方式等则是因系统的不同而不同，所以说各个系统是相互独立而又彼此封闭 的。 然而，在很多情况下，用户需要把特殊要求融入到控制系统中去，由于传 统数控系统的封闭性，使得对它的修改和增加功能等工作对每个用户来讲是不 可能，必须求助于系统的供应商，这样就使得机床制造厂的技术保密性有所降 低，同时机床制造厂家从一种控制系统转换到另一种控制系统是一件十分耗费 精力和时间的事情，最终用户在使用、维护控制系统时同样面临这个问题，更 为不便的是，软件对硬件的不可移植性使得一些非常好的应用软件不能很好地 应用到不同的系统环境中去。当今机床正向着灵活、多功能、复杂化的方向发 展，而且常常针对特定用户要求制造。机床的广泛应用和制造技术的迅速发展 2 对控制系统提出了柔性化、可组装的要求。因此建立一种开放式的、独立于硬 件的数控系统是广大制造企业、机床生产厂商和某些控制系统生产厂家的共同 需要。 1 2 2 开放式数控系统体系结构的产生及发展 为了满足机床生产厂家的利益，目前，已经有了一些具有一定开放性的控 制系统。在这些控制系统中，有的非实时部分可咀由用户修改，有的可在指定 位置插入实时控制部分。然而所有这些系统的软件结构都是固定的，缺乏柔性， 没有基于系统制造者无关的标准。具体来说，下面这些因素促成了当前开放式 体系结构控制系统的研究热潮。 1 中、小批量零件的加工对机床的柔性和通用性提出了更高的要求； 2 将控制系统改装到具体的机床上所要付出的开销较高； 3 机床制造者将其经验技术集成到控制系统所受的限制； 4 独立于控制系统制造者的软件开发活动匮乏： 5 无相应的标准； 6 控制系统的开发、维护、培训和文档培训工作成本高。 那么，什么是开放式体系结构的控制系统昵? i e e e 对开放式体系结构控制 系统的定义是：开放式体系结构控制系统提供这样一些功能，它们能在不同厂 商的各种不同平台上运行，能支持与其他系统的相互操作，并且具有用户界面 的一贯形式。 采用这种开放式体系结构的控制系统，对c n c 制造厂商来说，将大大缩短 系统的开发周期，易于满足客户的不同需求。对最终用户而言，则可获得功能 更强大、价格更便宜的c n c 系统，而且升级和集成更为容易。无论是c n c 系统 的制造厂商还是最终用户，都可以减少对系统控制器卖方的依赖性，可集成自 己独特的软件到不同的系统中，随时扩展系统在f m s 、c i m s 等需求方面的能力， 系统的维护更为方便、容易。因而开放式体系结构也就自然而然的被各发达国 家定为重要的战略技术，促成了世界上许多国家和地区众多战略发展计划的纷 纷出台。美国、日本和欧洲可称为开放式控制系统研究的龙头。 1 9 8 1 年，美国发起了一个称为下一代控制器的计划，简称n g c ( n e x t g e n e r a t i o n w o r k s t a t i o n 佣a c h i n ec o n t r o l l e r ) ，企图通过联合行动实现基于 互操作和分级式软件模块的“开放体系结构标准规范”s o s a s ( s p e c i f i c a t i o n f o ra n o 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 ) ，以达到加强其工业基础， 恢复其制造业霸主的地位的目的，在世界范围掀起了新的一轮竞争。由于经济 的原因，该计划在1 9 9 1 年中断。最近，在原先s o s a s 的结果的基础上，n g c 的 工作再次被启动，并再次得到美国国防部的资助。并成立了“美国国家制造中 心( n c m s ) ”，其主要目的是推进关于新一代开放式控制系统的详细分析。其后 美国三大汽车公司( c h r y s l rc o r p ，f o r dm o t o r g e n e r a lm o t 。r p o w e r t r a i n g r o u p ) 于1 9 9 4 年发起了一项被称为“开放式模块控制器0 m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r 0 1 1 e r ) ”的计划，目的在于缩 短产品开发周期，提供软硬件模块的“即插即用”和高效率的控制器重构机制， 从而使系统易于更新换代，适应需求的变化。 与n g c 同步，一项面向二十一世纪制造业的长期研究计划一智能制造系统 i m s ( 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 ) 也在讨论之中，该项计划由同 本工业界领导，但同时也向其他国家的合作伙伴开放。1 9 9 0 年日本的i m s 中心 成立。1 9 9 4 年，一项将历时十年的i m s 计划日程表发表并开始启动。其中的大 部分计划都是和先进制造系统相关。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。这些计划将深刻地影响到将来 的控制系统技术。日本亦同时启动另一项开放系统计划，其主要做法是在基于 p c 的平台上开发开放式系统。三家机床厂商( t o s h i b am a c h i n ec o ，t o y o d a m a c h i n e w o r k s ，l t d ，y a j n a z a k i m a z a k c o r p ) 和三家信息和电子系统企业 ( i b m j a p a n ，l t d ，m i t s u b i s h i e l e c t r i c c o r p ，和s m lc o r p ) 在1 9 9 5 年组建了一个工作组o s e c ( o p e ns y s t e m e n v i r o n m e n tf o r c o n t r o l l e r ) ， 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。今天，该工作组已经发展到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。 面对国际市场的新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。1 9 8 7 年1 0 月，在德国机床厂联合会的支持下，就曾由斯图加特大学的 制造控制技术研究所进行了对“未来控制技术”的研究。提出的新型控制器的 方案是：可组配、模块化和开放式。1 9 9 1 年1 0 月，由欧共体国家的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联合发起了0 s a c a ( o p e n s y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r 0 1w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划， 立足于提高机床制造商在世界市场中的竞争力。其主要目的是制定一个与制造 商无关的开放式控制系统的体系结构，以减少产品的上市时间，提供更强的柔 性程度，减少开发、维护、培训和文档建立的费用。这项计划的第一阶段于1 9 9 4 年结束，完成了o s a c a 规范和应用指南的制定，第二期于1 9 9 6 年4 月结束，主 要完成依据o s a c a 规范建立一个五轴制造系统的环境，用以调试、验证、扩展 前一期的各种规范。o s a c a 第三阶段己于1 9 9 7 年1 月开始，意在推广前期的工 作。 目前，控制系统自动化仍然主要是以美国为主导而展开。0 m a c 作为美国实 施开放式计划的代表，其技术条件完全按克莱斯勒公司、福特公司和通用汽车 公司三大汽车公司提出的要求。通用汽车公司的发动机工厂自从采用以个人计 算机为核心的开放式控制方式后，与以往相比，控制系统的成本降低了7 4 遥 控设备的成本降低了4 0 。在研究开放控制系统的基础上，美国出现了新的工厂 自动化方式和新的生产方式，并促进了产业结构的调整和产业的再生。在日本， 个人计算机c n c 也进入了实用阶段，但其普及速度比较缓慢，尚未完全摆脱摸 索和研究的境地：在欧洲，以德国为中心的开放式热潮正大张旗鼓地铺丌。 目前，世界上比较成功的开放式数控系统是西门子s i n u m e r i k8 4 0 d 系统， 它与si n u m e r i k 一61 1 数字驱动系统及s i m a t i c s 7 可编程控制器一起，构成全数 字控制系统，具有优越的动态品质和控制精度。s i n u m e r i k8 4 0 d 系统、 s i n u m e r i k 一6 儿数字驱动系统加上s i m a t i c s 7 可编程控制器，即为机床的自动 化提供了全方位的解决方案。s i n u m e r i k8 4 0 d 系统具有不断扩展的特性，通过 系统平面，制造商可根据需要，构成各种不同的系统形式，同时它也拥有极高 的系统兼容性，可将p l c 、删c 及n c 任意组合与培植【5 1 【6 】【7 】i 钔。 1 3 论文的来源、主要研究内容及意义 由于传统思维的影响，数控机床的研究方向一直局限于提高加工精度和自 动化水平上，机床的数控系统只作为机床运动的控制器，一直以封闭的结构形 式发展。使操作者的地位降低为机床的附属物，致使人们长期以来积累的劳动 经验和决策创造力得不到充分发挥。 经过了几个五年计划的建设，我国数控系统的生产已经有了一定的规模， 个别企业的产量已经达到了具有一定的经济规模的批量，但是国产的数控装置 性能不高，稳定性及可靠性也不够理想。随着2 1 世纪的到来，为了达到“十一 五”提出的宏伟目标，我国加大了在高科技领域的投入，在许多研究领域都已 经取得了重大成果。但是，我国在机床行业的形势依然严峻：一方面由于国内 生产发展，需要大量的数控机床；另一方面国内的机床生产厂家却不能提供相 应的产品，因此，每年我国要花费巨资进口数控设备。而且，由于我国已经加 入w t 0 ，国外数控机床的竞争优势进一步增强，所以，当务之急是研究和开发自 己的具有一定竞争力的数控系统，这已经被政府和有关行业的人员所认可。 合肥工业大学c i i s 研究所一直从事数控系统的开发，其中在开发数控齿轮 加工机床方面比较有特色，本人在参与开发数控弯管机( s t a r 0 3 w ) 和数控涂胶 机( s t a r 一0 4 g ) 的过程中，对开放式数控系统进行了分析和研究，撰写了本论文。 本论文主要研究内容如下： ( 1 ) 讨论了基于p c 的开放式数控系统的定义、体系结构、硬件结构和软件 设计。 ( 2 ) 由于目前国内开发的c n c 系统大多数是基于d o s 操作系统下开发的，这 样w i n d o w s 强大的功能及其应用软件就难以被充分利用，为了充分利用现代网 络技术和丰富的应用软件资源，选用w i n d o w s 操作系统作为开放式数控系统的 操作平台。在对开放式c n c 系统进行面向对象分析的基础上，研究了p c w i n d o w s 平台上实现软件开放的方法。 ( 3 ) 研究了在w i n d o w s 操作系统下开发开放式g n c 系统的若干关键技术：多 线程技术在丌放式c n c 系统中的应用技术，网络数控技术，w i n d o w s 操作系统的 实时控割技术。 ( 4 ) 重点总结和研究了具有开放式体系结构的数控弯管机( s t a r 0 3 w ) 的软、 硬件系统，数控涂胶机( s t a r 0 4 g ) 的软、硬件系统及基于a u t o c a d 2 0 0 0 的自动 编程系统( s t a r a p s 一0 4 ) 。 加强开放式数控系统的研究，对我国加强改造传统制造模式，增强企业竞 争力，具有重大的现实意义。 6 第二章开放式数控系统体系结构及硬件结构 z 1 开放式c n c 系统的概念 开放式c n c 系统是指具有以下功能的c n c 系统： ( 1 ) 能够在各种操作环境下运行： ( 2 ) 可以和其他系统相互交流信息： ( 3 ) 能给用户提供一种统一风格的交互方式。 开放式c n c 系统具有四个基本特征：即可互操作性、可移植性、档次皆宜 性和可互换性”j 。 1 可互操作性 传统的c n c 系统可以完全胜任于设计和制造分离的场合。目前，制造技术 正向着信息集成的方向发展，当一台用于设计的计算机与一台机床紧密连结时， 就允许同步地制造所设计的产品，因此要求在集成的环境下，c n c 系统能和不同 的系统彼此互连，实施正确、有效的信息互通，同时在信息互通的基础上，能 够信息共用，完成信息处理的协同工作。这是铡c 系统进入更高层次的信息集 成所要求的。另外，由于p c 机上具有丰富的软件资源，c n c 系统应能充分地利 用它们，包括应用这些软件产生的有用信息，能方便地和这些软件进行信息互 通和互用，完成应用处理的协同工作。 2 。可移植性 可移植性是指一个应用软件的选购和使用可以和它们所使用的系统无关， 它既可以在甲系统下运行，也可以在乙系统下运行，而不需要或仅需要作少量 的修改，可移植性应用于c n c 系统，其目的是解决软件公用的问题，要使系统 提供可移植的特性，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，要求各部件具有统一的数据格式、行为模式、通讯方式和交互机 制。具备可移植特性的系统，可使用户具有更大的软件选择余地，通过选购使 遐多种系统豹软件可以显著地降低费用。在应用软件的开发过程中，重复投入 费用降低。可移植性也包括对用户的适应性，要求c n c 系统具有统一风格的交 互界面。 3 档次皆宜性 在某些场合的应用中c n c 系统不要求有很高的精度，仅需要完成简单的动 作，在无人化的工厂中，人机交互界面的功能也不需要很强。在这些场合，只 要将必需的功能装配到系统中去就行了，另一方面，有些应用，譬如模具制造 业，则可能要求将曲面插补功能集成到系统中去，以减少海量的加工数据，因 此，目前，c n c 系统的功能、规模应是灵活的、可变的，即可以增加配件或软件 以构成功能更加强大的系统，也可以裁减其功能来适应低端应用。同一软件既 可以在该系统的低端硬件配置上应用，也可以在该系统的高端硬件配置上应用 7 ( 假如该软件的运行所需的配置均能满足) 。档次皆宜性使c n c 系统用户可以灵 活地改变其应用场合。一台控制器可以适用于多种类型加工设备的控制。 4 可互换性 可互换性是指构成系统的各部件依据其功能、可靠性及性能要求相互可以 代替，构成丌放式体系结构的系统，不受唯一供应商的限制，也无须为此付出 昂贵的版权使用费，相反，只要支付合理的或较少的费用，即可获得系统的各 组成件，并且各组成件可以有多个来源。 2 z 开放式c n c 系统的开放层次 目前，大量的供应商提供了各种各样的加工及控制系统的解决方案，这些方 案构成了解决所有自动化系统的形形色色的途径。然而，要想附加集成一些由 不同卖方提供的功能时，却有相当的难度，这些困难主要集中在不同供应商提供 的系统之间没有公共的接口，需要很高的扩展、扩充及集成费用，没有一致风 格的操作界面以及需要分别针对不同的系统来培训人员等使维护费用急剧增加 等等。为解决系统开放集成上的难题，我们可以采用三种不同层次的开放模式 【1 2 】 1 3 】： 1 开放人机控制接口 人机控制接口( m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，删i ) 是指有关操作人员操纵设备 的界面和其编程界面的部分。这种开放方式允许开发商或用户构造或集成自己 的模块到人机控制接口中。这一手段提供给用户灵活定制适合于各自特殊要求 的操作界面和操作步骤的途径。般使用在基于p c 的作为图形化人机控制界面 的系统中。 2 开放系统核心接口 这种方式除了提供上述方式的开放性外，还允许用户添加自己特殊的模块 到控制的核心模块中。通过开放系统的核心接口，用户可以按照一定的规范将自 己特有的控制软件模块加入到系统预先留出的内核接口上，这一手段使用户有 可能将不同卖方的模块集成上去。 3 开放体系结构 开放体系结构o s a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r e ) 的解决方案试l 虱提供从 软件到硬件、从人机操作界面到底层控制内核的全方位的开放。人们可以在开 放体系结构的标准及一系列规范的指导下，扩充或剪裁、生搬硬套或灵活定制、 全套引进或按需集成，最终配置完成功能可繁可简、性能可强可弱、价格可高 可低、不唯一依赖单一卖方的总成系统，而且这一系统仍具备再一次无限重组 的能力。 由此可见，它们的开放层次不同，难度不等，获得的开放效果也相差很大a 2 3 开放式c n c 系统平台分析 系统平台是c n c 系统的结构框架，是开放体系结构的具体逻辑和物理实现， 是开发c n c 系统的基础。系统平台研究一方面将开放体系结构所得到的模型和 规范变成具体的硬件和软件实现，另一方面，将这一平台用于开发具体c n c 系统 的方法和标准。系统平台包括硬件、软件及其结构框架，以良好的系统平台为基 础，不仅为开发高性能系统提供可靠的保证，而且能加快开发速度，缩短开发周 期和方便地玎发出系列产品。 经过仔细的分析，我们得出的结论是要实现具有开放性的系统平台，其硬件 必须是建立在通用总线上，应用软件系统则通过o s ( o p e r a t es y s t e m ，操作系 统) 实施对其硬件资源的使用和控制，系统构件的控制策略以面向对象的技术来 构建。符合开放式体系结构的软、硬件及它们之间的关系【1 4 】f 1 5 】i ，如图2 一l 所示： 操作系统应用程序接口 操作系统 设备驱动程序 晶占岛酷 图2 一l 系统平台 在这种系统中，硬件系统是硬件构件通过标准总线连接在一起而构成，通过 标准总线用户可以方便地加入自己的硬件或购买第三方的硬件。现在基于 p e n t i u m 芯片的主板为了兼容以前的产品，在板子上提供了两种总线：e i s a 和 p c i 总线。组成平台的硬件分为两大部分； 1 ) 基本计算机硬件系统 这部分包括电源、c p u 、内外存、键盘和显示器等，这些硬件都有严格的接 口标准，同通用的p c 机一样。对这些硬件的操作是通过操作系统提供的与其他 硬件无关的设备驱动程序来完成的。 2 ) 数控专用部分 这部分硬件包括运动控制部分和可编程机床控制器( p m c ) 部分。为了提高系 9 统的实时性，般采用两种策略： ( 1 ) 通过在数控专用部分增加c p u 来减轻p c 机c p u 的负担，这种策略可降 低对主c p u 系统处理速度的要求。 ( 2 ) 通过对操作系统进行适当的实时处理，使其达到系统控制所要求的性 能，这种策略对应用软件编制的质量要求较高，但系统的硬件结构简单，开放性 也较高。 2 。4 开放式翻c 系统的硬件结构 数控系统是一种专用的控制系统，它由硬件和软件两部分构成，在四十多 年的发展历史中，数控系统经历了几代的发展，迄今为止，已经成为以微型计 算机为基础的控制系统，随着计算机性能的提高，微处理器的处理速度越来越 高，相应芯片的体积却越来越小，硬件系统对数控系统开发者的约束也越来越 小，随着开放式体系结构思想的推出，计算机技术正向着统一操作系统、相互 兼容的方面发展，这种发展趋势给数控系统带来了新的发展空间。 在个人计算机还没有普及的七十年代和八十年代初，数控系统的技术被一 些发达国家的厂商所占据，他们开发自己的专用总线和芯片，实行技术保密。他 们沿着这条道路走了许多年，形成了各自的技术标准和开发手段，如f a u n c 公司 和s i e m e n s 公司等等。随着个人计算机的普及和数控技术的公开化，越来越多 的新公司也加入到数控系统开发的行列给数控系统的开发注入了新鲜的血液。 c n c 硬件中最重要的是微处理器，可用于c n c 系统的微处理器芯片很多，如 i n t e l 的8 0 x 8 6 系列、p e n t i u i n 系列等，近年来，c n c 所使用的微处理器处理速 度不断提高，在c n c 中甚至采用6 4 位芯片，在运动控制中为了提高采样频率， 还采用了d s p 芯片。尤其是近几年，计算机的硬件系统性能不断提高，c p u 的时 钟频率从几兆到今天的几百兆甚至上千兆，制约计算机整体速度的c p u 和存储 器之间的速度不匹配的问题可以通过增加一到两级高速缓存( c a c h e ) 得到改善。 其他如i 0 接口、通讯功能、显示技术等都得到了很大的发展。f 矗n u c6 系列和 s i e m e n s 8 1 0 系统，它们的时钟频率只有8 删z ，而今天个人微机的时钟频率为几 百兆甚至1 0 0 0 m h z 。计算机的整体性能从八十年代初到现在已经提高了上百倍， 而且这个速度还在不断加快。 产品更新换代的速度也在不断加快新型的电子元件不断涌现，硬件成本 占整个系统成本的比例也越来越低，设计人员在硬件方面也有了更大的伸缩余 地。 2 4 ，1 数控系统硬件结构类型 1 专用总线c n c 系统 这类c n c 系统的硬件由各制造厂专门设计和制造。系统的总线由各厂家自 行规定，没有通用性。专用型c n c 系统一般采用模块化结构，即将不同的结构 0 设计到独立的功能板中，组成系统时，按照功能要求将不同的功能板插入控制 单元母板上，该单元母板一般为总线结构的无源母板，提供模块间互连信号通 路。专用型c n c 系统一般可进一步分为单c p u 型和多c p u 型。 1 ) 单c p u 型 这类系统可以有一个或一个以上的c p u ，但只有一个c p u 能够控制总线，占 用总线资源，分时处理数控的各个功能和任务，其它c p u 只是作为一个智能的 功能部件，不能控制系统总线，不能访问主存储器。这类系统一般利用现有的高 性能的处理器芯片( 如i n t e l 的p e n t i u m 系列) 集中控制，分时处理c n c 系统的 各个任务，构成具有高速处理能力的c n c 系统。 2 ) 多c p u 型 多处理器c n c 结构一般采用无源总线底板。主板结构采用带有独立c p u 的 功能模块，系统模块之间的互连和通信就是通过系统无源总线完成。系统总线 把各个模块有效地连接在一起，按照要求交换各种数据和控制信息，构成一个完 整的系统，实现各种预定的目标。各模块都有权使用系统总线，由仲裁机构来 进行总线管理，或采用多端口形式，如图2 2 所示。许多早期高性能的数控系 统就是按照这种模式组成的，然而自行研制的系统专用总线因其固有的局限性 而将受到硬件技术发展的制约，从而影响整个c n c 系统的发展。 图2 2多c p u 结构形式 2 通用型总线c n c 系统 总线是由地址总线( a b ) 、数据总线( d b ) 和控制总线( c b ) 组成，它是计算机 系统的信息通道，采用总线技术便于简化设计、生产和装配。总线是通过连接 器( 或称i o 插槽) 与外插接板连接。标准通用型总线的种类很多，p c 机所使用 的总线有： 1 ) i s a 总线：i s a 总线是2 8 6 、3 8 6 、4 8 6 微机的总线，其主要性能指标： 8 1 6 位数据线，2 4 位地址直接寻址，工作频率为8 衄z ，最大传输率8 m b s ，中 断功能，d m a 通道功能。 2 ) e i s a 总线：为了适应3 z 位c p u 的发展，使总线适应这种变化，i s a 总线 向e i s a 总线发展。e i s a 完全兼容i s a ，并有3 2 位地址线，总线传输率达到 3 3 m b s 。 3 ) p c i 总线：为了打破传统总线的限制，发挥p e n t i u m 类c p u 的最大性能， 1 9 9 1 年下半年由i n t e l 公司首先提出p c i 总线技术，并立即受到工业界的响应， 其主要特点有： 高性能：p c i 总线的时钟频率为3 3 m h z 且与c p u 时钟无关，它的总线宽度为 3 2 位并可扩展到6 4 位，支持无限读写突发方式和并发方式。 兼容性好：由于它与c p u 的时钟无关，可使用任何插卡，而不管c p u 是4 8 6 型还是p e n t i u m 型。 自动配置：p c l 支持“即插即用”的概念，可使插卡插入系统就能工作，而 不必设置开关和跳线。 不断跟踪并研究计算机领域中系统总线标准的发展，选择并确定其中一种 或几种总线为c n c 系统的硬件基础，才是“最优”选择。这是因为： 1 ) 不用在设计系统总线上花费太多的时间和精力： 2 ) 允许用户或生产配件厂家根据协议开发自己所适应的模块： 3 ) 当计算机系统的总线标准发展时( 如6 4 位计算机系统总线) ，由于其已经 考虑了对过去产品的兼容性，从而保证已开发的c n c 装置的升级性。 2 4 2 开放式c n c 系统的硬件结构类型 个人计算机在推出后短短二十几年的时间里，得到了飞速的发展，如今个 人计算机己深入到我们生活的各个角落，在工业领域也得到了极大的发展。 p c c n c 是比较现实的开发开放式数控系统并实现数控系统开放化的主要 途径，具体地说，就是要在普及型p c 及其o s ( 操作系统) 基础上，简单地使用 市售的软硬件插件，方便快速地开发出具有开放型的数控系统，并使机床厂和 机床用户能够方便地进行软件和硬件的二次开发，追加功能和实现功能的个性 化，不同数控制造厂仅需往p c 中插入自己的控制卡和提供在p c 上运行的c n c 软件即可构成c n c 系统，而无须设计其它构成基本计算机系统的专门硬件。 p c c n c 的主要形态可归纳为三种：n c 板嵌入p c 中，p c 板嵌入n c 装置中， 全软件n c 型。 1 n c 板嵌入p c 中 这种形式在p c 机扩展