（机械电子工程专业论文）面向用户开放的嵌入式运动控制平台研究及应用.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ：t p 2 7 3 at h e s i ss u b m i t t e dt o t h ef a c u l t yo fg r a d u a t eo fs h a n d o n gu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no nt h eu s e ro r i e n t e do p e ne m b e d d e d m o t i o nc o n t r o lp l a t f o r m c a n d i d a t e ：l i ug u o y i n g d e p a r t m e n t ：s c h o o lo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e c h a t r o n i c se n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a n gc h e n g r u i c o s u p e r v i s o r ： s h a n d o n gu n i v e r s i t y , j i n a n p r c h i n a m a y2 0 ，2 0 1 2 2 川0iiiii_叭i1川8川i2哪y 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 斗啦日期：衅：虹 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论 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 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：她导师签名：酶期：址 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 开放式数控系统2 1 2 1 开放式数控系统概述2 1 2 2 国外研究现状：3 1 2 3 国内研究现状4 1 3 嵌入式控制系统软件开放式设计方法的研究现状5 1 4 课题提出及意义5 1 5 本文主要研究内容6 第2 章面向用户开放的嵌入式运动控制平台功能分析及结构9 2 1 面向用户开放的嵌入式运动控制平台功能分析9 2 2 运动控制硬件平台1 0 2 2 1e t h e r m a c 实时运动控制平台特点及结构1 0 2 2 2e t h e r m a c 总线数据包结构1 1 2 3 运动控制软件设计1 2 2 3 1 嵌入式软件平台选择1 2 2 3 2 功能分离的嵌入式控制平台软件设计方法一1 3 2 4 运动控制平台总体结构1 6 2 5 本章小结1 7 第3 章功能描述数据结构设计及查询1 9 3 1 功能描述数据获取实施方法1 9 3 2m d l 模型文件信息读取2 0 3 2 1s t a t e 信息读取一2 0 3 2 2t r a n s i t i o n 信息读取2 3 山东大学硕士学位论文 3 2 3 其它信息读取2 5 3 3 功能描述数据结构设计及生成2 6 3 4 运动控制引擎设计2 8 3 5 本章小结一3 0 第4 章通用函数库设计实现方法31 4 1 通用函数库功能分析31 4 2 动态链接库技术3 2 4 2 1 动态链接库概述3 2 4 2 2 动态链接库调用3 2 4 - 3 数控代码解释器设计3 3 4 3 1 数控代码格式分析3 3 4 3 2 数控代码错误检查3 4 4 3 3 数控代码解释器工作流程3 5 4 4 插补算法及实现。3 6 4 4 1 直线与圆弧插补一3 7 4 4 2 特殊抛物线函数曲线插补算法研究3 9 4 5 数控系统中手动功能的实现4 l 4 5 1 点动固定距离运动控制4 1 4 5 2 点动连续运动控制4 2 4 5 3 回参考点控制4 2 4 6 本章小结4 4 第5 章系统集成及二次开发验证一4 7 5 1 总体实施方案4 7 5 2 面向用户的开放式车床控制系统开发4 8 5 2 1 控制功能分析及硬件结构4 8 5 2 2 人机界面设计4 8 5 2 3 基于s t a t e f l o w 的s t a t e c h a r t s 建模5 0 5 2 4 模型功能仿真一5 4 日录 5 2 5 映射层的实施方法5 5 5 3 二次开发验证5 6 5 3 1 扩展的车床控制系统s t a t e c h a r t s 建模5 6 5 3 2 功能描述数据库更新一5 7 5 3 3 加工实验5 7 5 4 本章小结5 8 结论与展望6 1 全文总结6 1 本文创新点6 2 展望6 2 参考文献6 5 攻读硕士学位期间发表的论文7 l 致谢一7 3 t a b l eo fc o n t e x t s t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e l i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n do f t h er e s e a r c h ，1 1 2o p e nc n cs y s t e m 2 1 2 1i n t r o d u c t i o no f o p e nc n c s y s t e m 2 1 2 2s t a t e o f - a r to fo p e nc n c s y s t e mi nc h i n a 3 1 2 3s t a t e o f - a r to f o p e nc n c s y s t e ma ta b r o a d 4 1 3s t a t e o f - a r to fd e s i g nm e t h o d so f o p e ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o ls o f t w a r e 5 1 4p r o b l e mi n t r o d u c t i o na n di t ss i g n i f i c a n c e 5 1 5r e s e a r c hc o n t e n t s 6 c h a p t e r2a n a l y s i sa n ds t r u c t u r eo fu s e ro r i e n t e do p e ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l p l a t f o r l t l 9 2 1a n a l y s i so f u s e ro r i e n t e do p e ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o lp l a t f o r m 9 2 2h a r d w a r ep l a t f o r mo f m o t i o nc o n t r 0 1 1 0 2 2 1c h a r a c t e r i s t i c sa n ds t r u c t u r eo fe t h e r m a cr e a l t i m em o t i o nc o n g o l p l a t f o r m 1 0 2 2 2s t r u c t u r eo fe t h e r m a cb u s p a c k e t 。11 2 3d e s i g no f m o t i o nc o n t r o ls o f t w a r e 1 2 2 3 1s e l e c t i o no f e m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r m 1 2 2 3 2d e s i g nm e t h o d so fe m b e d d e ds o f t w a r ew i t hf u n c t i o n s e p a r a t e ds t r u c t u r e 2 4o v e r a l ls t r u c t u r eo f m o t i o nc o n t r o lp l a t f o r m 1 7 2 5s u m m a r y 18 c h a p t e r 3s t r u c t u r ed e s i g na n dq u e r yo ff u n c t i o n d e s c r i p t i o nd a t a 1 9 3 1 i m p l e m e n t i n gm e t h o d st oo b t a i nt h ef u n c t i o n d e s c r i p t i o nd a t a 19 v 山东大学硕士学位论文 ：；2i n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no fm d lm o d e lf i l e 2 0 3 2 1e x t r a c t i o no fs t a t ei n f o r m a t i o n 2 0 3 2 2e x 仃a c t i o no f t r a n s i t i o ni n f o r m a t i o n 。2 3 3 2 3e x t r a c t i o no f t h er e s t 2 5 3 3s t r u c t u r ed e s i g no ff u n c t i o n - - d e s c r i p t i o nd a t a 2 6 ：；4d e s i g no f m o t i o nc o n t r o le n g i n e 2 8 3 5s u m m a r y 3 0 c h a p t e r4i m p l e m e n t i n gm e t h o do f t h ef u n c t i o nl i b r a r y 3 1 4 1a n a l y s i so f t h ef u n c t i o n sf o rt h el i b r a r y 3 1 4 2d y n a m i cl i n kl i b r a r y 3 2 4 2 1o v e r v i e wo fd y n a m i cl i n kl i b r a r y 3 2 4 2 2m e t h o dc a l lo f d y n a m i cl i n kl i b r a r y 3 2 4 3d e s i g no f n cc o d ei n t e r p r e t e r 3 3 4 3 1a n a l y s i so f n cc o d ef o r m a t 3 3 4 3 2e r r o rc h e c k i n go f n cc o d e 3 4 4 3 3w o r k f l o wo f n cc o d ei n t e r p r e t e r 3 5 4 4i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h ma n di m p l e m e n t a t i o n 3 6 4 4 1l i n ea n dc i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n 3 7 4 4 2r e s e a r c ho f t h es e p e c i a lp a r a b o l ai n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m 。3 9 4 5i m p l e m e n t a t i o no f m a n uc o n t r o li nc n cs y s t e m 4 1 4 5 1m o t i o nc o n t r o lo f f i x e d d i s t a n c e j o g 4 1 4 5 2m o t i o nc o n t r o lo f c o n t i n u o u s j o g 4 2 4 5 3m o t i o nc o n t r o lo f r e t u m i n gr e f e r e n c ep o i n t 4 2 4 6s u m m a r y 4 4 c h a p t e r5s y s t e mi n t e g r a t i o na n ds e c o n d a r yd e v e l o p m e n tv a l i d a t i o n 4 7 v i ! ；1o v e r a l lp l a n 4 7 5 2d e v e l o p m e n to fu s e ro r i e n t e do p e nc o n t r o ls y s t e mf o rl a t h e 4 8 5 2 1a n a l y s i so fc o n t r o lf u n c t i o n sa n dh a r d w a r es t r u c t u r e 4 8 t a b i eo fc o n t e x t s 5 2 2h m id e s i g n 4 8 5 2 3s t a t e c h a r t sm o d e l i n gb a s e do ns t a t e f l o w 5 0 5 2 4m o d e lf u n c t i o n a ls i m u l a t i o n 5 4 5 2 5i m p l e m e n t i n gm e t h o d so f t h em a p p i n gl a y e r 5 5 5 3v a l i d a t i o no fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t 5 6 5 3 1s t a t e c h a r t sm o d e l i n go ft h ee x t e n d e dc o n t r o ls y s t e mf o rl a t h e 5 6 5 3 2u p d a t eo f t h ef u n c t i o n - d e s c r i p t i o nd a t a b a s e 5 7 5 3 3m a c h i n i n ge x p e r i m e n t 5 7 5 4s u m m a r y 5 8 c o n c l u t i o na n dp r o s p e c t 6 1 c o n c l u t i o n 。61 i n n o v a t i v ep o i n t so f t h er e s e a r c h 6 2 p r o s p e c t 6 2 r e f e r e n c e s 6 5 p u b l i s h e dp a p e r s 7 1 a c k n o w l e d g e m e n t s 7 3 v i i 运动控制技术集多学科于一体，是先进制造领域的核心技术之一，其发展程 度是衡量一个国家制造能力的重要标志。随着生产的快速发展，特殊控制需求越 来越多，而目前人们对开放式控制系统的研究停留在开发设计层，对控制需求最 了解的终端用户无法根据工程实际开发最适合于生产要求的控制功能。针对这种 局限性，本文对面向用户开放的嵌入式运动控制平台进行了初步研究，并开发了 面向用户开放的车床控制系统验证研究的可行性。 首先，对面向用户开放的嵌入式运动控制平台进行了功能分析，并根据功能 要求分别选择w i n d o w sc e 嵌入式操作系统和e t h e r m a c ( e t h e m e tf o rm a n u f a c t u r e a u t o m a t i o nc o n t r 0 1 ) 实时以太网运动控制平台为其软硬件实施平台。基于此平台， 控制软件设计采用功能分离结构，分为控制内核、数据库、映射层、人机界面四 个部分，其原理为将运动控制功能从复杂的交互式系统中分离，以特定的格式存 储在功能描述数据库和条件动作函数库中，控制内核通过运动控制引擎查询功能 描述数据库得出控制方法，并调用函数库中相应的函数实现控制功能，人机界面、 e t h e r m a c 控制平台通过映射层与控制内核之间进行数据交换，这样，在控制功能 需求改变时，只需要更新数据库并配置映射层即可实现系统控制功能的改变。 其次，研究了基于功能分离结构的控制系统软件设计实施方法。基于s t a t e f l o w 建立控制系统模型并仿真直至满足控制要求，以得到正确的m d l 模型文件。开发 格式转换器将模型文件转换生成功能描述数据库和条件动作函数库，并开发运动 控制引擎以实现对功能描述数据库的查询和对函数库的调用。 接着，为方便用户对运动控制系统进行二次开发，本文将数控代码解释、曲 线插补、手动控制等两轴运动控制中常用控制功能用c + + 编程语言实现，以通用 控制功能函数库的形式供用户在二次开发时直接调用。 最后，开发了面向用户开放的车床控制系统，并通过扩展特殊抛物线插补功 能验证了其面向用户开放的能力。本研究的成功实施为面向用户开放的数控系统 研究提供了一种解决方案。 山东大学硕士学位论文 关键词：面向用户；开放；数控；e t h e r m a c i i a b s t f a c t a b s t r a c t m o t io nc o n t r o l t e c h n o l o g y i so n eo fk e m e l t e c h n o l o g i e s i nt h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gf i e l d i ts e t sm u l t i d i s c i p l i n a r yt e c h n o l o g i e si no n ea n di t sd e v e l o p m e n t l e v e lh a sb e c o m ea ni m p o r t a n ts y m b o lo fac o u n t r y sm a n u f a c t u r i n gc a p a b i l i t y w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n g ，m o r ea n dm o r es p e c i a lc o n t r o lr e q u i r e m e n t s a p p e a r h o w e v e r , t h er e s e a r c ho fo p e nc o n t r o ls y s t e mr e m a i n si nt h ed e s i g nl e v e l ，t h a t s t os a y , t h et e r m i n a lu s e r sw h ou n d e r s t a n dm o s ta b o u tc o n t r o lr e q u i r e m e n t sc a nn o t d e v e l o pt h ec o n t r o lf u n c t i o n sm o s ts u i t a b l ef o rt h er e q u i r e m e n t si np r o d u c t i o n f o c u s i n g o nt h i sl i m i t a t i o n ，t h i sp a p e rs t u d i e st h eu s e ro r i e n t e do p e ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l p l a t f o r ma n di t sf e a s i b i l i t yi sp r o v e db yt h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to fu s e ro r i e n t e d o p e nl a t h ec o n t r o ls y s t e m f i r s ti st h ef u n c t i o n sa n a l y s i so fu s e ro r i e n t e do p e ne m b e d d e dm o t i o nc o n t r o l p l a t f o r m i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t s ，w i n d o w sc e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n de t h e r m a c ( e t h e r n e tf o rm a n u f a c t u r ea u t o m a t i o n c o n t r 0 1 ) r e a l - t i m ee t h e m e tm o t i o nc o n t r o lp l a t f o r ma r ec h o s e na st h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ei m p l e m e n t i n gp l a t f o r m b a s e do nt h i s p l a t f o r m ，t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s d e s i g n e dw i t hf u n c t i o n s e p a r a t e ds t r u c t u r ea n dd i v i d e di n t o4p a n s ，c o n t r o lk e r n e l ， d a t a b a s e ，m a p p i n gl a y e ra n dh m i i t sp r i n c i p l ei st h a tm o t i o nc o n t r o lf u n c t i o ni s s e p a r a t e df r o mt h ec o m p l e xi n t e r a c t i v es y s t e ma n ds t o r e d i n f u n c t i o n d e s c r i p t i o n d a t a b a s ea n dc o n d i t i o n a c t i o nf u n c t i o n l i b r a r yi nas p e c i f i cf o r m a t 。c o n t r o lk e r n e l o b t a i n sc o n t r o lm e t h o d s t h r o u g h t h em o t i o nc o n t r o l e n g i n e sq u e r y i n g f u n c t i o n - d e s c r i p t i o nd a t a b a s ea n dr e a l i z e sc o n t r o lf u n c t i o n sb yc a l l i n gc o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n si nf u n c t i o nl i b r a r y h m ia n de t h e r m a cc o n t r o lp l a t f o r me x c h a n g ed a t aw i t h c o n t r o lk e r n e lt h r o u g hm a p p i n gl a y e r t h u s ，y o uo n l yn e e dt ou p d a t et h ed a t a b a s ea n d c o n f i g u r et h em a p p i n gl a y e r t oa c h i e v ec o n t r o lf u n c t i o n s c h a n g e sw h e nc o n t r o l f u n c t i o n sr e q u i r e m e n t sc h a n g e s e c o n di st h er e s e a r c ho nt h ei m p l e m e n t i n gm e t h o d so fc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e b a s e do nf u n c t i o n s e p a r a t e ds t r u c t u r e m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gt h ec o n t r o ls y s t e m b a s e do ns t a t e f l o wt i l ic o n t r o lr e q u i r e m e n t sa r ef u l f i l l e dt og e tc o r r e c tm d lm o d e lf i l e t h e nt h ef o r m a tc o n v e r t e ri sd e v e l o p e dt oc o n v e r tt h em o d e lf i l et of u n c t i o n d e s c r i p t i o n d a t a b a s ea n dc o n d i t i o n a c t i o nf u n c t i o nl i b r a r y a n dm o t i o nc o n t r o le n g i n ei sd e v e l o p e d i i i 山东大学硕士学位论文 t o q u e r yf u n c t i o n d e s c r i p t i o n d a t a b a s ea n dr e a l i z e sc o n t r o lf u n c t i o n sb yc a l l i n g c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o n si nf u n c t i o nl i b r a r y t h e n ，t of a c i l i t a t et h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to ft h em o t i o nc o n t r o ls y s t e m ，u s i n g c + + p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ，t h i sp a p e rr e a l i z e st h ec o m m o nf u n c t i o n s i nt w o a x i s m o t i o nc o n t r o ls y s t e ml i k en cc o d ei n t e r p r e t i n g ，c u r v ei n t e r p o l a t i o na n dm a n u a l c o n t r o lw h i c hc a nb eu s e dd i r e c t l yb yt h eu s e r sd u r i n gs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t f i n a l l y , u s e ro r i e n t e do p e nl a t h ec o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d ，a n di t so p e na b i l i t yt o u s e r si sp r o v e db yt h ee x t e n s i o no fs p e c i a lp a r a b o l i ci n t e r p o l a t i o nf u n c t i o n t h e s u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no ft h i sr e s e a r c hp r o v i d e sas o l u t i o nf o r t h er e s e a r c ho nu s e r o r i e n t e dc n c s y s t e m k e y w o r d s ： u s e ro r i e n t e d ；o p e n ；c n c ；e t h e r m a c 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 制造业是工业的基础，是国民经济的支柱产业和社会财富的创造者，其水平 的高低己成为一个国家经济发展水平和现代化程度的重要标志。世界上各个国家 在经济上的竞争，归根结底在于制造技术的竞争。数控技术集机械制造、信息技 术、现代控制技术、微电子技术等于一体，是先进制造技术的基础和核心，正以 前所未有的深度和广度深刻影响着制造业领域的发展方向，给制造业带来革命性 的变化 1 。大力发展数控技术及产业已经成为世界上各发达国家加速经济发展和提 高综合国力的重要途径【2 ，3 1 。在我国国家中长期发展纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 ) 中，也 明确指出，制造业中的数字化设计与制造，先进制造技术是我国要发展的重要内 容【4 1 。这充分体现了数控技术在整个国民经济中的重要地位和作用【5 1 。 随着生产的飞速发展，中小批量及客户定制生产的趋势日益增强，对特殊控 制功能的需求也越来越多【6 】，这就要求控制系统要有更高的柔性和通用性。因此， 为适应未来车间面向任务和定单的生产组织和管理模式，控制系统应能够满足不 同加工需求，具有很好的开放性、易于扩展性、可移植性、易于维护等特点【7 1 。而 目前市场上的大多数控制系统由于其采用专用的、封闭式的体系结构，存在诸多 缺点，已越来越不日e 俩, 4 - 1 - - 足市场的需求，具体表现在： ( 1 ) 各自封闭，互不兼容，各控制系统生产厂家之间，甚至于同一厂商生产 的不同型号控制系统之间也互不兼容； ( 2 ) 开发周期长，当有新的数控需求时，数控厂商不能在现有系统上进一步 开发或升级，而需重新设计系统； ( 3 ) 数控内部结构复杂，一旦数控系统出现故障，用户不能及时处理，而需 要数控厂家维修，不但维修费用高昂，而且严重影响了正常生产进度； ( 4 ) 各机床厂家或终端用户不能将自己的加工工艺和操作技能加入到数控系 统，不利于提高数控设备的产品竞争力。 传统控制系统存在的上述诸多缺点严重制约着生产的发展，因此，市场对具 有良好开放性、性能稳定、价格低廉易维护的新型控制系统需求越来越迫切。为 山东大学硕士学伊论文 解决封闭式系统与市场需求之间的矛盾，人们在8 0 年代提出了开放式数控系统的 概念。开放式数控系统是制造技术领域的革命性飞跃，是对传统封闭式数控结构 的根本突破【8 】。基于开放式体系结构的控制系统其软硬件和总线规范都是标准的且 对外公开，具有通用性、柔性、易于扩展和模块化等特点，满足了市场需求。当 前，开放式数控系统已成为运动控制领域研究的热点。 1 2 开放式数控系统 1 2 1 开放式数控系统概述 开放式数控系统将计算机技术、信息技术、微电子技术、控制技术等融入一 体，是世界上各发达国家从2 0 世纪9 0 年代开始争先发展的新型控制器【9 1 。其研究 主要的目的是解决灵活多变的控制需求与控制系统封闭式专一结构难以扩展之间 的矛盾，从而建立一个可快速、经济性重构的系统工具平台。目前，对于开放式 数控系统，人们尚未达成统一、给出公认的定义。i e e e ( 国际电气和电子工程师协 会) 对开放式数控系统的下的定义为：具有符合系统规范的应用、可以运行在多个 销售商的不同平台上、可以与其它系统的应用互操作，并且具有一致风格的用户 交互界面的系统称之为开放系统( a no p e ns y s t e mp r o v i d e sc a p a b i l i t i e st h a te n a b l e p 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 n av a r i e t yo fp l a t f o r m sf r o mm u l t i p l ev e n d o r s ， i n t e r - o p e r a t ew i t ho t h e rs y s t e ma p p l i c a t i o n s ，a n dp r e s e n tac o n s i s t e n ts t y l eo fi n t e r a c t i o n w i t ht h eu s e r ) 【1 0 ，1 1 1 。根据这个定义及人们多年来对开放式数控系统的研究，一般 认为其应具有以下特点： ( 1 ) 开放式用户交互界面：允许用户根据实际需要定制具有统一风格的操作 界面，如增减人机界面显示内容等，以实现操作的简洁性，同时降低培训等费用。 ( 2 ) 软硬件可扩展：随着制造业的发展，实际生产中控制需求日新月异，开 放式数控系统应允许用户根据实际控制需求扩展或裁减系统模块，改变c n