基于接口标准的开放式数控系统的研究与实现_图文

1、第12卷第9期计算机集成制造系统Computer Integrated Manufacturing SystemsSep .2006文章编号:1006-5911(200609-1483-07收稿日期:2005-08-23;修订日期:2005-12-30。Received 23Aug.2005;accepted 30Dec.2005.作者简介:梁宏斌(1967-,男,辽宁鞍山人,哈尔滨工程大学机电工程学院博士后,辽宁科技大学机械工程及自动化学院副教授,主要从事开基于接口标准的开放式数控系统的研究与实现梁宏斌1,2,李霞1,王永章3(1.哈尔滨工程大学机电工程学院,黑龙江哈尔滨150001;2.辽

2、宁科技大学机械工程及自动化学院,辽宁鞍山114044;3.哈尔滨工业大学机械工程及自动化系,黑龙江哈尔滨150001摘要:确定了自主开发的开放式数控系统HITCNC 的接口方案,包括相关的内部接口和外部接口。详细阐述了HITCNC 系统中应用的主要开放技术,并在开放式数控系统的基本理论及实现技术的基础上,实现了基于接口标准的用于控制3坐标数控铣床的开放式数控系统HITCNC 。一系列的切削实验,验证了HITCNC 的开放性、可靠性及系统对自由曲线、曲面的加工能力。关键词:开放式数控系统;标准;接口中图分类号:TP273+.5文献标识码:AOpen architecture controller

3、 based on international interface standardsL I A N G Hong -bin1,2,L I X ia 1,W A N G Yong -z hang3Abstract :Open architecture controller must conform to international interface standardss.Under this circumstance ,interface plan for HITCNC was defined ,which included relevant internal and external in

4、terfaces.Main techniques used in the construction of open HITCNC were described.Based on basic theory on open architecture controller and enabling techniques ,open HITCNC was applied on 3-axis milling machine tool ,which was based on international interface standards.Finally ,a series of experiments

5、 on HITCNC were successf ully completed to prove its openness ,reliability and ability of machining NU RBS surface.K ey w ords :open architecture controller ;standard ;interface0引言新的加工需求的不断出现,要求数控系统具有迅速、高效、经济地面向客户的模块化特性和软硬件重构能力,改变以往数控系统的封闭性设计模式,降低生产厂家对控制系统的高依赖性和对数控软件、硬件、控制策略的耦合性,以适应未来车间面向任务和订单的生产模式1

6、-3。开放式数控系统就是在这种背景下产生的。国内的很多学者对开放式数控系统进行了积极的研究,提出了基于软件芯片4、基于组件对象模型(Co mponent Object Model ,COM 组件5、基于数计算机集成制造系统第12卷字伺服现场总线6等各种开放模式。但这些系统所采用的体系结构并不一致,自成体系,相互之间缺乏互换性和可移植性。1基于接口标准的内涵开放式数控系统应该是模块化的,且其外部接口及内部接口必须遵循一系列国际标准或行业事实标准,没有全面的国际标准就不可能有真正的开放式数控系统3,7。本文提出了基于接口标准的开放式数控系统概念,开放式数控系统都采用模块化结构。数控系统内部模块与模

7、块之间的相互通讯,以及数控系统与外界(如与伺服系统的信息传递都是通过相应的接口实现的,只有这些接口符合国际标准或行业事实标准,多个厂商的产品才能协调地组合在一起,从而满足可互换、可扩展、可移植和互操作等开放性要求。2HITCNC的接口方案基于接口标准的原则,笔者自主开发了一个开放式数控系统HITCNC,并完成了样机研制工作,其接口方案如下:(1H ITCNC与伺服系统及I/O设备的通讯接口采用SERCOS标准(IEC61491。为了进一步增加系统的开放性,H ITCNC使用了Soft SERCANS 技术,从而可以最大程度地用软件程序取代硬件功能,降低接口插卡的成本,并且能够自动适应所选用的P

8、C机硬件的性能8-9。(2数字控制(Numerical Control,NC程序接口(即HITCNC与计算机辅助设计(Comp uter Ai2 ded Design,CAD/计算机辅助制造(Comp uter Ai2 ded Manufact uring,CAM系统的接口标准目前有ISO6983和STEP-NC(ISO14649,考虑到ISO 6983是当前的应用主流,在开发HITCNC系统时采用了ISO6983(也称为EIA RS274标准10。(3在内部接口方面,目前还没有关于构件应用程序接口(Application Programming Interface, A PI的国际标准,但最

9、终肯定要形成一个标准,否则无法实现即插即用的彻底开放。因此,开放式数控系统领域最具影响力的3个国际化工程OMAC (open modulax architect ure cont rols(美国11, OSACA(open system architect ure for cont rols wit hin automation systems(欧盟12,OSEC(open system enviroment for cont roller(日本13,都在为尽快形成开放结构控制器的国际标准而努力。我国很多高校在开放式数控系统方面都做了大量的研究工作,如华中科技大学提出了软件芯片概念;上海交通大

10、学和北京航天数控集团联合开发了开放式数控系统技术规范,试图建立中国第一个开放结构控制器标准14等。但标准的形成有两个条件:业界的意见达成一致;支持这个标准的产品具有较大的市场份额,也就是说要有行业一线的厂商支持。因此,从我国数控行业的现状,尤其是数控厂商的实力来看,恐怕难以左右国际标准的制订,而国际标准一旦形成,由于不能脱离国际化的市场,我国的标准基本上只能等价采用国际标准。关于数控系统的内部接口,应该了解研究现状,分析发展趋势,充分利用发达国家投入大量人力物力资源取得的研究成果,达到两个目的:使自己的研究少走弯路;新的国际标准一旦形成,就能立即在行业中加以利用,跟上世界制造业的发展步伐。在深

11、入分析OMAC,OSACA,OSEC的技术特点后,本文确定HITCNC系统的内部接口遵循OMAC A PI协议。3HITCNC系统的开放技术实现用户需要的开放式数控系统,仅有开放的标准是不够的,还要拥有保证开放的具体技术手段。为了保证HITCNC系统的开放性,在开发过程中使用了以下几项具体实现技术:OMAC A PI协议、有限状态机(Finite State Machine,FSM模型和Soft SERCANS应用。3.1遵循OMAC协议H ITCNC系统的内部应用程序模块接口遵循OMAC A PI协议,采用基于构件的软件开发理念,使用客户机/服务器通讯模式,用面向对象的C+语言,实现了OMA

12、C A PI接口定义。OMAC A PI工作组采用基于构件技术以实现开放结构。该协议定义了涵盖大量机床控制功能的构件和一个用来集成这些构件的构件框架15-16。在H ITCNC中,实现重组的基础是构件插件。图1使用统一化建模语言(Unified Modeling Lan2 guage,UML表示法,给出了一个构件通用模型,包括功能性接口、基础接口和连接接口,这些接口为处理通常的软件功能提供了一组统一的接口。通常的4841第9期梁宏斌等:基于接口标准的开放式数控系统的研究与实现软件功能是指正常运行、安装、构造和析构、参数配置、初始化、启动和停机、许可、安全性和注册、永久数据保存和恢复、使能和使不

13、能、绑定和发现、命名和自省等 。功能性接口展示构件的控制能力,这类接口包括行为、状态和参数操作的方法;基础接口提供了对多种应用框架的支持,它处理构件辨识和注册,构件用这类接口发布它能做什么、它在哪儿以及它如何运行;连接接口用来发布模块的依赖性,诸如它需要什么服务、它所支持的输入和输出事件等。图2描述的是应用OMAC A PI 协议构造的H ITCNC 三轴铣削数控系统。其中,3个进给轴的结构是相同的,都由脉宽调制(Pulse Widt h Modu 2lation ,PWM 驱动器、放大器使能控制、放大器错误状态信号、编码器和回零及轴限位开关组成;假定一个安全保障系统是由一系列监测E -Sto

14、p ,Power -Up 和Reset 的输入开关组成;一个人机交互界面提供带有一系列控制功能,如零件程序选择、循环启动/停止、暂停、进给倍率调整、NC 指令键盘输入和手动等的操作序列。加工零件程序采用EIA RS 274格式。系统还能够显示加工状态如零件加工代码、设备状态和故障诊断信息等。H ITCNC 系统的主要模块功能是:任务协调器,主要负责操作模式的切换,运动控制和离散逻辑控制等任务协调和调度;任务生成器,主要完成语法检查、译码和刀具补偿等非实时性任务;轴组,主要负责完成加减速处理、插补功能,将译码得到的运动段(包括直线、圆弧、Nurbs 等转化为单个插补周期内相应轴上的一系列目标点,

15、并输出给各个轴模块;轴,对单个进给轴的运动实施控制。3.2使用有限状态机表述HITCNC 系统的行为影响现在数控系统软件重构的主要问题是,虽然采用了构件技术进行编程,但未将机床的功能和行为分隔开来,因而影响了构件的重用。使用有限状态机的目的是将机床的功能和行为分离,以提高系统的开放性17。所谓功能,是指一台机床能够实现一系列的特定行为,如用三轴铣床进行铣削加工和利用两轴车床进行车削加工都属于数控系统的功能。不同的机床功能是不一样的,如铣床具有铣削功能,车床具备车削功能等。行为则具有通用性,不论哪种数控机床,都得能完成回原点操作,如机床回原点、换刀和按照NC 程序指令控制各轴运动等操作都是行为。

16、可以将特定的功能抽象成一些普遍的行为,比如不管是铣削还是车削(功能,都可以通过NC 程序指令控制各轴运动(行为来实现。为了使构件能够正确地使用其他构件,必须有一个行为抽象的标准模型。在HITCNC 中,行为是事件驱动的,并用有限状态机加以模型化18。HITCNC 遵循OMAC A PI 规范,其功能模块包括任务协调器、轴组、轴等,其行为可用分层式FSM 描述,如图3所示。3.3SoftSERCANS 技术在HITCNC 中的应用SERCOS 是一种用于计算机数字控制(Com 2p uter Numerical Cont rol ,CNC 和数字伺服传动系统之间通信的数字接口和数据交换协议,能够

17、实现工业控制计算机与数字伺服系统、传感器和可编程控制器I/O 口之间的实时数据通信。1995年,SERCOS 接口协议被确定为国际标准,它也是目前用于数字伺服和传动数据通讯的惟一国际标准。5841计算机集成制造系统第12 卷随着Windows实时扩展技术的稳定性、性能和市场占有率的不断提高19,Rexrot h Indrama决定将SERCANS卡上的SERCOS主控功能转移到抽象的软件层面上,并选用Vent urCom公司的R TX 作为平台,这种新技术叫做Soft SERCANS。Soft2 SERCANS可以说是SERCANS硬件功能的软件进化,它运行在一块从动式的主站卡上,具有能被实时

18、应用程序和Win32程序调用的动态链接库(Dy2 namic Link Library,DLL,它与CNC的接口纯粹是软件,并且能自动适应所选用的PC机硬件的性能,使用户能够快速地利用SERCOS技术9。另一方面,它还可以完成可编程逻辑控制器(Program2 mble Logic Cort roller,PL C和I/O系统之间的通讯,使整个系统的结构变得更为简单。总之,工业伺服现场总线的迅速发展及标准化的实现,为数控系统的开放性奠定了坚实的基础,也是软件数控技术发展的又一重要推动力。(1报文格式通道配置Soft SERCANS通过报文传递数据,HITCNC 在位置控制模式下3种报文的配置如

19、下:1主站同步报文(Master Synchronization Tel2egram,MST :2主站数据报文(Master Data Telegram, MD T :3伺服传动报文(Axis Telegram,A T :Y轴和Z轴的通道配置方式和X轴相同,只是将地址值变为1和2即可。6841第9期梁宏斌等:基于接口标准的开放式数控系统的研究与实现(2实时数据传送Soft SERCANS 是SERCOS 应用技术的进步,它建立在R TX 环境上,以DLL 的形式提供了应用SERCOS 协议的编程接口,利用DLL 功能可方便地实现Soft SERCANS 的初始化过程及周期性数据通讯工作。图4为

20、实时数据通讯程序的开发环境,其中通讯程序可以作为CNC 单元的一部分,完成命令值与反馈值的传送 。4HITCNC 系统的实现4.1HITCNC 系统的硬件构成HITCNC 的硬件组成为:通用PC 机,CPU 主频800Hz ,内存256M ;Soft SERCANS 从动卡选用德国Rexrot h Indramat 公司的PCM -S11.2板卡,它采用SERCON 816芯片,PCI 总线,通讯速率可达16Mbit/s ;X ,Y ,Z 轴伺服驱动器选用Rexrot h Indramat 公司的ECODRIV E03系列带有SERCOS 接口的串行数字式驱动器,型号为D KC02.3-040

21、-7-FW ,工作电流额定值为40A ;伺服电机选用Rexrot h Indramat 公司的M KD 系列交流伺服电机,X ,Y 轴电机的型号为M KD071B -035-KP0-KN ,Z 轴电机的型号为M KD071B -035-KP1-KN ,工作扭矩均为8N m ;为了验证系统对不同厂商的产品的适应能力,从而验证其开放性,主轴控制系统没有使用Rexrot h Indramat 公司的产品,而选用洛阳轴研科技股份有限公司生产的高速电主轴;主轴驱动器为台安科技(无锡有限公司生产的变频式马达控速器,型号为N2-408-H ;机床选用的是齐齐哈尔第二机床厂生产的XK5025A 型数控立式升降

22、台铣床,工作台行程为纵向X 600mm ,横向Y 280mm ,主轴滑板行程Z 150mm 。4.2HITCNC 系统的软件实现H ITCNC 系统软件组成如图5所示 。5实验研究5.1验证HITCNC 系统的开放性从以下两个方面验证了H ITCNC 系统的开放性:(1功能的扩充(可扩展性改变译码模块及轴组模块,在原系统(仅有直线插补和圆弧插补基础上扩充非均匀有理B 样条(Non -U niform Ra 2tional B -Spline ,NU RBS 插补方法。(2模块的置换(可互换性不改变译码模块,只改变轴组模块,由1阶近似NU RBS 插补算法变为2阶近似NU RBS 插补算法及自动

23、调节进给速度78411488 计算机集成制造系统 第 12 卷 的 NU RBS 插补算法 。 不同的 NU RBS 插补算法的互换只需要修改轴 组模块 , 其他模块均不需改动 。在 H I TCNC 系统 中 ,轴组模块是 R TX 环境下的实时 DLL ,通过注册 含有不同 N U RBS 插补算法的 R TDLL 方法 ( 如图 6 可以实现 NU RBS 插补算法的改进 。 精度和可靠性 。 在直线插补和圆弧插补基础上扩充 N U RBS 插 补功能 ,要比模块的置换相对复杂一些 ,除了用上面 的方法注册轴组模块外 , 还需要增加 NU RBS 译码 功能 。在 H I TCNC 系统

24、中 ,译码功能是由任务生成 器模块实现的 。可以将具有不同译码功能的任务生 成器模块分别编译 ,并将具体使用的那一个以 DLL 的形式在系统中注册 ,如图 7 所示 。 6 结束语 本文建立了开放数控系统 H I TCNC , 其外部接 口符合相应的国际标准 , 内部接口遵循 OMAC 规 范 ,从而最大程度地保证了开放性 ,实际加工结果也 验证了系统的加工性能和可靠性 。 本文使用上述方法在 H I TCNC 系统中实现了 在常 规 插 补 的 基 础 上 扩 充 N U RBS 插 补 , 以 及 NU RBS 插补算法的置换 。 5. 2 复杂曲面零件的加工实验 参考文献 : 1 PRI

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27、鉴于此 , 笔者使用 H I TC2 NC 铣削系统 , 加工了一个典型的复杂曲面 电 钻壳体模具 。 使用 U G18 CAM 软件造型并自动编程 , 应用 NU RBS 后置处理 , 生成符合 FAN U C 机床格式的 NU RBS 零件加工程序 。零件的加工分为粗 、 精加 工 ,粗加工程序长度为 2 232 行语句 ,精加工程序长 度为 10 680 行语句 。整个加工过程中走刀平稳 ,表 面质量良好 。粗 、 精加工后的零件如图 8 和图 9 所 示 。实验结果表明 , H ITCNC 系统具有良好的加工 选 ,吕新平 . 数控系统软件芯片的研制和开发 J . 中国机械工 程 ,1

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