机械电气设备 开放式数控系统 第1部分总则 征求意见稿

1本文件规定了开放式数控系统(OpenNumerical——能使本地或远程数控系统中的应用程序实现互2规范性引用文件GB4824工业、科学和医疗设备射频骚扰特性限值和GB/T5226.1机械电气安全机械电气设备第1部分：通GB/T26220工业自动化系统与集成机床数值控制数控系统3.1开放式数控系统opennumericalcontr指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的3.2基本体系结构referencearchit23.33.4硬件平台hardwareplatfo3.5是应用软件运行的基础部件,处于基本体系结构的硬件平台3.63.7NC核心软件NCkernelsoftware3.8人机控制humanmachine3.93.10开放式数控系统应用编程接口opennumericalcontrolsystemapplicationprogramm3.11配置系统configurations3.123.133.14a)两个或多个系统交换信息并相互使用已交换b)两个或两个以上系统可互相操作的能力。33.15a)两个或两个以上系统，当共享相同的硬件或软件环境执行它们所要求的功能可得到同样结果4ONC系统的特征及功能4.2ONC系统的开放程度4.3.1ONC系统的功能配置4.3.2开放式人机界面4.3.2.1用户可根据需要设置操作按键的功能及与4.3.2.2操作指令、数据及系统工作状态的显示应符合有关国家标准和/或国际标准的规定，如ISO4.3.2.3ONC系统采用中文形式显示4.3.3伺服驱动单元的运动控制接口44.3.3.1伺服驱动单元的运动控制接口应符合有关国家标准和/或国际标准1)技术要4.3.3.2伺服驱动单元运动控制接口应具备保证对各运动轴之间实现同步控制的机4.3.3.3用户可通过运动控制接口对伺服驱动单元做如下操作：a)根据伺服驱动单元自描述信息，自动取得对伺服的控制权(即插4.3.4数控装置与逻辑控制单元之间的数据与命令接口注：逻辑控制单元指数控系统中符合GB/T1594.3.4.1如果逻辑控制单元与数控装置采用分体结构(PLC外置),则其接口应符合国家标准和/或国际描述方式)、交互方式(指应答方式)以及4.3.4.3数控装置至少应能够接受逻辑控制单元以下信息：——逻辑控制单元的自描述信息﹐如：制造商、性能参数、配置参数；——其他设备(各类操作开关、刀具系统、执行机构、传感器等)通过逻辑控制单元传送其4.3.4.4数控装置至少应向逻辑控制单元输入以下信息：——数控装置的当前工作状态信息﹐如：复位、自动、手动、进给暂停、原路径返回、参考点返——数控装置向逻辑控制单元发出的命令，如：复位、调试、运行、M、S、T——数控装置的当前运行数据信息，如：主4.4ONC系统第二层开放的基本特征和功能1)GB/T18743，IEC601394，IEC60625，IEC61158，ISO11898,ISO11519，RS232C和RS485等。54.4.3应保证用户和第三方应用软件注：第三方特指数控装置制造商和用户之外的程序供应者。4.4.4使用这一开放层次的ONC系统，用户可在不改变制造4.4.5提供符合国家标准和/或国际标准的接口，能够接入如：数据采集单元、动力(液压、气动)或能量(激光、放电电源、等离子源)控制装置、测量单元及其他与数控机4.5ONC系统第三层开放的基本特征和功能用户能够使用高级语言对数控软件进行二次开发，CNC内核系统提供明确定义的回调函数或其他5ONC系统基本体系结构功能单元库配置系统功能单元库配置系统系统平台NC硬件NC硬件PLC硬件65.2ONC系统基本体系结构组成5.2.1系统平台组成5.2.1.1硬件平台组成ONC系统的硬件平台建立在NC硬件、PLC硬件、计算机硬件体系结构基础之上，支持软件运行的5.2.1.2软件平台组成5.2.1.2.1操作系统5.2.1.2.2ONC应用编程接口ONC应用编程接口为ONC应用软件调用系统功能的通道。它应含有实现功能模块之间互操作的应5.2.2ONC应用软件ONC应用软件是以模块化的结构,实现专门领域的功能要求的软件。应用软件通过应用编程接口可5.2.3配置系统ONC配置系统是存在于ONC系统中的软件。它5.2.4通信系统ONC通信系统包括内部通信和外部通信。内部通信完成ONC内部软件功能模块之间，数控装置与5.2.4.1ONC通信系统的主要功能75.2.4.2ONC通信系统要求8A.1数控系统基本体系结构的,也可以通过设备驱动程序使之与操作系统运动控制、传感器控制、离散I/O点控制、系统数据库、网络接口。系统开发集成环境提供用户动态构自行开发的，或由系统软件提供的软件实现A.1.1硬件体系结构A.1.1.1集中式PC数控体系运动控制卡（DSP、MCU)并口运动控制卡（DSP、MCU)并口连接器PCI总线伺服系统伺服系统伺服系统PLC图A.1集中式数控系统体系参考架构9制卡上的DSP或MCU来实现。开发者可以通过A.1.1.2分布式（工业以太网总线式）体系结构并将控制指令以报文的形式发送给底层工业以太网总线伺服及I/O接口模块，同时，底层传感器采样以及伺服的反馈结果通过工业以太网总线返回给计算机，其系统结构如图A工业控制器工业以太网总线I/O接伺服主轴工业以太网总线伺服编码器开关执行器A.1.2软件体系结构如图A.3所示，在硬件平台之上，数控软件可分为系统软件和应用软件两类。其中，系统软件提供HMI部分的内容。用户应用户应用软件集成开发环境平台模块库系统软件系统硬件用户操作人机交互工作日志程序编辑状态监控人机交互工作日志程序编辑状态监控工艺规划/运动规划工艺包指令解析任务调度指令解析任务调度刀补API实时运动控制算法UA八 运动学动力学模型优化UA八 运动学动力学模型优化轨迹规划交叉耦合碰撞检测SoftPLC实时视觉GenICam通信协议OPGlinkEtherMAC…EthernetOPGlinkEtherMAC…Ethernet数控机床控制及状态变量字典EtherCATGigeEVision操作系统Windows+RTExtension/Linux+RTExtension硬件平台X86X86硬件平台ARM硬件平台图A.3数控软件的模块划分A.2接口和接口操作协议因为接口是确定一个组件是否适用于应用程序的唯一信息源，接口不仅要能够描述其参数和函数structiip_buf//数控系统的{//ICMD_RAPID：快速移动//ICMD_CW：顺时针圆弧//ICMD_HOME：回零//ICMD_TAP：攻丝//ICMD_SDIR_RAPID：//IFLAG_SYNCHRO：速度的量纲为每转进给,旋转//IFLAG_FINESTOP：精确停止校验//IFLAG_CIRCLE：圆弧//IFLAG_ESC_EN：G31//IFLAG_BLK_BEG：某段G代//IFLAG_BLK_END：某段Gunsignedcmd_axes;//命unsignedout_enable;//输出structiip_buf*next,*last;///申请指定通道的空闲的缓冲区if(aIIPBuf==NULL)//申请插补缓冲区失败{While(aIIPBuf==NULL)//没有{//关于插补器的回调函数，请参见下文if((*xxx->echo_to_ppi)(xxx->ch_//再次申请指定通道的空闲的缓冲区allPbuf=iip_get_buf(CurrentC}//设置插补命令aIIPbuf->cmd=ICMD_LINE//设置插补标志x=IFLAG_BLK_BEG十IFLAG_B1.K_END；//本插补数据为if(g[14]==95)//第十四if(g[12]==61||g0==60||g0==9)//精确停止aIIPbuf->m=7；//M代码：打开切削液aIIPbuf->s=1000；//主aIIPbuf->cmd_axes=0；/aIIPbuf->out_enable=TotalAxes；//哪些轴可以{}{}aIIPbuf->data.normal.flong=1000；//运动//每个轴的进给增量aIIPbuf->pinc[0]=l}sig为信息值，sig=sig_h*256+sig_1sig_h=1为开始标志，sig_h{inti=sig&0xff；//信息值{}}//设置插补器的回调函数intiip_set_mode(intch_no,//intfar(*echo_func)(intch_no,//刀起动或停止插补器voidiip_start(intch_no,//通道号intstart);//起动或停止//停止插补器voidiip_stop(intch_no);//通道号//停止运行时,保存插补器断点//返回：保存断点所需的空间大小(单位为字节)//如果第二个参数buf值为NULI,则返回保存断点所需的空间大小//否则该函数将保存断点到buf,并返回所保存的字节数//恢复插补器断点//返回：-1,所给的断点数据出错;其他：正确int_Cdecliip_load(intch_no,///清掉插补器的插补数据voidiip_clear(intch_no,//通道号//m=0,只清掉不是运行状态的所有插补数据//m=1,清掉所有插补数据//m=2,清掉所有插补数据及运行模态//判断指定通道的插补器是否空闲//判断指定通道的插补器是否可以循环起动intiip_cycle_enable(intch_no);//通道号//取指定通道的插补器运行状态//返回：0：停止运行//2：正//3：运行中遇到重新对准命令//4：运行中//<0：出错即运行不允许//判断指定通道的插补缓冲区是否为空//返回：//取指定通道存在轴的当前指令位置到数组pos[9]中Void_Cdecliip_get_pcmd(intch_no,//通道号//取得指定通道的当前的执行段的终点位置Void_Cdecliip_get_dest(intch_no,//通道号A.3数控底层平台数控底层平台将根据系统参数载入离散点I/O控制、传感器、运动控制器、各数控设备的驱动程序系统，数控底层将不再需要操作系统具有硬实时功能，即不需要操作系统提供实时多任务API的接口。A.4操作系统平台、通信系统允许应用控制系统建立在不同的操作系统平台之上，并能实现不同操作平台上的两模块的相互对USB接口、RS232/242串口、CPU、硬盘、数字量输gLink-||BUSB2.0RS485通讯接口16路通用输出（Y0:00-03高基于网络化运动控制卡的数控系统硬件架构见图人机界面数字量输入数字量输入手摇轮辅助编码器智能相机 gLink-I数字量输入数字量输入手摇轮辅助编码器智能相机 gLink-IEthernet网络化运动控制卡多轴运动控制模块总线式多轴驱动器脉冲、模拟量驱动器+电机伺服电机+编码器gLink-II/EtherCAT多轴运动控制模块总线式多轴驱动器脉冲、模拟量驱动器+电机伺服电机+编码器总线式单轴驱动器伺服电机+编码器工业以太网网络代码解释用户交互轨迹规划运动方程工业以太网通信API可应用于数控实时多任务操作系统体系结构见工业以太网网络代码解释用户交互轨迹规划运动方程工业以太网通信API非实时域工艺规划工艺规划用户空间实时域共享内存共享内存PLC运动控制内核PLC工业以太网协议驱动运动控制内核轨迹规划运动方程PLC……工业以太网协议驱动运动控制内核轨迹规划运动方程PLC……小端口驱动小端口驱动PC硬件PC/IPCPC/IPC在标准PC硬件的支持下，其软件架构分为实时域和非实时域两部分，分别处理实时任务和非实时只有NK.exe为WinCE操作系统的内核。WinCE5.0的最小内核的优先级和处理器优先级上，除中断例程外在WinCE嵌入式实时操作系统中，开发者通过调用提供底层协议驱动函数调用接口，从设备制造商可的实时性，数控内核可以通过直接调用内核层小端口驱动的方式实现工业数控实时多任务WinCE操作系统提供了GWES组件，为用户提供有访问。在权限允许时，消息队列的信息传递是使用共享内存是运行在同一计算机上的进程进行进程间通信的最快方法。其中的一个进程创建一享内存的同一个数据单元。在权限允许时，共享内存的信息传递起进程的执行,甚至杀死进程，信号由系统定义。但用户可以定义信号的信号处理函数。信号由用户进当线程需要某一特别的资源时，它将与此资源相对应套接字（socket）是使用文件描述符（f的一种特殊的文件，就像是双向的管道，数据通过socket接口进行传输，用法类似于普通文件的调用。卸载和跟踪已经加载的驱动及其接口等，它由内核加载并连续运行，数控实时多任务Linux操作系统可使用交互方式、菜单方式、图形方式对构造核心进行配置，选择实现核心中各种功能，如网络支持、块设备字符设备支持、IPC支持，以及各种核心模块C.6可应用于数控系统的实时多任务Wi可使用Visualstudio开发WinCEAPI。通过创建WinCE智能设备项目并选择对应版本的CompactFramework，即可通过C/C++进行应用编程接口的注1：虚拟机(VirtualMachine)是对操作系统功能的抽象和模拟，为应用程序提供统一的编程环境和注2：组件(ComponentandComponentLibrary)是符合标准的、已被编译、链接、可以独立存在的组成部分。在组件技术的支持下，应用程序可以被分三维刀具半径补偿组件组件技术提供了构建可定制的应用程序框架的规范。在需要对应用程序进行局部功能的升级或修三维刀具半径补偿组件插补组件插补组件二维刀具半径补偿组件逻辑控制组件图E.1在组件技术的支持下将二维刀具半径补偿替换成三维刀具半径补偿组件库插补组件插补组件插补组件组件库插补组件插补组件插补组件插补组件插补组件二维刀具半径补偿组件逻辑控制组件应用软件可以通过组件技术被划分为位于远程的功能组件，例如某些用于数控装置诊断和监控的专家系统组件。如图D.3所示。远程专家系统被放到同一广域网的远地机器上，数控装置上专家系统被宽带网络技术成熟的条件下，数控装置软件可以以某种租赁的方式将服务器上的组件提供给远程的客户使用，真正实现用户随时根据需要从服务商处定制注：中间件（Middleware）是指系统为运行组件而自动生成的软件模块，实现组件广域网远程诊断广域网远程诊断插补组件逻辑控制组件插补组件逻辑控制组件刀补组件远程诊断组件接口数控系统软件D.1.2开放式应用软件的编程模型—“服务器—中间件—用户”据类型。根据这些元数据，系统可以自动产生中间件，完成接口数据面向中间件编程模型中的中间件也可以想象成组件的代理组件，中间件在系统管理员控制下由操作系统生成，图D.4为中间件的运行环境示意图。中间件可以为空，这时用户程序与服务组件运行于同模块模块客户端程序模块模块组件模块离了对组件的直接访问，因此可以提供机制，模块模块客户端程序模块模块组件模块模块模块模块模块模块模块模块模块代理组件中间件技术作为编程模型,它的应用不限于应用服务器。中间件技术为程序模块、组件库、软件工注3：客户/服务器（Client/Ser）；ezCOM组件技术可实现在Zyco、Windoa)提供一组创建组件客户应用程序和服务b)服务器定位与创建:通过服务器定位功能，从类标识符确定提供该类服务的二进制组件以及服c)远程通信服务程序:组件所存在的运行环境对用户透明，运行环境包括用户的线程环境、进程d)元数据的建立和维护:提供对解释程序语言的支持，用户与接口间的通信也可由组件提供的元注：Zyco是一种嵌入式操作系统。支持组件技术，进程，多线程，32位寻址和虚拟机存储。在图D.6所示的层次结构中，数控装置的底层由通用计算机结构组成，包括通用计算机硬件平台和超过通用计算机字符设备和块数据设备的I/O管理范畴。其上是操作系统及专有硬件的设备驱动。ONC系统将尽可能地利用通用计算机平台上的通信技术实现数控装置间的网络通信；充分利用通用计算机以在操作系统调度机制的支持下调度各功能模块的运行时序。操作系统多任务调度机制仅仅在层次化结构上的功能软件是平行对等地分布在虚拟机层之上的。功能间的数据处理流程完全由黑箱模型表明数控装置最基本的需求关系:接受本地或远程控制者的控制指令或程序，控制过程型设备(如继电器，液压元件、气动元件、电加工电源等)或运动型设备(如伺服、变频器等)，同时给控制各子系统与其他子系统均为客户/服务器关系。每个子系统具有一个接受其他子系统服务请求的接由于数控装置控制对象的多样性，单一的运动控制子系统的参考模型不可能覆盖所有的运动控制运动控制子系统的基本功能:接受数控程序文件形式的运动指令，或手动操作指令，以及逻辑控制解释、刀具半径补偿、插补计算、输出控制和补据处理过程；能够方便地被相同功能的模块(组件)替换。运动控制子系统中各模块(组件)的信息流如图b)信息窗邮箱：集子系统内部信息，接受子系统外部的信息查询请求;接受其他子系统的同步请有限状态机是描述对象状态跃迁的模型方法。该模型包含b)处理过程——对象的行为，包括状态变化的过渡过程和系统特定状态下持续的行为。If(state==1&&event12==1){process12();stateElseIf(state==1&&event13==1){process13();state=3;}ElseIf(state==2&&event24==1){process24();state=4;}ElseIf(state==3&&event34==1){process34();state=4;}ElseIf(state==4&&event45==1){process45();state=5;}在ONC系统的参考模型中，将对象模型分为被动运行模型和主动运行同步任务请求是指发送任务请求的客户端要等待服务端任务执行完毕后，才能继续客户端任务的[version(1.0);uuid(02Oc5127-Oc3b-458a-8b59-c7O388cd32a6)//组件注册号]componentExpcode//代{typedef[uuid(83362f49-02de-45eb-a191-089095155675)]//数据类型注册号intG_code[10];//Gunsignedintmiscellany;//标志位组intT_code;//T代码doubleFeed_S;//进给速度doubleSpindle_S;//doubleLogicAxis[32];//逻辑轴指令，支持每通道3doubleI_code;//I\I\K\intPlaneAxis;//逻辑平面intCutComPlane;//刀补逻辑平面typedef[uuid(addd5669-dab7-436c-9ec4-a4ce3cdfc403)]struct{longTootID;doubletradius;//刀具doubletoffset[3];//刀具偏移量typedef[uuid(6d3Ida99-8370-4aO3-9666-cd9b764a9f99)]+charTaskString[256];//当前执行intTaskType;//任务种类即加载的为何种intChannelState;/通道当前所处状态(暂停、加工中、加速、减速、匀速、加longExSourceLine;//当前执行源程序行号longExCompileLine;//当前执行编译后行号longMovedLength[32];//本程序行该轴移动的longAxiaPosition卯幻声/各轴目longAxisSpeed[32];//各坐标轴longMAxisSpeed仁51;//[uuid(c268deIc-ac5c-4415-ab17-d71795013interfaceIExpcode{//HRESULTExpcodeIn([in]charExplainStr,//解释源字[in]intFileState,/[out]intExpstate,[outlintExperror)HRESULTJumpLine([out]long'LineNo);//程序跳转请求HRESULTSendState([in]GetAxisStatcMessageOut);//外部查询时调HRESULTSendtoolpara([in口gToolparaCTpara}[uuid(39d0469d-8056-4f4b-6423-0215882c8afe),scriptableClassCExpcodel//定义组}[version(1.0),uuid(bbdll651-402a-455e-ab29-Ob931c6c8fOa)//组件注册号]componentToolcomp//刀具半径{typedef[uuid(11a85cea-ae3a-43x7-a6c3-6ab288b5568e)]//数据结构注册号struct{longN_code;//intG_code[10];//Gunsignedintmiscellany;//标志位组doubleFeed_S;//进给速度doubleSpindle_S;//doubleLogicAxis[32];//逻辑轴指令，支持每通道3doubleI_code;//I\J\KV2intPIaneAxis;//逻辑平面代码编码intCutCompPlane;//刀补逻辑]}ToolcompData;/刀具半径补偿源数据/目标数据数typedef[uuid(addd5bb9-dab7-436c-9ec4-a4ce3edfc403)]struct{longToolID;//doubletradius;//刀doubletlength;//刀具长度doubletoffset[3];//刀具[uuid(bd7ab5b4-4d55-4200-ab62-19d4095f5ainterfaceIToolcomp{//刀具半径HRESULTSetToolpara([in]ToolparaCToolpHRESULTToolCompln(//刀具半径补偿计算输人[in]ToolcompDataCCdata,//[in]intInstype,//刀具半径补偿类型HRESULTToolCompOut(//刀具半径补偿计算输出[out]ToolcompData*Intda}[uuid(f95132bl-9342-4086-9965-3d680456c3dc),scriptableClassCToolcomp{//定义组件所}ONC系统定义了在系统内部传输的消息格式，所有的ONC系统消息都包括一个消息头，该消息头pdu[0]ONC系统应用编程接口（ONCAPI）内部值pdu[1]PduGet|PduConfRequest(0×11)pdu[2]pdu[3]0pdu[4]pdu[5]pdu[6]pdu[…]pdu[0]ONC系统应用编程接口（ONCAPI）内部值pdu[1]PduGet|PduConfRequest(0×21)pdu[2]pdu[3]pdu[4]pdu[5]pdu[6]pdu[…]pdu[0]ONC系统应用编程接口（ONCAPI）内部值pdu[1]PduSet|PduConfRequest(0×12)或者PduSet|PduRequest（