开放式数控系统.docx

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开放式数控系统

摘要

随着现代制造业的快速发展，传统数控系统兼容性差、功能不易扩展、人机界面不灵活等缺点日益显现，数控系统的开放化已成为数控技术的主流。

开放式数控系统的研究目的是开发一种模块化、可重构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的功能柔性，在体系结构上给用户二次开发留有更多的余地，从而快速地响应新的加工需求。

本文阐述了数控技术的发展过程，介绍了国内外开放式数控系统的发展现状和发展趋势，指出研究和开发开放式数控系统的必要性。

在分析目前应用比较广泛的OSACA开放式体系结构的基础上，建立了基于PC+运动控制器的开放式数控系统的软硬件结构，并重点介绍了系统软件的构成与实现。

系统软件设计采用模块化结构，如：

总体调度模块、参数模块、软PLC模块、NC模块，客户界面模块等。

各个模块之间通过标准的接口协调工作，共同完成数控系统的功能。

该系统是一个能够同时完成程序译码、插补运算、系统管理、伺服控制等任务的控制系统，具备了一般商用数控系统的通用功能。

如果需要对系统的功能进行调整，只需要增减功能模块即可，体现出了系统开放性、灵活性的特点。

最后以系统研究为背景，将开发出的数控系统应用在铣床数控化改造中。

实践证明，以工控机和运动控制器为控制系统的核心控制器，不仅可以大大的简化系统的开发周期，实现资源的合理配置，而且，系统开发者和机床用户可以将自己的特殊的加工工艺、管理经验和操作技能纳入控制系统形成自己的产品特色。

关键词：

开放式数控系统，模块化结构，运动控制器

DevelopmentandResearchofOpenCNCSystemwith8-Axis

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmodernmanufacturing,theweaknessoftraditionalCNCsystembecomesapparentincreasingly,suchascompatibility,expandabilityandinflexiblehuman-machineinterfacesandsoon.TheresearchofOpenCNCSystemsisbecomingoneofthemostimportantdirectionsofCNCtechnology.ThepurposeofstudyingOpenCNCSystemistobuildamodular,reconfigurableandexpandablecontrolsystem.SothefunctionalflexibilityoftheCNCsystemcanbeimproved,thesystemsareenabledtobere-developed.Andsomenewdemandsoftheproducingcanalsoberespondedquickly.

ThroughthediscussingofthedifferentcoursesoftheNCtechnologyandtheintroductionofthestatusofresearchintheOpenCNCSystemfield,theneedofresearchingandexploitingopenCNCsystemisbroughtforward.ThehardwareandsoftwareconfigurationofCNCsystembasedonPC+MotionControllerarebuildwithanalyzingthemostpopularopenCNCarchitecture——OSACA.Thenthathowtobuildthesoftwareismainlydiscussed.Modularizationistheideaofthesoftware’sproject,suchasMaininterfacemodule、parametermodule、soft-PLCmodule、NCmodule、HMImoduleinthepaper.Thesefunctionmoduleswithstandardinterfaceswillworkcoordinately.TheCNCsystemdiscussedbythispaperisarealtimeandmulti-taskcontrolsystem.Itcandealwithcodinginterpretation,interpolation,systemmanagementandservocontrolsimultaneity.IthasthefunctionofgeneralcommercialCNCsystem.Thefunctionmodulescanbeaddedordeletedifsomeadjustmentswantbedonetothesystem,whichshowstheopeningandflexibilityofthesystem.

TheCNCsystemisusedinthenumericalrenovationofMillingMachineinordertoresearchthesystem.NotonlytheCNCsystembasedonPCandMotionControllershortenstheexploitivecycle,achievingresourcerationalconfiguration,butalsotheCNCdeveloperandcustomercanbringtheirtechnologies,experiencesandskillsintotheopenCNCsystem.

KeyWords：

OpenCNCSystem，ModularizationArchitecture，MotionController

目录

摘要I

AbstractII

1绪论1

1.1数控系统的发展概况1

1.2开放式数控系统概述2

1.2.1开放式数控系统的定义2

1.2.2开放式数控系统的特点3

1.2.3开放式数控系统的体系结构3

1.3开放式数控系统的发展7

1.3.1国外开放式数控系统的发展状况7

1.3.2国内开放式数控系统的发展状况9

1.4课题的产生及意义11

1.5课题的研究方法和内容12

2数控系统的总体设计13

2.1系统的设计目标13

2.2数控系统硬件结构设计13

2.2.1系统硬件的总体设计及实现13

2.2.2工控机的选型15

2.2.3运动控制器的选型16

2.3数控系统软件结构设计17

2.3.1系统软件的总体设计17

2.3.2系统中各模块的功能概述18

2.3.3系统中各模块的关系19

3参数模块设计21

3.1参数模块的设计要求21

3.2参数模块的结构21

3.3参数设置模块的拓扑结构22

3.4参数设置模块的功能细分23

3.5参数设置模块的实现24

4软PLC模块的设计27

4.1软PLC技术及特点27

4.2软PLC模块的组成及工作流程27

4.3软PLC模块的变量设计30

4.4软PLC模块控制程序的设计32

4.5软PLC模块解释程序的设计38

5NC模块的设计43

5.1NC模块的功能描述43

5.2NC模块的程序流程43

5.3NC模块解释程序设计45

5.3.1数控加工程序的结构与格式45

5.3.2解释程序的实现46

5.4NC模块运动执行程序设计51

5.5实时多任务的实现53

5.5.1系统线程的总体设计53

5.5.2系统线程的具体实现55

6客户界面模块的设计56

7结论63

参考文献64

在学研究成果67

致谢68

1绪论

1.1数控系统的发展概况

数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、信息处理技术、网络通讯技术、成组技术、现代控制技术、传感检测技术、微电子技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础[1]。

大力发展以数控技术为核心的先进制造技术，已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位重要途径[2]。

自从1952年麻省理工学院研制出世界上第一台三坐标数控铣床以来，数控系统的发展已经经历了八代，大致上可以分为四个发展阶段[3-5]：

（1）硬件数控阶段

早期计算机的运算速度低，远不能适应机床实时控制的要求，人们不得不采用数字逻辑电路搭建一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件连接数控，简称数控（NC）。

世界上第一台数控铣床的数控装置是采用电子管、继电器和模拟电路构成的试验样机，通称为第一代数控；1959年，晶体管取代了笨重的电子管，缩小了体积，使得工业应用成为了可能，诞生了第二代数控系统；1965年出现了小规模集成电路构成的NC，体积更小，功率更低，提高了可靠性，NC发展到第三代。

这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，称为“硬件”控制，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的发展和应用。

（2）计算机数控系统的发展和完善阶段

70年代初，大规模集成电路、半导体存储器、微处理器的问世，使得通用小型计算机逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。

1970年在美国芝加哥数控博览会上，首次展出了以小型计算机为核心的计算机数控系统（CNC），标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。

至此，原来由硬件实现的功能逐步改为由软件完成，从此系统进入了“软连接”数控时代。

1974年，首次出现了采用微处理器芯片的软连接CNC系统，象征着数控系统进入了以微机为背景的时代。

这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。

70年代末80年代初，随着大规模集成电路、大容量存储器、CRT的普及应用，CNC系统进入了第六代。

它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完善，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形显示和校验，实时软件精度补偿等功能；在系统体系结构上，开始出现了柔性化、模块化的多处理器结构，数控系统产品也逐渐实现了标准化、系列化。

（3）高速、高精度CNC的开发与应用阶段

为了实现高速、高精度轮廓的精加工，必须提高微轮廓的解释处理能力和伺服驱动能力。

为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，CNC系统应具有足够高的数据处理速度和能力。

32位CPU以其很强的数据处理能力在CNC中得到了应用，使CNC系统进入了面向高速、高精度的第七代。

（4）基于PC的开放式CNC的开发与应用

进入90年代，PC机（个人计算机）的性能提高很快，从8位、16位发展到32位，足可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高，数控系统从此进入了第八代——基于PC的CNC系统阶段。

1994年，这种基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后得到了高速发展。

PC的引入，不仅为CNC提供十分坚实的硬件资源和及其丰富的软件资源，更为CNC的开放化提供了基础。

现在，基于PC的开放式数控系统，已成为当今世界数控领域研究和开发的热点，这也为我国缩短与世界发达国家数控技术差距提供了机遇[6]。

1.2开放式数控系统概述

1.2.1开放式数控系统的定义

IEEE（国际电气电子工程师协会）是这样定义开放式数控系统的：

具有下列特性的系统可以被称为开放系统：

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、可以与其它的系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互界面（Anopensystemprovidescapabilitiesthatenableproperlyimplementedapplicationstorunonavarietyofplatformsfrommultiplevendors,inter-operatewithothersystemsapplications,andpresentaconsistentstyleofinteractionwiththeuser.）[7,8]。

通俗一点讲，开放式数控系统的实质应该是一种通用计算机上的标准应用程序，而不再是像传统的数控系统那样包含有许多插件板的专用硬件系统。

1.2.2开放式数控系统的特点

一般而言，开放性数控应该具有以下特点[9,10]：

（1）可移植性。

系统的应用模块无需经过任何改变就可以用于另一平台，仍然保持其原有性能。

（2）可扩展性。

不同应用模块可在同一平台上运行，相互不发生冲突。

（3）可协同性。

不同应用模块能够协同工作，并以确定方式交换数据。

（4）规模可变。

应用模块的功能和性能以及硬件的规模可按照需要调整。

（5）开放的人机界面。

“开放”仅限于控制系统的非实时部分，可对面向用户的程序作修改。

（6）控制系统核心（数控和可编程控制等）有限度开放。

虽然控制核心的拓扑结构是固定的，但可以嵌入包括实时功能的用户专用过滤器。

（7）开放控制系统。

控制核心的拓扑结构取决于过程，内部可相互交换、规模可变、可移植和可协同工作。

研究开放式数控系统就是要给用户提供一个开放式的标准的开发平台。

在这个平台上，用户可以通过标准化和简单化的步骤来简化系统的基本模块和基本构件，既可以添加一定的硬件，还可以改变软件的结构，而且允许与任何第三方的技术或产品进行集成。

1.2.3开放式数控系统的体系结构

从开放式数控系统的定义及特点，可以推出在构建一个开放式的系统体系结构时应具备的条件和遵循的标准。

一个开放式的数控系统，首先应具备系统功能模块化的结构，并具有定义了标准协议的通讯系统，使得各个功能模块能通过API来相互交换信息并相互操作。

同时，系统还应具有一个实时的配置系统，使得各个功能模块无论在系统运行之初还是之间都能够灵活地配置。

欧盟的OSACA开放式体系结构就是遵循这样的标准制定的[11]。

图1.1OSACA开放式数控系统体系结构图

Fig.1.1OpenCNCarchitectureofOSACA

OSACA控制系统的体系结构可分为两个部分：

应用软件和系统平台，应用软件即控制系统所包括的各个功能模块，以下称为AO（ArchitectureObject）。

AO是指具有一定特性和行为规范的系统功能单元对象，它是组成系统功能结构的最基本的单位，对系统平台具有唯一的接口。

AO之间通过OSACA的通讯系统可相互操作，通过OSACA提供的API接口可运行于不同平台之上。

系统平台包括系统软件（操作系统、通讯系统、设备驱动器等）和系统硬件（处理器、I/O板等）。

系统平台通过标准应用程序接口（API）向外提供服务，API隐藏了系统平台实现的内部机制，使得AO能运行于不同的平台之上。

OSACA软件结构中有三个主要的组成部分：

通信系统、参考体系机构模型和配置系统。

（1）通讯系统，通讯系统是系统平台与系统各功能模块进行信息交互的唯一途径，它既支持同一系统平台各个AO之间的信息交互，又可以通过不同的传输机制支持不同系统平台上AO之间的信息交互。

因此，通讯系统应完成两方面的任务：

通讯机制的制定和标准协议的制定。

（2）参考结构，系统的控制功能是由系统各功能模块所组成，而每一个功能模块都是由功能相对独立的功能元按照一定的逻辑关系所组成的。

系统的参考结构就是用来精确描述功能元与系统平台之间以及各模块之间的关系；精确定义各模块和功能元的行为和属性，以及各模块和功能元与系统平台之间的接口，保证不同供应商提供的功能模块可以在不同平台上协调工作。

（3）配置系统，传统数控系统的配置系统属于静态的配置，它是通过设置参数来完成的。

针对不同功能的控制系统，有成千上万的参数需要设置和调整，不同系统的参数数量和用途也是不一样的。

开放式体系结构的配置系统应是一种动态实时配置系统，既可以在系统运行之前配置好，又可在系统运行期间对其进行重配置而不必对系统进行重新编译和连接。

这一实现得益于面向对象的编程技术。

目前，研究开放式数控系统的厂家很多，其组成形式也千差万别，不过总体上都是向基于PC的开放式数控系统方向发展。

世界上许多数控系统生产厂家利用PC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。

就基于PC的开放式数控的结构形式而言，当今世界上的开放式数控系统大致可分为PC连接型NC，PC嵌入型NC、运动控制器+PC型、全软件型NC等4种类型[12-14]，其结构形式如图1.2所示：

图1.2基于PC的开放式数控系统

Fig.1.2OpenCNCsystembasedonPC

（1）PC连接型NC

PC连接型NC是将现有原型CNC与PC用通用串行线直接相连的一种组成形式。

其优点是容易实现，且原型CNC几乎可以不加改动的使用，也可以使用通用软件。

缺点是这种数控系统由于其开放性只在PC部分，其专业的数控部分仍处于瓶颈结构，且系统的响应速度、通讯速度慢。

（2）PC嵌入型NC

PC嵌入型NC即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。

其优点是原型CNC几乎可以不加改动的使用，且数据传送速度快，系统响应快。

缺点是由于它的NC部分仍然是传统的数控系统，不能使用通用PC，其体系结构还是不开放的，PC的开放程度受到限制。

因此这种结构尽管也具有一定的开放性，但用户无法介入数控系统的核心。

如FANUC公司的150/160/180/210系统、Siemens840D系统、Numl060系统、AB9/360等数控系统。

这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。

（3）运动控制器+PC型

运动控制器+PC型即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。

这种系统主要是基于PC或PCBase，其中最主要的部件是计算机和控制运动的控制卡。

这种运动控制卡通常选用高速DSP作为CPU具有很强的运动控制和PLC控制能力。

它本身就是一个数控系统，可以单独使用。

它开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。

因而这种开放结构被广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。

其优点是能充分保证系统性能，软件的通用性强且编程处理灵活，缺点是确保系统可靠性也是个有待进一步研究的问题。

如美国DeltaTau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MASK公司用三菱电机的MELDASMAGIC64构造的MAZATROL640CNC等。

（4）全软件型NC

全软件型NC即完全采用PC的全软件形式的数控系统，NC的全部功能处理全由PC进行、并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。

其优点是编程处理相当灵活，机件的通用性强。

它的CNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。

与前几种数控系统相比，全软件型开放式数控系统具有最高的性能价格比，因而最有生命力。

缺点是在通用PC上进行实时处理较困难，较难保证系统性能，其可靠性也有待进一步研究。

目前由于存在着操作系统的实时性、标准统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。

目前全软件型的典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC德国PowerAutomation公司的PA8000NT等。

1.3开放式数控系统的发展

1.3.1国外开放式数控系统的发展状况

开放式控制系统的研究始于1987年美国空军在政府资助下发表的“NGC（NextGenerationController）下一代控制器”研究计划。

针对当时的数控系统都是基于专有设计的基础上完成的，具有不同的编程语言、非标准的人机接口、多种实时操作系统、无共同性、无标准接口、封闭式的系统等情况，NGC试图通过实现基于相互操作和分级式软件模块的“开放式系统体系结构标准规范”（SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard－－SOSAS）找到解决上述问题的方法[15]。

在NGC计划中提出了“开放式系统体系结构”的新一代数控的概念，一个开放式系统体系结构能够使供应商为实现专门应用选择最佳方案定制控制系统。

其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的OMAC（开放式、模块化体系结构控制器）、欧洲的OSACA（开放系统体系结构标推规格）和日本的OSEC（控制器开放系统环境）等计划[16-18]。

（1）OMAC计划

美国的汽车工业为解决自身发展过程中碰到的一系列问题，由克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司于1994年开始了一项名为“开放的模块化体系结构控制器（OMAC）”的计划。

该计划的目标是降低控制系统的投资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术到原有系统的集成，从而使系统易于更新换代，尽快跟上新技术的发展，并适应需求的变化。

其主要动机是向供应商和技术开发团体公布控制器用户尤其是汽车制造业的需求，以期他们明白并更好地理解用户的需求，从而能在市场上购买到满足其要求的产品。

（2）OSACA计划

OSACA计划是1990年由欧共体国家的22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的，并于1992年5月正式得到欧盟的认可，纳入欧盟ESPRITIII项目计划。

该计划共分三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均已完成，主要是制定OSACA规范和应用指南以及依照OSACA视范为其系统平台开发标准通用的软件模块和通用的系统平台。

第三阶段的计划正在进行中，其主要目标是推广OSACA思想以及前期工作的技术成果，同时与日、美的相关机构进行接触，以期建立一个国际性的控制器标准。

（3）OSEC计划

OSEC计划由东芝机器公司、丰田机器厂和Mazak公司三家机床制造商和日本IBM、三菱电子及SML信息系统公司共同提出。

其目的是建立一个国际性的工厂自动化（FA）控制设备标准。

OSEC以日本国际机器人和工厂自动化研究中心（IROFA）所提出的CNC系统参考模型为基础，提出了一个开放体系结构。

OSEC的开放CNC系统体系结构包括了三个功能层和七个处理层。

OSEC提出了FADL（工厂自动化描述语言）和OSEL（OpenSystemEnvironmentLanguage）加工语言，实现加工信息标准化和制造控制系统与CAD/CAM系统之间的直接互联。

开发研究成果已得到应用，如Cincinnati--Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。

目前以德国An