畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于pc的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　.</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展和復(fù)雜曲面零件的廣泛應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、檢測(cè)等各個(gè)領(lǐng)域，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究目的是要建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)

2、新的加工需求。</p><p>　　本文圍繞著開(kāi)放式CNC （Computer Numerical Control）系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的若干關(guān)鍵技術(shù)，從體系結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)地開(kāi)放化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究。全文主要研究工作如下：</p><p>　　系統(tǒng)研究了基于PC的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問(wèn)題:CNC體系結(jié)構(gòu)的概念及其對(duì)系統(tǒng)性能和發(fā)展的重要性，現(xiàn)有CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和缺陷，CNC系

3、統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放的必要性、開(kāi)放的理念和目標(biāo)以及實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)的途徑。在需求分析的基礎(chǔ)上，談?wù)摿碎_(kāi)放式CNC體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和概念模型。 </p><p>　　對(duì)開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的開(kāi)放特性需求，研究討論了基于CAN總線的模塊化體系結(jié)構(gòu)以及各功能模塊。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng) 開(kāi)放體系結(jié)構(gòu) CAN總線 PCI總線 </p><p><b>

4、;　　Abstract</b></p><p>　　With the development and broad used of CNC technology and complex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, computer, autocontrol, inspectevice etc.

5、 The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system's flexibility, and enablethe systems to be re-developed. As a result, CNC

6、 systems can be responsive to the marketquickly and economically.</p><p>　　In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system archi

7、tecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results:</p><p>　　thefeatures and drawbacks of curre

8、nt architecture, and why and how for CNC systems to be open.Some principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware.

9、</p><p>　　Design methods of the modular system and its function modules base on CAN-busand PCI-bus are presented in details.</p><p>　　Keyword: CNC Open-architecture CAN-bus PCI-bus</p>

10、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言 ………………………………………………………………6</p><p>　　1.數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生的背景 ……………………………………………6</p><p>　　2.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生背景 ………………………………6</p><p>　　3.本課

11、題的來(lái)源和研究意義 ………………………………………7</p><p>　　1.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 ………………………………………………8</p><p>　　1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9</p><p>　　1.2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 …………………………………… 9</p><p>　　1.2.1開(kāi)放式數(shù)控系

12、統(tǒng)的研究發(fā)展 ………………………… 9</p><p>　　1.2.2國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 …………………………… 12</p><p>　　2.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的理論研究 ……………………………… 12</p><p>　　2.1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ………………………………… 12</p><p>　　2.1.1開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的概念 ……

13、………………………………12</p><p>　　2.1.2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放途徑 …………………13</p><p>　　2.1.3 基于PC的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) …………………………… 14</p><p>　　2.2 運(yùn)動(dòng)控制器原理 ………………………………………………15</p><p>　　2.3 開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)

14、 …………………………………17</p><p>　　2.3.1開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的需求分析 …………………………… 17</p><p>　　2.3.2開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 …………………… 18</p><p>　　2.3.3基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ……………… 19</p><p>　　2.3.4運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件

15、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ……………………………20</p><p>　　2.3.5軟件整體規(guī)劃 ……………………………………………21</p><p>　　本章小結(jié) ……………………………………………………………22</p><p>　　3.常見(jiàn)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及特征 ……………… 23</p><p>　　3.1數(shù)控系統(tǒng)硬件開(kāi)放的要求與實(shí)現(xiàn)技術(shù)

16、 ……………………… 23</p><p>　　3.1.1標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù) …………………………………………23</p><p>　　3.1.2 CAN總線原理與特點(diǎn) ……………………………………26</p><p>　　3.1.3 DSP芯片原理 ……………………………………………29</p><p>　　3.1.4接口的模塊化設(shè)計(jì) …………

17、……………………………31</p><p>　　3.1.5基于PC的開(kāi)放式設(shè)計(jì) ………………………………… 31</p><p>　　3.2基于PC的開(kāi)放式CNC系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì) ………32</p><p>　　3.2.1運(yùn)動(dòng)控制卡微處理器的選擇 ……………………………32</p><p>　　3.2.2運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)通訊設(shè)計(jì) …

18、………………………32</p><p>　　3.2.3 DSP和計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………………………34</p><p>　　3.2.4 DSP和CAN總線的通訊設(shè)計(jì) ……………………………34</p><p>　　3.3數(shù)控系統(tǒng)其他硬件模塊設(shè)計(jì) ……………………………… 35</p><p>　　3.3.1伺服接口模塊設(shè)計(jì) ……………

19、…………………………35</p><p>　　3.3.2 PMC模塊設(shè)計(jì) ……………………………………………35</p><p>　　3.3.3操作面板I/O模塊設(shè)計(jì) …………………………………36</p><p>　　本章小結(jié) …………………………………………………………36</p><p>　　4.結(jié)論和展望 ……………………………………

20、…………… 37</p><p>　　4.1結(jié)論 ……………………………………………………………37</p><p>　　4.2展望 …………………………………………………………38</p><p>　　參考文獻(xiàn) …………………………………………………………38</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………39&

21、lt;/p><p>　　基于PC的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　1.數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生的背景</p><p>　　科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來(lái)越高的要求。機(jī)械加工工藝過(guò)程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，

22、降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。許多生產(chǎn)企業(yè)(例如汽車、拖拉機(jī)、家用電器等制造廠)已經(jīng)采用了自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專用自動(dòng)生產(chǎn)線。采用這種高度自動(dòng)化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長(zhǎng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€(gè)工件上的費(fèi)用很少，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常顯著的。但是，在機(jī)械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件(批量在10一100件)約占機(jī)械加工總量的80%以上。

23、尤其是在造船、航天、航空、機(jī)床、重機(jī)械以及國(guó)防部門，其生產(chǎn)特點(diǎn)是加工批量小，改型頻繁，零件的形狀復(fù)雜而且精度要求高，采用專用化程度很高的自動(dòng)化機(jī)床加工這類零件就顯得很不合理，因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對(duì)于專用生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，這種改裝與調(diào)核甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。近年來(lái)，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為在競(jìng)爭(zhēng)中求得生存與發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)如要提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，就必須頻繁地改型，并縮短生產(chǎn)周期，</p><p>　　為了解

24、決上述這些問(wèn)題，來(lái)滿足多品種、小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)字控制(NUMERICALCONTROL,簡(jiǎn)稱NC或數(shù)控)機(jī)床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來(lái)的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動(dòng)化加工手段。數(shù)控機(jī)床就是將加工過(guò)程所偏的各種操作(如主軸變速、松夾工件、進(jìn)刀與退刀、開(kāi)車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等)和步驟，以及刀具與工件之間的相

25、對(duì)位移t都用數(shù)字化的代碼來(lái)表示，通過(guò)控制介質(zhì)(如穿孔紙帶或磁帶)將數(shù)字信息送人專用的或通用計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)對(duì)輸人的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來(lái)控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。</p><p>　　2.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生背景</p><p>　　數(shù)控技術(shù)的問(wèn)世解決了傳統(tǒng)方式難以解決的負(fù)載零件的制造問(wèn)題。準(zhǔn)確、高效的自動(dòng)化手段，改變了以往機(jī)械工業(yè)中周期長(zhǎng)

26、、效率低的局面;柔性的工作方式，能充分適應(yīng)多品種、小批盆的現(xiàn)代生產(chǎn)方式，從而大大提高了對(duì)現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)需求的適應(yīng)能力。利用數(shù)控技術(shù)可以大幅度縮短產(chǎn)品的制造周期，提離產(chǎn)品的加工質(zhì)盤，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，因而具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益及廣闊的發(fā)展前景，業(yè)已成為一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。</p><p>　　然而，現(xiàn)今生產(chǎn)中使用的絕大多數(shù)CNC系統(tǒng)中(以FAI；UC；S IMENS等為代表)，所采

27、用的是一種專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)，即組成系統(tǒng)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)由各數(shù)控系統(tǒng)廠家行設(shè)計(jì)，是專用的，互不兼容的，系統(tǒng)各模塊之間的交互方式、通訊及結(jié)構(gòu)也互不相同。這專用的封閉式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，產(chǎn)品批盤大、生產(chǎn)成本低，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，越來(lái)越暴露出其固有的缺陷，集中表現(xiàn)如下:</p><p>　　1)各控制系統(tǒng)間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成:風(fēng)格不同的操作方式，使用戶培訓(xùn)費(fèi)用

28、增加;專用件的大量使用，給數(shù)控設(shè)備的使用與維護(hù)帶來(lái)了很多不便;</p><p>　　2)系統(tǒng)的封閉性使得對(duì)其擴(kuò)充和修復(fù)極為有限，造成數(shù)控設(shè)備制造商對(duì)系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴，難以將自己的專門技術(shù)、工藝經(jīng)驗(yàn)集成與控制系統(tǒng)結(jié)合形成自己的產(chǎn)品特點(diǎn)，不利于提高主機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力;</p><p>　　3)專用的硬件，軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)發(fā)展，使系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)投資大、周期長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)

29、控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步?？傊?，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已難以適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)的市場(chǎng)的變化與競(jìng)爭(zhēng)，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的要求。</p><p>　　為了節(jié)約封閉式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控存在的問(wèn)題，近年來(lái)，西方各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相繼提出了向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問(wèn)題，如美國(guó)的NGC計(jì)劃，日本和歐洲提出的OSEC及OSACA計(jì)劃等。</p><p>　　開(kāi)放式數(shù)控

30、系統(tǒng)的主要研究目的是，解決變化頻繁的需求與封閉的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而有效地響應(yīng)新的加工需求。</p><p>　　3.本課題的來(lái)源及意義</p><p>　　基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是對(duì)傳統(tǒng)封閉式數(shù)控結(jié)構(gòu)的根本突破，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主流和研究熱點(diǎn)，是新一代數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。</p>

31、<p>　　采用基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，無(wú)論對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商、機(jī)床廠還是最終用戶均有益處。對(duì)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商，可在共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上建立廣泛的合作，實(shí)現(xiàn)廠家的協(xié)作式開(kāi)發(fā)，這將大大縮短系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，減少投資，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。</p><p>　　我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國(guó);但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還很不高，嚴(yán)重制約著我國(guó)制造業(yè)水平的提高。國(guó)際上的相關(guān)開(kāi)放計(jì)劃對(duì)我國(guó)的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)

32、也帶來(lái)了機(jī)遇。因?yàn)殚_(kāi)放計(jì)劃的實(shí)施，把世界上所有的數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)商推到了同一起跑線上。我們應(yīng)充分把握數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型的歷史機(jī)遇，揚(yáng)長(zhǎng)避短，迎頭趕上，充分吸收當(dāng)今計(jì)算機(jī)發(fā)展的最新成果，高起點(diǎn)制定出切實(shí)可行、適合我國(guó)國(guó)情的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化的技術(shù)路線。</p><p><b>　　1.數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展</b></p><p>　　1.1數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史</p>&

33、lt;p>　　數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、測(cè)量技術(shù)、機(jī)械制造等多項(xiàng)技術(shù)，成為二十世紀(jì)以來(lái)逐步發(fā)展起來(lái)的機(jī)床控制的新技術(shù)，是一門交叉學(xué)科。</p><p>　　數(shù)控技術(shù)的廣泛使用，給機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來(lái)了深刻的變化。數(shù)控技術(shù)是國(guó)防現(xiàn)代化的重要部分，是國(guó)際技術(shù)和商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成。因此，數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到國(guó)家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國(guó)家綜合國(guó)力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。

34、</p><p>　　數(shù)字控制(Numerical Control)是相對(duì)于模擬控制而言的。數(shù)字控制系統(tǒng)中的信息量是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的信息量是模擬量。最初的數(shù)字控制系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的，因而稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)被逐漸淘汰，取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC-Computer Numerical Control)。數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)、特別是航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)

35、用，無(wú)論在硬件方面還是在軟件方面，發(fā)展都很快。</p><p>　　自從1952年麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)三座標(biāo)銑床以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)無(wú)論在硬件或者軟件方面發(fā)展都很快，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)歷了八代，可以分為以下四個(gè)發(fā)展階段[1]</p><p>　　1.硬件數(shù)控階段(1952一1970)</p><p>　　早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低

36、，遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求.人們不得不采用數(shù)字邏輯電路搭建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置，被稱為硬件連接數(shù)控，簡(jiǎn)稱數(shù)控(NC).世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的數(shù)控裝置是采用電子管、繼電器和模擬電路構(gòu)成的試驗(yàn)樣機(jī)，通稱為第一代數(shù)控。1959年，晶體管取代了笨重的電子管?？s小了體積，使得工業(yè)應(yīng)用成為了可能，誕生了第二代數(shù)控系統(tǒng)。1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路構(gòu)成的NC，體積更小，功率更低，提高了可靠性，NC發(fā)展到第三代。</p>&l

37、t;p>　　這一階段的數(shù)控系統(tǒng)，各種控制功能均由硬件邏輯完成，稱為“硬件”控制，其功能簡(jiǎn)單，靈活性差，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，系統(tǒng)可靠性低，因而限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。</p><p>　　2.計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和完善階段(1970一1986)</p><p>　　70年代初，大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，微處理器的問(wèn)世，通用小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)并逐漸普及，給數(shù)控技術(shù)帶來(lái)了突破性的發(fā)展。1970

38、年在美國(guó)芝加哥數(shù)控博覽會(huì)上，首次展出了以小型計(jì)算機(jī)為核心的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)，標(biāo)志著數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了計(jì)算機(jī)為主體的第四代。至此，原來(lái)由硬件實(shí)現(xiàn)的功能逐步改為由軟件完成。從此系統(tǒng)進(jìn)入了“軟連接”數(shù)控時(shí)代。</p><p>　　1974年，首次出現(xiàn)了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統(tǒng)，象征著數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了以微機(jī)為背景的時(shí)代。這一發(fā)展真正實(shí)現(xiàn)了機(jī)電一體化，進(jìn)一步縮小了體積，降低了成本，簡(jiǎn)化了編程和操作，使數(shù)控系統(tǒng)達(dá)

39、到了普及的程度。</p><p>　　70年代末，80年代初，隨著大規(guī)模集成電路、大容量存儲(chǔ)器、CRT的普及應(yīng)用，CNC系統(tǒng)進(jìn)入了第六代。它雖然仍以微處理器為基礎(chǔ)，但控制功能更為完善，具備了多功能的技術(shù)特征，尤其在軟件技術(shù)方面發(fā)展更快，具有了交互式對(duì)話編程，三維圖形顯示和校驗(yàn)，實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償?shù)裙δ?。在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上，開(kāi)始出現(xiàn)了柔性化，模塊化的多處理器結(jié)構(gòu)。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。</p&g

40、t;<p>　　3.高速精度CNC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段(1986一今)</p><p>　　為了實(shí)現(xiàn)高速、高精度輪廓的精加工，必須提高微輪廓的解釋處理能力和伺服驅(qū)動(dòng)能力。為保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、加工線速度控制等連續(xù)處理，CNC系統(tǒng)應(yīng)具有足夠高的數(shù)據(jù)處理速度和能力.32位CPU以其很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力在CNC中得到了應(yīng)用。使CNC系統(tǒng)進(jìn)入了面向高速、高精度的第七代。1986年，三菱電機(jī)公司率先推出了以C

41、PU為68020的32位，掀起了32位CNC的熱潮，并逐漸成為當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的主流。</p><p>　　4.基于PC的開(kāi)放式CNC的開(kāi)放與應(yīng)用(1994一今)</p><p>　　進(jìn)入90年代，PC機(jī)(個(gè)人計(jì)算機(jī))的性能提高很快，從8位、16位發(fā)展到32位，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量很大，價(jià)格便宜，可靠性高.數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了第八代基于PC的CNC系統(tǒng)階段.19

42、94年，這種基于PC的CNC控制器在美國(guó)首先亮相市場(chǎng)，并在此后得到了高速發(fā)展。PC的引入，不僅為CNC提供十分堅(jiān)實(shí)的硬件資源和及其豐富的軟件資源，更為CNC的開(kāi)放化提供了基礎(chǔ)。</p><p>　　1.2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究</p><p>　　1.2.1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展</p><p>　　控制系統(tǒng)采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為制

43、造業(yè)的一大支柱。因此，歐美及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都相繼進(jìn)行了大量的投入和研究，其中最具有代表性和影響力的研究有以下幾個(gè)【2】</p><p>　　1.美國(guó)的NGC和OMAC計(jì)劃</p><p>　　早在1987年，里根政府為振興美國(guó)的機(jī)械制造業(yè)，推動(dòng)工業(yè)形成一個(gè)廣泛的合作關(guān)系，以增強(qiáng)對(duì)外競(jìng)爭(zhēng)力，推出} NGC (The Next Generation Work-station/MachineCo

44、ntroller)研究計(jì)劃。該項(xiàng)目由美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)，于1989年開(kāi)始實(shí)施。</p><p>　　NGC計(jì)劃目標(biāo)是:基于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的下一代機(jī)械制造控制器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)的支持下，不同的設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)出具有互換性和互操作性的控制部件?；谶@一標(biāo)準(zhǔn)的控制器具有體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放、適用范圍廣、能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。圖1-1為NGC的體系結(jié)構(gòu)。</p><p>

45、;　　圖1-1 NCC體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　NGC的一個(gè)重要的成果是開(kāi)發(fā)并最終形成了“開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（SOSAS,Specification for an Open System Architecture Standard）"，用于指導(dǎo)工作站和機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組織。SOSAS定義了NGC系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關(guān)系。</p><p>

46、;　　NGC計(jì)劃已于1994年完成了原型研究，并已轉(zhuǎn)入工業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。例如美國(guó)Ford, GM和Chrysler等公司在NGC計(jì)劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，定義了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架、信息庫(kù)管理、任務(wù)管理、人機(jī)接口運(yùn)動(dòng)控制、傳感器接口等標(biāo)準(zhǔn)OMAC API，構(gòu)造了完整的體系結(jié)構(gòu)。該計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將使系統(tǒng)制造廠、機(jī)床廠和最終用戶本身從縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、便于系統(tǒng)

47、集成和二次開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)的使用和維護(hù)等方面受益.例如DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議，成功的開(kāi)發(fā)了具有良好開(kāi)放特性的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，該卡提供了豐富的接口函數(shù)，可以方便的應(yīng)用于PCo PMAC卡與PC之間具有雙口RAM、并行總線、串口等多種信息交換接口，它還提供了豐富的I/0接口、電機(jī)控制接口，能與交流直流等多種電機(jī)連接實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制。采用PC和PMAC形成PMAC開(kāi)放式CNC系統(tǒng)，獲得良好的效果。</p>&

48、lt;p>　　2.歐盟的OSACA計(jì)劃</p><p>　　OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)計(jì)劃是歐盟為了增強(qiáng)其機(jī)床和控制制造商在世界市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力而制定的研究項(xiàng)目.該項(xiàng)目由德國(guó)斯圖加特大學(xué)的制造控制技術(shù)研究所(ISW)支持，參加單位來(lái)歐盟國(guó)家的11家主要機(jī)床制造廠、控制器生產(chǎn)廠和高校。該計(jì)劃分為三個(gè)階段

49、，其中第一階段和第二階段均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，主要完成了OSA.CA規(guī)范、應(yīng)用指南，并依照OSACA規(guī)范并開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的通用系統(tǒng)平臺(tái)和軟件模塊。第三階段的計(jì)劃正在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，其主要目標(biāo)是推廣OSACA思想以及前期工作的技術(shù)成果，同時(shí)與日，美的相關(guān)企業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行接觸，以期建立一個(gè)國(guó)際性的控制器標(biāo)準(zhǔn)。</p><p>　　OSACA的目標(biāo)是為數(shù)控等自動(dòng)化設(shè)備定義了一個(gè)獨(dú)立于硬件平臺(tái)、與制造商無(wú)關(guān)的開(kāi)放式控制系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)，這些自動(dòng)化

50、設(shè)備不僅包括機(jī)床數(shù)控，機(jī)器人控制，還包括可編程控制器和單元控制器。遵循OSACA規(guī)范的控制器產(chǎn)品將提供更強(qiáng)的客戶定制功能，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的周期，降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、維護(hù)、培訓(xùn)和文檔建立的費(fèi)用。</p><p>　　OSACA控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-2所示，包括兩個(gè)部分:系統(tǒng)平臺(tái)和結(jié)構(gòu)化的功能模塊。OSACA系統(tǒng)平臺(tái)包括操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)配置、圖形服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)等系統(tǒng)平臺(tái)通過(guò)API與具體功能模塊AO發(fā)生關(guān)系

51、。AO按其控制功能分為:人機(jī)控制，運(yùn)動(dòng)控制，邏輯控制，軸控制，過(guò)程控制等。OSACA的軟件結(jié)構(gòu)中有三個(gè)主要組成部分:通訊系統(tǒng)、參考體系結(jié)構(gòu)模型和配置系統(tǒng)，它們建立在統(tǒng)一的信息通訊平臺(tái)基礎(chǔ)上。</p><p>　　圖1-2 OSACA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.日本的OSEC計(jì)劃</p><p>　　OSEC(Open System Environmen

52、t for Con七roller)計(jì)劃是在日本國(guó)家機(jī)器人和工廠自動(dòng)化研究中心(工ROFA )建立的開(kāi)放式數(shù)控委員會(huì)的倡導(dǎo)下，于1995年由東芝機(jī)器公司、豐田機(jī)器廠和Mazak公司三家機(jī)床制造商和日本工BM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建的。其目的是建立一個(gè)國(guó)家性的工廠自動(dòng)化控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)發(fā)新一代基于PC平臺(tái)、性能價(jià)格比高的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。</p><p>　　OSEC提出的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)參考

53、模型如圖1-3所示。這一結(jié)構(gòu)包括了零件造型、工藝規(guī)劃、機(jī)床控制處理(程序解釋、操作模塊控制、智能處理)、刀具軌跡控制、順序控制、軸控制等功能，并對(duì)各層之間的接口制定了協(xié)議。這些協(xié)議從CAD和生產(chǎn)管理開(kāi)始，分為CAM和生產(chǎn)監(jiān)控，綜合成為任務(wù)調(diào)度，然后利用各種庫(kù)進(jìn)行解釋，形成軸控制及PLC所需要的信息和數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)床的伺服和執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。OSEC還定義了一種工廠自動(dòng)化設(shè)備描述語(yǔ)言(FADL)a FADL可以在新的水平上實(shí)現(xiàn)CAD/CAM與

54、控制系統(tǒng)之間的集成，具有對(duì)硬件的抽象化、對(duì)傳統(tǒng)數(shù)控語(yǔ)言EIA代碼(G，S，T)和道具數(shù)據(jù)的兼容性、能夠適應(yīng)控制的實(shí)時(shí)解釋等特性。這個(gè)體系結(jié)構(gòu)獨(dú)立于平臺(tái)，如微處理器、系統(tǒng)單元、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，給每個(gè)模塊的應(yīng)用提供了相當(dāng)?shù)淖杂?。因此用戶、控制系統(tǒng)生產(chǎn)商和機(jī)床廠制造商都可以很方便地為自己的模塊設(shè)置或者增加新的功能和特性。如今，OSEC己發(fā)展到由18家公司和一個(gè)團(tuán)體參與的具有較大影響力的組織。</p><p>　　圖

55、1-3 OSEC參考模型</p><p>　　1.2.2國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　我國(guó)的數(shù)控技術(shù)已經(jīng)有四十多年的發(fā)展歷史，期間經(jīng)歷了起步，停滯，引進(jìn)，消化開(kāi)發(fā)和創(chuàng)新等幾個(gè)階段[2]。</p><p>　　從1958年起，一些科學(xué)院所、高等學(xué)校和少數(shù)機(jī)床廠開(kāi)始進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)。由于受到當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)電子元器件、加工工藝技術(shù)落后、部門經(jīng)濟(jì)

56、等因素的制約，未能取得較大的發(fā)展，科研和生產(chǎn)基本處于停滯狀態(tài)。</p><p>　　1980年開(kāi)始，我國(guó)先后從日本和德國(guó)引進(jìn)數(shù)控制造技術(shù)，合作生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，打破了國(guó)產(chǎn)數(shù)控技術(shù)徘徊不前的局面。此后經(jīng)過(guò)“六五”的技術(shù)引進(jìn)、散件組裝，“七五”期間的消化吸收，“八五”國(guó)家組織的科技攻關(guān)和“九五”國(guó)家組織的產(chǎn)業(yè)攻關(guān)，使我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)獲得了質(zhì)的飛躍，開(kāi)發(fā)出一批具有自主版權(quán)的中高檔數(shù)控系統(tǒng).中國(guó)珠峰數(shù)控公司的中華1型是用工

57、業(yè)PC機(jī)作為主控制板，CPU為32位486微處理器，實(shí)現(xiàn)了多功能控制系統(tǒng)。北京航天數(shù)控集團(tuán)自行開(kāi)發(fā)的航天1型采用與通用PC機(jī)體系結(jié)構(gòu)兼容的總線，模塊化、開(kāi)放型嵌入式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了典型的前后機(jī)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，較好的解決了實(shí)時(shí)多過(guò)程控制。華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)的華中1型是以32位工控機(jī)為硬件主體，配置了具有曲面構(gòu)造與自動(dòng)編程的CAD功能軟件，能進(jìn)行復(fù)雜曲面的構(gòu)造、數(shù)控加工規(guī)劃、NC程序生成、干涉檢驗(yàn)和加工仿真，并實(shí)現(xiàn)了曲面和直線的插補(bǔ)功能.此外，中科院

58、沈陽(yáng)計(jì)算所研制的藍(lán)天1型、北京航空航天大學(xué)的CH2010也都是基于PC平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)，各具特色。這些擁有自主版權(quán)的高檔數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)成功，表明我國(guó)已經(jīng)具備開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)的能力，為我國(guó)高檔數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了技術(shù)支持，</p><p>　　2.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的理論研究</p><p>　　2. 1開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　采用專用計(jì)算機(jī)組

59、成的數(shù)控系統(tǒng)，在選用高性能的微處理器構(gòu)成分布式處理結(jié)構(gòu)時(shí)，可以獲得很高的性能，如多軸聯(lián)動(dòng)高速、高精度控制，很強(qiáng)的補(bǔ)償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產(chǎn)和保密的需要，不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計(jì)其硬件和軟件，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語(yǔ)言、五花八門的人機(jī)界面、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)化接口等缺陷。從而導(dǎo)致，一方面，各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成;風(fēng)格不一的操作方

60、式以及專用件的大量使用，給用戶的使用與維護(hù)帶了很多不便;另一方面，系統(tǒng)的封閉性阻礙了計(jì)算機(jī)技術(shù)的及時(shí)應(yīng)用，不利于數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步。顯然，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場(chǎng)的變化和競(jìng)爭(zhēng)，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。</p><p>　　2.1.1開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的概念</p><p>　　關(guān)于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的定義，目前尚有較大爭(zhēng)議，根據(jù)IEEE關(guān)于開(kāi)放式系統(tǒng)

61、的定義:一個(gè)開(kāi)放式的系統(tǒng)應(yīng)能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)行，能夠與其它系統(tǒng)進(jìn)行操作，并能給用戶提供一致的交互界面。</p><p>　　對(duì)于一個(gè)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，也應(yīng)遵循這些基本要求。一個(gè)開(kāi)放的控制系統(tǒng)應(yīng)具有完全模塊化的結(jié)構(gòu)，模塊之間具有互換性、可擴(kuò)展性和可移植性，這是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng)的基本特征。</p><p>　　開(kāi)放的概念可以從兩個(gè)方面進(jìn)行理解:一是時(shí)間的開(kāi)放，二是空間的開(kāi)放。時(shí)間的開(kāi)放是針對(duì)軟硬

62、件平臺(tái)及其規(guī)范而言的，以保證平臺(tái)具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展、容納新設(shè)備的能力。時(shí)間的開(kāi)放性又有可擴(kuò)展性和可移植性兩個(gè)方面:空間的開(kāi)放性是針對(duì)系統(tǒng)接口及其規(guī)范而言的，它又可以分為互操作性和互換性。</p><p><b>　　（1）可擴(kuò)展性</b></p><p>　　可擴(kuò)展性包括規(guī)?？蓴U(kuò)展性和換代可擴(kuò)展性。規(guī)?？蓴U(kuò)展性是指一個(gè)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)增減部件改變系統(tǒng)的功能或

63、性能;換代可擴(kuò)展性，是指隨著時(shí)間和技術(shù)的遷移，組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件具有可升級(jí)性。</p><p><b>　?。?）可移植性</b></p><p>　　可移植性要求數(shù)控系統(tǒng)能夠在多個(gè)廠商提供的平臺(tái)上運(yùn)行。因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)用與設(shè)備無(wú)關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機(jī)制，并且通過(guò)一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺(tái)上。</

64、p><p><b>　　（3）互換性</b></p><p>　　互換性要求構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的部件在功能，性能或可靠性等要求不同時(shí)，能夠用另一種部件進(jìn)行替換。互換性使得一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)不再是專有的，它可以有來(lái)自不同廠家的不同部件所構(gòu)成。這對(duì)提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價(jià)格比具有重要的意義。</p><p><b>　?。?）互操作性</b>&l

65、t;/p><p>　　互操作性表征了構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件在一起協(xié)調(diào)工作的能力。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的互操作性通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)通訊系統(tǒng)不僅允許數(shù)據(jù)的交換并且定義了交換的協(xié)議。</p><p>　　開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當(dāng)今的PC機(jī)類似，系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開(kāi)放的平臺(tái)上，具有模塊化結(jié)構(gòu)，允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成，更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，

66、而且，組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來(lái)源于不同的部件供應(yīng)商，并且相互兼容。</p><p>　　與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在于:建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性，在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應(yīng)新的加工需求。</p><p>　　2.1.2開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放途徑</

67、p><p>　　目前，大量的供應(yīng)商提供了各種各樣的加工及控制系統(tǒng)的解決方案，這些方案構(gòu)成了解決所有自動(dòng)化系統(tǒng)形形色色的途徑。然而，要想附加集成一些由不同賣方提供的功能時(shí)，卻有相當(dāng)?shù)碾y度，這些困難主要集中在不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)之間沒(méi)有公共的接口，需要很高的擴(kuò)展、擴(kuò)充及集成費(fèi)用，沒(méi)有風(fēng)格一致的操作系統(tǒng)的界面以及需要分別針對(duì)不同的系統(tǒng)來(lái)培訓(xùn)人員等使維護(hù)費(fèi)用急劇增加。為解決系統(tǒng)開(kāi)放集成上的難題，我們可以采用三種開(kāi)放途徑，它們

68、的開(kāi)放層次不同，實(shí)現(xiàn)的難度不等，獲得開(kāi)放效果也相差很大，如圖2-1所示。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機(jī)控制層和控制內(nèi)核層兩個(gè)層，其中控制內(nèi)核是CNC系統(tǒng)完成實(shí)時(shí)加工過(guò)程調(diào)度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實(shí)時(shí)性相聯(lián)系。三種方式就是基于對(duì)這種兩個(gè)層面開(kāi)放的不同處理來(lái)區(qū)分的[3]。</p><p>　　開(kāi)放人機(jī)控制接口開(kāi)放系統(tǒng)核心接口 開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　人機(jī)

69、</b></p><p><b>　　控制層</b></p><p><b>　　控制</b></p><p><b>　　內(nèi)核層</b></p><p>　　圖2-1 控制系統(tǒng)的開(kāi)放途徑</p><p>　　1.開(kāi)放人機(jī)控制接口&

70、lt;/p><p>　　這種方式允許開(kāi)發(fā)商或者用戶構(gòu)造或者集成自己的模塊[4]。到人機(jī)控制接口中。這一方面是為用戶提供了靈活制定特殊要求操作界面和操作步驟的途徑，一般用在PC機(jī)作為圖形化人機(jī)控制界面的系統(tǒng)中。</p><p>　　2.開(kāi)放系統(tǒng)核心接口</p><p>　　此方式除了提供上述第一種方式的開(kāi)放性能外，還允許用戶添加自己特色的模塊到控制內(nèi)核模塊中。通過(guò)開(kāi)放系統(tǒng)

71、的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統(tǒng)預(yù)先留出的內(nèi)核接口上。</p><p><b>　　3.開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的解決方案是一種更徹底的開(kāi)放方案。它試圖提供從軟件到硬件，從人機(jī)操作界面到底層控制內(nèi)核的全方位開(kāi)放。人們可以在開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)及一系列規(guī)范的指導(dǎo)下，按需配置獲得功能可強(qiáng)弱、性能可高可低、價(jià)格可控

72、制、不依賴于單一賣方的系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.3基于PC的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　從實(shí)現(xiàn)方法上，PC-NC是目前實(shí)現(xiàn)CNC開(kāi)放化比較現(xiàn)實(shí)的途徑。PC從產(chǎn)生到現(xiàn)在，其計(jì)算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它越來(lái)越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。PC具有豐富的支持軟件來(lái)改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形界面、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障論斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。利用PC上功

73、能強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)工具，機(jī)床制造商和用戶可以采用通用的編程語(yǔ)言來(lái)編制軟件模塊化替代系統(tǒng)原有的模塊，便于機(jī)床廠和用戶添加具有自己獨(dú)特技術(shù)的模塊。</p><p>　　所謂PC-NC.即在PC機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用市場(chǎng)上銷售或者自行研制開(kāi)發(fā)的應(yīng)用軟件和硬件插卡，構(gòu)造出數(shù)控系統(tǒng)功能。但是現(xiàn)在的PC的操作系統(tǒng)缺乏實(shí)時(shí)性。目前，PC-NC的構(gòu)造方式主要有三種:NC板卡插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中，PC板卡插到NC裝置中。&

74、lt;/p><p>　　1. NC板遷入PC機(jī)</p><p>　　這種形式就是將運(yùn)動(dòng)控制板或整個(gè)CNC單元插入到個(gè)人計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽中。PC機(jī)作為非實(shí)時(shí)處理，實(shí)時(shí)控制由CNC單元或者運(yùn)動(dòng)控制板來(lái)承擔(dān)。這種方法能夠方便的實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開(kāi)放化和個(gè)性化，即上述第一層的的開(kāi)放。在此基礎(chǔ)上，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)的開(kāi)放，即上述第二層的開(kāi)放，如基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)成的C

75、NC系統(tǒng)即屬于此類。</p><p>　　2. PC板遷入NC</p><p>　　這一形式主要為了一些大的CNC控制器制造商所采用。其原因有兩個(gè)方面:一是許多用戶對(duì)它們的產(chǎn)品很熟悉，也習(xí)慣使用:二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時(shí)間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)。因此，才提出了這種折衷方案。其做法就是在傳統(tǒng)的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人機(jī)界面，能夠集成應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)

76、接口等。顯然，這種系統(tǒng)的NC內(nèi)核保持了原有的封閉性。故只能實(shí)現(xiàn)第一層次的開(kāi)放。</p><p><b>　　3.軟件NC</b></p><p>　　軟件NC指CNC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，如編譯、編譯、插補(bǔ)和PLC等，均由軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺(tái)，在應(yīng)用軟件的支持下，通過(guò)對(duì)CNC軟件的適當(dāng)組織、劃分、規(guī)范定義和開(kāi)發(fā)，可望實(shí)現(xiàn)上述各個(gè)層次的開(kāi)放。這種控制

77、模式的硬件成本是最經(jīng)濟(jì)的。但軟件開(kāi)發(fā)是最復(fù)雜的，開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)是系統(tǒng)軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。這種方式能夠迅速吸收計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，具有良好的靈活性和可擴(kuò)展性，可方便的采用新的控制算法，也易于實(shí)現(xiàn)物理設(shè)備和操作系統(tǒng)的更新?lián)Q代。</p><p>　　本文作者采用的是第一種方式，即NC板遷入PC機(jī)的方式，系統(tǒng)采用的運(yùn)動(dòng)控制卡是由作者自行研制開(kāi)發(fā)的，長(zhǎng)期以來(lái)高性能的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡技術(shù)一直被國(guó)外壟斷，產(chǎn)品價(jià)格昂貴，因此，研究開(kāi)

78、發(fā)高性能的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)我國(guó)科技水乎的提高有重要的意義。</p><p>　　2.2運(yùn)動(dòng)控制器原理</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制(Motion Control)是由電力拖動(dòng)發(fā)展而來(lái)的，電力拖動(dòng)或電氣傳動(dòng)是對(duì)以電動(dòng)機(jī)為對(duì)象的控制系統(tǒng)的通稱。隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的電氣傳動(dòng)控制的概念己經(jīng)不能充分的概括現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。因此，二十世紀(jì)八十年代后

79、期，國(guó)際上開(kāi)始出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)(Motion ControlSystem)這一術(shù)語(yǔ)。</p><p>　　圖2-2 現(xiàn)代運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的結(jié)構(gòu)體系</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制通常是指在復(fù)雜條件下，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。按照使用的動(dòng)力源的不同，運(yùn)動(dòng)控制主要可分為以電機(jī)作為動(dòng)力源的電氣運(yùn)動(dòng)控制、以氣體和流體作為動(dòng)力源的氣液控制和以燃料(煤、油等)作為動(dòng)力源的熱機(jī)運(yùn)動(dòng)

80、控制等。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以及微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在這幾種運(yùn)動(dòng)控制中，電氣運(yùn)動(dòng)控制因其具有易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)接口等明顯優(yōu)點(diǎn)而成為運(yùn)動(dòng)控制的主流，大多數(shù)中小功率的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都是采用電氣控制。電氣運(yùn)動(dòng)控制就是以電機(jī)作為動(dòng)力源，’通過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制來(lái)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的位置、速度、加速度實(shí)現(xiàn)精確控制。</p><p>　　從電力拖動(dòng)開(kāi)始，經(jīng)歷四十幾年的發(fā)展過(guò)程，運(yùn)動(dòng)控制己成長(zhǎng)為一個(gè)以自動(dòng)控制理論和現(xiàn)代控制理論為

81、基礎(chǔ)，包括許多不同學(xué)科的技術(shù)領(lǐng)域。例如電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)(電力電子器件、電力電子線路)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、控制理論和微計(jì)算機(jī)技術(shù)等等，如圖2.2所示，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是這些周邊技術(shù)的有機(jī)結(jié)合體。隨著功能齊全的微計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路(VLSI )，功率集成電路(PIC )，以及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的面貌為之一新，其前沿不斷擴(kuò)大。運(yùn)動(dòng)控制作為一門多學(xué)科交叉的技術(shù)，每種技術(shù)所出現(xiàn)的進(jìn)展都使它

82、向前再邁進(jìn)一步，其技術(shù)的進(jìn)步是日新月異的.</p><p>　　運(yùn)動(dòng)控制作為自動(dòng)控制的一個(gè)重要分支，在軍事國(guó)防、工業(yè)生產(chǎn)、消費(fèi)生活等眾多領(lǐng)域有著極其廣泛的應(yīng)用.如軍事和宇航方面的雷達(dá)天線、火炮瞄準(zhǔn)、慣性導(dǎo)航:工業(yè)方面的各種加工中心、專用加工裝備、數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、以及工廠自動(dòng)化(FA )中的各種其他控制設(shè)備:計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備和辦公室自動(dòng)化(OA)中的各種磁帶機(jī)、軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、數(shù)控繪圖機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)

83、、復(fù)印機(jī)的控制等;家用電器中的空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)、CD機(jī)等的控制.總之，只要存在對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行精確控制的任務(wù)，就離不開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)得到了各個(gè)國(guó)家的重視，已經(jīng)成為一個(gè)專門的技末領(lǐng)域。</p><p>　　圖2-3 典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的構(gòu)成</p><p>　　應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域的典型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)(或PLC)、運(yùn)動(dòng)控制器、拖動(dòng)裝置(即驅(qū)動(dòng)裝置)、電動(dòng)機(jī)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和反饋

84、裝置構(gòu)成，如圖2. 3所示。其中反饋裝置將運(yùn)動(dòng)設(shè)備的位置信息提供給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)閉環(huán)信號(hào)和接受控制系統(tǒng)(或PLC)的定位請(qǐng)求信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為命令信號(hào)提供給拖動(dòng)裝置，由拖動(dòng)裝置將命令信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)?？梢?jiàn)運(yùn)動(dòng)控制器是運(yùn)動(dòng)控制指令的直接發(fā)出者，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中處于核心的地位。</p><p>　　對(duì)子數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)就像是它的中樞神經(jīng)系統(tǒng)，指揮著它的每個(gè)動(dòng)作。對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)就是數(shù)控裝置

85、，按照加工要求發(fā)出相應(yīng)指令，運(yùn)動(dòng)控制器接收指令，并根據(jù)指令像主軸電機(jī)和設(shè)備進(jìn)給電機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，設(shè)備電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器則將控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電信號(hào)。正如前文所述，開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制已成為運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展方向，數(shù)控系統(tǒng)也逐步走向開(kāi)放化，因此對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器也有更高的要求，比如從硬件上要能實(shí)現(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)軸的位置、速度伺服控制，從軟件上配有功能完備的伺服控制軟件，具有完善的運(yùn)動(dòng)軌跡和插補(bǔ)功能及軟件伺服控制功能且能方便地與機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備聯(lián)接，能迅速

86、地建立高層應(yīng)用程序與機(jī)床或機(jī)器人等設(shè)備之間的控制以及測(cè)試數(shù)據(jù)交換等等。這種開(kāi)放式的運(yùn)動(dòng)控制器是未來(lái)數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。</p><p>　　目前在應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)控制器按不同的方法有不同的分類。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)分，主要可以分為基于總線的運(yùn)動(dòng)控制器和獨(dú)立應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制器及混合型運(yùn)動(dòng)控制器?；诳偩€的控制運(yùn)動(dòng)控制器是利用現(xiàn)有的硬件和操作系統(tǒng)、并結(jié)合用戶開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制

87、應(yīng)用程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它具有高速的數(shù)據(jù)處理能力，如NC板插入PC機(jī)形式的PC-NC結(jié)構(gòu)中的步進(jìn)或伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡就是一個(gè)典型例子，它一般采用PC機(jī)的插卡結(jié)構(gòu)，分為單軸和多軸以及各種專用功能插卡;獨(dú)立應(yīng)用的運(yùn)動(dòng)控制器，它將控制器、I/O,操作界面和通信接口裝入一個(gè)機(jī)殼內(nèi)，伺服環(huán)更新、I/O和操作界面由內(nèi)部適當(dāng)?shù)能浖?lái)完成。這種控制器無(wú)法提供基于總線的控制器那樣靈活的通信和操作界面，而且集成到大型系統(tǒng)比較困難。但從應(yīng)用需求來(lái)看，這兩種類型的運(yùn)

88、動(dòng)控制器都有各自的優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　基于總線結(jié)構(gòu)型的運(yùn)動(dòng)控制器易于系統(tǒng)集成，具有根好的網(wǎng)絡(luò)功能和開(kāi)放性:獨(dú)立型運(yùn)動(dòng)控制器則應(yīng)用靈活機(jī)動(dòng)、系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化比較容易.目前還出現(xiàn)了混合型的運(yùn)動(dòng)控制器，它由一個(gè)運(yùn)動(dòng)控制器和一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制器構(gòu)成并組裝成一體.既具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)控制器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過(guò)很多方法和協(xié)議將多個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)控制器連接在一起，并行協(xié)調(diào)控制.其中SERCOS C Serial Real fillle

89、COImnunitalon Speffiedon)協(xié)議(1995年成為IEC 1491國(guó)際標(biāo)準(zhǔn))是目前最適應(yīng)子同步和協(xié)調(diào)控制的串行實(shí)時(shí)漚信協(xié)議，該協(xié)議為CNC系統(tǒng)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間提供了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換接口，并使產(chǎn)品具有可互換性。</p><p>　　根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制器的核心技術(shù)方案來(lái)分，主要可分為基于大規(guī)模集成電路型、基于微處理器型、基于專用集成電路(ASIC )型和基于數(shù)字信號(hào)器(DSP)型的運(yùn)動(dòng)控制器。前文己經(jīng)論

90、及，這里不再贅述。</p><p>　　根據(jù)被控制的對(duì)象來(lái)分，又可以分為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器。過(guò)去，總認(rèn)為伺服控制系統(tǒng)和步進(jìn)控制系統(tǒng)是兩種完全不同的技術(shù)，而現(xiàn)在它們的差別已開(kāi)始縮小。由于控制技術(shù)的發(fā)展，這兩種系統(tǒng)互相模仿，而有逐漸歸一的趨勢(shì)?，F(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展使得將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)變得很方便且廉價(jià)。過(guò)去以模擬控制為主的伺服系統(tǒng)已轉(zhuǎn)向數(shù)字化，采用微機(jī)控制?？梢钥闯墒撬欧姍C(jī)的步進(jìn)化。同樣，現(xiàn)

91、代的步進(jìn)電機(jī)控制，特別是采用閉環(huán)控制后，同樣可實(shí)現(xiàn)快速精確的位置控制，其控制結(jié)構(gòu)在許多方面與交流伺服電機(jī)控制是相通的。在國(guó)外，己經(jīng)出現(xiàn)這樣的運(yùn)動(dòng)控制器，它既可以對(duì)步進(jìn)電機(jī)并行開(kāi)環(huán)或者閉環(huán)控制，也可以用來(lái)控制直流或交流伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制。</p><p>　　2.3開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì)</p><p>　　概念設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)正式開(kāi)發(fā)前對(duì)開(kāi)放目標(biāo)的清晰明確，對(duì)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的總體把握

92、。因此，開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)著重要解決的問(wèn)題是開(kāi)放什么以及如何開(kāi)放。它來(lái)源于對(duì)系統(tǒng)的全面需求分析，依據(jù)開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)基于規(guī)范要求進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的構(gòu)造。概念設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形成可供系統(tǒng)開(kāi)發(fā)借鑒的參考模型。</p><p>　　2.3.1開(kāi)放式CNC系統(tǒng)的需求分析</p><p>　　從應(yīng)用的角度，開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使系統(tǒng)能夠最大限度的提供CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠、機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)

93、廠和最終用戶快遞而有創(chuàng)造性的解決當(dāng)今制造環(huán)境中的數(shù)控加工和系統(tǒng)集成，不僅能夠?yàn)樵O(shè)備自由地選擇、更新或重構(gòu)CNC系統(tǒng)，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、PMC等外設(shè)，而且系統(tǒng)與外設(shè)之間應(yīng)具有強(qiáng)大的信息通訊能力，使之能靈活運(yùn)用于綜合化的制造系統(tǒng)環(huán)境之中。</p><p>　　表現(xiàn)在功能上，一個(gè)開(kāi)放式的CNC系統(tǒng)應(yīng)能夠做到:</p><p><b>　　1.用戶界面的開(kāi)放</b&g

94、t;</p><p>　　能夠提供一個(gè)統(tǒng)一風(fēng)格的操作界面，實(shí)現(xiàn)操作的簡(jiǎn)潔性;同時(shí)，用戶可根據(jù)需求定制界面，例如可以改變仿真形式、增加顯示內(nèi)容、擴(kuò)展遠(yuǎn)程監(jiān)視等功能。</p><p><b>　　2.功能模塊的開(kāi)放</b></p><p>　　用戶或者開(kāi)發(fā)商可按需選擇合適的功能模塊，或開(kāi)發(fā)新的模塊。例如，系統(tǒng)集成商可更換或自行開(kāi)發(fā)插補(bǔ)模塊、翻譯模塊

95、或擴(kuò)展高級(jí)曲線曲面插補(bǔ)功能，以適應(yīng)新的加工需求。</p><p><b>　　3.控制功能的開(kāi)放</b></p><p>　　系統(tǒng)的控制對(duì)象可以使任何廠家生產(chǎn)的機(jī)床，不限制機(jī)床的加工類型，可以為車、銑、刨床等通用機(jī)床配套，也可以通過(guò)加入或者開(kāi)發(fā)新的功能模塊為特征加工、齒輪加工等專用機(jī)床配套。</p><p><b>　　4.網(wǎng)絡(luò)模塊的

96、開(kāi)放</b></p><p>　　數(shù)控系統(tǒng)對(duì)另一個(gè)并聯(lián)系統(tǒng)或高層系統(tǒng)是開(kāi)放的，它們之間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)相互操作。例如，可由一臺(tái)主控制機(jī)來(lái)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，控制其它CNC系統(tǒng)的起停、監(jiān)視其工作狀態(tài)。</p><p>　　5.硬件平臺(tái)無(wú)關(guān)性和可移植性</p><p>　　系統(tǒng)應(yīng)該可以安裝在大多數(shù)類型的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上，以利于應(yīng)用推廣和降低成本，并且移植方便。<

97、/p><p>　　2.3.2開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則</p><p>　　為了全面支持上述關(guān)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放概念、應(yīng)用特性和功能，本文提供了如下的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則:</p><p>　　1)盡最大可能的利用PC機(jī)的軟硬件技術(shù):個(gè)人計(jì)算機(jī)具有高可靠性和計(jì)算能力，硬件己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。PC上運(yùn)行的軟件具有諸多功能，如友好的界面、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真

98、、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等。采用程序開(kāi)發(fā)工具，用通用編程語(yǔ)言編制軟件模塊代替原有模塊，便于生產(chǎn)商和用戶添加具有自己獨(dú)特技術(shù)訣竅的功能模塊。</p><p>　　2)模塊化:數(shù)控系統(tǒng)的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)連接，以及即插即用。模塊化的構(gòu)成要素能夠滿足用戶和廠商的多樣化和多層次的要求。</p><p>　　3)動(dòng)態(tài)配置系統(tǒng):為了實(shí)現(xiàn)更靈活的配置和更

99、有好的操作，本系統(tǒng)能夠在系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行狀態(tài)下，完成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)配置;其實(shí)現(xiàn)是基于系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)生成，包括構(gòu)成要素、參數(shù)化構(gòu)成要素的功能、構(gòu)成要素之間的信息流的組織等幾個(gè)步驟。</p><p>　　4)可移植性:系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺(tái)上，具有相同功能構(gòu)成要素的可移植性。但是由于軟硬件平臺(tái)的多樣性，需要實(shí)現(xiàn)在多種軟硬件平臺(tái)上的可移植性。這就要求本系統(tǒng)的規(guī)范不依賴于特定的軟硬件平臺(tái).本系統(tǒng)要求所定義的數(shù)據(jù)

100、結(jié)構(gòu)、命名習(xí)慣、用戶接口外觀等有利于不同系統(tǒng)平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。就軟件講，采用分層設(shè)計(jì)或者客戶/服務(wù)器設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，將軟、硬件有關(guān)的部分置于底層，便于替換，實(shí)現(xiàn)移植。</p><p>　　5)可擴(kuò)展性:本系統(tǒng)可以使用戶或者二次開(kāi)發(fā)者安全、有效的將自己的軟件集成到個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)。其方法有兩種:首先是固定模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)，預(yù)留插入用戶專用軟件接口:其次是提供用戶API函數(shù)和編程規(guī)范，供用戶創(chuàng)建專用模塊。&l

101、t;/p><p>　　上述開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，可以用于指導(dǎo)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)構(gòu)造與開(kāi)發(fā)。</p><p>　　2.3.3基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　結(jié)合當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和控制系統(tǒng)的開(kāi)放性趨勢(shì)，大家普遍提出的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的參考模型如圖2-4從圖中可以看出，開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個(gè)分層結(jié)構(gòu)，同時(shí)也是模塊化的，每一層

102、都是一個(gè)模塊。最低層的是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，它包括機(jī)床本身，X, Y, Z, C軸驅(qū)動(dòng)器、各種繼電器、伺服電機(jī)等。再上一層是控制器硬件平臺(tái)，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般采用通用的PC機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與機(jī)床底層的接口，如數(shù)字I/O、可編程控制器(PLC)、運(yùn)動(dòng)控制卡等。這兩層是硬件層。</p><p>　　軟件的最低層是操作系統(tǒng)，采用Windows98, 2000。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、

103、應(yīng)用程序接口(API )庫(kù)、多任務(wù)機(jī)制。再上一層是CNC應(yīng)用軟件，CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。它的核心是模塊化，由它來(lái)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的諧調(diào)、高效運(yùn)作。方便的用戶人機(jī)界面，代碼處理模塊對(duì)NC程序進(jìn)行解釋和預(yù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補(bǔ)運(yùn)算模塊或過(guò)程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結(jié)果通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 (WDM)操作相應(yīng)的硬件。過(guò)程邏輯控制主要處理過(guò)程控制、各種開(kāi)關(guān)量、機(jī)床狀態(tài)等。設(shè)備管理等進(jìn)行檢測(cè)、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、M

104、IS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)接口等。它應(yīng)提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)客戶機(jī)/服務(wù)器(ClS)的形式與遠(yuǎn)程的CADICAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù);二是和本地機(jī)上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。</p><p>　　這個(gè)參考模型充分體現(xiàn)了開(kāi)放性原則，由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu)，各個(gè)層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，從而使每一模塊都能實(shí)現(xiàn)互換，可以由不同的廠商來(lái)生產(chǎn)，組合

105、起來(lái)就是一個(gè)高性</p><p>　　能性價(jià)比的系統(tǒng)。由于PC機(jī)的開(kāi)放性，使控制器硬件和操作系統(tǒng)達(dá)到最大限度的互換。而且，CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。外部程序也運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)之上，可以利用CNC系統(tǒng)提供的庫(kù)函數(shù)開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用，并集成到一起[5]。</p><p>　　PC機(jī)的低價(jià)格保證了控制器的低價(jià)格，而Windows上的各種開(kāi)發(fā)工具VC等又使CNC