毕业论文基于PC的开放式数控系统.doc

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1、毕业论文-基于PC的开放式数控系统 西北工业大学 硕士学位论文 基于PC的开放式数控系统 姓名：赵春红 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：唐虹 20030101 西北丁业人学顺|j学位论文 摘要 摘要 数控机床的拥有量及其年产量是一个国家制造能力的重要标志，数控系统 的发展是促进数控机床不断发展的技术因素。传统的数控系统都是封闭的，用 户难以在其平台上进行二次-丌发，而开放式数控系统可解决这一问题。基于 PC的开放式数控系统已成为当前CNC技术发展的必然趋势。 文中系统、全面地对丌放式体系结构和系统平台进行了研究，分析了国内 外开放式数控系统的研究情况和在PC平台上实现开

2、放式体系结构的发展现 状，并对基于Pc平台的开放式数控系统的硬件结构和软件模块进行了方案设 计。硬件结构方面，选择PC内减CNC型结构，并对基于PCI总线的运动控 制卡进行设计。软件方面，对上下位机的软件模块进行了划分和功能设计，并 详细研究了PC板卡的驱动程序设计。为下一阶段的开发工作提供了理论框架 和实现基础。 关键词：开放式数控系统PCPCI总线运动控制卡 驱动程序 西北T业人学坝I：学位论文 ABSTRACT ABSTRACT almost Numerical arefound Control CNC machines Today，Compmer rural small in comm

3、unitiestoFortune500 everywhere，fromjob companies shops urban of in areasThe hasbeen manufacturing upgraded large productivity greatly astheresultofthe oftheCNC andannual employment technologyThepossession ofCNC the of machineindicate the output manufacturingability countryThe ofCNC fromthe of machin

4、ebenefits CNC improvement developmentsystem AlloftheconventionalCNC areinterfaceclosedItisdifficultto systems themortoaddnew for cansolvethis function change usersOpen?CNCsystems with onthebaseof thestructureofthe its problemAnd system platform open-CNC thePersonal an trendofthe CNC Computer PC isim

5、portant presenttechnology and of in Weintroduceindetailthestructure the platformopen-CNCsystem this The of is hardware thesis state systemsanalyzedThe present openCNC iS theCNC motion structurediscussedWechoose enclosedPCstructureThe of dividedThe controlcardbasedonPCIbusis modulesoftwareis designed

6、The driver of andthe isdiscussedThese functioneachmoduleisdesigned program base referenceframeandrealizationforfurthermsearch provide Personal Keywords：Open-CNC Deviee MotionControlCard Driver 西北T业大学碳卜学位论史 第一章 绪论 第一章 绪论 20世纪40年代术数字计算机诞生，不久就被试用于控制加工机床，其特 点是把过去利用人工、行程刀：关或模板产生的加工信息数字化，并用以控制机 床的加工运动，这就是

7、数字控制机床，简称数控机床。历经半个多世纪的发展 和应用，数控机床的拥有量及其年产量已经成为一个国家制造能力的重要标 志。 数控机床几十年的发展历史表明，促进数控机床不断发展的技术因素是数 控系统和伺服系统的发展。数控系统伴随着计算机技术的发展而发展，最初的 数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬件数控系统，又称普通 数控系统 NC，NumericalContr01 ：随着计算机技术的发展，硬件数控系统 Numerical 已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统 CNC，Computer Contr01 。CNC系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性，并可处 理逻辑电路难以

8、处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 11开放式数控系统的提出与研究现状 长期以来国际上著名的数控设备制造公司，对CNC均采取封闭式设计， 各自设计生产自己的CNC，彼此并不兼容。表现为： 1 组成系统的硬件是专用的，主板、CPU板、伺服板以及它们的连接 方式等都是专门设计的，与其它系统同类型的电路板不通用； 2 系统软件结构是专用的，系统软件的技术细节不公开、不提供给用 户： 3 虽然在系统结构上采用模块化设计，分为人机交互模块、零件程序 译码和数据处理模块、轨迹插补模块、轴伺服控制模块、IO模块和任务协调 模块等，但各公司在具体实现方法上有着很大的差别，这与各生产商选择的基 础技

9、术、技术政策、指导方针、发展历史等因素有关。例如系统各模块阃的交 两北丁 业人学颁卜学位论文 第一章 绪论 互方式、通讯机制等因系统的不同而不同，所以各个系统是相对独立而彼此封 闭的。 这给数控机床制造厂家的生产和最终用户的使用、维护带来诸多不便。很 多情况下，用户需要把特殊要求融入到控制系统中，传统数控系统的封闭性， 使得对它的修改和功能扩充极为有限，造成数控机床制造厂对控制系统供应商 的依赖，不仅使机床制造厂的技术保密性降低，同时使得机床制造厂从一种控 制系统转换到另一种控制系统成为一件十分耗费精力和时间的事情；最终用户 在使用、维护控制系统时同样面临这个问题：更为不便的是，软件对硬件的不

10、 可移植性使得计算机和其它领域的先进技术在CNC中的应用也存在相对的滞 后期。为了克服上述不足，国外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性 方面做了大量的研究工作。 1981年美国发起了一个叫做下一代控制器的计划，简称NGC Next GenerationWorkstationMachine Controller ，旨在为基于开放式体系结构的控制 器提供一个标准，在此标准下，不同的设计人员可依据规范开发出具有互换性 和互操作性的控制器部件。此计划已形成了一份开放式系统体系结构规范 ofan Architecture SOSAS SpecificationOpenSystem Standard

11、 ，并开发了基于 SOSAS的CNC型谱系列。 1994年由通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司启动了名为“开放式模块化 其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷。 该计划启动不久便公布了一名为“OMACAPT”的规范，并促成了系列相关 研究项目的运行。 1990年由欧共体国家的22家控制器丌发商、机床生产厂家、控制系统集 ArchitectureforControls System 成商和科研机构联合发起了OSACA Open withinAutomation Systems 计划。其目的是制定一个与制造商无关的开放式控 制系统的一种分层参考体系结构，以便能够快速而高

12、效地适应新的需求。1994 年完成了开放式控制系统平台和系统参考结构的定义，1996年完成了原型系统 的开发。 1994年由东芝机器、三菱电子等6家同本公司联合成立了一个名为控制器 Environmentfor 开放系统环境 OpenSystem 西北T业人学坝I学位论文 第一章 绪论 员会。它研究的重点是在NC本身和分布式DNC控制系统上，它认为站在制 造的角度看NC是分布式DNC系统的一个服务器。OSEC所谓的开放式系统 本身就被认为是一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、 最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于PC的标准化人机界面的要求。 12基于PC的开放式数控系统结

13、构 从八十年术美国提出开放式数控系统的概念算起，丌放式数控系统已经经 历了二十多年不平凡的发展历程。 研究、丌发、设计开放式系统首先要回答的问题是，系统应如何构成或组 成，为此必须研究体系结构中硬软件功能划分的概念、原则，功能模块任务及 各功能间联系；必须回答系统开放程度，并由此制定不同开放程度时不同的结 构；必须研究开放体系系统的容量问题，即如何防止“系统”过载。这些问题 在NGc、OSACA、OSEC中都在进行探讨。 一个开放式的系统应当具有在各种不同的平台上以及其他应用系统中运 行的特性。为达到这一要求，开放式数控系统对用户而言应该是透明的，它允 许各个设计者按照统一的工业标准或规范去开

14、发自己的控制元件，而这些元件 具有良好的兼容性，用户可很容易地完成从一个制造商控制系统到另一制造商 控制系统的转变；同时，这些独立的控制元件应当为用户今后的二次开发提供 运行的基础，用户在使用这种CNC系统时，用现有的结构、现有的控制元件 再加上一些特殊元件模块即可构成一个符合自己使用要求的新的数控系统。开 放式体系结构是关于性能和操作的一种技术规范，它提供了系统各部分之间的 互联结构以及各操作部分之间的接口标准。数控系统采用开放式体系结构的主 要目的是为了使之成为具有互操作性、用户化、集成化、元件化的开放式的结 构系统。 为了达到这些目的，选择好系统平台是关键，数控系统的平台由硬件平台 和一

15、定数量通用的软件模块组成。在硬件平台方面，当前的PC机已发展到以 Pentium为主流，标准内存配黄为64128M或更高；高标准的硬件结构、配 置及优异的性能价格比，使得PC机理所当然地成为开发数控系统的首选硬件 平台，在PC机上开发CNC，已成为大多数国家数控同行的共识。 西北丁业人学坝I+学位论文 第一章 绪论 13国内发展现状 我国的数控技术，在“八五”攻关中，不失时机地提出了以自主版权为目 标，以平台为基础的发展战略，而且在攻关过程中，瞄准或调艇到以PC机为 基础的发展路线上，并以此形成了两种平台，开发出了四个基本系统，其中华 中I型和中华1型是将数控专用模板嵌入通用PC机构成的单机数

16、控系统，航 天I型和蓝天l型是将PC机嵌入到数控之中构成的多机数控系统，形成典型 的前后台型结构。 国内其它单位也都先后开发开放式体系结构系统，如：中科院沈阳计算所 正在考虑和制定“新一代机床控制机开放式系统体系结构标准规范参考模式”： 北京机床研究所已经引进了德国PA公司的开放式CNC系统PA一8000的全套技 术，对其产品应用进行开发：一些厂家和研究所正在对美国DELTATAU公司 multiaxes controller 系统进行开发和应用“；在数 的PMAC programmable 控机床设计与制造中，已开始采用模块化技术，对数控切削加工中的工艺参数、 工具系统的优化控制都进行过研究

17、，然而，我国的数控技术在总体上还停留在 原有的封闭型数控系统上，无法适应激烈的市场竞争，市场需要的数控机床及 数控系统较长时期仍然主要依靠进口。 14选题意义 引进、消化、吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但却无 法从根本上解决自主开发数控系统的问题。为了摆脱这种被动局面，就必须具 有超前意识，因此，充分利用现有的资会、资源、人才与技术，歼展商起点的 开放式数控系统研究，研制我国自己的实时多任务数控系统，才是改变我国数 控现状的唯一出路。我国的数控产业只有走开放式体系结构道路，刊有可能在 整个数控产业界及学术界展开广泛及多层次联合。在产品的设计与开发过程中 有效地对产品、资金、技术

18、等进行重组，进一步缩短新产品的开发周期、提高 开发效率、降低开发成本，增强产品在国际、国内市场上的竞争力，促进我国 数控产业的进一步健康发展，缩短我国与世界先进水平的差距。 西北工业人学坝l学位论文 第一章 绪论 当今数控系统的特点是以微处理机为基础，发展总线式、模块化、开放型 的智能CNC。从目前研究情况来看，人们对基于PC的开放式数控系统的研究 与实现才刚刚起步，还有大量的问题亟待解决：如开放式数控系统硬件结构研 究、软件平台构造以及制造协议的制定等等。但可以相信，由于PC具有容易 实现开放化、网络化等优点，随着PC技术、文化的进步，丌放式的基于PC 的数控系统将会得到更快的发展。 另一方

19、面，由于过去在科研和实践中所采用的，无论数据采集卡，还是电 机控制卡，绝大部分都是老式的ISA总线卡或其它总线卡，如美国DELTATAU 公司九十年代推出的开放式多轴运动控制器PMAC有三种类型，适合于三种 院数控所开发的五轴联动数控系统也是以ISA总线作为所有模块设计的基础， 因此，开发基于PCI总线的板卡和驱动，在一定程度上可以说是个新东西，具 有前赡性。 15研究设想及方法 本课题进行基于PC的开放式数控系统的研究和探讨。 如前所述，以PC机为数控系统硬件平台，既可以借助其实现硬件平台的 通用性，又可以充分利用相关软件和高级编程语言方便地实现数控系统的软件 开发，可以从硬件、软件两方面很

20、好的满足数控系统开放性的要求。 在大量的阅读相关文献资料后，确定了基于PC的开放式数控系统的实现 方式：PC内藏CNC型，并对基于PC的开放式数控系统的硬件结构和软件模 块进行了方案设计。 硬件方面：对基于PC的PC内藏CNC型结构的丌放式数控系统的关键硬 件运动控制卡的结构进行了设计和论证。以高性能的DSP为运动控制卡 微处理器，能够很好的实现开放式结构，并满足高速度高精度、多轴同步控制、 可重构性、高集成度、高可靠性和安全性等性能要求。利用双口RAM实现主 从式处理器之间的通信，硬件接口电路简单，与并行通信、串行通信以及DMA 通信方式相比，具有更大的吞吐能力和更高的数据传输效率。 软件方

21、面：针对开放式数控的结构特点和系统要求对上下位机的软件模块 两北T业人学颂I学位论文 第一章 绪论 进行了划分和功能设计，并详细研究了PCI板卡的驱动程序设计。 16本章小结 本章作为论文的绪论，对课题的相关背景知识、国内外发展现状以及选题 意义进行了综述，简要说明了课题研究工作的理论分析及依据，并确定了课题 的研究目的、研究设想以及研究方法。 西北丁业人学坝J学位论文 第二章 数控系统的体系结构设计 第二章 数控系统的体系结构设计 21数控系统体系结构的概念及开放途径 211数控系统体系结构的概念 应用计算机的数控机床是综合了现代计算机技术、自动化控制技术、传感 器及测量技术、机械制造技术等

22、领域的最新成就发展起来的，是典型的机电一 体化产品。 尽管数控系统从系统设计方法到系统的实现方式千差万别，但其基本组成 与原理都是类似的。作为一个典型的计算机应用系统，任何数控系统都离不开 硬件和软件的支持。通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组合、管理数控 系统的输入、数据处理、插补和信息输出，控制执行部件，使数控机床按照操 作者的要求有条不紊地进行加工。 CNC系统的硬件是系统工作的物质基础，通常可以表述为图21所示的形 式。 图21数控系统的硬件结构 两北_T业人学硕卜学位论义 第二章 数控系统的体系结构设计 其中由CPU、总线、程序存储器、数据存储器和外设构成了专用计算机的 基本系统。

23、由入机控制、运动控制、可编程机床控制器 PMC 及基本输入输 出接口构成设备支持层，可以和各种外部设备、系统连接。 CNC系统的软件是系统实现千变万化控制功能的灵魂，一般由操作系统、 CNC管理软件和控制软件组成。其中操作系统提供基本的软件开发平台和运 行支持；CNC管理软件承担零件加工程序的输入输出、系统的状态显示和故 障渗断以及CNC各功能软件的协调调度等；控制软件负责完成CNC系统的加 工控制功能，包括零件程序的解释、数掘处理、刀具补偿、插补运算，各坐标 轴的位置控制、速度控制以及机床的辅助装置控制等。 CNC系统的硬件和软件构成了CNC系统的平台。之所以称为系统平台是 因为，一方面，它

24、提供了CNC系统完整的控制功能：另一方面，它允许在此 平台的基础上进行适当的功能扩展和开发。 通常，将CNC装置的系统平台的构筑方式称为CNC的体系结构，它包括 系统的硬软件组成部件的划分、各部件间的连接与约束，如拓扑关系、同步关 系、通讯协议等。由此可见，CNC系统的体系结构不仅可为系统的分析、设 计和建造提供参考框架，也是指导系统在整个生存周期内进行扩展、更新、维 护和二次开发的基础。 因此，系统体系结构的研究不仅直接关系到ChIC系统的开发周期与成本， 以及数控产品的性能和生存周期，同时更关系到CNC系统中间用户、最终用 户进行集成和使用维护的成本和便利性。随着数控技术的发展，系统的体系

25、结 构越来越引起各界的重视。 1212数控系统体系结构的开放途径 关于开放体系结构的定义，目前尚有较大的争议。根据IEEE关于开放式 系统的定义：一个开放式的系统应能够在多种平台上运行，能够与其它系统进 行互操作，并能向用户提供统一风格的交互界面。 对于一个开放式的数控系统来说，也应遵循这些基本要求。一个开放的控 制系统应具有完全模块化的结构。模块之间具有互换性、可扩展性、可移植性 和互操作性，这是一个开放系统的基本特征。 如何使封闭式专用系统走向开放，不同的系统开发商及研究机构对此提出 西北T业人学坝I?学位论文 第二常 数控系统的体系结构设计 了多种解决方案。概括起来，按开放的层次不同可分

26、三种途径，它们的开放层 次不同，实现的难度不等，获得的开放效果也相差很大，如图22所示。图中， 虚线将控制系统划分为人机控制 MMC，Man-MachineContr01 层和控制内 核层两个层面，其中控制内核是CNC系统完成实时加工过程调度和控制的核 心部分，一般和系统实时性相联系。三种方式就是基于对这种两个层面开放的 不同处理来区分的。 图22数控系统的开放途径 22开放式CNC系统的概念设计 概念设计是在系统正式开发前对开放目标的清晰明确，对系统体系结构的 总体把握。因此，开放式体系结构CNC系统的概念设计着重要解决的问题是 开放什么以及如何-丌放。它来源于对系统的全面需求分析，依据开放

27、式体系结 构基本规范要求进行体系结构的构造。概念设计的结果形成可供系统开发借鉴 的参考模型。 221开放式CNC系统的需求分析 从应用的角度，开放体系结构CNC系统的设计目标是使系统能够最大限 度地提供CNC系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快速而有创造性的解 西北T业人学倾I学位论史 第一章 数挣系统的体系结构设计 决当今制造环境中的数控加工和系统集成，不仅能够为设备自由地选择、更新 或重构CNC系统，配备合适的伺服执行部件、传感器、PMC等外设，而且系 统与外设之l日J应具有强大的信息通讯能力，使之能灵活运用于综合化的制造系 统环境之中。 表现在功能上，一个丌放式的CNC系统应该能够做到

28、： ?用户界面的丌放：能够提供一个统-xl格的操作界面，实现操作的简洁 性；同时，用户可根据需要定制界面，例如可以改变仿真形式、增减显示内容、 扩展远程监控等功能。 ?功能模块的开放：用户或开发商可根据自己的需要选择合适的功能模 块，或开发新的模块。例如，系统集成商可更换或自行丌发插补模块、翻译模 块或扩展高级曲线曲面插补功能等，以适应新的加工需求。 ?控制功能的开放：系统的控制对象可以是任何厂家生产的机床，不限制 机床的加工类型，可以为车、铣、刨床等通用机床配套，也可以通过加入或开 发新的功能模块为特种加工、齿轮加工等专用机床配套。 ?网络模块的丌放：数控系统对另一个并联系统或高层系统是开放

29、的，它 们之间可以通过网络相互操作。例如，可由一台主控机来控制整个网络，控制 其它CNC系统的启停、监视其工作状态等。 ?硬件平台无关性和可移植性：系统应该可以安装在大多数类型的计算机 硬件平台上，以利于应用推广和降低成本，并且移植方便。 222开放体系结构CNC系统的设计原则 为了全面支持上述关于开放式数控系统的开放理念、应用特性和功能特 性，拟定了如下的开放式数控系统体系结构设计原则： ?结构上，以模块化为原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构， 其构造应该是可移植的和透明的。 ?功能上，支持以模块为单元按需重构，便于实现系统的多样化、多层次 用途，能够快速响应制造业市场的变化。 ?

30、丌发方法上，系统中各模块相互独立，允许进行独立丌发。 ?支撑平台上，以通用PC为基础平台。 0 第二章 数挖系统的仆系结构设计 23基于PC的开放式数控系统 个人计算机 PC，Personal Computer 性能的快速提高，使它可以满足作 为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量大，价格便宜。1994年，基 于Pc的CNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后获得了高速发展。1996 年芝加哥和1997年北京的国际机床展览会中，个十分显著的特征，就是出 现了越来越多的以个人计算机为基础 PCbased 的控制器。即使是过去生产 专用控制器的几家大制造商，也纷纷推出以个人计算机为基础的控制器

31、新产品 系列。PC的引入，不仅为CNC提供十分峰实的硬件资源和极其丰富的软件资 源更为CNC的丌放化提供了基础。 231基于PC的开放式数控系统的结构 基于PC的开放式数控系统大致可分为4种类型的结构：PC连接CNC型、 CNC内藏PC型、PC内藏CNC型、软件化CNC。n2 1 PC连接CNC型只是将现有CNC与PC机通过串行接口直接相连。 cNC保持原有功能，PC机进行管理或零件编程。这种方案最容易实现，但原 来的CNC照样保留，既降低不了价格，也无法实现丌放性。 总线。优点是原来的CNC可以不加改动，数据传送快，系统响应快。缺点是 仍不能充分发挥PC机的潜力，丌放性仍受到限制，造价仍然无

32、法下降。 这种结构的控制器主要出自大的CNC控制器制造商。其原因之一是许多 用户对他们的产品很熟悉，也习惯使用。另一方面，控制器制造商不可能在短 时间内放弃他们传统的专用CNC技术。因此出现这种折中方案：在他们的专 用CNC中提供PC前端接口。使其具有PC处理的柔性。显然，这种模式的柔 性是有限的，它不能实现NC内核的兀放。 3 PC内藏CNC型是在通用PC机的扩展槽中插入运动控制板或整个 CNC单元 包括集成的PLC 。PC机处理非实时部分，实时控制由插入PC机 扩展槽中的CNC单元或运动控制板来承担。这种方案的优点是能在保证系统 西北T业人学坝I学位论文 鹑二章 数控系统的体系结构设计 性

33、能的条件下，充分利用PC机的软件资源；零件编程方便灵活：造价可以下 降。缺点是难以利用原有CNC资源。 此类型是目FHiI：I：较现实的实现开放式数控系统的途径，正在成为以PC为 Tau Data 丌发平台的CNC系统的主流。美国DeltaSystem公司的PMAC、德 国PA公司的PA一8000、美国Ormec 的MTC 200都是这种模式。 4 软件化CNC的特点是CNC的全部或大部分功能均由PC机承担。 一般通过现场总线来和伺服进给进行通信。这样PC机的优越性可以全部保留。 软件资源丰富，丌放性好，可以降低造价。但处理的实时性和可靠性难以保证。 Pc内减CNC型这种结构可实现两个层次的全部开放，因而能满足机床制 造商和最终用户的种种需求：这种控制技术的柔性，十分符合数控系统开放体 系结构的要求，因此，我们选择PC内藏CNC型结构作为基于PC的开放式数 控系统的实现方式。 232计算机在CNC系统中的作用 计算机数控系统是一种位置控制系统。它的本质是首先输入人们根据加工 零件的具体要求，按照约定方式编制的零件加工程序。然后，数控系统对输入 的零件数据段进行相应的处理，把数据段插补出理想的刀具运动轨迹并将插补 结果输出到执行部件，使刀具加工出所需要的零件。机床数控系统的工作流程 主要由以