开放式数控系统结构的分析.doc

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1、 摘 要 随着数控加工技术的发展和复杂曲面零件的广泛应用，数控系统被广泛应用于机械、电子、计算机、自动控制、检测等各个领域，开放式数控系统的研究目的是要建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统机构，以增强数控系统的功能柔性，能够快速而经济地响应新的加工需求。 本文围绕着开放式CNC （Computer Numerical Control）系统设计中的若干关键技术，从体系结构分析、系统硬件结构地开放化设计等方面进行了研究。全文主要研究工作如下： 系统研究了基于PC的开放式CNC系统的关键性基础问题:CNC体系结构的概念及其对系统性能和发展的重要性，现有CNC系统体系结构的特点和缺陷，CNC

2、系统体系结构开放的必要性、开放的理念和目标以及实现开发的途径。在需求分析的基础上，谈论了开放式CNC体系结构的设计原则和概念模型。 对开放体系结构CNC系统的开放特性需求，研究讨论了基于CAN总线的模块化体系结构以及各功能模块。前言1.数控技术产生的背景 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业(例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂)已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备

3、，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批生产的零件(批量在10一100件)约占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调核甚至是不可能实现的。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业

4、如要提供高质量的产品，就必须频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不断变化的需要。因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。己经使用的各类仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大t的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。 为了解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产。迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数字控制(NUMERICALCONTROL,简称NC或数控)机

5、床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。数控机床就是将加工过程所偏的各种操作(如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等)和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移t都用数字化的代码来表示，通过控制介质(如穿孔纸带或磁带)将数字信息送人专用的或通用计算机计算机对输人的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。2.开放式数控系统结构的产生背景 数控技术的问世解决了传统方式难以解决的负载零件的制造问题。准确、高效的自动化手段，改变了以往机械

6、工业中周期长、效率低的局面;柔性的工作方式，能充分适应多品种、小批盆的现代生产方式，从而大大提高了对现代化工业生产需求的适应能力。利用数控技术可以大幅度缩短产品的制造周期，提离产品的加工质盘，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显著的经济效益及广阔的发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平的重要标志之一。 然而，现今生产中使用的绝大多数CNC系统中(以FAI；UC；S IMENS等为代表)，所采用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件结构由各数控系统厂家行设计，是专用的，互不兼容的，系统各模块之间的交互方式、通讯及结构也互不相同。这专用的封闭式结构的数控系统，虽然结

7、构简单、技术成熟，产品批盘大、生产成本低，但是随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷，集中表现如下: 1)各控制系统间互联能力差，影响了系统的相互集成:风格不同的操作方式，使用户培训费用增加;专用件的大量使用，给数控设备的使用与维护带来了很多不便; 2)系统的封闭性使得对其扩充和修复极为有限，造成数控设备制造商对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成与控制系统结合形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力; 3)专用的硬件，软件结构也限制了系统本身的持续发展，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。总之，数控系统的这一现状已

8、难以适应当今制造业的市场的变化与竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。 为了节约封闭式体系结构数控存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向模块化、标准化的方向发展，设计开放式体系结构数控系统的问题，如美国的NGC计划，日本和欧洲提出的OSEC及OSACA计划等。 开放式数控系统的主要研究目的是，解决变化频繁的需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、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，能够快速而有效地响应新的加工需求。3.本课题的来源及意义 基于PC的开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当今数控技术的发展主流和

9、研究热点，是新一代数控系统的关键技术。 采用基于PC的开放式数控系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。对控制系统开发商，可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这将大大缩短系统的开发周期，减少投资，增强产品竞争力。 我国是一个机床生产和应用的大国;但数控技术的应用水平还很不高，严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开放计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。因为开放计划的实施，把世界上所有的数控系统的开发商推到了同一起跑线上。我们应充分把握数控产品技术转型的历史机遇，扬长避短，迎头赶上，充分吸收当今计算机发展的最新成果，高起点制定

10、出切实可行、适合我国国情的数控系统开放化的技术路线。1.数控系统的发展1.1数控技术的发展历史数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来的机床控制的新技术，是一门交叉学科。 数控技术的广泛使用，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化。数控技术是国防现代化的重要部分，是国际技术和商业贸易的重要构成。因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业。 数字控制(Numerical Control)是相对于模拟控制而言的。数字控制系统中的信息量是数字量，而模拟控制系统中的信息量是

11、模拟量。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。随着计算机技术的发展，硬件数控系统被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控系统(CNC-Computer Numerical Control)。数控技术在制造业、特别是航空航天工业中得到了广泛的应用，无论在硬件方面还是在软件方面，发展都很快。 自从1952年麻省理工学院研制出世界上第一台三座标铣床以来，随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或者软件方面发展都很快，数控系统已经经历了八代，可以分为以下四个发展阶段11.硬件数控阶段(1952一1970) 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

12、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(1970一1986) 70年代初，大

13、规模集成电路、半导体存储器，微处理器的问世，通用小型计算机出现并逐渐普及，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

14、，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.高速精度CNC的开发与应用阶段(1986一今) 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、

15、高精度的第七代。1986年，三菱电机公司率先推出了以CPU为68020的32位，掀起了32位CNC的热潮，并逐渐成为当今数控系统的主流。4.基于PC的开放式CNC的开放与应用(1994一今) 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，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。1.2 开放式数控系

16、统结构的研究1.2.1开放式数控系统的研究发展控制系统采用开放式体系结构将导致新一代控制器的产生，并成为制造业的一大支柱。因此，欧美及日本等发达国家都相继进行了大量的投入和研究，其中最具有代表性和影响力的研究有以下几个【2】1.美国的NGC和OMAC计划 早在1987年，里根政府为振兴美国的机械制造业，推动工业形成一个广泛的合作关系，以增强对外竞争力，推出 NGC (The Next Generation Work-station/MachineController)研究计划。该项目由美国国家制造科学中心(NCMS)与空军共同领导，于1989年开始实施。NGC计划目标是:基于开放式体系结构的下

17、一代机械制造控制器提供一个标准，在这一标准的支持下，不同的设计人员可以开发出具有互换性和互操作性的控制部件。基于这一标准的控制器具有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发展的特点。图1-1为NGC的体系结构。入机接口作业执行子系统控制图1-1 NCC体系结构2.欧盟的OSACA计划计算机平台虚拟机械工作站管理工作站传感器支持工具 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation System)计划是欧盟为了增强其机床和控制制造商在世界市场中的竞争力而制定的研究项目.该项目由德国斯图加特大学的制造控制技术研究所(ISW)支持

18、，参加单位来欧盟国家的11家主要机床制造厂、控制器生产厂和高校。该计划分为三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均已经实现，主要完成了OSA.CA规范、应用指南，并依照OSACA规范并开发了标准的通用系统平台和软件模块。第三阶段的计划正在实现过程中，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，美的相关企业机构进行接触，以期建立一个国际性的控制器标准。 OSACA的目标是为数控等自动化设备定义了一个独立于硬件平台、与制造商无关的开放式控制系统参考结构，这些自动化设备不仅包括机床数控，机器人控制，还包括可编程控制器和单元控制器。遵循OSACA规范的控制器产品将提供更强的客户定制功能，

19、缩短新产品开发的周期，降低产品的开发、维护、培训和文档建立的费用。OSACA控制系统的体系结构如图1-2所示，包括两个部分:系统平台和结构化的功能模块。OSACA系统平台包括操作系统、通讯系统、系统配置、图形服务器和数据库系统等系统平台通过API与具体功能模块AO发生关系。AO按其控制功能分为:人机控制，运动控制，逻辑控制，轴控制，过程控制等。OSACA的软件结构中有三个主要组成部分:通讯系统、参考体系结构模型和配置系统，它们建立在统一的信息通讯平台基础上。A03数据数据库A02A0NA01应用程序接口硬件组件通讯操作系统图1-2 OSACA系统结构3.日本的OSEC计划 OSEC(Open

20、System Environment for Con七roller)计划是在日本国家机器人和工厂自动化研究中心(工ROFA )建立的开放式数控委员会的倡导下，于1995年由东芝机器公司、丰田机器厂和Mazak公司三家机床制造商和日本工BM、三菱电子及SML信息系统公司共同组建的。其目的是建立一个国家性的工厂自动化控制设备标准，并开发新一代基于PC平台、性能价格比高的开放体系结构数控系统。OSEC提出的开放式数控系统参考模型如图1-3所示。这一结构包括了零件造型、工艺规划、机床控制处理(程序解释、操作模块控制、智能处理)、刀具轨迹控制、顺序控制、轴控制等功能，并对各层之间的接口制定了协议。这些协

21、议从CAD和生产管理开始，分为CAM和生产监控，综合成为任务调度，然后利用各种库进行解释，形成轴控制及PLC所需要的信息和数据，对机床的伺服和执行机构进行控制。OSEC还定义了一种工厂自动化设备描述语言(FADL)a FADL可以在新的水平上实现CAD/CAM与控制系统之间的集成，具有对硬件的抽象化、对传统数控语言EIA代码(G，S，T)和道具数据的兼容性、能够适应控制的实时解释等特性。这个体系结构独立于平台，如微处理器、系统单元、操作系统和网络协议，给每个模块的应用提供了相当的自由。因此用户、控制系统生产商和机床厂制造商都可以很方便地为自己的模块设置或者增加新的功能和特性。如今，OSEC己发

22、展到由18家公司和一个团体参与的具有较大影响力的组织。计算机辅助设计操作规划层加工顺序规划、刀库、夹具、加工条件离散控制加工过程、程序编译、执行模式控制、智能加工1.2.2国产数控系统技术的发展 我国的数控技术已经有四十多年的发展历史，期间经历了起步，停滞，引进，消化开发和创新等几个阶段2。 从1958年起，一些科学院所、高等学校和少数机床厂开始进行数控系统的研究和开发。由于受到当时国产电子元器件、加工工艺技术落后、部门经济等因素的制约，未能取得较大的发展，科研和生产基本处于停滞状态。1980年开始，我国先后从日本和德国引进数控制造技术，合作生产数控机床，打破了国产数控技术徘徊不前的局面。此后

23、经过“六五”的技术引进、散件组装，“七五”期间的消化吸收，“八五”国家组织的科技攻关和“九五”国家组织的产业攻关，使我国的数控系统技术获得了质的飞跃，开发出一批具有自主版权的中高档数控系统.中国珠峰数控公司的中华1型是用工业PC机作为主控制板，CPU为32位486微处理器，实现了多功能控制系统。北京航天数控集团自行开发的航天1型采用与通用PC机体系结构兼容的总线，模块化、开放型嵌入式结构，构成了典型的前后机构数控系统，较好的解决了实时多过程控制。华中理工大学开发的华中1型是以32位工控机为硬件主体，配置了具有曲面构造与自动编程的CAD功能软件，能进行复杂曲面的构造、数控加工规划、NC程序生成、

24、干涉检验和加工仿真，并实现了曲面和直线的插补功能.此外，中科院沈阳计算所研制的蓝天1型、北京航空航天大学的CH2010也都是基于PC平台的数控系统，各具特色。这些拥有自主版权的高档数控系统的开发成功，表明我国已经具备开发、生产中、高档数控系统的能力，为我国高档数控机床的发展提供了技术支持，在技术上和战略上都具有重要意义。2.开放式数控系统的理论研究2. 1开放式数控系统体系结构 采用专用计算机组成的数控系统，在选用高性能的微处理器构成分布式处理结构时，可以获得很高的性能，如多轴联动高速、高精度控制，很强的补偿功能、图形功能、故障论断功能以及通信功能。但是由于大批量生产和保密的需要，不同的数控系

25、统生产厂家自行设计其硬件和软件，这样设计出来的封闭式专用系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、五花八门的人机界面、多种实时操作系统、非标准化接口等缺陷。从而导致，一方面，各控制系统之间互联能力差，影响了系统的相互集成;风格不一的操作方式以及专用件的大量使用，给用户的使用与维护带了很多不便;另一方面，系统的封闭性阻碍了计算机技术的及时应用，不利于数控产品技术的进步。显然，数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场的变化和竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需求。2.1.1开放体系结构的概念 关于开放式体系结构的定义，目前尚有较大争议，根据IEEE关于开放式系统的定义:一个

26、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操作，并能给用户提供一致的交互界面。 对于一个开放式数控系统来说，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、可扩展性和可移植性，这是一个开放系统的基本特征。开放的概念可以从两个方面进行理解:一是时间的开放，二是空间的开放。时间的开放是针对软硬件平台及其规范而言的，以保证平台具有适应新技术的发展、容纳新设备的能力。时间的开放性又有可扩展性和可移植性两个方面:空间的开放性是针对系统接口及其规范而言的，它又可以分为互操作性和互换性。（1）可扩展性 可扩展性包括规模可扩展性和换代可扩展性。规模可扩展性是指一

27、个开放式的数控系统可以通过增减部件改变系统的功能或性能;换代可扩展性，是指随着时间和技术的迁移，组成数控系统的硬件和软件具有可升级性。 （2）可移植性 可移植性要求数控系统能够在多个厂商提供的平台上运行。因此，系统的功能软件应用与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机制，并且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 （3）互换性 互换性要求构成数控系统的部件在功能，性能或可靠性等要求不同时，能够用另一种部件进行替换。互换性使得一个数控系统不再是专有的，它可以有来自不同厂家的不同部件所构成。这对提高数控系统的性能价格比具有重要的意义。 （4）互操作性 互操作

28、性表征了构成系统内部的各个部件在一起协调工作的能力。开放式数控系统的互操作性通过一个统一的、标准的通讯系统来实现，这个通讯系统不仅允许数据的交换并且定义了交换的协议。 开放式数控系统的目的就是使CNC控制器与当今的PC机类似，系统构筑于一个开放的平台上，具有模块化结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能，迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商，并且相互兼容。 与传统的封闭式专用数控系统相比，开放式数控系统的主要优势在于:建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统的结构，以增强数控系统的功能和性能柔性，在体系结构上给用户留有进行二次开发

29、更多的余地，能够快速而有效的响应新的加工需求。2.1.2开放式数控系统体系结构的开放途径 目前，大量的供应商提供了各种各样的加工及控制系统的解决方案，这些方案构成了解决所有自动化系统形形色色的途径。然而，要想附加集成一些由不同卖方提供的功能时，却有相当的难度，这些困难主要集中在不同供应商提供的系统之间没有公共的接口，需要很高的扩展、扩充及集成费用，没有风格一致的操作系统的界面以及需要分别针对不同的系统来培训人员等使维护费用急剧增加。为解决系统开放集成上的难题，我们可以采用三种开放途径，它们的开放层次不同，实现的难度不等，获得开放效果也相差很大，如图2-1所示。图中，虚线将控制系统划分为人机控制

30、层和控制内核层两个层，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3。1.开放人机控制接口 这种方式允许开发商或者用户构造或者集成自己的模块4。到人机控制接口中。这一方面是为用户提供了灵活制定特殊要求操作界面和操作步骤的途径，一般用在PC机作为图形化人机控制界面的系统中。2.开放系统核心接口 此方式除了提供上述第一种方式的开放性能外，还允许用户添加自己特色的模块到控制内核模块中。通过开放系统的核心接口，用户可按照一定的规范将自己特有的控制软件模块加到系统预先留出的内核接口上。3.开放体系结构开放体系结

31、构的解决方案是一种更彻底的开放方案。它试图提供从软件到硬件，从人机操作界面到底层控制内核的全方位开放。人们可以在开放体系结构的标准及一系列规范的指导下，按需配置获得功能可强弱、性能可高可低、价格可控制、不依赖于单一卖方的系统。2.1.3基于PC的开放式体系结构 从实现方法上，PC-NC是目前实现CNC开放化比较现实的途径。PC从产生到现在，其计算能力和可靠性飞速提高，硬件已完全实现标准化，这些使得它越来越适合于工业环境下使用。PC具有丰富的支持软件来改善CNC系统的用户界面、图形界面、动态仿真、数控编程、故障论断、网络通讯等功能。利用PC上功能强大的开发工具，机床制造商和用户可以采用通用的编程

32、语言来编制软件模块化替代系统原有的模块，便于机床厂和用户添加具有自己独特技术的模块。 所谓PC-NC.即在PC机硬件平台和操作系统的基础上，使用市场上销售或者自行研制开发的应用软件和硬件插卡，构造出数控系统功能。但是现在的PC的操作系统缺乏实时性。目前，PC-NC的构造方式主要有三种:NC板卡插入到PC机的扩展槽中，PC板卡插到NC装置中。1. NC板迁入PC机 这种形式就是将运动控制板或整个CNC单元插入到个人计算机的扩展槽中。PC机作为非实时处理，实时控制由CNC单元或者运动控制板来承担。这种方法能够方便的实现人机界面的开放化和个性化，即上述第一层的的开放。在此基础上，借助于所插入NC板的

33、可编程能力，能部分实现系统核心结构的开放，即上述第二层的开放，如基于PMAC运动控制卡构成的CNC系统即属于此类。2. PC板迁入NC 这一形式主要为了一些大的CNC控制器制造商所采用。其原因有两个方面:一是许多用户对它们的产品很熟悉，也习惯使用:二是这些大控制器制造商不可能也不愿意在短时间内放弃他们传统的专用CNC技术。因此，才提出了这种折衷方案。其做法就是在传统的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人机界面，能够集成应用程序、网络接口等。显然，这种系统的NC内核保持了原有的封闭性。故只能实现第一层次的开放。3.软件NC 软件NC指CNC系统的各项功能，如编译、编译、插补和PLC等，均

34、由软件模块来实现。这类系统借助现有的操作系统平台，在应用软件的支持下，通过对CNC软件的适当组织、划分、规范定义和开发，可望实现上述各个层次的开放。这种控制模式的硬件成本是最经济的。但软件开发是最复杂的，开发的重点是系统软件和设备驱动程序。这种方式能够迅速吸收计算机技术的最新成果，具有良好的灵活性和可扩展性，可方便的采用新的控制算法，也易于实现物理设备和操作系统的更新换代。 本文作者采用的是第一种方式，即NC板迁入PC机的方式，系统采用的运动控制卡是由作者自行研制开发的，长期以来高性能的多轴运动控制卡技术一直被国外垄断，产品价格昂贵，因此，研究开发高性能的多轴运动控制卡对我国科技水乎的提高有重

35、要的意义。2.2运动控制器原理运动控制(Motion Control)是由电力拖动发展而来的，电力拖动或电气传动是对以电动机为对象的控制系统的通称。随着电力电子技术、微电子技术的迅猛发展，原有的电气传动控制的概念己经不能充分的概括现代自动化系统中承担第一线任务的全部控制设备。因此，二十世纪八十年代后期，国际上开始出现运动控制系统(Motion ControlSystem)这一术语。 运动控制通常是指在复杂条件下，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。按照使用的动力源的不同，运动控制主要可分为以电机作为动力源的电气运动控制、以气体和流体作为动力源的气液控制和以燃料(煤、油等)作为动力源

36、的热机运动控制等。随着微电子技术和电力电子技术以及微计算机控制技术的发展，在这几种运动控制中，电气运动控制因其具有易实现与计算机接口等明显优点而成为运动控制的主流，大多数中小功率的运动控制系统都是采用电气控制。电气运动控制就是以电机作为动力源，通过对电动机的控制来对执行机构运动的位置、速度、加速度实现精确控制。 从电力拖动开始，经历四十几年的发展过程，运动控制己成长为一个以自动控制理论和现代控制理论为基础，包括许多不同学科的技术领域。例如电机技术、电力电子技术(电力电子器件、电力电子线路)、微电子技术、传感器技术、控制理论和微计算机技术等等，如图2.2所示，运动控制技术是这些周边技术的有机结合

37、体。随着功能齐全的微计算机、超大规模集成电路(VLSI )，功率集成电路(PIC )，以及先进的计算机辅助制造(CAM)等技术的出现和发展，运动控制技术的面貌为之一新，其前沿不断扩大。运动控制作为一门多学科交叉的技术，每种技术所出现的进展都使它向前再迈进一步，其技术的进步是日新月异的.运动控制作为自动控制的一个重要分支，在军事国防、工业生产、消费生活等众多领域有着极其广泛的应用.如军事和宇航方面的雷达天线、火炮瞄准、惯性导航:工业方面的各种加工中心、专用加工装备、数控机床、工业机器人、以及工厂自动化(FA )中的各种其他控制设备:计算机外围设备和办公室自动化(OA)中的各种磁带机、软盘驱动器、

38、硬盘驱动器、数控绘图机、传真机、打印机、复印机的控制等;家用电器中的空调机、洗衣机、CD机等的控制.总之，只要存在对运动机构进行精确控制的任务，就离不开运动控制系统，运动控制技术得到了各个国家的重视，已经成为一个专门的技末领域。反馈装置执行机构电动机拖动装置运动控制器控制系统PLC图2-3 典型运动控制系统的构成 应用在各个领域的典型运动控制系统主要由控制系统(或PLC)、运动控制器、拖动装置(即驱动装置)、电动机、执行机构和反馈装置构成，如图2. 3所示。其中反馈装置将运动设备的位置信息提供给运动控制器，运动控制器响应闭环信号和接受控制系统(或PLC)的定位请求信号并将其转换为命令信号提供给

39、拖动装置，由拖动装置将命令信号转换成电流以驱动电动机。可见运动控制器是运动控制指令的直接发出者，在运动控制系统中处于核心的地位。 对子数控机床来说，运动控制系统就像是它的中枢神经系统，指挥着它的每个动作。对应的控制系统就是数控装置，按照加工要求发出相应指令，运动控制器接收指令，并根据指令像主轴电机和设备进给电机发出控制信号，设备电机的驱动器则将控制信号转变成直接驱动电机的电信号。正如前文所述，开放式运动控制已成为运动控制的发展方向，数控系统也逐步走向开放化，因此对运动控制器也有更高的要求，比如从硬件上要能实现多个坐标轴的位置、速度伺服控制，从软件上配有功能完备的伺服控制软件，具有完善的运动轨迹

40、和插补功能及软件伺服控制功能且能方便地与机床、机器人等设备联接，能迅速地建立高层应用程序与机床或机器人等设备之间的控制以及测试数据交换等等。这种开放式的运动控制器是未来数控系统的核心部件。 目前在应用中的运动控制器按不同的方法有不同的分类。 根据运动控制器的系统结构来分，主要可以分为基于总线的运动控制器和独立应用的运动控制器及混合型运动控制器。基于总线的控制运动控制器是利用现有的硬件和操作系统、并结合用户开发的运动控制应用程序来实现的。它具有高速的数据处理能力，如NC板插入PC机形式的PC-NC结构中的步进或伺服电机运动控制卡就是一个典型例子，它一般采用PC机的插卡结构，分为单轴和多轴以及各种

41、专用功能插卡;独立应用的运动控制器，它将控制器、I/O,操作界面和通信接口装入一个机壳内，伺服环更新、I/O和操作界面由内部适当的软件来完成。这种控制器无法提供基于总线的控制器那样灵活的通信和操作界面，而且集成到大型系统比较困难。但从应用需求来看，这两种类型的运动控制器都有各自的优点。 基于总线结构型的运动控制器易于系统集成，具有根好的网络功能和开放性:独立型运动控制器则应用灵活机动、系统升级优化比较容易.目前还出现了混合型的运动控制器，它由一个运动控制器和一个伺服驱动控制器构成并组装成一体.既具有独立运动控制器的优点，同时可以通过很多方法和协议将多个伺服驱动控制器连接在一起，并行协调控制.协

42、议(1995年成为IEC 1491国际标准)是目前最适应子同步和协调控制的串行实时沤信协议，该协议为CNC系统与数字伺服系统之间提供了统一的数据交换接口，并使产品具有可互换性。 根据运动控制器的核心技术方案来分，主要可分为基于大规模集成电路型、基于微处理器型、基于专用集成电路(ASIC )型和基于数字信号器(DSP)型的运动控制器。前文己经论及，这里不再赘述。 根据被控制的对象来分，又可以分为步进电机运动控制器和伺服电机运动控制器。过去，总认为伺服控制系统和步进控制系统是两种完全不同的技术，而现在它们的差别已开始缩小。由于控制技术的发展，这两种系统互相模仿，而有逐渐归一的趋势。现代电子技术的发

43、展使得将模拟信号转换成数字信号变得很方便且廉价。过去以模拟控制为主的伺服系统已转向数字化，采用微机控制。可以看成是伺服电机的步进化。同样，现代的步进电机控制，特别是采用闭环控制后，同样可实现快速精确的位置控制，其控制结构在许多方面与交流伺服电机控制是相通的。在国外，己经出现这样的运动控制器，它既可以对步进电机并行开环或者闭环控制，也可以用来控制直流或交流伺服电机，实现闭环伺服控制。2.3开放式CNC系统的概要设计 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开放。它来源于对系统的全面需求分析

44、，依据开放式体系结构基于规范要求进行体系结构的构造。概念设计的结构形成可供系统开发借鉴的参考模型。2.3.1开放式CNC系统的需求分析 从应用的角度，开放式体系结构CNC系统的设计目标是使系统能够最大限度的提供CNC系统生产厂、机床设备生产厂和最终用户快递而有创造性的解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，而且系统与外设之间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，一个开放式的CNC系统应能够做到:1.用户界面的开放 能够提供一个统一风格的操作界面，实现操作的

45、简洁性;同时，用户可根据需求定制界面，例如可以改变仿真形式、增加显示内容、扩展远程监视等功能。2.功能模块的开放 用户或者开发商可按需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开发插补模块、翻译模块或扩展高级曲线曲面插补功能，以适应新的加工需求。3.控制功能的开放 系统的控制对象可以使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，也可以通过加入或者开发新的功能模块为特征加工、齿轮加工等专用机床配套。4.网络模块的开放 数控系统对另一个并联系统或高层系统是开放的，它们之间可以通过网络相互操作。例如，可由一台主控制机来控制整个网络，控制其它CNC

46、系统的起停、监视其工作状态。5.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。2.3.2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概念、应用特性和功能，本文提供了如下的开放式数控系统体系结构设计原则: 1)尽最大可能的利用PC机的软硬件技术:个人计算机具有高可靠性和计算能力，硬件己经实现了标准化。PC上运行的软件具有诸多功能，如友好的界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等。采用程序开发工具，用通用编程语言编制软件模块代替原有模块，便于生产商和用户添加具有自己独特技术诀窍的功能模

47、块。 2)模块化:数控系统的模块化建立在各功能要素的逻辑分析基础之上，实现了模块之间的标准连接，以及即插即用。模块化的构成要素能够满足用户和厂商的多样化和多层次的要求。 3)动态配置系统:为了实现更灵活的配置和更有好的操作，本系统能够在系统启动、运行状态下，完成系统的动态配置;其实现是基于系统拓扑结构的动态生成，包括构成要素、参数化构成要素的功能、构成要素之间的信息流的组织等几个步骤。 4)可移植性:系统的模块化保证了在同一软硬件平台上，具有相同功能构成要素的可移植性。但是由于软硬件平台的多样性，需要实现在多种软硬件平台上的可移植性。这就要求本系统的规范不依赖于特定的软硬件平台.本系统要求所定义的数据结构、命名习惯、用户接口外观等有利于不同系统平台的实现。就软件讲，采用分层设计或者客户/服务器设计应用程序，将软、硬件有关的部分置于底层，便于替换，实现移植。 5)可扩展性:本系统可以使用户或者二次开发者安全、有效的将自己的软件集成到个人计算机系统中，形成自己的专用系统。其方法有两种:首先是固定模块内部结构，预留插入用户专用软件接口:其次是提供用户API函数和编程规范，供用户创建专用模块。 上述开放式体系结构的设计原则，可以用于指导开放式数控系统的具体结构构造与开发。2.3.3基于PC的开放式数控系统的体系结构 结合当前计算机技术的发展和控制系统的开放性趋势，大家普遍提