cnc系统体系结构开发的设计毕业设计(编辑修改稿)

cnc系统体系结构开发的设计毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

计算所研制的蓝天 1 型、北京航空航天大 学的 CH2020 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. 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 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。 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。 CNC 系统体系结构开发的设计 13 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更多的余地，能够快速而有效的响应新的加工需求。 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 21 所示。 图中，虚线将控制系统划分为人机控制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]。 开放人机控制接口 开放系统核心接口 开放体系结构 CNC 系统体系结构开发的设计 14 人机 控制层 控制 内核层 图 21 控制系统的开放途径 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。 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。 开放体系结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。 基于 PC 的开放式体系结构 从实现方法上， PCNC 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 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， PCNC 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 板的可编程能力，能部分实现系统核心结构的开放，CNC 系统体系结构开发的设计 15 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。 NC 软件 NC 指 CNC 系统的各项功能，如编译、编译、插补和 PLC 等，均由软件模块来实现。 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要的意义。 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。 图 22 现代运动控制技术的结构体系 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 )作微型计算机 模拟数字电子技术 传感器和变换器 经典现代控制理论 计算机仿真和辅助设计 电力电子器件 电机技术 大规模集成电路 运动控制系统 CNC 系统体系结构开发的设计 16 为动力源的热机运动控制等。 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 所示，运动控制技术是这些周边技术的有机结合体。 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、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。 图 23 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控制系统 PLC 运动控制器 拖动装置 电动机 执行机构 反馈装置 CNC 系统体系结构开发的设计 17 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。