【正文】 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。 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。專(zhuān)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 。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。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。但在更換零件時(shí)，必須制造靠模和調(diào)整機(jī)床，不但要耗費(fèi)大 t 的手工勞動(dòng)，延長(zhǎng)了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達(dá)到較高的要求。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，滿(mǎn)足市場(chǎng)上不斷變化的需要。許多生產(chǎn)企業(yè) (例如汽車(chē)、拖拉機(jī)、家用電器等制造廠(chǎng) )已經(jīng)采用了自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專(zhuān)用自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)。 關(guān)鍵詞 : 數(shù)控系統(tǒng) 開(kāi)放體系結(jié)構(gòu) CAN 總線(xiàn) PCI 總線(xiàn) CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 2 Abstract With the development and broad used of CNC technology and plex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, puter, autocontrol, inspectevice etc. The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the system39。 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： 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。s flexibility, and enablethe systems to be redeveloped. As a result, CNC systems can be responsive to the marketquickly and economically. In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and results: thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC systems to be 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. Design methods of the modular system and its function modules base on CANbusand PCIbus are presented in details. Keyword: CNC Openarchitecture CANbus PCIbus CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 3 目 錄 前言 ……………………………………………………………… 6 ………………………………………… … 6 …………………………… … 6 課題的來(lái)源和研究意義 …………………………………… … 7 ……………………………………………… 8 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 …………………………………… 9 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展 ………………………… 9 國(guó)產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 …………………………… 12 ……………………………… 12 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ……………………………… … 12 開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的概念 …………………………………… 12 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開(kāi)放途徑 ……………… … 13 基于 PC 的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu) …………………………… 14 運(yùn)動(dòng)控制器原理 ………………………………………… …… 15 開(kāi)放式 CNC 系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì) ……………………………… … 17 CNC 系統(tǒng)的需求分析 …………………………… 17 CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 ………………… … 18 PC 的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ……………… 19 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 4 運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ………………………… … 20 軟件整體規(guī)劃 ………………………………………… … 21 本章小結(jié) ………………………………………………………… … 22 ……………… 23 …………………… … 23 標(biāo)準(zhǔn)化總線(xiàn)技術(shù) …………………………………… …… 23 CAN 總線(xiàn)原理與特點(diǎn) ……………………………… …… 26 DSP 芯片原理 ………………………………………… … 29 接口的模塊化設(shè)計(jì) …………………………………… … 31 基于 PC的開(kāi)放式設(shè)計(jì) ……………………………… … 31 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 運(yùn)動(dòng)控制卡微處理器的選擇 ……………………… …… 32 運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………… …… 32 DSP 和計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………………… …… 34 DSP 和 CAN總線(xiàn)的通訊設(shè)計(jì) ……………………… …… 34 數(shù)控系統(tǒng)其他硬件模塊設(shè)計(jì) ………………………… …… 35 伺服接口模塊設(shè)計(jì) ………………………………… …… 35 PMC 模塊設(shè)計(jì) ……………………………………… …… 35 操作面板 I/O 模塊設(shè)計(jì) …………………………… …… 36 本章小結(jié) ………………………………………………… ……… 36 … ……………………………………………… 37 結(jié)論 ………………………………………………………… … 37 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 5 展望 ………………………………………………………… 38 參考文獻(xiàn) ……………………………………………………… … 38 致謝 ……………………………………………………………… 39 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 6 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 前言 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。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。因此，即使是大批量生產(chǎn)，也改變了產(chǎn)品長(zhǎng)期一成不變的做法。 為了解決上述這些問(wèn)題，來(lái)滿(mǎn)足多品種、小批量的自動(dòng)化生產(chǎn)。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(chē)與停車(chē)、選擇刀具、供給冷卻液等 )和步驟，以及刀具與工件之間的相對(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(zhuān)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。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(pán)，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。 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(lài)，難以將自己的專(zhuān)門(mén)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 。 開(kāi)放式數(shù)控系統(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。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國(guó) 。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(xiàn) 。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)。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) (CNCComputer Numerical Control)?？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)。 1970 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。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)到了普及的程度。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。 1986 年，三菱電機(jī)公司率先推出了以 CPU 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。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】 NGC 和 OMAC 計(jì)劃 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 Workstation/MachineController)研究計(jì)劃。圖 11 為 NGC 的體系結(jié)構(gòu)。例如美國(guó)計(jì)算機(jī)平臺(tái) 虛擬機(jī)械 工作站管理 工作站 作業(yè)執(zhí)行 控制 傳感器 入機(jī)接口 子系統(tǒng) 支持工具 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 10 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)劃分為三個(gè)階段，其中第一階段和第二階段均已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，主要完成了 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。 OSACA 控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 12 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。 圖 12 OSACA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) OSEC 計(jì)劃 OSEC(Open System Environment for Con 七 roller)計(jì)劃是在日本國(guó)家數(shù)據(jù)庫(kù) 數(shù)據(jù) 通訊 操作系統(tǒng) 硬件組件 應(yīng)用程序接口 A01 A02 A03 A0N CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的設(shè)計(jì) 11 機(jī)器人和工廠(chǎng)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(chǎng)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。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?zhuān)纬奢S控制及 PLC