【正文】 這將大大縮短系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少投資，增強產(chǎn)品競爭力。 為了節(jié)約封閉式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控存在的問題，近年來，西方各工業(yè)發(fā)達國家相繼提出了向模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，設(shè)計開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問題，如美國的 NGC 計劃，日本和歐洲提出的 OSEC 及 OSACA 計 劃等。專用件的大量使用，給數(shù)控設(shè)備的使用與維護帶來了很多不便 。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)雜零件提供了自動化加工手段。但在更換零件時，必須制造靠模和調(diào)整機床，不但要耗費大 t 的手工勞動，延長了生產(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到較高的要求。近年來，由于市場競爭日趨激烈，為在競爭中求得生存與發(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，滿足市場上不斷變化的需要。許多生產(chǎn)企業(yè) (例如汽車、拖拉機、家用電器等制造廠 )已經(jīng)采用了自動機床、組合機床和專用自動生產(chǎn)線。 關(guān)鍵詞 : 數(shù)控系統(tǒng) 開放體系結(jié)構(gòu) CAN 總線 PCI 總線 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 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。 本文圍繞著開放式 CNC （ Computer Numerical Control）系統(tǒng)設(shè)計中的若干關(guān)鍵技術(shù)，從體系結(jié)構(gòu)分析、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)地開放化設(shè)計等方面進行了研究。全文主要研究工作如下： 系 統(tǒng)研究了基于 PC的開放式 CNC系統(tǒng)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)問題 :CNC 體系結(jié)構(gòu)的概念及其對系統(tǒng)性能和發(fā)展的重要性，現(xiàn)有 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的特點和缺陷， CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開放的必要性、開放的理念和目標(biāo)以及實現(xiàn)開發(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)開發(fā)的設(shè)計 3 目 錄 前言 ……………………………………………………………… 6 ………………………………………… … 6 …………………………… … 6 課題的來源和研究意義 …………………………………… … 7 ……………………………………………… 8 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展歷史 ……………………………………… 9 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究 …………………………………… 9 開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究發(fā)展 ………………………… 9 國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 …………………………… 12 ……………………………… 12 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu) ……………………………… … 12 開放體系結(jié)構(gòu)的概念 …………………………………… 12 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的開放途徑 ……………… … 13 基于 PC 的開放式體系結(jié)構(gòu) …………………………… 14 運動控制器原理 ………………………………………… …… 15 開放式 CNC 系統(tǒng)的概要設(shè)計 ……………………………… … 17 CNC 系統(tǒng)的需求分析 …………………………… 17 CNC系統(tǒng)的設(shè)計原則 ………………… … 18 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) ……………… 19 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 4 運動控制卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ………………………… … 20 軟件整體規(guī)劃 ………………………………………… … 21 本章小結(jié) ………………………………………………………… … 22 ……………… 23 …………………… … 23 標(biāo)準(zhǔn)化總線技術(shù) …………………………………… …… 23 CAN 總線原理與特點 ……………………………… …… 26 DSP 芯片原理 ………………………………………… … 29 接口的模塊化設(shè)計 …………………………………… … 31 基于 PC的開放式設(shè)計 ……………………………… … 31 基于 PC的開放式 CNC 系統(tǒng)運動控制卡的硬件設(shè)計 … …… 32 運動控制卡微處理器的選擇 ……………………… …… 32 運動控制卡和上位機通訊設(shè)計 …………………… …… 32 DSP 和計算機通訊設(shè)計 …………………………… …… 34 DSP 和 CAN總線的通訊設(shè)計 ……………………… …… 34 數(shù)控系統(tǒng)其他硬件模塊設(shè)計 ………………………… …… 35 伺服接口模塊設(shè)計 ………………………………… …… 35 PMC 模塊設(shè)計 ……………………………………… …… 35 操作面板 I/O 模塊設(shè)計 …………………………… …… 36 本章小結(jié) ………………………………………………… ……… 36 … ……………………………………………… 37 結(jié)論 ………………………………………………………… … 37 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 5 展望 ………………………………………………………… 38 參考文獻 ……………………………………………………… … 38 致謝 ……………………………………………………………… 39 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 6 基于 PC 的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計 前言 科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。采用這種高度自動化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€工件上的費用很少，經(jīng)濟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)品長期一成不變的做法。 為了解決上述這些問題，來滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)。數(shù)控機床就是將加工過程所偏的各種操作 (如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等 )和步驟，以及刀具與工件之間的相對位移 t 都用數(shù)字化的代碼來表示，通過控制介質(zhì) (如穿孔紙帶或磁帶 )將數(shù)字信息送人專用的或通用計算機計算機對輸人的信息進行處理與運算，發(fā)出各種指令來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機床自動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，加速產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高產(chǎn)品的競爭力，因而具有顯著的經(jīng)濟效益及廣闊的發(fā)展前景，業(yè)已成為一個國家機械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。 2)系統(tǒng)的封閉性使得對其擴充和修復(fù)極為有限，造成數(shù)控設(shè)備制造商對系統(tǒng)供應(yīng)商的依賴，難以將自己的專門技術(shù)、工藝經(jīng)驗集成與控制系統(tǒng) 結(jié)合形成自己的產(chǎn)品特點，不利于提高主機產(chǎn)品的競爭力 。 開放式數(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)、可擴充的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以增強數(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。 我國是一個機床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國 。我們應(yīng)充分把握數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)型的歷史機遇，揚長避短，迎頭趕上，充分吸收當(dāng)今計算機發(fā)展的最新成果，高起點制定出切實可行、適合我國國情的數(shù)控系統(tǒng)開放化的技術(shù)路線 。因此，數(shù)控技術(shù)是關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)被逐漸淘汰，取而代之的是計算機數(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 年在美國芝加哥數(shù)控博覽會上，首次展出了以小型計算機為核心的計算機數(shù)控系統(tǒng) (CNC)，標(biāo)志著數(shù)控系統(tǒng)進入了計算機為主體的第四代。這一發(fā)展真正實現(xiàn)了機電一體化，進一步縮小了體積，降低了成本，簡化了編程和操作，使數(shù)控系統(tǒng)達到了普及的程度。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸實現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化，系列化。 1986 年，三菱電機公司率先推出了以 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)達國家都相繼進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 【 2】 NGC 和 OMAC 計劃 早在 1987 年，里根政府為振興美國的機械制造業(yè)，推動工業(yè)形成一個廣泛的合作 關(guān)系， 以增強 對外 競爭力 ，推出 } NGC (The Next Generation Workstation/MachineController)研究計劃。圖 11 為 NGC 的體系結(jié)構(gòu)。例如美國計算機平臺 虛擬機械 工作站管理 工作站 作業(yè)執(zhí)行 控制 傳感器 入機接口 子系統(tǒng) 支持工具 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計 10 Ford, GM 和 Chrysler 等公司在 NGC 計劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出 OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，定義了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架、信息庫管理、任務(wù)管理、人機接 口 運 動控制、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)。該計劃分為三個階段，其中第一階段和第二階段均已經(jīng)實現(xiàn)，主要完成了 規(guī)范、應(yīng)用指南， 并依照 OSACA 規(guī)范并開發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的通用系統(tǒng)平臺和軟件模塊。 OSACA 控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖 12 所示，包括兩個部分 :系統(tǒng)平臺和結(jié)構(gòu)化的功能模塊。 圖 12 OSACA 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) OSEC 計劃 OSEC(Open System Environment for Con 七 roller)計劃是在日本國家數(shù)據(jù)庫 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)開發(fā)的設(shè)計 11 機器人和工廠自動化研究中心 (工 ROFA )建立的開放式數(shù)控委員會的倡導(dǎo)下，于1995 年由東芝機器公司、豐田機器廠和 Mazak 公司三家機床制造商和日本工 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，然后利用各種庫進行解釋，形成軸控制及 PLC