【正文】 FPGA 芯片技術(shù)在美國得到高速發(fā)展，出現(xiàn)了一批高性能低成本的 DSP。 CAD/CAM 系統(tǒng) MIS 系統(tǒng) 專家系統(tǒng) 外部接口模塊 人機(jī)界面 代碼處理模塊 總CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 20 圖 24 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu) 運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1986 年以來，世 界工業(yè)界一直致力于在制造業(yè)中推廣開放，積木式的結(jié)構(gòu)控制技術(shù)。而且， CNC 系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。二是和本地機(jī)上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關(guān)量、機(jī)床狀態(tài)等。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口 (GUI)、應(yīng)用程序接口 (API )庫、多任務(wù)機(jī)制。最低層的是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，它包括機(jī)床本身， X, Y, Z, C 軸驅(qū)動(dòng)器、各種繼電器、伺服電機(jī)等。 5)可擴(kuò)展性 :本系統(tǒng)可以使用戶或者二次開發(fā)者安全、有效的將自己的軟件集成到個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)。 4)可移植性 :系統(tǒng)的模塊化保證了在同一軟硬件平臺(tái)上，具有相同功能構(gòu)成要素的可移植性。 2)模塊化 :數(shù)控系統(tǒng)的模塊化建立在各功能要素的邏輯分析基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了模塊之間的標(biāo)準(zhǔn)連接，以及即插即用。 系統(tǒng)應(yīng)該可以安裝在大多數(shù)類型的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)上，以利于應(yīng)用推廣和降低成本，并且移植方便。例如，系統(tǒng)集成商可更換或自行開發(fā)插補(bǔ)模塊、翻譯模塊或擴(kuò)展高級曲線曲面插補(bǔ)功能，以適應(yīng)新的加工需求。 開放式 CNC 系統(tǒng)的需求分析 從應(yīng)用的角度，開放式體系結(jié)構(gòu) CNC 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是使系統(tǒng)能夠最大限度的提供 CNC 系統(tǒng)生產(chǎn)廠、機(jī)床設(shè)備生產(chǎn)廠和最終用戶快遞而有創(chuàng)造性的解決CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 18 當(dāng)今制造環(huán)境中的數(shù)控加工和系統(tǒng)集成，不僅能夠?yàn)樵O(shè)備自由地選擇、更新或重構(gòu) CNC 系統(tǒng)，配備合適的伺服執(zhí)行部件、傳感器、 PMC 等外設(shè)，而且系統(tǒng)與外設(shè)之間應(yīng)具有強(qiáng)大的信息通訊能力，使之能靈活運(yùn)用于綜合化的制造系統(tǒng)環(huán)境之中。 開放式 CNC 系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì) 概念設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)正式開發(fā)前對開放目標(biāo)的清晰明確，對系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的總體把握。過去以模擬控制為主的伺服系統(tǒng)已轉(zhuǎn)向數(shù)字化，采用微機(jī)控制。 根據(jù)被控制的對象來分，又可以分為步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器和伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器。但從應(yīng)用需求來看，這兩種類型的運(yùn)動(dòng)控制器都有各自的優(yōu)點(diǎn) 。基于總線的控制運(yùn)動(dòng)控制器是利用現(xiàn)有的硬件和操作系統(tǒng)、并結(jié)合用戶開發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)的。正如前文所述，開放式運(yùn)動(dòng)控制已成為運(yùn)動(dòng)控制的發(fā)展方向，數(shù)控系統(tǒng)也逐步走向開放化，因此對運(yùn)動(dòng)控制器也有更高的要求，比如從硬件上要能實(shí)現(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)軸的位置、速度伺服控制，從軟件上配有功能完備的伺服控制軟件，具有完善的運(yùn)動(dòng)軌跡和插補(bǔ)功能及軟件伺服控制功能且能方便地與機(jī)床、機(jī)器人等設(shè)備聯(lián)接，能迅速地建立高層應(yīng)用程控制系統(tǒng) PLC 運(yùn)動(dòng)控制器 拖動(dòng)裝置 電動(dòng)機(jī) 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 反饋裝置 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 17 序 與機(jī)床或機(jī)器人等設(shè)備之間的控制以及測試數(shù)據(jù)交換等等。其中反饋裝置將運(yùn)動(dòng)設(shè)備的位置信息提供給運(yùn)動(dòng)控制器，運(yùn)動(dòng)控制器響應(yīng)閉環(huán)信號和接受控制系統(tǒng) (或 PLC)的定位請求信號并將其轉(zhuǎn)換為命令信號提供給拖動(dòng)裝置，由拖動(dòng)裝置將命令信號轉(zhuǎn)換成電流以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。隨著功能齊全的微計(jì)算機(jī)、超大規(guī)模集成電路 (VLSI )，功率集成電路(PIC )，以及先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助制造 (CAM)等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的面貌為之一新，其前沿不斷擴(kuò)大。隨著微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)以及微計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在這幾種運(yùn)動(dòng)控制中，電氣運(yùn)動(dòng)控制因其具有易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)接口等明顯優(yōu)點(diǎn)而成為運(yùn)動(dòng)控制的主流，大多數(shù)中小功率的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)都是采用電氣控制。隨著電力 電子技術(shù)、微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，原有的電氣傳動(dòng)控制的概念己經(jīng)不能充分的概括現(xiàn)代自動(dòng)化系統(tǒng)中承擔(dān)第一線任務(wù)的全部控制設(shè)備。但軟件開發(fā)是最復(fù)雜的，開發(fā)的重點(diǎn)是系統(tǒng)軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。故只能實(shí)現(xiàn)第一層次的開放。其原因有兩個(gè)方面 :一是許多用戶對它們的產(chǎn)品很熟悉，也習(xí)慣使用 :二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時(shí)間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用 CNC 技術(shù)。 PC 機(jī)作為非實(shí)時(shí)處 理，實(shí)時(shí)控制由 CNC 單元或者運(yùn)動(dòng)控制板來承擔(dān)。 所謂 PC 機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，使用市場上銷售或者自行研制開發(fā)的應(yīng)用軟件和硬件插卡，構(gòu)造出數(shù)控系統(tǒng)功能。 基于 PC 的開放式體系結(jié)構(gòu) 從實(shí)現(xiàn)方法上， PCNC 是目前實(shí)現(xiàn) CNC 開放化比較現(xiàn)實(shí)的途徑。通過開放系統(tǒng)的核心接口，用戶可按照一定的規(guī)范將自己特有的控制軟件模塊加到系統(tǒng)預(yù)先留出的內(nèi)核接口上。 開放人機(jī)控制接口 開放系統(tǒng)核心接口 開放體系結(jié)構(gòu) CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 14 人機(jī) 控制層 控制 內(nèi)核層 圖 21 控制系統(tǒng)的開放途徑 放人機(jī)控制接口 這種方式允許開發(fā)商或者用戶構(gòu)造或者集成自己的模塊 [4]。然而，要想附加集成一些由不同賣方提供的功能時(shí)，卻有相當(dāng)?shù)碾y度，這些困難主要集中在不同供應(yīng)商提供的系統(tǒng)之間沒有公共的接口，需要很高的擴(kuò)展、擴(kuò)充及集成費(fèi)用，沒有風(fēng)格一致的操作系統(tǒng)的界面以及需要分別針對不同的系統(tǒng)來培訓(xùn)人員等使維護(hù)費(fèi)用急劇增加。開放式數(shù)控系統(tǒng)的互操作性通過一個(gè)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)，這個(gè)通訊系統(tǒng)不僅允許數(shù)據(jù)的交換并且定義了交換的協(xié)議。 （ 3） 互換性 互換性要求構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的部件在功能，性能或可靠性等要求不同時(shí)，能夠用另一種部件進(jìn)行替換。規(guī)?？蓴U(kuò)展性是指一個(gè)開放式的數(shù)控系統(tǒng)可以通過增減部件改變系統(tǒng)的功能或性能 。 開放的概念可以從兩個(gè)方面進(jìn)行理解 :一是時(shí)間的開放，二是空間的開放。顯然，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場的變化和競爭，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。但是由于大批量生產(chǎn)和保密的需要，不同的數(shù)控系 統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計(jì)其硬件和軟件，這樣設(shè)計(jì)出來的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機(jī)界面、多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)化接口等缺陷。北京航天數(shù)控集團(tuán)自行開發(fā)的航天 1 型采用與通用 PC 機(jī)體系結(jié)構(gòu)兼容的總線，模塊化、開放型嵌入式結(jié)構(gòu)，構(gòu)成了典型的前后機(jī)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，較好的解決了實(shí)時(shí)多過程控制。 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) 加工過程、程序編譯、執(zhí)行模式控制、智能加工 操作規(guī)劃層加工順序規(guī)劃、刀庫、夾具、加工條件 刀具運(yùn)動(dòng) 軌跡控制 執(zhí)行部件 離散控制 設(shè)備控制 執(zhí)行部件 機(jī)器層、機(jī)器人、機(jī)床等 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 12 從 1958 年起，一些科學(xué)院所、高等學(xué)校和少數(shù)機(jī)床廠開始進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)。 這個(gè)體系結(jié)構(gòu)獨(dú)立于平臺(tái)，如微處理器、系統(tǒng)單元、操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，給每個(gè)模塊的應(yīng)用提供了相當(dāng)?shù)淖杂伞? OSEC 提出的開放式數(shù)控系統(tǒng)參考模型如圖 13 所示。 AO 按其控制功能分為 :人機(jī)控制，運(yùn)動(dòng)控制，邏輯控制，軸控制，過程控制等。 OSACA 的目標(biāo)是為數(shù)控等自動(dòng)化設(shè)備定義了一個(gè)獨(dú)立于硬件平臺(tái)、與制造商無關(guān)的開放式控制系統(tǒng)參考結(jié)構(gòu)，這些自動(dòng)化設(shè)備不僅包括機(jī)床數(shù)控，機(jī)器人控制，還包括可編程控制器和單元控制器。采用 PC 和 PMAC 形成 PMAC 開放式 CNC 系統(tǒng)，獲得良好的效果。 SOSAS 定義了 NGC 系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關(guān)系。 NGC 計(jì)劃目標(biāo)是 :基于開放式體系結(jié)構(gòu)的下一代機(jī)械制造控制器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)的支持下，不同的設(shè)計(jì)人員可以開發(fā)出具有互換性和互操作性的控制部件。 PC的引入，不僅為 CNC 提供十分堅(jiān)實(shí)的硬件資源和及其豐富的軟件資源，更為 CNC的開放化提供了基礎(chǔ)。為保證零件程序的傳送、插補(bǔ)、加工線速度控制等連續(xù)處理， CNC系統(tǒng)應(yīng)具有足夠高的數(shù)據(jù)處理速度和能力 .32位 CPU以其很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力在CNC 中得到了應(yīng)用。它雖然仍以微處理器為基礎(chǔ)，但控制功能更為完善，具備了多功能的技術(shù)特征，尤其在軟件技術(shù)方面發(fā)展更快，具 有了交互式對話編程，三維圖形顯 示和校驗(yàn)，實(shí)時(shí)軟件精度補(bǔ)償?shù)裙δ?。從此系統(tǒng)進(jìn)入了 “ 軟連接 ” 數(shù)控時(shí)代。 這一階段的數(shù)控系統(tǒng)，各種控制功能均由硬件邏輯完成，稱為 “硬件 ”控制，其功能簡單，靈活性差，設(shè)計(jì)周期長，系統(tǒng)可靠性低，因而限制了其進(jìn)一步的發(fā)展和應(yīng)用。 自從 1952 年麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)三座標(biāo)銑床以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，特別是微電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)無論在硬件或者軟件方面發(fā)展都很快，數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng) 歷了八代，可以分為以下四個(gè)發(fā)展階段 [1] (1952 一 1970) 早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，遠(yuǎn)不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求 .人們不得不采用 數(shù)字邏輯電路搭建一臺(tái)專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控裝置，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱數(shù)控 (NC).世界上第一臺(tái)數(shù)控銑床的數(shù)控裝置是采用電子管、繼電器和模擬電路構(gòu)成的試驗(yàn)樣機(jī)，通稱為第一代數(shù)控。數(shù)字控制系統(tǒng)中的信息量 是數(shù)字量，而模擬控制系統(tǒng)中的信息量是模擬量。 數(shù)控技術(shù)的廣泛使用，給機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。國際上的相關(guān)開放計(jì)劃對我國的數(shù)控技術(shù)的發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，同時(shí)也帶來了機(jī)遇。 采用基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)，無論對控制系統(tǒng)開發(fā)商、機(jī)床廠還是最終用戶均有益處。總之，數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已難以適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)的市場的變化與競爭，也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的要求。這專用的封閉式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，雖然結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟，產(chǎn)品批盤大、生產(chǎn)成本低，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，市場競爭的加劇，越來越暴露出其固有的缺陷，集中表現(xiàn)如下 : 1)各控制系統(tǒng)間互聯(lián)能力差，影響了系統(tǒng)的相互集成 :風(fēng)格不同的操作方式，使用戶培訓(xùn)費(fèi)用增加 。準(zhǔn)確、高CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 7 效的自動(dòng)化手段，改變了以 往機(jī)械工業(yè)中周期長、效率低的局面 。數(shù)字控制(NUMERICALCONTROL,簡稱 NC 或數(shù)控 )機(jī)床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起來的。己經(jīng)使用的各類仿形加工機(jī)床部分地解決了小批量、復(fù)雜零件的加工。尤其是在 造船、航天、航空、機(jī)床、重機(jī)械以及國防部門，其生產(chǎn)特點(diǎn)是加工批量小，改型頻繁，零件的形狀復(fù)雜而且精度要求高，采用專用化程度很高的自動(dòng)化機(jī)床加工這類零件就顯得很不合理，因?yàn)樯a(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調(diào)核甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動(dòng)條件。 對開放體系結(jié)構(gòu) CNC系統(tǒng)的開放特性需求，研究討論了基于 CAN總線的模塊化體系結(jié)構(gòu)以及各功能模塊。CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 1 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 摘 要 隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展和復(fù)雜曲面零件的廣泛應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、檢測等各個(gè)領(lǐng)域，開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究目的是要建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)，以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而經(jīng)濟(jì)地響應(yīng)新的加工需求。在需求分析的基礎(chǔ)上，談?wù)摿碎_放式 CNC體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則和概念模型。機(jī)械加工工藝過程的自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)上 述要求的最重要措施之一。但是，在機(jī)械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件(批量在 10 一 100 件 )約占機(jī)械加工總量的 80%以上。頻繁地開發(fā)新產(chǎn)品，使 “剛性 ”的自動(dòng)化設(shè)備在大批生產(chǎn) 中也日益暴露其缺點(diǎn)。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動(dòng)化機(jī)床。 數(shù)控技術(shù)的問世解決了傳統(tǒng)方式難以解決的負(fù)載零件的制造問題。 然而，現(xiàn)今生產(chǎn)中使用的絕大多數(shù) CNC 系統(tǒng)中 (以 FAI； UC； S IMENS 等為代表 )，所采用的是一種專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)，即組成系統(tǒng)的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)由各數(shù)控系統(tǒng)廠家行設(shè)計(jì)，是專 用的，互不兼容的，系統(tǒng)各模塊之間的交互方式、通訊及結(jié)構(gòu)也互不相同。 3)專用的硬件，軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)發(fā)展，使系統(tǒng)的開發(fā)投資大、周期長、風(fēng)險(xiǎn)高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。 基于 PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)是對傳統(tǒng)封閉式數(shù)控結(jié)構(gòu)的根本突破，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主流和研究熱點(diǎn)，是新一代數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。但數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用水平還很不高，嚴(yán)重制約著我國制造業(yè)水平的提高。 CNC 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開發(fā)的設(shè)計(jì) 8 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、電氣傳動(dòng)、測量技術(shù)、機(jī)械制造等多項(xiàng)技術(shù)，成為二十世紀(jì)以來逐步發(fā)展起來的機(jī)床控制的新技術(shù)，是一門交叉學(xué)科。 數(shù)字控制 (Numerical Control)是相對于模擬控制而言的。數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)、特別是航空航天工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，無論在硬件方面還是在軟件方面，發(fā)展都很快。 1965 年出現(xiàn)