【正文】 的開放，如基于PMAC運動控制卡構成的CNC系統(tǒng)即屬于此類。目前，PCNC的構造方式主要有三種:NC板卡插入到PC機的擴展槽中，PC板卡插到NC裝置中。PC具有豐富的支持軟件來改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形界面、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障論斷、網(wǎng)絡通訊等功能。它試圖提供從軟件到硬件，從人機操作界面到底層控制內核的全方位開放。這一方面是為用戶提供了靈活制定特殊要求操作界面和操作步驟的途徑，一般用在PC機作為圖形化人機控制界面的系統(tǒng)中。圖中，虛線將控制系統(tǒng)劃分為人機控制層和控制內核層兩個層，其中控制內核是CNC系統(tǒng)完成實時加工過程調度和控制的核心部分，一般和系統(tǒng)實時性相聯(lián)系。 與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統(tǒng)的結構，以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性，在體系結構上給用戶留有進行二次開發(fā)更多的余地，能夠快速而有效的響應新的加工需求。這對提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價格比具有重要的意義。 （2）可移植性 可移植性要求數(shù)控系統(tǒng)能夠在多個廠商提供的平臺上運行。時間的開放性又有可擴展性和可移植性兩個方面:空間的開放性是針對系統(tǒng)接口及其規(guī)范而言的，它又可以分為互操作性和互換性。 對于一個開放式數(shù)控系統(tǒng)來說，也應遵循這些基本要求。風格不一的操作方式以及專用件的大量使用，給用戶的使用與維護帶了很多不便。這些擁有自主版權的高檔數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成功，表明我國已經(jīng)具備開發(fā)、生產(chǎn)中、高檔數(shù)控系統(tǒng)的能力，為我國高檔數(shù)控機床的發(fā)展提供了技術支持，在技術上和戰(zhàn)略上都具有重要意義。1980年開始，我國先后從日本和德國引進數(shù)控制造技術，合作生產(chǎn)數(shù)控機床，打破了國產(chǎn)數(shù)控技術徘徊不前的局面。如今，OSEC己發(fā)展到由18家公司和一個團體參與的具有較大影響力的組織。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，綜合成為任務調度，然后利用各種庫進行解釋，形成軸控制及PLC所需要的信息和數(shù)據(jù)，對機床的伺服和執(zhí)行機構進行控制。A03A02A01應用程序接口硬件組件操作系統(tǒng)通訊數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫A0N圖12 OSACA系統(tǒng)結構 OSEC(Open System Environment for Con七roller)計劃是在日本國家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。OSACA控制系統(tǒng)的體系結構如圖12所示，包括兩個部分:系統(tǒng)平臺和結構化的功能模塊。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)，、應用指南，并依照OSACA規(guī)范并開發(fā)了標準的通用系統(tǒng)平臺和軟件模塊。例如美國Ford, GM和Chrysler等公司在NGC計劃的指導下，聯(lián)合提出OMAC(Open Modular ArchitectureController)開發(fā)計劃，定義了系統(tǒng)基礎框架、信息庫管理、任務管理、人機接口運動控制、傳感器接口等標準OMAC API，構造了完整的體系結構。圖11為NGC的體系結構。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】 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系，以增強對外競爭力，推出} NGC (The Next Generation Workstation/MachineController)研究計劃。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，并逐漸成為當今數(shù)控系統(tǒng)的主流。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也逐漸實現(xiàn)了標準化，系列化。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。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)，標志著數(shù)控系統(tǒng)進入了計算機為主體的第四代。縮小了體積，使得工業(yè)應用成為了可能，誕生了第二代數(shù)控系統(tǒng)。隨著計算機技術的發(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)。因此，數(shù)控技術是關系到國家戰(zhàn)略地位和體現(xiàn)國家綜合國力的重要基礎性產(chǎn)業(yè)。我們應充分把握數(shù)控產(chǎn)品技術轉型的歷史機遇，揚長避短，迎頭趕上，充分吸收當今計算機發(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)開放化的技術路線。 我國是一個機床生產(chǎn)和應用的大國。 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)結構之間的矛盾，建立一種新型的模塊化、可重構、可擴充的控制系統(tǒng)結構，以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能柔性，能夠快速而有效地響應新的加工需求。 2)系統(tǒng)的封閉性使得對其擴充和修復極為有限，造成數(shù)控設備制造商對系統(tǒng)供應商的依賴，難以將自己的專門技術、工藝經(jīng)驗集成與控制系統(tǒng)結合形成自己的產(chǎn)品特點，不利于提高主機產(chǎn)品的競爭力。利用數(shù)控技術可以大幅度縮短產(chǎn)品的制造周期，提離產(chǎn)品的加工質盤，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)水平的重要標志之一。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(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。 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)。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。采用這種高度自動化和高效率的設備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準備時間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經(jīng)濟效益仍然是非常顯著的。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目 錄前言 ………………………………………………………………6 ……………………………………………6 ………………………………6 ………………………………………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 ………………………… 9 …………………………… 12 ……………………………… 12 ………………………………… 12 ……………………………………12 開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結構的開放途徑 …………………13 基于PC的開放式體系結構 …………………………… 14 運動控制器原理 ………………………………………………15 開放式CNC系統(tǒng)的概要設計 …………………………………17 …………………………… 17 …………………… 18 ……………… 19 ……………………………20 ……………………………………………21 本章小結 ……………………………………………………………22 ……………… 23 ……………………… 23 …………………………………………23 CAN總線原理與特點 ……………………………………26 DSP芯片原理 ……………………………………………29 ………………………………………31 ………………………………… 31 ………32 ……………………………32 …………………………32 DSP和計算機通訊設計 …………………………………34 DSP和CAN總線的通訊設計 ……………………………34 ……………………………… 35 ………………………………………35 PMC模塊設計 ……………………………………………35 …………………………………36 本章小結 …………………………………………………………36 ………………………………………………… 37 ……………………………………………………………37 …………………………………………………………38參考文獻 …………………………………………………………38致謝 ………………………………………………………………39基于PC的數(shù)控系統(tǒng)設計前言 科學技術和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。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)的關鍵性基礎問題:CNC體系結構的概念及其對系統(tǒng)性能和發(fā)展的重要性，現(xiàn)有CNC系統(tǒng)體系結構的特點和缺陷，CNC系統(tǒng)體系結構開放的必要性、開放的理念和目標以及實現(xiàn)開發(fā)的途徑。 本文圍繞著開放式CNC （Computer Numerical Control）系統(tǒng)設計中的若干關鍵技術，從體系結構分析、系統(tǒng)硬件結構地開放化設計等方面進行了研究。 關鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng) 開放體系結構 CAN總線 PCI總線 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。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。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。但在更換零件時，必須制造靠模和調整機床，不但要耗費大t的手工勞動，延長了生產(chǎn)準備周期，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。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復雜零件提供了自動化加工手段。柔性的工作方式，能充分適應多品種、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)需求的適應能力。專用件的大量使用，給數(shù)控設備的使用與維護帶來了很多不便。 為了節(jié)約封閉式體系結構數(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、標準化的方向發(fā)展，設計開放式體系結構數(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。對控制系統(tǒng)開發(fā)商，可在共同的標準平臺上建立廣泛的合作，實現(xiàn)廠家的協(xié)作式開發(fā)，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。因為開放計劃的實施，把世界上所有的數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)商推到了同一起跑線上。數(shù)控技術是國防現(xiàn)代化的重要部分，是國際技術和商業(yè)貿(mào)易的重要構成。最初的數(shù)字控制系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構成的，因而稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)。1959年，晶體管取代了笨重的電子管。(1970一1986) 70年代初，大規(guī)模集成電路、半導體存儲器，微處理器的問世，通用小型計算機出現(xiàn)并逐漸普及，給數(shù)控技術帶來了突破性的發(fā)展。 1974年，首次出現(xiàn)了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統(tǒng)