【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ....................................... 72 測(cè)試軟件開發(fā) ................................................................................................. 73 本章小結(jié) ......................................................................................................... 76 結(jié)論 ............................................................................................................................ 77 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................... 78 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文 ................................................................................ 81 致謝 ............................................................................................................................ 82 1 第 1章 緒論 開放式運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù)概述 開放 式 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控 （ NC） 或計(jì)算機(jī)數(shù)控 （ CNC） 系統(tǒng)作為制造形狀復(fù)雜 、 高質(zhì)量 、 高精度產(chǎn)品所必備的基礎(chǔ)設(shè)備 ， 已成為當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)的一個(gè)重要組成部分 。然而 ， FANUC、 SIMENS 等 常規(guī) CNC 系 統(tǒng)為專用結(jié)構(gòu) CNC， 其組成的硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)是專用的 、 互不兼容的系統(tǒng) ， 各模塊間的交互方式 、 通信機(jī)制也各不相同 ， 這就造成了不同廠家控制系統(tǒng)的相對(duì)獨(dú)立 ， 彼此封閉 。 隨著技術(shù)的進(jìn)步 ， 市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇 ， 這種專用體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)越來越暴露出其固有的缺陷 。 一方面 ， 各控制系統(tǒng)間互連能力差 ， 影響了系統(tǒng)的相互集成 ，風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用 ， 不但使用戶培訓(xùn)費(fèi)用增加 ， 還給數(shù)控設(shè)備用戶 （ NC 系統(tǒng)的最終用戶 ） 帶來很多不便 ； 另一方面 ， 系統(tǒng)的封閉性使它的擴(kuò)充和修改極為有限 ， 造成數(shù)控設(shè)備制造商 （ NC 系統(tǒng)中間用戶 ） 對(duì)系 統(tǒng)供應(yīng)商的依賴 ， 并難以將自己的專門技術(shù) 、 工藝經(jīng)驗(yàn)集成入控制系統(tǒng)并形成自己的產(chǎn)品特點(diǎn) ， 這將不利于提高主機(jī)產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力 。 此外 ， 專用的硬軟件結(jié)構(gòu)也限制了系統(tǒng)本身的持續(xù)開發(fā) ， 使系統(tǒng)的開發(fā)投資大 、 周期長(zhǎng) 、 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 。 總之 ， 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(chǎng)變化與競(jìng)爭(zhēng) ， 也不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)向信息化 、 模塊化和敏捷制造模式發(fā)展的需要 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向 [1]， 研究 開發(fā) 開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要目的是解決變化頻繁的需求與封閉控制系統(tǒng)之間的矛盾 ， 從而建立一個(gè)統(tǒng)一的可 重構(gòu)的系統(tǒng)平臺(tái) ， 增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的柔性 。 通俗地講 ， 開放的目的就是使 NC 控制器與當(dāng)今的 PC 機(jī)類似 ， 使整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)筑于一個(gè)開放的平臺(tái)之上 ， 具有模塊化組織結(jié)構(gòu) ， 允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成 ， 更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能 ， 迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求 ， 而且 ， 組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商并相互兼容 。 開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究始于 1987 年 ， 美國(guó)空 軍 在 美國(guó)政府資助下發(fā)表了著名的 NGC（ 下一代控制器 ） 研究計(jì)劃 ， 提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的 2 概念和開放系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格 （ OSACA） 。自 1996 年開始 ， 美國(guó)幾個(gè)大的科研機(jī)構(gòu) 對(duì) NGC 計(jì)劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究?jī)?nèi)容 [2]， 如美國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)研究院提出了 EMC（ 增強(qiáng)型機(jī)床控制器 ） ；由美國(guó)通用、福特和克萊斯勒三大汽車公司提出和研制了 OMAC（ 開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器 ）， 其目的是用更開放、更加模塊化的控制結(jié)構(gòu)使制造系統(tǒng)更加具有柔性、更加敏捷，該計(jì)劃啟動(dòng)后不久便公布了一個(gè)名為 OMAC APT 的規(guī)范，并促成了一系列相關(guān)研究項(xiàng)目的運(yùn)行。 開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠在多種平臺(tái)上運(yùn)行 ， 可以和其他系統(tǒng)互操作 ， 并能給用戶提供一種統(tǒng)一風(fēng)格的交互方式 。 開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下基本特征 ： 1． 可互操作性 。 通過提供標(biāo)準(zhǔn) 化接口 、 通信和交互機(jī)制 ， 使不同功能模塊能以標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序接口運(yùn)行于系統(tǒng)平臺(tái)之上 ， 并獲得平等的相互操作能力 。 2． 可移植性 。 系統(tǒng)的功能軟件與設(shè)備無關(guān)即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式 ， 交互模型控制機(jī)理 ， 使構(gòu)成系統(tǒng)的各功能模塊可來源于不同的開發(fā)商 ， 并且通過一致的設(shè)備接口 ， 使各功能模塊能運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺(tái)之上 。 3． 檔次皆宜性 。 CNC 系統(tǒng)的功能 和 規(guī)?？梢造`活設(shè)置 、 方便修改 ， 既可增加硬件或軟件構(gòu)成功能更強(qiáng)的系統(tǒng) ， 也可以裁減其功能以適應(yīng)低端應(yīng)用 。 4． 可互補(bǔ)性 。 指構(gòu)成系統(tǒng)的各硬件模塊 、 功能軟件的選用不受單一供應(yīng)商的控制 ， 可根據(jù)其功能 、 可靠性及性能要求相互替換 ， 而不影響系統(tǒng)整體的協(xié)調(diào)運(yùn)行。 基于 PC 機(jī)的 開放式運(yùn)動(dòng)控制器 目前的開放式數(shù)控系統(tǒng)多以 PC 機(jī)為基礎(chǔ)，配上各種 開放式 運(yùn)動(dòng)控制 器 ，如圖 11 所示 ， 這 是一個(gè)非常典型的開放式數(shù)控系統(tǒng)模型 [3]。 PC機(jī) 運(yùn)動(dòng)控制器 驅(qū)動(dòng)器及接口 伺服電機(jī)、編碼器 編碼器反饋 圖 11 典型的開放式數(shù)控系統(tǒng)模型 Typical model for opentype NC system 3 運(yùn)動(dòng)控制器是 通過由 電機(jī)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡目標(biāo)的裝置，它是數(shù)控系統(tǒng)中的重要部件。由于它具有極大的靈活性 和良好的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力，從而使許多工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備煥發(fā)出勃勃生機(jī) ，它是廣義上的數(shù)控裝置。數(shù)控技術(shù)的 發(fā)展趨勢(shì)就是采用運(yùn)動(dòng)控制器的開放式的數(shù)控系統(tǒng)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，運(yùn)動(dòng)控制器的應(yīng)用已走出機(jī)械加工行業(yè)，越來越多地應(yīng)用于其它工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備控制，如 機(jī)器人控制、 電子機(jī)械、木工機(jī)械、紡織機(jī)械、印刷機(jī)械等諸多行業(yè)。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展在工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)е铝思夹g(shù)面貌的迅速改變。工業(yè)控制機(jī)，特別是采用 PC 技術(shù)的工業(yè) PC 機(jī) 的大量涌現(xiàn)，大大的推動(dòng)和促進(jìn)了開放式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展。基于工業(yè) PC 的運(yùn)動(dòng)控制器可以利用 PC 強(qiáng)大的軟件環(huán)境和技術(shù)支持，擺脫專用封閉式控制系統(tǒng)的束縛和不便，樹立運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的新概念。 PC 機(jī)技術(shù)引入運(yùn) 動(dòng)控制領(lǐng)域，可以從兩方面來考慮其 對(duì)于開放式運(yùn)動(dòng)控制 技術(shù) 發(fā)展所帶來的 作用： 1． 軟件方面 ， 利用計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)算功能、管理與監(jiān)控能力以及豐富的軟件資源，可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)的控制算法、軌跡插補(bǔ)算法以及補(bǔ)償算法，改善運(yùn)動(dòng)控制軟件，提高伺服掃描速度和系統(tǒng)的分辨率，實(shí)現(xiàn)最小的移動(dòng)單位和最大的進(jìn)給速度，便于用微小的程序段連續(xù)以高速度、高精度實(shí)現(xiàn)軌跡形狀復(fù)雜曲線和曲面運(yùn)動(dòng)，使控制單元精細(xì)化 ，利用 其提供的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序接口，可以方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的移植性和互操作性 。 尤其是在 需要大量軌跡插補(bǔ)運(yùn)算的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中 ，具有 PC 總線的計(jì)算機(jī) 系統(tǒng)由于其豐富的軟件資源而得到越來越廣泛的應(yīng)用。在這類系統(tǒng)中，坐標(biāo)變換、軌跡規(guī)劃、 粗 插補(bǔ)運(yùn)算等由 PC 機(jī)完成，而多軸伺服電機(jī)的 實(shí)時(shí) 控制由運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)。 2． 硬件方面 ， 利用 PC 通用平臺(tái)，可以建立開放式的模塊化結(jié)構(gòu)的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，同時(shí)伺服控制器的模塊化 為 直接利用計(jì)算機(jī)做伺服控制算法的研究和實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了方便，也為多軸聯(lián)動(dòng)參數(shù)匹配設(shè)計(jì)提供了方便，在高性能的硬件支持下，為進(jìn)一步研制開發(fā)更高性能的智能型伺服模板打 下基礎(chǔ)，也為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)運(yùn)行及并入網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成 FMC、 FMS 與 CIMS 創(chuàng)造了條件。 4 開放式 運(yùn)動(dòng) 控制 器研究現(xiàn)狀 、 不足及 發(fā)展趨勢(shì) 運(yùn)動(dòng)控制器 的 分類 目前 ， 運(yùn)動(dòng)控制器生產(chǎn)廠商提供的 運(yùn)動(dòng)控制器 主要包括如下 3 類 [4]： 1． 基于通用微處理器型 。 以 803 8088 等通用微處理器為核心器件， 外加存儲(chǔ)器、編碼器信號(hào)處理電路及 D/A 轉(zhuǎn)換電路等組成控制系統(tǒng)。其位置、速度等控制由事先編好固化在存儲(chǔ)器中的程序?qū)崿F(xiàn)。此方案 成本相對(duì)較低，但速度較慢 ， 精度不高 ， 采用的元器件較多，可靠性低，體積比較大，而且控制參數(shù)不易更改，軟硬件設(shè)計(jì)工作量大 ， 在一些只需要低速點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制和對(duì)軌跡要求不高的輪廓運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合應(yīng)用。 2． 以專用芯片 （ ASIC） 作為核心處理器的運(yùn)動(dòng)控制器 。 常用的專用電機(jī)控制芯片有 LM62 MAX31 HCPL1100 等 ， 用一個(gè)芯片即完成速度曲線規(guī)劃、 PID 伺服控制算法、編碼器信號(hào)的處理等多種功能。一些需要用戶經(jīng)常更改的參數(shù)如電機(jī)位置、速度、加速度、 PID 參數(shù)等均在芯片內(nèi)部的 RAM 區(qū)內(nèi)，可由 PC 機(jī)用指令很方便的修改。但由于數(shù)據(jù)傳輸速度、運(yùn)算速度的限制，復(fù)雜的控制算法和功能很難實(shí)現(xiàn)。 這類控制器對(duì)單軸的點(diǎn)位控制場(chǎng)合是基本滿足要求 ， 但對(duì)于要求多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和高速軌跡插補(bǔ)控制的設(shè)備，這類運(yùn)動(dòng)控制器不能滿足要求。另外 ,由于硬件資源 的限制，這類控制器的圓弧插補(bǔ)算法通常都采用逐點(diǎn)比較法，插補(bǔ)的精度也不高，特別是對(duì)于 如模具雕刻這樣的 需要 大量的小線段連續(xù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合，不能使用這類控制器。 3． 基于 PC 總線的以 DSP 和 CPLD/FPGA 作為核心處理器的開放式運(yùn)動(dòng)控制器 。 以 PC 機(jī)作為信息處理平臺(tái)，運(yùn)動(dòng)控制器以插卡形式嵌入 PC 機(jī)，即PC+運(yùn)動(dòng)控制器的模式。這樣將 PC 機(jī)的信息處理能力和開放式的特點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)控制器的運(yùn)動(dòng)軌跡控制能力有機(jī)地結(jié)合在一起，具有信息處理能力強(qiáng)、開放程度高、運(yùn)動(dòng)軌跡控制準(zhǔn)確、通用性好的特點(diǎn)。這類運(yùn)動(dòng)控制器通常都能提供多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制 與復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、實(shí)時(shí)的插補(bǔ)運(yùn)算、誤差補(bǔ)償、伺服濾波算法，能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制。由于采用 CPLD/FPGA 技術(shù)來進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，方便運(yùn)動(dòng)控制器供應(yīng)商根據(jù)客戶的特殊工藝要求和技術(shù)要求進(jìn)行個(gè)性化的定制，形成獨(dú)特的產(chǎn)品。 能同時(shí)控制多軸，有的還包含了運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)算法及包含有前饋補(bǔ)償功能的 PID 算法，這為多軸的伺服電機(jī)的控制帶來極大的方便。 5 國(guó)內(nèi)外 開放式 運(yùn)動(dòng)控制器的研究現(xiàn)狀 在國(guó)內(nèi)外，已有多種商品化的開放式運(yùn)動(dòng)控制 器 ，較著名的有 美國(guó)的PMAC、 Galil 等運(yùn)動(dòng)控制器 ， 國(guó)內(nèi) 最 成熟 的是 深圳 固高 公司的 系列 控制器 。 這些 運(yùn)動(dòng)控 制 器 的 特點(diǎn)是： 1． 均 以 PC 機(jī) 為基礎(chǔ)， 具有 ISA 總線、 PCI 局部總線通訊功能； 2． 控制器 均 可在 Windows 平臺(tái)下工作，可使用 VB、 VC++、 Delphi 等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行編程 控制 ； 3． 通過采用特殊的中斷方式，一般都具有很好的實(shí)時(shí)性，并具有Windows 系統(tǒng)的多任務(wù)性； 4． 均為多軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能； 5． 均可進(jìn)行位置及速度控制，在啟動(dòng)和停止階段具有加速度控制，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征； 6． 可對(duì)交、直流伺服電機(jī)及液壓伺服馬達(dá)進(jìn)行控制。 美國(guó) Delta Tau Data System 公 司推出的 PMAC 系列伺服控制器比較有代表性。 PMAC 以 Motorola 公司的 DSP56001 為微處理器，主頻 20/30 MHz，60/40 微秒 /軸的伺服更新率， 36 位 （ 64 千兆） 位置 計(jì)數(shù) 范圍， 16 位 DAC 輸出分辨率， 10/15MHZ 編碼計(jì)數(shù)率，每秒可處理多達(dá) 500 條程序，可以完成直線或圓弧插補(bǔ)， “ S曲線 ” 加速和減速，三次軌跡計(jì)算、樣條 曲線 計(jì)算。利用 DSP 強(qiáng)大的運(yùn)算功能單卡可實(shí)現(xiàn) l～ 32 軸多軸實(shí)時(shí)伺服控制。 PMAC 控制器 本身就相當(dāng)于一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。依靠集成在卡上 ROM 中的程序，它能獨(dú)立完成實(shí)時(shí)、多 任務(wù)控制，而無需主機(jī)介入。 PMAC 控制 器 配有較強(qiáng)的命令、函數(shù)庫(kù)，用戶可用制造商提供的編程語(yǔ)言（類似 QBASIC）調(diào)用這些命令和函數(shù)，編程較為方便。另外制造商還提供 PCOMM、 PTALK 等函數(shù)庫(kù) 作為開發(fā)工具 ，用戶可用高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用自己所需的函數(shù)，完成控制軟件的開發(fā)。 PMAC系統(tǒng)的開放性特征允許 CNC 系統(tǒng)通過 ODBC（開放數(shù)據(jù)庫(kù)連接）、 OLE（目標(biāo)連接和嵌入）、 DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）等運(yùn)行專門設(shè)計(jì)的第三方軟件程序。對(duì)于 OEM（原始設(shè)備制造商）， Delta Tau Data System 公司提供 PMAC 軟件庫(kù)的C++源代碼許可證，允許整個(gè)系統(tǒng)