【正文】 我國是一個機(jī)床生產(chǎn)和應(yīng)用的大國。 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。 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(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?？傊瑪?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。 2)系統(tǒng)的封閉性使得對其擴(kuò)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(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)品的競爭力。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。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(jì)效益及廣闊的發(fā)展前景，業(yè)已成為一個國家機(jī)械制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一。準(zhǔn)確、高效的自動化手段，改變了以往機(jī)械工業(yè)中周期長、效率低的局面。數(shù)控機(jī)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(jìn)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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)對輸人的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動加工出所需要的工件。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。 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)。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。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。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。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(fèi)用很少，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常顯著的。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條件。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(jié)構(gòu)的開放途徑 …………………13 基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu) …………………………… 14 運(yùn)動控制器原理 ………………………………………………15 開放式CNC系統(tǒng)的概要設(shè)計(jì) …………………………………17 …………………………… 17 …………………… 18 ……………… 19 ……………………………20 ……………………………………………21 本章小結(jié) ……………………………………………………………22 ……………… 23 ……………………… 23 …………………………………………23 CAN總線原理與特點(diǎn) ……………………………………26 DSP芯片原理 ……………………………………………29 ………………………………………31 ………………………………… 31 ………32 ……………………………32 …………………………32 DSP和計(jì)算機(jī)通訊設(shè)計(jì) …………………………………34 DSP和CAN總線的通訊設(shè)計(jì) ……………………………34 ……………………………… 35 ………………………………………35 PMC模塊設(shè)計(jì) ……………………………………………35 …………………………………36 本章小結(jié) …………………………………………………………36 ………………………………………………… 37 ……………………………………………………………37 …………………………………………………………38參考文獻(xiàn) …………………………………………………………38致謝 ………………………………………………………………39基于PC的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言 科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。 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。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(diǎn)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(shí)現(xiàn)開發(fā)的途徑。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)、自動控制、檢測等各個領(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。 本文圍繞著開放式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)地開放化設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了研究。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。 關(guān)鍵詞: 數(shù)控系統(tǒng) 開放體系結(jié)構(gòu) 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。機(jī)械加工工藝過程的自動化是實(shí)現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。許多生產(chǎn)企業(yè)(例如汽車、拖拉機(jī)、家用電器等制造廠)已經(jīng)采用了自動機(jī)床、組合機(jī)床和專用自動生產(chǎn)線。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。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。頻繁地開發(fā)新產(chǎn)品，使“剛性”的自動化設(shè)備在大批生產(chǎn)中也日益暴露其缺點(diǎn)。但在更換零件時，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，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(dá)到較高的要求。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化機(jī)床。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。 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。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。 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。專用件的大量使用，給數(shù)控設(shè)備的使用與維護(hù)帶來了很多不便。 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)險高、更新?lián)Q代慢，不利于數(shù)控產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步。 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(dá)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(jì)開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問題，如美國的NGC計(jì)劃，日本和歐洲提出的OSEC及OSACA計(jì)劃等。 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)。對控制系統(tǒng)開發(fā)商，可在共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺上建立廣泛的合作，實(shí)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(qiáng)產(chǎn)品競爭力。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。因?yàn)殚_放計(jì)劃的實(shí)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(shù)是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，它綜合了計(jì)算機(jī)、自動控制、電氣傳動、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)控技術(shù)是國防現(xiàn)代化的重要部分，是國際技術(shù)和商業(yè)貿(mào)易的重要構(gòu)成。 數(shù)字控制(Numerical Control)是相對于模擬控制而言的。最初的數(shù)字控制系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的，因而稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)。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。1959年，晶體管取代了笨重的電子管。1965年出現(xiàn)了小規(guī)模集成電路構(gòu)成的NC，體積更小，功率更低，提高了可靠性，NC發(fā)展到第三代。(1970一1986) 70年代初，大規(guī)模集成電路、半導(dǎo)體存儲器，微處理器的問世，通用小型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)并逐漸普及，給數(shù)控技術(shù)帶來了突破性的發(fā)展。至此，原來由硬件實(shí)現(xiàn)的功能逐步改為由軟件完成。 1974年，首次出現(xiàn)了采用微處理器芯片的軟連接CNC系統(tǒng)，象征著數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了以微機(jī)為背景的時代。 70年代末，80年代初，隨著大規(guī)模集成電路、大容量存儲器、CRT的普及應(yīng)用，CNC系統(tǒng)進(jìn)入了第六代。在系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)上，開始出現(xiàn)了柔性化，模塊化的多處理器結(jié)構(gòu)。(1986一今) 為了實(shí)現(xiàn)高速、高精度輪廓的精加工，必須提高微輪廓的解釋處理能力和伺服驅(qū)動能力。使CNC系統(tǒng)進(jìn)入了面向高速、高精度的第七代。(1994一今) 進(jìn)入90年代，PC機(jī)(個人計(jì)算機(jī))的性能提高很快，從8位、16位發(fā)展到32位，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，而且PC機(jī)生產(chǎn)批量很大，價格便宜，這種基于PC的CNC控制器在美國首先亮相市場，并在此后得到了高速發(fā)展。 開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究控制系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致新一代控制器的產(chǎn)生，并成為制造業(yè)的一大支柱。該項(xiàng)目由美國國家制造科學(xué)中心(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)，于1989年開始實(shí)施?；谶@一標(biāo)準(zhǔn)的控制器具有體系結(jié)構(gòu)開放、適用范圍廣、能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。子系統(tǒng)