朱明星

(山東交通學(xué)院工程機(jī)械系,濟(jì)南 250023)

0 前 言

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)采用專用的封閉式體系結(jié)構(gòu)越來(lái)越暴露出它的缺陷:一方面,各控制系統(tǒng)間互連、互操作性差影響了整個(gè)系統(tǒng)的集成、維護(hù)和功能擴(kuò)展,各廠家不同數(shù)控系統(tǒng)風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用,不但導(dǎo)致用戶培訓(xùn)成本的增加,還給數(shù)控設(shè)備的最終用戶帶來(lái)不便;另一方面,數(shù)控系統(tǒng)的封閉性造成了數(shù)控設(shè)備制造商對(duì)系統(tǒng)制造商的過(guò)度依賴,不利于將整臺(tái)設(shè)備的其他控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的技術(shù)工藝集成為一個(gè)完整、無(wú)縫的控制系統(tǒng),并形成自己的產(chǎn)品,導(dǎo)致系統(tǒng)開(kāi)發(fā)投資大、周期長(zhǎng)、更新?lián)Q代慢,不利于產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步[1].

由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺陷,已不能滿足現(xiàn)代制造需求,未來(lái)的數(shù)控系統(tǒng)必須能被用戶重新配置、修改、擴(kuò)充和改裝,并允許模塊化的集成所需要的軟硬件,因此開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究首要進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)的研究.

本文主要針對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,提出研拋設(shè)備的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),進(jìn)行系統(tǒng)模塊的劃分,并對(duì)軟硬件進(jìn)行設(shè)計(jì).

1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

開(kāi)放系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的發(fā)展概念,至今并不存在國(guó)際上公認(rèn)的定義.我國(guó)在國(guó)標(biāo)GB/T18759.1-2002(機(jī)械電氣設(shè)備-開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)-總則)中對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的定義(Open Numerical Control System,簡(jiǎn)稱ONC)是指應(yīng)用軟件構(gòu)筑于遵循公開(kāi)性、可擴(kuò)展性、兼容性原則的系統(tǒng)平臺(tái)之上的數(shù)控系統(tǒng),使應(yīng)用軟件具備可移植性、互操作性和人機(jī)界面的一致性.因此可將開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的所有特征歸納為抽象層面上的三個(gè)特征:柔性、集成和標(biāo)準(zhǔn)化.柔性包括模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)展性和可派生性的思想,集成包含可互操作性和即插即用的含義,標(biāo)準(zhǔn)化包含可移植性、易獲得性和可互換性的要求.

目前各國(guó)都積極的進(jìn)行開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究,紛紛出臺(tái)了各自的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)規(guī)范,其代表是美國(guó)的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC.

我國(guó)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究起步較晚,規(guī)模還無(wú)法與國(guó)外相比,2002年6才正式頒布了《機(jī)械設(shè)備-開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)-總則》(GB/T18759.1-2002)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),并于2003年1月1日正式生效;2006年我國(guó)又正式頒布了《機(jī)械設(shè)備-開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)-體系結(jié)構(gòu)》(GB/T18759.2-2006)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),并于2007年4月1日正式生效.如圖1所示[2].

圖1 ONC系統(tǒng)的基本體系結(jié)構(gòu)

隨著PC機(jī)性能的提高,可滿足作為數(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(jià)格便宜,可靠性高.數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)入了基于PC的階段[3].

基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)有三種形式:專用CNC+PC型、運(yùn)動(dòng)控制器+PC型和純PC型.專用CNC+PC型的開(kāi)放性只限于PC部分,而純PC型存在著操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性的問(wèn)題,運(yùn)動(dòng)控制器+PC型可以由PC機(jī)處理非實(shí)時(shí)部分,實(shí)時(shí)部分由運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)承擔(dān),能夠達(dá)到比較理想的效果.

結(jié)合研拋加工的特點(diǎn),綜合上述的分析,建立基于研拋設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 研拋專用裝備數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

該數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為兩部分:應(yīng)用軟件和系統(tǒng)平臺(tái).系統(tǒng)平臺(tái)由系統(tǒng)硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用編程接口組成.系統(tǒng)硬件包括通用PC、運(yùn)動(dòng)控制卡和I/O模塊.通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)通用總線連接.系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序.應(yīng)用軟件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)連接.

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

采用基于上下位機(jī)的雙CPU開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng),下位機(jī)主要承擔(dān)實(shí)時(shí)性任務(wù)如運(yùn)動(dòng)控制、軸伺服控制、機(jī)床邏輯控制等.上位機(jī)完成數(shù)控編程、數(shù)控仿真和人機(jī)界面處理等非實(shí)時(shí)性任務(wù).上下位機(jī)通過(guò)PC總線進(jìn)行通信,下位機(jī)通過(guò)PC總線將系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息傳遞到上位機(jī),上位機(jī)也通過(guò)PC總線將參數(shù)信息傳遞到下位機(jī)的控制參數(shù)模塊中.

采用通用PC機(jī)為主機(jī),具有PCI插槽;WindowsXP操作系統(tǒng),軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Visual C++.用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812作為內(nèi)核的運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)完成運(yùn)動(dòng)控制.系統(tǒng)的執(zhí)行單元模塊,采用伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成.PC機(jī)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的PCI總線與TMS320F2812與相連,接口芯片選擇PLX公司的PCI9054橋接芯片,并對(duì)F2812的功能進(jìn)行擴(kuò)展,使其能控制6個(gè)運(yùn)動(dòng)軸.如圖3所示.

圖3 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)

3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件組成

數(shù)控軟件可分為基礎(chǔ)軟件平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)與應(yīng)用程序三個(gè)層次.系統(tǒng)軟件將提供實(shí)時(shí)多任務(wù)API、文件系統(tǒng)、通用網(wǎng)絡(luò)API、各類設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序API等接口.應(yīng)用平臺(tái)除了包含離散點(diǎn)I/O控制API、傳感器API、位置控制器API等接口外,還可集成用戶根據(jù)系統(tǒng)軟件平臺(tái)提供的API自定義的功能組件接口應(yīng)用程序這一層含有過(guò)程控制、人機(jī)界面及系統(tǒng)集成與配置支撐環(huán)境等三部分.過(guò)程控制包含G代碼解釋器、DNC組件及PLC組件.人機(jī)界面部分包含狀態(tài)顯示、文本編輯器、MDI組件、自診斷組件、網(wǎng)絡(luò)通信組件、數(shù)據(jù)庫(kù)操作、通用菜單等組件.如圖4所示.

圖4 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

4 數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分

數(shù)控系統(tǒng)的功能包括基本功能和選擇功能.基本功能是數(shù)控系統(tǒng)必備的功能,選擇功能是供用戶根據(jù)機(jī)床特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇的功能.系統(tǒng)的基本功能包括:軸控制功能、準(zhǔn)備功能、插補(bǔ)功能、進(jìn)給功能、主軸功能、程序預(yù)處理功能、調(diào)度管理功能、人機(jī)交互功能以及補(bǔ)償功能和自診斷功能還有研拋加工的力控制、路徑規(guī)劃模塊.

數(shù)控軟件系統(tǒng)是由多個(gè)任務(wù)組成的一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng),能夠?qū)φ麄€(gè)數(shù)控系統(tǒng)的硬件資源進(jìn)行有效的管理和控制,數(shù)控系統(tǒng)中的每個(gè)任務(wù)可以理解為完成特定功能的程序模塊,其劃分的原則有兩點(diǎn):第一、任務(wù)本身的內(nèi)斂性要強(qiáng);第二、任務(wù)之間的耦合要弱.只有這樣,才能保證系統(tǒng)對(duì)多任務(wù)進(jìn)行更加有效的管理[4].

數(shù)控系統(tǒng)通常作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中,因此就功能而言,數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)可以總體上劃分為加工控制任務(wù)和輔助管理任務(wù)兩大類.加工控制任務(wù)是直接與數(shù)控程序運(yùn)行相關(guān)的任務(wù),包括:譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制、輔助管理任務(wù),則包括輸入I/O處理、顯示診斷等,數(shù)控系統(tǒng)的這些任務(wù)必須協(xié)調(diào),管理與控制的某些任務(wù)必須同步進(jìn)行,例如為了便于操作人員及時(shí)掌握數(shù)控系統(tǒng)的工作狀態(tài),管理任務(wù)中的顯示模塊必須與控制軟件同時(shí)運(yùn)行.如圖5所示.

圖5 數(shù)控系統(tǒng)的任務(wù)劃分

數(shù)控系統(tǒng)包括管理和控制兩大任務(wù),在許多情況下,管理和控制的某些工作必須同步進(jìn)行.例如,當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)工作在加工控制狀態(tài)時(shí),為了使管理員及時(shí)了解系統(tǒng)的工作狀態(tài),管理軟件中的顯示模塊必須與控制軟件同步進(jìn)行.而在運(yùn)行過(guò)程中,一旦出現(xiàn)突發(fā)事件時(shí),必須迅速做出反應(yīng).

加工控制任務(wù)是數(shù)控系統(tǒng)的核心任務(wù),它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)流程是整個(gè)加工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ).數(shù)控系統(tǒng)的整個(gè)加工控制過(guò)程包括零件程序輸入,數(shù)控代碼解釋、插補(bǔ)和位置控制等幾個(gè)主要任務(wù);數(shù)據(jù)在整個(gè)加工控制過(guò)程中的流動(dòng)情況如圖6所示.

圖6 加工過(guò)程數(shù)據(jù)流程

從圖中可以看出,整個(gè)加工控制過(guò)程采用了三個(gè)緩沖區(qū),分別是預(yù)處理緩沖區(qū),指令緩沖區(qū)和插補(bǔ)緩沖區(qū).通過(guò)設(shè)計(jì)精良的緩沖存儲(chǔ)區(qū)解決了加工控制系統(tǒng)中的信息交換問(wèn)題,通過(guò)調(diào)整各緩沖區(qū)的大小,能預(yù)處理幾十條乃至更多的指令,使插補(bǔ)時(shí)各程序段之間做到＂無(wú)縫＂連接能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序運(yùn)行中的問(wèn)題,及時(shí)作出判斷和處理,增加了系統(tǒng)的靈活性和開(kāi)放性.

5 結(jié)束語(yǔ)

基于研拋的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),硬件上可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的總線屏蔽各功能部件的差異,軟件體系結(jié)構(gòu)總體上分層,層內(nèi)按功能模塊化,使得復(fù)用性好,有利于系統(tǒng)的功能裁減和系統(tǒng)維護(hù).實(shí)驗(yàn)表明這種體系結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的柔性、集成和標(biāo)準(zhǔn)化.

[1]黃 河,王甫茂,趙秀粉,等.PC-based開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2009,(6).

[2]機(jī)械電氣設(shè)備開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 第2部分:體系結(jié)構(gòu),GB/T18759.2-2006[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

[3]盛伯浩.數(shù)控系統(tǒng)自動(dòng)化的歷史演進(jìn)[J].金屬加工,2008,(19).

[4]馬 駿,趙萬(wàn)生,狄士春,等.電火花加工CNC系統(tǒng)多任務(wù)劃分及調(diào)度機(jī)制的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,(2).