朱明星

(山東交通學(xué)院工程機械系,濟南 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系統(tǒng)的集成、維護和功能擴展,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)備制造商對系統(tǒng)制造商的過度依賴,不利于將整臺設(shè)備的其他控制系統(tǒng)以及相應(yīng)的技術(shù)工藝集成為一個完整、無縫的控制系統(tǒng),并形成自己的產(chǎn)品,導(dǎo)致系統(tǒng)開發(fā)投資大、周期長、更新?lián)Q代慢,不利于產(chǎn)品的技術(shù)進步[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,未來的數(shù)控系統(tǒng)必須能被用戶重新配置、修改、擴充和改裝,并允許模塊化的集成所需要的軟硬件,因此開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運而生,對開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究首要進行體系結(jié)構(gòu)的研究.

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

1 開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

開放系統(tǒng)是一個動態(tài)的發(fā)展概念,至今并不存在國際上公認的定義.我國在國標GB/T18759.1-2002(機械電氣設(shè)備-開放式數(shù)控系統(tǒng)-總則)中對開放式數(shù)控系統(tǒng)的定義(Open Numerical Control System,簡稱ONC)是指應(yīng)用軟件構(gòu)筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統(tǒng)平臺之上的數(shù)控系統(tǒng),使應(yīng)用軟件具備可移植性、互操作性和人機界面的一致性.因此可將開放式體系結(jié)構(gòu)的所有特征歸納為抽象層面上的三個特征:柔性、集成和標準化.柔性包括模塊化、可重構(gòu)、可擴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,標準化包含可移植性、易獲得性和可互換性的要求.

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

我國開放式數(shù)控系統(tǒng)研究起步較晚,規(guī)模還無法與國外相比,2002年6才正式頒布了《機械設(shè)備-開放式數(shù)控系統(tǒng)-總則》(GB/T18759.1-2002)國家標準,并于2003年1月1日正式生效;2006年我國又正式頒布了《機械設(shè)備-開放式數(shù)控系統(tǒng)-體系結(jié)構(gòu)》(GB/T18759.2-2006)國家標準,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機生產(chǎn)批量很大,價格便宜,可靠性高.數(shù)控系統(tǒng)進入了基于PC的階段[3].

基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有三種形式:專用CNC+PC型、運動控制器+PC型和純PC型.專用CNC+PC型的開放性只限于PC部分,而純PC型存在著操作系統(tǒng)的實時性及穩(wěn)定性的問題,運動控制器+PC型可以由PC機處理非實時部分,實時部分由運動控制器來承擔,能夠達到比較理想的效果.

結(jié)合研拋加工的特點,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.系統(tǒng)平臺由系統(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、運動控制卡和I/O模塊.通過標準的系統(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)動程序.應(yīng)用軟件通過標準接口實現(xiàn)連接.

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成

采用基于上下位機的雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng),下位機主要承擔實時性任務(wù)如運動控制、軸伺服控制、機床邏輯控制等.上位機完成數(shù)控編程、數(shù)控仿真和人機界面處理等非實時性任務(wù).上下位機通過PC總線進行通信,下位機通過PC總線將系統(tǒng)實時運行狀態(tài)信息傳遞到上位機,上位機也通過PC總線將參數(shù)信息傳遞到下位機的控制參數(shù)模塊中.

采用通用PC機為主機,具有PCI插槽;WindowsXP操作系統(tǒng),軟件開發(fā)環(huán)境采用Visual C++.用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812作為內(nèi)核的運動控制器來完成運動控制.系統(tǒng)的執(zhí)行單元模塊,采用伺服電機及驅(qū)動器組成.PC機通過標準的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F2812的功能進行擴展,使其能控制6個運動軸.如圖3所示.

圖3 數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

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、應(yīng)用平臺與應(yīng)用程序三個層次.系統(tǒng)軟件將提供實時多任務(wù)API、文件系統(tǒng)、通用網(wǎng)絡(luò)API、各類設(shè)備驅(qū)動程序API等接口.應(yīng)用平臺除了包含離散點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程控制、人機界面及系統(tǒng)集成與配置支撐環(huán)境等三部分.過程控制包含G代碼解釋器、DNC組件及PLC組件.人機界面部分包含狀態(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)機床特點和用途進行選擇的功能.系統(tǒng)的基本功能包括:軸控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、程序預(yù)處理功能、調(diào)度管理功能、人機交互功能以及補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)是由多個任務(wù)組成的一個復(fù)雜的計算機應(yīng)用系統(tǒng),能夠?qū)φ麄€數(shù)控系統(tǒng)的硬件資源進行有效的管理和控制,數(shù)控系統(tǒng)中的每個任務(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:第一、任務(wù)本身的內(nèi)斂性要強;第二、任務(wù)之間的耦合要弱.只有這樣,才能保證系統(tǒng)對多任務(wù)進行更加有效的管理[4].

數(shù)控系統(tǒng)通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業(yè)自動化生產(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)控程序運行相關(guān)的任務(wù),包括:譯碼、刀具補償、速度處理、插補、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)必須同步進行,例如為了便于操作人員及時掌握數(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運行.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行.例如,當數(shù)控系統(tǒng)工作在加工控制狀態(tài)時,為了使管理員及時了解系統(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行.而在運行過程中,一旦出現(xiàn)突發(fā)事件時,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)流程是整個加工控制系統(tǒng)的基礎(chǔ).數(shù)控系統(tǒng)的整個加工控制過程包括零件程序輸入,數(shù)控代碼解釋、插補和位置控制等幾個主要任務(wù);數(shù)據(jù)在整個加工控制過程中的流動情況如圖6所示.

圖6 加工過程數(shù)據(jù)流程

從圖中可以看出,整個加工控制過程采用了三個緩沖區(qū),分別是預(yù)處理緩沖區(qū),指令緩沖區(qū)和插補緩沖區(qū).通過設(shè)計精良的緩沖存儲區(qū)解決了加工控制系統(tǒng)中的信息交換問題,通過調(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,使插補時各程序段之間做到＂無縫＂連接能夠及時發(fā)現(xiàn)程序運行中的問題,及時作出判斷和處理,增加了系統(tǒng)的靈活性和開放性.

5 結(jié)束語

基于研拋的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu),硬件上可以通過標準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.實驗表明這種體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的柔性、集成和標準化.

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

[2]機械電氣設(shè)備開放式數(shù)控系統(tǒng) 第2部分:體系結(jié)構(gòu),GB/T18759.2-2006[S].北京:中國標準出版社,2007.

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

[4]馬 駿,趙萬生,狄士春,等.電火花加工CNC系統(tǒng)多任務(wù)劃分及調(diào)度機制的研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1998,(2).