基于研拋設備的開放式數控系統體系結構研究

朱明星

(山東交通學院工程機械系,濟南 250023)

0 前 言

傳統數控系統采用專用的封閉式體系結構越來越暴露出它的缺陷:一方面,各控制系統間互連、互操作性差影響了整個系統的集成、維護和功能擴展,各廠家不同數控系統風格不一的操作方式以及專用件的大量使用,不但導致用戶培訓成本的增加,還給數控設備的最終用戶帶來不便;另一方面,數控系統的封閉性造成了數控設備制造商對系統制造商的過度依賴,不利于將整臺設備的其他控制系統以及相應的技術工藝集成為一個完整、無縫的控制系統,并形成自己的產品,導致系統開發投資大、周期長、更新換代慢,不利于產品的技術進步[1].

由于傳統數控系統的缺陷,已不能滿足現代制造需求,未來的數控系統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,因此開放式數控系統應運而生,對開放式數控系統的研究首要進行體系結構的研究.

本文主要針對開放式數控系統的體系結構進行研究,提出研拋設備的開放式數控系統的體系結構,進行系統模塊的劃分,并對軟硬件進行設計.

1 開放式數控系統的體系結構

開放系統是一個動態的發展概念,至今并不存在國際上公認的定義.我國在國標GB/T18759.1-2002(機械電氣設備-開放式數控系統-總則)中對開放式數控系統的定義(Open Numerical Control System,簡稱ONC)是指應用軟件構筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統平臺之上的數控系統,使應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構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、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控系統的研究,紛紛出臺了各自的開放式體系結構規范,其代表是美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC.

我國開放式數控系統研究起步較晚,規模還無法與國外相比,2002年6才正式頒布了《機械設備-開放式數控系統-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《機械設備-開放式數控系統-體系結構》(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系統的基本體系結構

隨著PC機性能的提高,可滿足作為數控系統核心部件的要求,而且PC機生產批量很大,價格便宜,可靠性高.數控系統進入了基于PC的階段[3].

基于PC的開放式數控系統有三種形式: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型存在著操作系統的實時性及穩定性的問題,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.

結合研拋加工的特點,綜合上述的分析,建立基于研拋設備的數控系統體系結構如圖2所示.

圖2 研拋專用裝備數控系統體系結構

該數控系統的體系結構分為兩部分:應用軟件和系統平臺.系統平臺由系統硬件、系統軟件和應用編程接口組成.系統硬件包括通用PC、運動控制卡和I/O模塊.通過標準的系統通用總線連接.系統軟件包括操作系統、通信系統和設備驅動程序.應用軟件通過標準接口實現連接.

2 數控系統的硬件組成

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

采用通用PC機為主機,具有PCI插槽;WindowsXP操作系統,軟件開發環境采用Visual C++.用TI公司生產的TMS320F2812作為內核的運動控制器來完成運動控制.系統的執行單元模塊,采用伺服電機及驅動器組成.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 數控系統硬件平臺

3 數控系統的軟件組成

數控軟件可分為基礎軟件平臺、應用平臺與應用程序三個層次.系統軟件將提供實時多任務API、文件系統、通用網絡API、各類設備驅動程序API等接口.應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,還可集成用戶根據系統軟件平臺提供的API自定義的功能組件接口應用程序這一層含有過程控制、人機界面及系統集成與配置支撐環境等三部分.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顯示、文本編輯器、MDI組件、自診斷組件、網絡通信組件、數據庫操作、通用菜單等組件.如圖4所示.

圖4 數控系統軟件結構

4 數控系統的任務劃分

數控系統的功能包括基本功能和選擇功能.基本功能是數控系統必備的功能,選擇功能是供用戶根據機床特點和用途進行選擇的功能.系統的基本功能包括:軸控制功能、準備功能、插補功能、進給功能、主軸功能、程序預處理功能、調度管理功能、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、路徑規劃模塊.

數控軟件系統是由多個任務組成的一個復雜的計算機應用系統,能夠對整個數控系統的硬件資源進行有效的管理和控制,數控系統中的每個任務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、任務本身的內斂性要強;第二、任務之間的耦合要弱.只有這樣,才能保證系統對多任務進行更加有效的管理[4].

數控系統通常作為一個獨立的過程控制單元用于工業自動化生產中,因此就功能而言,數控系統的任務可以總體上劃分為加工控制任務和輔助管理任務兩大類.加工控制任務是直接與數控程序運行相關的任務,包括:譯碼、刀具補償、速度處理、插補、位置控制、輔助管理任務,則包括輸入I/O處理、顯示診斷等,數控系統的這些任務必須協調,管理與控制的某些任務必須同步進行,例如為了便于操作人員及時掌握數控系統的工作狀態,管理任務中的顯示模塊必須與控制軟件同時運行.如圖5所示.

圖5 數控系統的任務劃分

數控系統包括管理和控制兩大任務,在許多情況下,管理和控制的某些工作必須同步進行.例如,當數控系統工作在加工控制狀態時,為了使管理員及時了解系統的工作狀態,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,一旦出現突發事件時,必須迅速做出反應.

加工控制任務是數控系統的核心任務,它的數據結構和數據流程是整個加工控制系統的基礎.數控系統的整個加工控制過程包括零件程序輸入,數控代碼解釋、插補和位置控制等幾個主要任務;數據在整個加工控制過程中的流動情況如圖6所示.

圖6 加工過程數據流程

從圖中可以看出,整個加工控制過程采用了三個緩沖區,分別是預處理緩沖區,指令緩沖區和插補緩沖區.通過設計精良的緩沖存儲區解決了加工控制系統中的信息交換問題,通過調整各緩沖區的大小,能預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＂連接能夠及時發現程序運行中的問題,及時作出判斷和處理,增加了系統的靈活性和開放性.

5 結束語

基于研拋的數控系統體系結構,硬件上可以通過標準的總線屏蔽各功能部件的差異,軟件體系結構總體上分層,層內按功能模塊化,使得復用性好,有利于系統的功能裁減和系統維護.實驗表明這種體系結構實現了開放式數控系統的柔性、集成和標準化.

[1]黃 河,王甫茂,趙秀粉,等.PC-based開放式數控系統體系結構的研究[J].機械設計與制造,2009,(6).

[2]機械電氣設備開放式數控系統 第2部分:體系結構,GB/T18759.2-2006[S].北京:中國標準出版社,2007.

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

[4]馬 駿,趙萬生,狄士春,等.電火花加工CNC系統多任務劃分及調度機制的研究[J].哈爾濱工業大學學報,1998,(2).