- 相關(guān)推薦
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)綜述
下面是YJBYS為您收集整理的數(shù)控畢業(yè)論文，歡迎閱讀!
摘要：數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)的核心，數(shù)控機(jī)床的“大腦”。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)從20世紀(jì)90年代初就引起人們的注意。初期的開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)仍然是面向特定裝置、硬件和軟件的。對(duì)于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的控制來(lái)說(shuō)，需要一種完全以微機(jī)為基礎(chǔ)的、和諧的、標(biāo)準(zhǔn)化的軟件環(huán)境，從而能夠根據(jù)用戶需要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，在縮短加工時(shí)間的同時(shí)，提高加工質(zhì)量和柔性，
用戶進(jìn)人數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部接口，就可進(jìn)一步按照加工過(guò)程的要求，修改、刪除和添加控制系統(tǒng)的功能，提高機(jī)床(包括控制系統(tǒng))的性能。通過(guò)外部接口，就可根據(jù)自己的特殊需要和經(jīng)驗(yàn)，增加新的控制功能。毫無(wú)疑問(wèn)，開(kāi)放式控制系統(tǒng)是機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，將給數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商、機(jī)床制造商和最終用戶都帶來(lái)效益。
關(guān)鍵字：數(shù)控系統(tǒng);數(shù)控機(jī)床;開(kāi)放式系統(tǒng);控制系統(tǒng)
目錄
1. 傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題 .............................................. 1
2. 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)所具有的主要特點(diǎn)................................... 2
3. 國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 ...................................... 3
4. 結(jié)束語(yǔ) .................................................................................. 5
5. 參考文獻(xiàn) .............................................................................. 6
1、傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)存在的問(wèn)題
標(biāo)準(zhǔn)的軟件化、開(kāi)放式控制器是真正的下一代控制器。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，軟硬件對(duì)用戶都是封閉的，主要存在以下問(wèn)題：
(1)由于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，各數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品軟硬件不兼容，使得用戶投資安全性受到威脅，購(gòu)買(mǎi)成本和產(chǎn)品生命周期內(nèi)的使用成本高。同時(shí)專(zhuān)用控制器的軟硬件的主流技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地落后于PC的技術(shù)，系統(tǒng)無(wú)法“借用”日新月異的PC技術(shù)而升級(jí)。
(2)系統(tǒng)功能固定，不能充分反映機(jī)床制造廠的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，不具備某些機(jī)床或工藝特征需要的性能，用戶無(wú)法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行重新定義和擴(kuò)展，也很難滿足最終用戶的特殊要求。作為機(jī)床生產(chǎn)廠希望生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床有自己的特色以區(qū)別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，以利于在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地，而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是做不到的。
(3)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)缺乏統(tǒng)一有效和高速的通道與其他控制設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互連，信息被鎖在“黑匣子”中，每一臺(tái)設(shè)備都成為自動(dòng)化的“孤島”，對(duì)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化和信息化發(fā)展是一個(gè)障礙。
(4)傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面不靈活，系統(tǒng)的培訓(xùn)和維護(hù)費(fèi)用昂貴。許多廠家花巨資購(gòu)買(mǎi)高檔數(shù)控設(shè)備，面對(duì)幾本甚至十幾本沉甸甸的技術(shù)資料不知從何下手。由于缺乏使用和維護(hù)知識(shí)，購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備不能充分發(fā)揮其作用。一旦出現(xiàn)故障，面對(duì)“黑匣子” 無(wú)從下手，維修費(fèi)用十分昂貴。有的設(shè)備由于不能正確使用以致于長(zhǎng)期處于癱瘓狀態(tài)，花巨資購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備非但不能發(fā)揮作用反而成了企業(yè)的沉重包袱。
在計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，商業(yè)和辦公自動(dòng)化的軟硬件系統(tǒng)開(kāi)放性已經(jīng)非常好，如果計(jì)算機(jī)的任何軟硬件出了故障，都可以很快從市場(chǎng)買(mǎi)到它并加以解決，而這在傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)中是作不到的。為克服傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)正朝著開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的方向發(fā)展。目前其主要形式是基于PC的NC，即在PC的總線上插上具有NC功能的運(yùn)動(dòng)控制卡完成實(shí)時(shí)性要求高的NC內(nèi)核功能，或者利用NC與PC通訊改善PC的界面和其他功能。這種形式的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)
在開(kāi)放性、功能、購(gòu)買(mǎi)和使用總成本以及人機(jī)界面等方面較傳統(tǒng)數(shù)控有很大的改善，但它還包含有專(zhuān)用硬件、擴(kuò)展不方便。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)階段開(kāi)發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)大都是這種結(jié)構(gòu)形式的。這種PC化的NC還有專(zhuān)有化硬件，還不是嚴(yán)格意義上的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是制造技術(shù)領(lǐng)域的革命性飛躍。其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開(kāi)放的，由于有充足的軟、硬件資源可被利用，系統(tǒng)軟硬件可隨著PC技術(shù)的發(fā)展而升級(jí)，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且針對(duì)用戶的二次開(kāi)發(fā)也帶來(lái)方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開(kāi)發(fā)和廣泛應(yīng)用，既可通過(guò)升檔或裁剪構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過(guò)擴(kuò)展構(gòu)成不同類(lèi)型數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)周期大大縮短。
2、開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)所具有的主要特點(diǎn)
2.1 軟件化數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核擴(kuò)展了數(shù)控系統(tǒng)的柔性和開(kāi)放性，降低了系統(tǒng)成本。
隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的應(yīng)用，軟件化NC內(nèi)核將被廣泛接受。它使得數(shù)控系統(tǒng)具有更大的柔性和開(kāi)放性，方便系統(tǒng)的重構(gòu)和擴(kuò)展，降低系統(tǒng)的成本。
數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核要求有很高的實(shí)時(shí)性(伺服更新和插補(bǔ)周期為幾十微秒～幾百微秒)，其實(shí)時(shí)性實(shí)現(xiàn)有兩種方法：硬件實(shí)時(shí)和軟件實(shí)時(shí)。在硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)上，早期DOS系統(tǒng)可直接對(duì)硬中斷進(jìn)行編程來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性，通常采用在PC上插NC I/O卡或運(yùn)動(dòng)控制卡。由于DOS是單任務(wù)操作系統(tǒng)，非圖形界面，因此在DOS下開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)功能有限，界面一般，網(wǎng)絡(luò)功能弱，有專(zhuān)有硬件，只能算是基于PC化的NC，不能算是真正的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，如華中I型，航天CASNUC901系列，四開(kāi)SKY系列等;Windows系統(tǒng)推出后，由于其不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，要達(dá)到NC的實(shí)時(shí)性，只有采用多處理器，常見(jiàn)的方式是在PC 上插一塊基于DSP處理器的運(yùn)動(dòng)控制卡，NC內(nèi)核實(shí)時(shí)功能由運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)，稱(chēng)為PC與NC的融合。這種方式給NC功能帶來(lái)了較大的開(kāi)放性，通過(guò)Windows的GUI可實(shí)現(xiàn)很好的人機(jī)界面，但是運(yùn)動(dòng)控制卡仍屬于專(zhuān)有硬件，各廠家產(chǎn)品不兼容，增
加成本(1-2萬(wàn)元)，且Windows系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，不適合于工業(yè)應(yīng)用(WindowsNT工作較穩(wěn)定)。目前大多宣稱(chēng)為開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)屬于這一類(lèi)，如功能非常強(qiáng)大的MAZAK的Mazatrol Fusion 640，美國(guó)A2100，Advantage 600，華中HNC-2000數(shù)控系統(tǒng)等。
WindowsNT+RTX組合的應(yīng)用較成功的有美國(guó)的OpenCNC和德國(guó)的PA公司(自己開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)內(nèi)核)，這兩家公司均有產(chǎn)品推出，另外SIMENS公司的SINUMERIK® 840Di也是一種采用NT操作系統(tǒng)的單CPU的軟件化數(shù)控系統(tǒng)。Linux和RTLinux是源代碼開(kāi)放的免費(fèi)操作系統(tǒng)，發(fā)展迅猛，是我國(guó)力主發(fā)展的方向。
2.2 數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)和數(shù)字I/O(PLC的I/O)連接的發(fā)展方向是現(xiàn)場(chǎng)總線
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)和PLC I/O與控制器是直接相連的，一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)至少有11根線，當(dāng)軸數(shù)和I/O點(diǎn)多時(shí)，布線相當(dāng)多，出于可靠性考慮，線長(zhǎng)有限(一般3-5米)，擴(kuò)展不易，可靠性低，維護(hù)困難，特別是采用軟件化數(shù)控內(nèi)核后，通常只有一個(gè)CPU，控制器一般在操作面板端，離控制箱(放置驅(qū)動(dòng)器等)不能太遠(yuǎn)，給工程實(shí)現(xiàn)帶來(lái)困難，所以一般PC數(shù)控系統(tǒng)多采用一體化機(jī)箱，但這又不為機(jī)床廠家和用戶接受。而現(xiàn)場(chǎng)總線用一根通訊線或光纖將所有的驅(qū)動(dòng)和I/O級(jí)連起來(lái)，傳送各種信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的智能化控制。這種方式連線少，可靠性高，擴(kuò)展方便，易維護(hù)，易于實(shí)現(xiàn)重配置，是數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。 現(xiàn)在，在數(shù)控系統(tǒng)中采用的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)有PROFIBUS(傳輸速率12Mbps)，如Siemens 802D等;光纖現(xiàn)場(chǎng)總線SERCOS(最高為16Mbps，但目前大多系統(tǒng)為4Mbps)，如Indramat System2000和北京機(jī)電院的CH-2010/S，北京和利時(shí)公司也研究了SERCOS接口的演示系統(tǒng);CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，如華中數(shù)控和南京四開(kāi)的系統(tǒng)等，但目前基于SERCOS和PROFIBUS的數(shù)控系統(tǒng)都比較貴。而CAN總線傳輸速率慢，最大傳輸速率為1Mbps時(shí)，傳輸距離為40米。
3、國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀
我國(guó)經(jīng)過(guò)“六五”、“七五”引進(jìn)消化，“八五”自主開(kāi)發(fā)，“九五”產(chǎn)業(yè)化、工程化，基本掌握了數(shù)控技術(shù)，基本形成了一支研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)的隊(duì)伍，基本具備了數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的配套能力。并根據(jù)國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，調(diào)整到基
于PC的數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展方向上來(lái)，形成了兩種平臺(tái)，開(kāi)發(fā)出了四個(gè)基本系統(tǒng)，其中，華中I型和中華I型是將數(shù)控專(zhuān)用模板嵌入通用PC機(jī)構(gòu)成的單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，而航天I型和蘭天I型是將PC嵌入到數(shù)控之中構(gòu)成的多機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，形成PC+NC的前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)。
目前國(guó)內(nèi)比較有代表性的新型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究主要有以下幾種:
1)基于軟件芯片的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)
華中科技大學(xué)(原華中理工大學(xué))提出了一種基于軟件芯片(Software武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文
Integrated Chip，簡(jiǎn)稱(chēng)sic)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)模式。在該模式中，通過(guò)對(duì)數(shù)控軟件的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化研究，運(yùn)用面向?qū)ο蟮臋C(jī)制，把數(shù)控系統(tǒng)的功能進(jìn)行抽象并進(jìn)行封裝，將數(shù)控軟件設(shè)計(jì)成具有穩(wěn)定通用的接口、可以重用的SIC,每個(gè)sic完成數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)獨(dú)立模塊的功能，如插補(bǔ)功能由插補(bǔ)芯片完成、位置控制功能就由位置芯片完成。并且通過(guò)建立一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)軟件芯片集成開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)SIC進(jìn)行管理，用戶可以對(duì)SIC進(jìn)行檢索、瀏覽和維護(hù)，還可以添加新的SICOS用戶在組裝數(shù)控系統(tǒng)或進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，可以將芯片庫(kù)中檢索出的sic按照用戶所要求的功能進(jìn)行集成，并可以加入用戶新開(kāi)發(fā)的SIC一起組裝，這樣開(kāi)發(fā)出的數(shù)控系統(tǒng)比以前節(jié)省較多時(shí)間，總體質(zhì)量也有大幅提高。其局限性在于，數(shù)控軟件芯片的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)很大程度上由芯片的劃分決定，它需要嚴(yán)格定義，使它們具有更強(qiáng)的邏輯性和更好的封裝性。另外，更重要的一點(diǎn)是，這種軟件芯片的使用只是簡(jiǎn)單的程序源代碼的重用，這種移植只能是同一種編程語(yǔ)言下的移植，是一種極為有限條件下的移植。
2)基于現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)
現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)可以將大量的并行信號(hào)轉(zhuǎn)化為串行信號(hào)，利用雙線電纜或光纜可以在上百臺(tái)設(shè)備之間實(shí)時(shí)傳遞上千路的信號(hào)。當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線接口和數(shù)據(jù)交換大多遵循SERCOg(serial real-time communication specification)協(xié)議，是目前用于數(shù)字伺服而后傳動(dòng)數(shù)據(jù)通信的唯一國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。SERCOS構(gòu)成一個(gè)封閉的環(huán)路，根據(jù)伺服系統(tǒng)和PLC的不同地址，利用插在計(jì)算機(jī)中的SOFTSERCANS卡實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與數(shù)字伺服系統(tǒng)之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，形成一種基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。但由于SERCOS有三萬(wàn)多個(gè)參數(shù)，在SERCOS參數(shù)設(shè)置方面現(xiàn)在的系統(tǒng)大多
都是使用默認(rèn)值，這對(duì)于開(kāi)發(fā)高速、高精度的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)還有很大差距。并且SERCOS總線技術(shù)較為昂貴，對(duì)于其普及應(yīng)用也產(chǎn)生一定的不利影響。
4)國(guó)外開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 (1)OMAC計(jì)劃
美國(guó)90年代提出NGC下一代控制器計(jì)劃，并撥款1億美元進(jìn)行研究，其核心即是開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)的研究。其首要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)開(kāi)放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范SOSAC (Specification for an Open System Architecture Standard)用來(lái)管理I作站和機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)組織。SOSAC定義了NGC系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊的功能以及相互間的關(guān)系，它提出了分級(jí)式控制結(jié)構(gòu)，指出了功能性的分解; 定義了虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊間的信息相互交換和相互操作;定義了NML(NeutralManufacturing Language)語(yǔ)言進(jìn)行制造系統(tǒng)中的信息傳遞。該計(jì)劃己于1994年完成了NGC原型研究，并己轉(zhuǎn)入工業(yè)開(kāi)發(fā)應(yīng)用。例如美國(guó)Ford, GM和CResler等公司在NGC計(jì)劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出了OMAC(Open Modular ArchitectureController)開(kāi)發(fā)計(jì)劃，提出了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，信息庫(kù)管理、任務(wù)調(diào)度、人機(jī)接口、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器接口等構(gòu)造了控制系統(tǒng)功能體系結(jié)構(gòu)。該計(jì)劃的目的是使系統(tǒng)制造廠、機(jī)床廠和最終用戶分別從縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、便于系統(tǒng)集成和二次開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)使用和維護(hù)等方面受益。又如Cincinnati Milacron從1995年開(kāi)始在其所生產(chǎn)的加工中心、銑床、車(chē)床及激光加工等設(shè)備中采用開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)(應(yīng)用雙處理器組成，Windows NT操作系統(tǒng)的多任務(wù)、多過(guò)武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文程、多功能的開(kāi)放式系統(tǒng))。還有DELTA TAU公司利用NGC和OMAC等協(xié)議，采用PC機(jī)+PMAC控制卡構(gòu)成的PMAC開(kāi)放式CNC系統(tǒng)，獲得了良好的應(yīng)用效果。
4、結(jié)束語(yǔ)
采用開(kāi)放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的生產(chǎn) 廠家和用戶雙方都有好處。對(duì)于控制系統(tǒng)生產(chǎn)廠 家，他們可在共同的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上建立廣泛的合作， 實(shí)現(xiàn)協(xié)作式開(kāi)發(fā)，大大縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期，降 低了成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力;對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠， 不僅可以根據(jù)需要配置最合適的控制系統(tǒng)，還可 將自己獨(dú)特的軟件集成到系統(tǒng)控制器，形成自己 的產(chǎn)品特色;最終用戶可以說(shuō)是開(kāi)放式控制系
統(tǒng)的最大受益者，他們可以最大限度地按照自己的 需要選擇產(chǎn)品，配備合適的功能部件，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的 集成和擴(kuò)展，同時(shí)，開(kāi)放也使系統(tǒng)的操作、維護(hù)更 為方便。此外，控制器的結(jié)構(gòu)開(kāi)放性也為數(shù)控技術(shù) 能持續(xù)不斷地吸收日新月異的計(jì)算機(jī)硬軟件最新成果創(chuàng)造了條件，有利于數(shù)控產(chǎn)品自身的更新?lián)Q代，提高性能，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力。這也正是開(kāi)放式NC控制器之所以被各發(fā)達(dá)國(guó)家視為重要的戰(zhàn)略技術(shù)、紛紛投入研究的重要原因。
5、參考文獻(xiàn)
[1] 徐守祥.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) ---- 歐洲數(shù)控業(yè)的 發(fā)展策略.制 造技術(shù)與機(jī)床，1997(3)
[2] 游有鵬等.開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) ---- 新一代 NC 的主流.航空 制造技術(shù)，1999(5)
【開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)綜述】相關(guān)文章：
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究10-01
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)10-01
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展10-01
開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的備份和恢復(fù)10-05
淺析基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)論文10-08
并聯(lián)機(jī)器人開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)建10-01
簡(jiǎn)歷綜述10-08