1、第12卷第9期計算機集成制造系統Computer Integrated Manufacturing SystemsSep .2006文章編號:1006-5911(200609-1483-07收稿日期:2005-08-23;修訂日期:2005-12-30。Received 23Aug.2005;accepted 30Dec.2005.作者簡介:梁宏斌(1967-,男,遼寧鞍山人,哈爾濱工程大學機電工程學院博士后,遼寧科技大學機械工程及自動化學院副教授,主要從事開基于接口標準的開放式數控系統的研究與實現梁宏斌1,2,李霞1,王永章3(1.哈爾濱工程大學機電工程學院,黑龍江哈爾濱150001;2.遼

2、寧科技大學機械工程及自動化學院,遼寧鞍山114044;3.哈爾濱工業大學機械工程及自動化系,黑龍江哈爾濱150001摘要:確定了自主開發的開放式數控系統HITCNC 的接口方案,包括相關的內部接口和外部接口。詳細闡述了HITCNC 系統中應用的主要開放技術,并在開放式數控系統的基本理論及實現技術的基礎上,實現了基于接口標準的用于控制3坐標數控銑床的開放式數控系統HITCNC 。一系列的切削實驗,驗證了HITCNC 的開放性、可靠性及系統對自由曲線、曲面的加工能力。關鍵詞:開放式數控系統;標準;接口中圖分類號:TP273+.5文獻標識碼:AOpen architecture controller

3、 based on international interface standardsL I A N G Hong -bin1,2,L I X ia 1,W A N G Yong -z hang3Abstract :Open architecture controller must conform to international interface standardss.Under this circumstance ,interface plan for HITCNC was defined ,which included relevant internal and external in

4、terfaces.Main techniques used in the construction of open HITCNC were described.Based on basic theory on open architecture controller and enabling techniques ,open HITCNC was applied on 3-axis milling machine tool ,which was based on international interface standards.Finally ,a series of experiments

5、 on HITCNC were successf ully completed to prove its openness ,reliability and ability of machining NU RBS surface.K ey w ords :open architecture controller ;standard ;interface0引言新的加工需求的不斷出現,要求數控系統具有迅速、高效、經濟地面向客戶的模塊化特性和軟硬件重構能力,改變以往數控系統的封閉性設計模式,降低生產廠家對控制系統的高依賴性和對數控軟件、硬件、控制策略的耦合性,以適應未來車間面向任務和訂單的生產模式1

6、-3。開放式數控系統就是在這種背景下產生的。國內的很多學者對開放式數控系統進行了積極的研究,提出了基于軟件芯片4、基于組件對象模型(Co mponent Object Model ,COM 組件5、基于數計算機集成制造系統第12卷字伺服現場總線6等各種開放模式。但這些系統所采用的體系結構并不一致,自成體系,相互之間缺乏互換性和可移植性。1基于接口標準的內涵開放式數控系統應該是模塊化的,且其外部接口及內部接口必須遵循一系列國際標準或行業事實標準,沒有全面的國際標準就不可能有真正的開放式數控系統3,7。本文提出了基于接口標準的開放式數控系統概念,開放式數控系統都采用模塊化結構。數控系統內部模塊與模

7、塊之間的相互通訊,以及數控系統與外界(如與伺服系統的信息傳遞都是通過相應的接口實現的,只有這些接口符合國際標準或行業事實標準,多個廠商的產品才能協調地組合在一起,從而滿足可互換、可擴展、可移植和互操作等開放性要求。2HITCNC的接口方案基于接口標準的原則,筆者自主開發了一個開放式數控系統HITCNC,并完成了樣機研制工作,其接口方案如下:(1H ITCNC與伺服系統及I/O設備的通訊接口采用SERCOS標準(IEC61491。為了進一步增加系統的開放性,H ITCNC使用了Soft SERCANS 技術,從而可以最大程度地用軟件程序取代硬件功能,降低接口插卡的成本,并且能夠自動適應所選用的P

8、C機硬件的性能8-9。(2數字控制(Numerical Control,NC程序接口(即HITCNC與計算機輔助設計(Comp uter Ai2 ded Design,CAD/計算機輔助制造(Comp uter Ai2 ded Manufact uring,CAM系統的接口標準目前有ISO6983和STEP-NC(ISO14649,考慮到ISO 6983是當前的應用主流,在開發HITCNC系統時采用了ISO6983(也稱為EIA RS274標準10。(3在內部接口方面,目前還沒有關于構件應用程序接口(Application Programming Interface, A PI的國際標準,但最

9、終肯定要形成一個標準,否則無法實現即插即用的徹底開放。因此,開放式數控系統領域最具影響力的3個國際化工程OMAC (open modulax architect ure cont rols(美國11, OSACA(open system architect ure for cont rols wit hin automation systems(歐盟12,OSEC(open system enviroment for cont roller(日本13,都在為盡快形成開放結構控制器的國際標準而努力。我國很多高校在開放式數控系統方面都做了大量的研究工作,如華中科技大學提出了軟件芯片概念;上海交通大

10、學和北京航天數控集團聯合開發了開放式數控系統技術規范,試圖建立中國第一個開放結構控制器標準14等。但標準的形成有兩個條件:業界的意見達成一致;支持這個標準的產品具有較大的市場份額,也就是說要有行業一線的廠商支持。因此,從我國數控行業的現狀,尤其是數控廠商的實力來看,恐怕難以左右國際標準的制訂,而國際標準一旦形成,由于不能脫離國際化的市場,我國的標準基本上只能等價采用國際標準。關于數控系統的內部接口,應該了解研究現狀,分析發展趨勢,充分利用發達國家投入大量人力物力資源取得的研究成果,達到兩個目的:使自己的研究少走彎路;新的國際標準一旦形成,就能立即在行業中加以利用,跟上世界制造業的發展步伐。在深

11、入分析OMAC,OSACA,OSEC的技術特點后,本文確定HITCNC系統的內部接口遵循OMAC A PI協議。3HITCNC系統的開放技術實現用戶需要的開放式數控系統,僅有開放的標準是不夠的,還要擁有保證開放的具體技術手段。為了保證HITCNC系統的開放性,在開發過程中使用了以下幾項具體實現技術:OMAC A PI協議、有限狀態機(Finite State Machine,FSM模型和Soft SERCANS應用。3.1遵循OMAC協議H ITCNC系統的內部應用程序模塊接口遵循OMAC A PI協議,采用基于構件的軟件開發理念,使用客戶機/服務器通訊模式,用面向對象的C+語言,實現了OMA

12、C A PI接口定義。OMAC A PI工作組采用基于構件技術以實現開放結構。該協議定義了涵蓋大量機床控制功能的構件和一個用來集成這些構件的構件框架15-16。在H ITCNC中,實現重組的基礎是構件插件。圖1使用統一化建模語言(Unified Modeling Lan2 guage,UML表示法,給出了一個構件通用模型,包括功能性接口、基礎接口和連接接口,這些接口為處理通常的軟件功能提供了一組統一的接口。通常的4841第9期梁宏斌等:基于接口標準的開放式數控系統的研究與實現軟件功能是指正常運行、安裝、構造和析構、參數配置、初始化、啟動和停機、許可、安全性和注冊、永久數據保存和恢復、使能和使不

13、能、綁定和發現、命名和自省等 。功能性接口展示構件的控制能力,這類接口包括行為、狀態和參數操作的方法;基礎接口提供了對多種應用框架的支持,它處理構件辨識和注冊,構件用這類接口發布它能做什么、它在哪兒以及它如何運行;連接接口用來發布模塊的依賴性,諸如它需要什么服務、它所支持的輸入和輸出事件等。圖2描述的是應用OMAC A PI 協議構造的H ITCNC 三軸銑削數控系統。其中,3個進給軸的結構是相同的,都由脈寬調制(Pulse Widt h Modu 2lation ,PWM 驅動器、放大器使能控制、放大器錯誤狀態信號、編碼器和回零及軸限位開關組成;假定一個安全保障系統是由一系列監測E -Sto

14、p ,Power -Up 和Reset 的輸入開關組成;一個人機交互界面提供帶有一系列控制功能,如零件程序選擇、循環啟動/停止、暫停、進給倍率調整、NC 指令鍵盤輸入和手動等的操作序列。加工零件程序采用EIA RS 274格式。系統還能夠顯示加工狀態如零件加工代碼、設備狀態和故障診斷信息等。H ITCNC 系統的主要模塊功能是:任務協調器,主要負責操作模式的切換,運動控制和離散邏輯控制等任務協調和調度;任務生成器,主要完成語法檢查、譯碼和刀具補償等非實時性任務;軸組,主要負責完成加減速處理、插補功能,將譯碼得到的運動段(包括直線、圓弧、Nurbs 等轉化為單個插補周期內相應軸上的一系列目標點,

15、并輸出給各個軸模塊;軸,對單個進給軸的運動實施控制。3.2使用有限狀態機表述HITCNC 系統的行為影響現在數控系統軟件重構的主要問題是,雖然采用了構件技術進行編程,但未將機床的功能和行為分隔開來,因而影響了構件的重用。使用有限狀態機的目的是將機床的功能和行為分離,以提高系統的開放性17。所謂功能,是指一臺機床能夠實現一系列的特定行為,如用三軸銑床進行銑削加工和利用兩軸車床進行車削加工都屬于數控系統的功能。不同的機床功能是不一樣的,如銑床具有銑削功能,車床具備車削功能等。行為則具有通用性,不論哪種數控機床,都得能完成回原點操作,如機床回原點、換刀和按照NC 程序指令控制各軸運動等操作都是行為。

16、可以將特定的功能抽象成一些普遍的行為,比如不管是銑削還是車削(功能,都可以通過NC 程序指令控制各軸運動(行為來實現。為了使構件能夠正確地使用其他構件,必須有一個行為抽象的標準模型。在HITCNC 中,行為是事件驅動的,并用有限狀態機加以模型化18。HITCNC 遵循OMAC A PI 規范,其功能模塊包括任務協調器、軸組、軸等,其行為可用分層式FSM 描述,如圖3所示。3.3SoftSERCANS 技術在HITCNC 中的應用SERCOS 是一種用于計算機數字控制(Com 2p uter Numerical Cont rol ,CNC 和數字伺服傳動系統之間通信的數字接口和數據交換協議,能夠

17、實現工業控制計算機與數字伺服系統、傳感器和可編程控制器I/O 口之間的實時數據通信。1995年,SERCOS 接口協議被確定為國際標準,它也是目前用于數字伺服和傳動數據通訊的惟一國際標準。5841計算機集成制造系統第12 卷隨著Windows實時擴展技術的穩定性、性能和市場占有率的不斷提高19,Rexrot h Indrama決定將SERCANS卡上的SERCOS主控功能轉移到抽象的軟件層面上,并選用Vent urCom公司的R TX 作為平臺,這種新技術叫做Soft SERCANS。Soft2 SERCANS可以說是SERCANS硬件功能的軟件進化,它運行在一塊從動式的主站卡上,具有能被實時

18、應用程序和Win32程序調用的動態鏈接庫(Dy2 namic Link Library,DLL,它與CNC的接口純粹是軟件,并且能自動適應所選用的PC機硬件的性能,使用戶能夠快速地利用SERCOS技術9。另一方面,它還可以完成可編程邏輯控制器(Program2 mble Logic Cort roller,PL C和I/O系統之間的通訊,使整個系統的結構變得更為簡單。總之,工業伺服現場總線的迅速發展及標準化的實現,為數控系統的開放性奠定了堅實的基礎,也是軟件數控技術發展的又一重要推動力。(1報文格式通道配置Soft SERCANS通過報文傳遞數據,HITCNC 在位置控制模式下3種報文的配置如

19、下:1主站同步報文(Master Synchronization Tel2egram,MST :2主站數據報文(Master Data Telegram, MD T :3伺服傳動報文(Axis Telegram,A T :Y軸和Z軸的通道配置方式和X軸相同,只是將地址值變為1和2即可。6841第9期梁宏斌等:基于接口標準的開放式數控系統的研究與實現(2實時數據傳送Soft SERCANS 是SERCOS 應用技術的進步,它建立在R TX 環境上,以DLL 的形式提供了應用SERCOS 協議的編程接口,利用DLL 功能可方便地實現Soft SERCANS 的初始化過程及周期性數據通訊工作。圖4為

20、實時數據通訊程序的開發環境,其中通訊程序可以作為CNC 單元的一部分,完成命令值與反饋值的傳送 。4HITCNC 系統的實現4.1HITCNC 系統的硬件構成HITCNC 的硬件組成為:通用PC 機,CPU 主頻800Hz ,內存256M ;Soft SERCANS 從動卡選用德國Rexrot h Indramat 公司的PCM -S11.2板卡,它采用SERCON 816芯片,PCI 總線,通訊速率可達16Mbit/s ;X ,Y ,Z 軸伺服驅動器選用Rexrot h Indramat 公司的ECODRIV E03系列帶有SERCOS 接口的串行數字式驅動器,型號為D KC02.3-040

21、-7-FW ,工作電流額定值為40A ;伺服電機選用Rexrot h Indramat 公司的M KD 系列交流伺服電機,X ,Y 軸電機的型號為M KD071B -035-KP0-KN ,Z 軸電機的型號為M KD071B -035-KP1-KN ,工作扭矩均為8N m ;為了驗證系統對不同廠商的產品的適應能力,從而驗證其開放性,主軸控制系統沒有使用Rexrot h Indramat 公司的產品,而選用洛陽軸研科技股份有限公司生產的高速電主軸;主軸驅動器為臺安科技(無錫有限公司生產的變頻式馬達控速器,型號為N2-408-H ;機床選用的是齊齊哈爾第二機床廠生產的XK5025A 型數控立式升降

22、臺銑床,工作臺行程為縱向X 600mm ,橫向Y 280mm ,主軸滑板行程Z 150mm 。4.2HITCNC 系統的軟件實現H ITCNC 系統軟件組成如圖5所示 。5實驗研究5.1驗證HITCNC 系統的開放性從以下兩個方面驗證了H ITCNC 系統的開放性:(1功能的擴充(可擴展性改變譯碼模塊及軸組模塊,在原系統(僅有直線插補和圓弧插補基礎上擴充非均勻有理B 樣條(Non -U niform Ra 2tional B -Spline ,NU RBS 插補方法。(2模塊的置換(可互換性不改變譯碼模塊,只改變軸組模塊,由1階近似NU RBS 插補算法變為2階近似NU RBS 插補算法及自動

23、調節進給速度78411488 計算機集成制造系統 第 12 卷 的 NU RBS 插補算法 。 不同的 NU RBS 插補算法的互換只需要修改軸 組模塊 , 其他模塊均不需改動 。在 H I TCNC 系統 中 ,軸組模塊是 R TX 環境下的實時 DLL ,通過注冊 含有不同 N U RBS 插補算法的 R TDLL 方法 ( 如圖 6 可以實現 NU RBS 插補算法的改進 。 精度和可靠性 。 在直線插補和圓弧插補基礎上擴充 N U RBS 插 補功能 ,要比模塊的置換相對復雜一些 ,除了用上面 的方法注冊軸組模塊外 , 還需要增加 NU RBS 譯碼 功能 。在 H I TCNC 系統

24、中 ,譯碼功能是由任務生成 器模塊實現的 。可以將具有不同譯碼功能的任務生 成器模塊分別編譯 ,并將具體使用的那一個以 DLL 的形式在系統中注冊 ,如圖 7 所示 。 6 結束語 本文建立了開放數控系統 H I TCNC , 其外部接 口符合相應的國際標準 , 內部接口遵循 OMAC 規 范 ,從而最大程度地保證了開放性 ,實際加工結果也 驗證了系統的加工性能和可靠性 。 本文使用上述方法在 H I TCNC 系統中實現了 在常 規 插 補 的 基 礎 上 擴 充 N U RBS 插 補 , 以 及 NU RBS 插補算法的置換 。 5. 2 復雜曲面零件的加工實驗 參考文獻 : 1 PRI

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27、鑒于此 , 筆者使用 H I TC2 NC 銑削系統 , 加工了一個典型的復雜曲面 電 鉆殼體模具 。 使用 U G18 CAM 軟件造型并自動編程 , 應用 NU RBS 后置處理 , 生成符合 FAN U C 機床格式的 NU RBS 零件加工程序 。零件的加工分為粗 、 精加 工 ,粗加工程序長度為 2 232 行語句 ,精加工程序長 度為 10 680 行語句 。整個加工過程中走刀平穩 ,表 面質量良好 。粗 、 精加工后的零件如圖 8 和圖 9 所 示 。實驗結果表明 , H ITCNC 系統具有良好的加工 選 ,呂新平 . 數控系統軟件芯片的研制和開發 J . 中國機械工 程 ,1

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