毕业设计28CNC系统体系结构开发Word格式文档下载.docx
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CNCOpen-architectureCAN-busPCI-bus
前言………………………………………………………………6
1.数控技术产生的背景……………………………………………6
2.开放式数控系统结构的产生背景………………………………6
3.本课题的来源和研究意义………………………………………7
1.数控系统的发展………………………………………………8
1.1数控系统的发展历史………………………………………9
1.2开放式数控系统的研究……………………………………9
1.2.1开放式数控系统的研究发展…………………………9
1.2.2国产数控系统技术的发展……………………………12
2.开放式数控系统的理论研究………………………………12
2.1开放式数控系统体系结构…………………………………12
2.1.1开放体系结构的概念……………………………………12
2.1.2开放式数控系统体系结构的开放途径…………………13
2.1.3基于PC的开放式体系结构……………………………14
2.2运动控制器原理………………………………………………15
2.3开放式CNC系统的概要设计…………………………………17
2.3.1开放式CNC系统的需求分析……………………………17
2.3.2开放体系结构CNC系统的设计原则……………………18
2.3.3基于PC的开放式数控系统的体系结构………………19
2.3.4运动控制卡的硬件结构设计……………………………20
2.3.5软件整体规划……………………………………………21
本章小结……………………………………………………………22
3.常见的开放式数控系统的体系结构及特征………………23
3.1数控系统硬件开放的要求与实现技术………………………23
3.1.1标准化总线技术…………………………………………23
3.1.2CAN总线原理与特点……………………………………26
3.1.3DSP芯片原理……………………………………………29
3.1.4接口的模块化设计………………………………………31
3.1.5基于PC的开放式设计…………………………………31
3.2基于PC的开放式CNC系统运动控制卡的硬件设计………32
3.2.1运动控制卡微处理器的选择……………………………32
3.2.2运动控制卡和上位机通讯设计…………………………32
3.2.3DSP和计算机通讯设计…………………………………34
3.2.4DSP和CAN总线的通讯设计……………………………34
3.3数控系统其他硬件模块设计………………………………35
3.3.1伺服接口模块设计………………………………………35
3.3.2PMC模块设计……………………………………………35
3.3.3操作面板I/O模块设计…………………………………36
本章小结…………………………………………………………36
4.结论和展望…………………………………………………37
4.1结论……………………………………………………………37
4.2展望…………………………………………………………38
参考文献…………………………………………………………38
致谢………………………………………………………………39
基于PC的数控系统设计
前言
1.数控技术产生的背景
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。
机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。
它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。
许多生产企业（例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂）已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。
采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。
但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批生产的零件（批量在10一100件）约占机械加工总量的80%以上。
尤其是在造船、航天、航空、机床、重机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调核甚至是不可能实现的。
近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业如要提供高质量的产品，就必须频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不断变化的需要。
因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。
频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。
己经使用的各类仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。
但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大t的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。
为了解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产。
迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。
数字控制（NUMERICALCONTROL,简称NC或数控）机床就是在这样的背景下诞生与发展起来的。
它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。
数控机床就是将加工过程所偏的各种操作（如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等）和步骤，以及刀具与工件之间的相对位移t都用数字化的代码来表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁带）将数字信息送人专用的或通用计算机计算机对输人的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。
2.开放式数控系统结构的产生背景
数控技术的问世解决了传统方式难以解决的负载零件的制造问题。
准确、高效的自动化手段，改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面;
柔性的工作方式，能充分适应多品种、小批盆的现代生产方式，从而大大提高了对现代化工业生产需求的适应能力。
利用数控技术可以大幅度缩短产品的制造周期，提离产品的加工质盘，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显著的经济效益及广阔的发展前景，业已成为一个国家机械制造业水平的重要标志之一。
然而，现今生产中使用的绝大多数CNC系统中（以FAI；
UC；
SIMENS等为代表），所采用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件结构由各数控系统厂家行设计，是专用的，互不兼容的，系统各模块之间的交互方式、通讯及结构也互不相同。
这专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构简单、技术成熟，产品批盘大、生产成本低，但是随着技术的进步，市场竞争的加剧，越来越暴露出其固有的缺陷，集中表现如下:
1）各控制系统间互联能力差，影响了系统的相互集成:
风格不同的操作方式，使用户培训费用增加;
专用件的大量使用，给数控设备的使用与维护带来了很多不便;
2）系统的封闭性使得对其扩充和修复极为有限，造成数控设备制造商对系统供应商的依赖，难以将自己的专门技术、工艺经验集成与控制系统结合形成自己的产品特点，不利于提高主机产品的竞争力;
3）专用的硬件，软件结构也限制了系统本身的持续发展，使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。
总之，数控系统的这一现状已难以适应当今制造业的市场的变化与竞争，也不能满足现代化制造业向信息化、敏捷制造模式发展的要求。
为了节约封闭式体系结构数控存在的问题，近年来，西方各工业发达国家相继提出了向模块化、标准化的方向发展，设计开放式体系结构数控系统的问题，如美国的NGC计划，日本和欧洲提出的OSEC及OSACA计划等。
开放式数控系统的主要研究目的是，解决变化频繁的需求与封闭的控制系统结构之间的矛盾，建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的功能柔性，能够快速而有效地响应新的加工需求。
3.本课题的来源及意义
基于PC的开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本突破，是当今数控技术的发展主流和研究热点，是新一代数控系统的关键技术。
采用基于PC的开放式数控系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。
对控制系统开发商，可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这将大大缩短系统的开发周期，减少投资，增强产品竞争力。
我国是一个机床生产和应用的大国;
但数控技术的应用水平还很不高，严重制约着我国制造业水平的提高。
国际上的相关开放计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。
因为开放计划的实施，把世界上所有的数控系统的开发商推到了同一起跑线上。
我们应充分把握数控产品技术转型的历史机遇，扬长避短，迎头赶上，充分吸收当今计算机发展的最新成果，高起点制定出切实可行、适合我国国情的数控系统开放化的技术路线。
1.数控系统的发展
1.1数控技术的发展历史
数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来的机床控制的新技术，是一门交叉学科。
数控技术的广泛使用，给机械制造业的生产方式、产品结构、产业结构带来了深刻的变化。
数控技术是国防现代化的重要部分，是国际技术和商业贸易的重要构成。
因此，数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力的重要基础性产业。
数字控制（NumericalControl）是相对于模拟控制而言的。
数字控制系统中的信息量是数字量，而模拟控制系统中的信息量是模拟量。
最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬件数控系统。
随着计算机技术的发展，硬件数控系统被逐渐淘汰，取而代之的是计算机数控系统（CNC-ComputerNumericalControl）。
数控技术在制造业、特别是航空航天工业中得到了广泛的应用，无论在硬件方面还是在软件方面，发展都很快。
自从1952年麻省理工学院研制出世界上第一台三座标铣床以来，随着计算机技术，特别是微电子技术的发展，数控技术无论在硬件或者软件方面发展都很快，数控系统已经经历了八代，可以分为以下四个发展阶段[1]
1.硬件数控阶段（1952一1970）
早期计算机的运算速度低，远不能适应机床实时控制的要求.人们不得不采用数字逻辑电路搭建一台专用计算机作为数控装置，被称为硬件连接数控，简称数控（NC）.世界上第一台数控铣床的数控装置是采用电子管、继电器和模拟电路构成的试验样机，通称为第一代数控。
1959年，晶体管取代了笨重的电子管。
缩小了体积，使得工业应用成为了可能，诞生了第二代数控系统。
1965年出现了小规模集成电路构成的NC，体积更小，功率更低，提高了可靠性，NC发展到第三代。
这一阶段的数控系统，各种控制功能均由硬件逻辑完成，称为“硬件”控制，其功能简单，灵活性差，设计周期长，系统可靠性低，因而限制了其进一步的发展和应用。
2.计算机数控系统的发展和完善阶段（1970一1986）
70年代初，大规模集成电路、半导体存储器，微处理器的问世，通用小型计算机出现并逐渐普及，给数控技术带来了突破性的发展。
1970年在美国芝加哥数控博览会上，首次展出了以小型计算机为核心的计算机数控系统（CNC），标志着数控系统进入了计算机为主体的第四代。
至此，原来由硬件实现的功能逐步改为由软件完成。
从此系统进入了“软连接”数控时代。
1974年，首次出现了采用微处理器芯片的软连接CNC系统，象征着数控系统进入了以微机为背景的时代。
这一发展真正实现了机电一体化，进一步缩小了体积，降低了成本，简化了编程和操作，使数控系统达到了普及的程度。
70年代末，80年代初，随着大规模集成电路、大容量存储器、CRT的普及应用，CNC系统进入了第六代。
它虽然仍以微处理器为基础，但控制功能更为完善，具备了多功能的技术特征，尤其在软件技术方面发展更快，具有了交互式对话编程，三维图形显示和校验，实时软件精度补偿等功能。
在系统体系结构上，开始出现了柔性化，模块化的多处理器结构。
数控系统产品也逐渐实现了标准化，系列化。
3.高速精度CNC的开发与应用阶段（1986一今）
为了实现高速、高精度轮廓的精加工，必须提高微轮廓的解释处理能力和伺服驱动能力。
为保证零件程序的传送、插补、加工线速度控制等连续处理，CNC系统应具有足够高的数据处理速度和能力.32位CPU以其很强的数据处理能力在CNC中得到了应用。
使CNC系统进入了面向高速、高精度的第七代。
1986年，三菱电机公司率先推出了以CPU为68020的32位，掀起了32位CNC的热潮，并逐渐成为当今数控系统的主流。
4.基于PC的开放式CNC的开放与应用（1994一今）
进入90年代，PC机（个人计算机）的性能提高很快，从8位、16位发展到32位，可以满足作为数控系统核心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高.数控系统从此进入了第八代基于PC的CNC系统阶段.1994年，这种基于PC的CNC控制器在美国首先亮相市场，并在此后得到了高速发展。
PC的引入，不仅为CNC提供十分坚实的硬件资源和及其丰富的软件资源，更为CNC的开放化提供了基础。
1.2开放式数控系统结构的研究
1.2.1开放式数控系统的研究发展
控制系统采用开放式体系结构将导致新一代控制器的产生，并成为制造业的一大支柱。
因此，欧美及日本等发达国家都相继进行了大量的投入和研究，其中最具有代表性和影响力的研究有以下几个【2】
1.美国的NGC和OMAC计划
早在1987年，里根政府为振兴美国的机械制造业，推动工业形成一个广泛的合作关系，以增强对外竞争力，推出}NGC（TheNextGenerationWork-station/MachineController）研究计划。
该项目由美国国家制造科学中心（NCMS）与空军共同领导，于1989年开始实施。
NGC计划目标是:
基于开放式体系结构的下一代机械制造控制器提供一个标准，在这一标准的支持下，不同的设计人员可以开发出具有互换性和互操作性的控制部件。
基于这一标准的控制器具有体系结构开放、适用范围广、能适应技术发展的特点。
图1-1为NGC的体系结构。
图1-1NCC体系结构
NGC的一个重要的成果是开发并最终形成了“开放式系统体系结构标准规范（SOSAS,SpecificationforanOpenSystemArchitectureStandard）"
，用于指导工作站和机床控制器的设计和结构组织。
SOSAS定义了NGC系统、子系统和模块的功能以及相互间的关系。
NGC计划已于1994年完成了原型研究，并已转入工业开发应用。
例如美国Ford,GM和Chrysler等公司在NGC计划的指导下，联合提出OMAC（OpenModularArchitectureController）开发计划，定义了系统基础框架、信息库管理、任务管理、人机接口运动控制、传感器接口等标准OMACAPI，构造了完整的体系结构。
该计划的实现将使系统制造厂、机床厂和最终用户本身从缩短开发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开发、简化系统的使用和维护等方面受益.例如DELTATAU公司利用NGC和OMAC等协议，成功的开发了具有良好开放特性的多轴运动控制卡，该卡提供了丰富的接口函数，可以方便的应用于PCoPMAC卡与PC之间具有双口RAM、并行总线、串口等多种信息交换接口，它还提供了丰富的I/0接口、电机控制接口，能与交流直流等多种电机连接实现运动控制。
采用PC和PMAC形成PMAC开放式CNC系统，获得良好的效果。
2.欧盟的OSACA计划
OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem）计划是欧盟为了增强其机床和控制制造商在世界市场中的竞争力而制定的研究项目.该项目由德国斯图加特大学的制造控制技术研究所（ISW）支持，参加单位来欧盟国家的11家主要机床制造厂、控制器生产厂和高校。
该计划分为三个阶段，其中第一阶段和第二阶段均已经实现，主要完成了OSA.CA规范、应用指南，并依照OSACA规范并开发了标准的通用系统平台和软件模块。
第三阶段的计划正在实现过程中，其主要目标是推广OSACA思想以及前期工作的技术成果，同时与日，美的相关企业机构进行接触，以期建立一个国际性的控制器标准。
OSACA的目标是为数控等自动化设备定义了一个独立于硬件平台、与制造商无关的开放式控制系统参考结构，这些自动化设备不仅包括机床数控，机器人控制，还包括可编程控制器和单元控制器。
遵循OSACA规范的控制器产品将提供更强的客户定制功能，缩短新产品开发的周期，降低产品的开发、维护、培训和文档建立的费用。
OSACA控制系统的体系结构如图1-2所示，包括两个部分:
系统平台和结构化的功能模块。
OSACA系统平台包括操作系统、通讯系统、系统配置、图形服务器和数据库系统等系统平台通过API与具体功能模块AO发生关系。
AO按其控制功能分为:
人机控制，运动控制，逻辑控制，轴控制，过程控制等。
OSACA的软件结构中有三个主要组成部分:
通讯系统、参考体系结构模型和配置系统，它们建立在统一的信息通讯平台基础上。
图1-2OSACA系统结构
3.日本的OSEC计划
OSEC（OpenSystemEnvironmentforCon七roller）计划是在日本国家机器人和工厂自动化研究中心（工ROFA）建立的开放式数控委员会的倡导下，于1995年由东芝机器公司、丰田机器厂和Mazak公司三家机床制造商和日本工BM、三菱电子及SML信息系统公司共同组建的。
其目的是建立一个国家性的工厂自动化控制设备标准，并开发新一代基于PC平台、性能价格比高的开放体系结构数控系统。
OSEC提出的开放式数控系统参考模型如图1-3所示。
这一结构包括了零件造型、工艺规划、机床控制处理（程序解释、操作模块控制、智能处理）、刀具轨迹控制、顺序控制、轴控制等功能，并对各层之间的接口制定了协议。
这些协议从CAD和生产管理开始，分为CAM和生产监控，综合成为任务调度，然后利用各种库进行解释，形成轴控制及PLC所需要的信息和数据，对机床的伺服和执行机构进行控制。
OSEC还定义了一种工厂自动化设备描述语言（FADL）aFADL可以在新的水平上实现CAD/CAM与控制系统之间的集成，具有对硬件的抽象化、对传统数控语言EIA代码（G，S，T）和道具数据的兼容性、能够适应控制的实时解释等特性。
这个体系结构独立于平台，如微处理器、系统单元、操作系统和网络协议，给每个模块的应用提供了相当的自由。
因此用户、控制系统生产商和机床厂制造商都可以很方便地为自己的模块设置或者增加新的功能和特性。
如今，OSEC己发展到由18家公司和一个团体参与的具有较大影响力的组织。
图1-3OSEC参考模型
1.2.2国产数控系统技术的发展
我国的数控技术已经有四十多年的发展历史，期间经历了起步，停滞，引进，消化开发和创新等几个阶段[2]。
从1958年起，一些科学院所、高等学校和少数机床厂开始进行数控系统的研究和开发。
由于受到当时国产电子元器件、加工工艺技术落后、部门经济等因素的制约，未能取得较大的发展，科研和生产基本处于停滞状态。
1980年开始，我国先后从日本和德国引进数控制造技术，合作生产
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