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1、 摘 要 随着数控加工技术的发展和复杂曲面零件的广泛应用，数控系统被广泛应用于机械、电子、计算机、自动控制、检测等各个领域，开放式数控系统的研究目的是要建立一种新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统机构，以增强数控系统的功能柔性，能够快速而经济地响应新的加工需求。 本文围绕着开放式CNC （Computer Numerical Control）系统设计中的若干关键技术，从体系结构分析、系统硬件结构地开放化设计等方面进行了研究。全文主要研究工作如下： 系统研究了基于PC的开放式CNC系统的关键性基础问题:CNC体系结构的概念及其对系统性能和发展的重要性，现有CNC系统体系结构的特点和缺陷，CNC
2、系统体系结构开放的必要性、开放的理念和目标以及实现开发的途径。在需求分析的基础上，谈论了开放式CNC体系结构的设计原则和概念模型。 对开放体系结构CNC系统的开放特性需求，研究讨论了基于CAN总线的模块化体系结构以及各功能模块。 关键词: 数控系统 开放体系结构 CAN总线 PCI总线 Abstract With the development and broad used of CNC technology and complex curves, openCNC system base on PC has been used in machine, electron, computer, a
3、utocontrol, inspectevice etc. The research purpose of open CNC system is to build a modular, reconfigurableand expandable architecture of CNC systems to improve the systems flexibility, and enablethe systems to be re-developed. As a result, CNC systems can be responsive to the marketquickly and econ
4、omically. In this thesis, some key aspects and technology on the design of openarchitecture CNC systems are researched, including system architecture analysis. openhardware structure design, driver developing, curve interpolation technology in motioncontrol, etc. Following are the main works and res
5、ults: thefeatures and drawbacks of current architecture, and why and how for CNC systems to be open.Some principles and a concept model for open architecture systems are proposed which canbe used as the guidance of detailed design of the software and hardware.Design methods of the modular system and
6、 its function modules base on CAN-busand PCI-bus are presented in details. Keyword: CNC Open-architecture CAN-bus PCI-bus目 录前言 61.数控技术产生的背景 62.开放式数控系统结构的产生背景 63.本课题的来源和研究意义 71.数控系统的发展 81.1 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 122.开放式数控系统的理论研究 122.1开放式数控系统体系结构 122.1.1开放体系
7、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 142.2 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 223.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 3.1.2 CAN总线原理与特点 26 3.1.3 DSP
8、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 3.2.3 DSP和计算机通讯设计 34 3.2.4 DSP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 3.3.2 PMC模块设计 35 3.3.3操作面板I/O模块设计 36 本章小结 364.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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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；S IMENS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
