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1、毕业论文毕业论文-基于基于 PCPC 的开放式数控系统的开放式数控系统西北工业大学 硕士学位论文 基于 PC 的开放式数控系统 姓名：赵春红 申请学位级别：硕士 专业：测试计量技术及仪器 指导教师：唐虹 20030101 西北丁业人学顺|j 学位论文 摘要 摘要 数控机床的拥有量及其年产量是一个国家制造能力的重要标志，数控系统 的发展是促进数控机床不断发展的技术因素。传统的数控系统都是封闭的，用 户难以在其平台上进行二次-丌发，而开放式数控系统可解决这一问题。基于 PC 的开放式数控系统已成为当前 CNC 技术发展的必然趋势。 文中系统、全面地对丌放式体系结构和系统平台进行了研究，分析了国内
2、外开放式数控系统的研究情况和在 PC 平台上实现开放式体系结构的发展现 状，并对基于 Pc 平台的开放式数控系统的硬件结构和软件模块进行了方案设 计。硬件结构方面，选择 PC 内减 CNC 型结构，并对基于 PCI 总线的运动控 制卡进行设计。软件方面，对上下位机的软件模块进行了划分和功能设计，并 详细研究了 PC板卡的驱动程序设计。为下一阶段的开发工作提供了理论框架 和实现基础。 关键词：开放式数控系统 PCPCI 总线运动控制卡 驱动程序 西北 T 业人学坝 I：学位论文 ABSTRACT ABSTRACT almost Numerical arefound Control CNC mac
3、hines Today，Compmer rural small in communitiestoFortune500 everywhere，fromjob companies shops urban of in areasThe hasbeen manufacturing upgraded large productivity greatly astheresultofthe oftheCNC andannual employment technologyThepossession ofCNC the of machineindicate the output manufacturingabi
4、lity countryThe ofCNC fromthe of machinebenefits CNC improvement developmentsystem AlloftheconventionalCNC areinterfaceclosedItisdifficultto systems themortoaddnew for cansolvethis function change usersOpen?CNCsystems with onthebaseof thestructureofthe its problemAnd system platform open-CNC thePers
5、onal an trendofthe CNC Computer PC isimportant presenttechnology and of in Weintroduceindetailthestructure the platformopen-CNCsystem this The of is hardware thesis state systemsanalyzedThe present openCNC iS theCNC motion structurediscussedWechoose enclosedPCstructureThe of dividedThe controlcardba
6、sedonPCIbusis modulesoftwareis designedThe driver of andthe isdiscussedThese functioneachmoduleisdesigned program base referenceframeandrealizationforfurthermsearch provide Personal Keywords：Open-CNC Deviee MotionControlCard Driver 西北 T 业大学碳卜学位论史 第一章 绪论 第一章 绪论 20 世纪 40 年代术数字计算机诞生，不久就被试用于控制加工机床，其特 点是
7、把过去利用人工、行程刀：关或模板产生的加工信息数字化，并用以控制机 床的加工运动，这就是数字控制机床，简称数控机床。历经半个多世纪的发展 和应用，数控机床的拥有量及其年产量已经成为一个国家制造能力的重要标 志。 数控机床几十年的发展历史表明，促进数控机床不断发展的技术因素是数 控系统和伺服系统的发展。数控系统伴随着计算机技术的发展而发展，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，又称普通 数控系统 NC，NumericalContr01 ：随着计算机技术的发展，硬件数控系统 Numerical 已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统 CNC，Computer Con
8、tr01 。CNC 系统完全由软件处理数字信息，因而具有真正的柔性，并可处 理逻辑电路难以处理的复杂信息，使数字控制系统的性能大大提高。 11 开放式数控系统的提出与研究现状 长期以来国际上著名的数控设备制造公司，对 CNC 均采取封闭式设计，各自设计生产自己的 CNC，彼此并不兼容。表现为： 1 组成系统的硬件是专用的，主板、CPU 板、伺服板以及它们的连接 方式等都是专门设计的，与其它系统同类型的电路板不通用； 2 系统软件结构是专用的，系统软件的技术细节不公开、不提供给用 户： 3 虽然在系统结构上采用模块化设计，分为人机交互模块、零件程序 译码和数据处理模块、轨迹插补模块、轴伺服控制模
9、块、IO 模块和任务协调 模块等，但各公司在具体实现方法上有着很大的差别，这与各生产商选择的基 础技术、技术政策、指导方针、发展历史等因素有关。例如系统各模块阃的交 两北丁 业人学颁卜学位论文 第一章 绪论 互方式、通讯机制等因系统的不同而不同，所以各个系统是相对独立而彼此封 闭的。 这给数控机床制造厂家的生产和最终用户的使用、维护带来诸多不便。很 多情况下，用户需要把特殊要求融入到控制系统中，传统数控系统的封闭性， 使得对它的修改和功能扩充极为有限，造成数控机床制造厂对控制系统供应商 的依赖，不仅使机床制造厂的技术保密性降低，同时使得机床制造厂从一种控 制系统转换到另一种控制系统成为一件十分
10、耗费精力和时间的事情；最终用户 在使用、维护控制系统时同样面临这个问题：更为不便的是，软件对硬件的不 可移植性使得计算机和其它领域的先进技术在 CNC 中的应用也存在相对的滞 后期。为了克服上述不足，国外许多企业和政府研究机构在数控系统的开放性 方面做了大量的研究工作。 1981 年美国发起了一个叫做下一代控制器的计划，简称 NGC Next GenerationWorkstationMachine Controller ，旨在为基于开放式体系结构的控制 器提供一个标准，在此标准下，不同的设计人员可依据规范开发出具有互换性 和互操作性的控制器部件。此计划已形成了一份开放式系统体系结构规范 of
11、an Architecture SOSAS SpecificationOpenSystem Standard ，并开发了基于 SOSAS 的 CNC 型谱系列。 1994 年由通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司启动了名为“开放式模块化 其目的是用更加开放、更加模块化的控制结构使制造系统更具柔性、更加敏捷。 该计划启动不久便公布了一名为“OMACAPT”的规范，并促成了系列相关 研究项目的运行。 1990 年由欧共体国家的 22 家控制器丌发商、机床生产厂家、控制系统集 ArchitectureforControls System 成商和科研机构联合发起了 OSACA Open withinAut
12、omation Systems 计划。其目的是制定一个与制造商无关的开放式控 制系统的一种分层参考体系结构，以便能够快速而高效地适应新的需求。1994 年完成了开放式控制系统平台和系统参考结构的定义，1996 年完成了原型系统 的开发。 1994 年由东芝机器、三菱电子等 6 家同本公司联合成立了一个名为控制器 Environmentfor 开放系统环境 OpenSystem 西北 T 业人学坝 I学位论文 第一章 绪论 员会。它研究的重点是在 NC 本身和分布式 DNC 控制系统上，它认为站在制 造的角度看 NC 是分布式 DNC 系统的一个服务器。OSEC 所谓的开放式系统 本身就被认为是
13、一个分布式系统，它能满足用户对制造系统不同配置的要求、 最小化费用的要求和应用先进控制算法及基于 PC 的标准化人机界面的要求。12 基于 PC 的开放式数控系统结构 从八十年术美国提出开放式数控系统的概念算起，丌放式数控系统已经经 历了二十多年不平凡的发展历程。 研究、丌发、设计开放式系统首先要回答的问题是，系统应如何构成或组 成，为此必须研究体系结构中硬软件功能划分的概念、原则，功能模块任务及 各功能间联系；必须回答系统开放程度，并由此制定不同开放程度时不同的结 构；必须研究开放体系系统的容量问题，即如何防止“系统”过载。这些问题 在 NGc、OSACA、OSEC 中都在进行探讨。 一个开放式的系统应当具有在各种不同的平台上以及其他应用系统中运 行的特性。为达到这一要求，开放式数控系统对用户而言应该是透明的，它允 许各个设计者按照统一的工业标准或规范去开发自己的控制元件，而这些元件 具有良好的兼容性，用户可很容易地完成从一个制造商控制系统到另一制造
