开放式数控系统体系结构

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1、数控系统体系结构黄大贵 2003.3.16数控技术的发展历程l硬件数控阶段(1952-1970)l计算机数控系统的发展和完善阶段(1970-1986)l高速高精度CNC的开发与应用阶段(1986-)l基于PC的开放式CNC的开发与应用(1994-)数控系统体系结构 硬件CNC系统的硬件是系统工作的物质基础， 其中由CPU、总线、程序存储器、数据存储器 和外设构成了专用计算机的基本系统。由人机 控制、运动控制、可编程机床控制器(PMC)及 基本输入输出接口构成设备支持层，可以和各 种外部设备、系统连接。数控系统体系结构 硬件数控系统体系结构 软件CNC系统的软件一般由操作系统、CNC管 理软件和

2、控制软件组成。数控系统体系结构 软件l操作系统提供基本的软件开发平台和运行支持；lCNC管理软件承担零件加工程序的输入输出、 系统的状态显示和故障诊断以及CNC各功能软 件的协调调度等l控制软件负责完成CNC系统的加工控制功能， 包括零件程序的解释、数据处理、刀具补偿、插 补运算，各坐标轴的位置控制、速度控制以及机 床的辅助装置控制等。专用型CNC系统的体系结构l硬件结构总线独用型单总线带宽分用型多总线结构型l软件结构前后台型中断型专用型CNC系统的硬件结构（一）l总线独用型系统只有一条总线，有一个CPU能够控制 总线，占用总线资源，分时处理数控的各个功 能和任务。这一类型可以有一个以上的CP

3、U， 但其它CPU只是作为一个智能的功能部件，不 能控制系统总线，不能访问主存储器。单总线分用型数控系统框图专用型CNC系统的硬件结构（二）l单总线带宽分用型这是一种多微处理器CNC系统结构。主体 结构采用带有独立CPU或DMA器件的硬件功能 模块，系统总线把各个模块有效的连接在一起 ，各模块都有权使用系统总线，而在某一时刻 只能有一个模块按其任务的紧迫程度有顺序地 占用总线，由总线仲裁功能或指定某个CPU来 完成这一优先顺序的确定。FANUC15功能模块框图专用型CNC系统的硬件结构（三）l多总线结构型在这种多微处理器结构中，每个子系统或 模块有各自的局部总线，而各模块之间采用总 线互连实现

4、信息交换与协调。常见的连接方式 是，采用多端口存储器构成总线转换器对多条 总线进行隔离和互连，或采用网络方式连接。MTCI CNC系统结构框图专用型CNC系统的软件结构（一）l前后台型结构模式这种模式的特点是，前台程序是一个中断 服务程序，它几乎承担了系统的全部实时功能 （如插补、位控等），而调度管理和人机交互 则在背景程序中完成。背景程序是一个循环运 行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序 不断插入，共同完成数控加工任务。专用型CNC系统的软件结构（二）l中断型结构模式这种模式的特点是，除了初始化程序之外 ，整个系统软件的各种任务模块按轻重缓急分别 安排在不同级别的中断服务程序中。整个软件

5、就 是一个大的中断系统。其管理功能主要是通过各 级中断服务程序之间的相互通讯来解决。现代数控系统的技术特征l加工控制的高速化、高精度化l应用环境网络化、集成化l体系结构柔性化、开放化l智能化技术广泛应用（一）加工控制的高速化、高精度化l加工速度和加工精度是衡量CNC系统性能的主 要指标l微处理器由16位向32位过渡，甚至采用64位 RISC系统l配置多微处理器实现分散处理l采用实时多任务操作系统进行并行处理（二）应用环境网络化、集成化l与上位主机之间通过以太网交换管理信息l与控制系统服务中心之间通过Internet传递维护 数据l通过Internet作为对外加工代理，交换制造数据l通过现场总线

6、与车间其他现场设备及I/O装置通 讯（三）体系结构柔性化、开放化目前制造业中使用的CNC系统，大多是基 于专用计算机设计而成的，这给系统的使用维护 、更新换代、系统集成带来很多不便。随着PC技术的引入，基于模块化、标准化 、开放化的柔性化结构体系对CNC技术的发展 具有重大意义。（四）智能化技术广泛应用l为追求加工效率和加工质量的智能化l为提高驱动性能方面的智能化l简化编程、简化操作方面的智能化l加工过程控制方面的智能化开放体系结构数控系统的研究l美国的NGC和OMAC计划l欧盟的OSACA计划l日本的OSEC计划The Next Generation Work- station/Machin

7、e Controller1987年美国政府出台NGC研究计划，由美 国国家制造科学中心与空军共同领导，于1989 年开始实施。NGC计划的目标是，为基于开放式体系结 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。NGC系统体系结构Open Modular Architecture Controller美国Ford、GM和Chrysler等公司在NGC计 划的指导下，联合提出了OMAC开发计划，定义 了系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机 接口、

8、运动控制、传感器接口等标准的OMAC API，构造了完整的体系结构。该计划的实现将 使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开 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。Open System Architecture for Control within Automation System该计划共分为三个阶段，其中第一阶段和 第二阶段均己实现，主要完成了OSACA现范、 应用指南，并依照OSACA规范开发了标准的通 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、美的相关机构 进行接

9、触，以期建立一个国际性的控制器标准。OSACA系统结构Open System Environment for ControllerOSEC计划是在日本国际机器人和工厂自动 化研究中心（IROFA）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IBM 、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参考结构开放式数控系统的概念IEE（国际电气电子工程师协会）对开放式 数控系统的定义是：“符合系统规范的应用可以 运行在

10、多个销售商的不同平台上，可以与其它的 系统应用互操作，并且具有一致风格的用户交互 界面”。开放体系结构概念的理解开放性的概念可从两个方面进行理解：一 是时间的开放性，二是空间的开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范 化而言的，以保证平台具有适应新技术的发展、 容纳新设备的能力。时间的开放性又有可扩展性 和可移植性两个方面；空间的开放性是针对系统接口及其规范化 而言的，它又可分为互操作性和互换性。开放式数控系统的特征l可扩展性l可移植性l互换性l互操作性开放式数控系统的特征（一）l可扩展性可扩展性包括规模可扩展性和换代可扩 展性。规模可扩展性是指一个开放式的数控 系统可以通过增减部件改变系

11、统的功能或性 能：换代可扩展性，是指随着时间和技术的 迁移，组成数控系统的硬件和软件具有可升 级性。开放式数控系统的特征（二）l可移植性可移植性要求数控系统能够在多个厂商提 供的平台上面运行。因此，系统的功能软件应与 设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、 控制机制，并且通过一致的设备接口，使各功能 模块能运行于不同供应商提供的硬件平台上。开放式数控系统的特征（三）l互换性互换性要求构成数控系统的部件在功能、 性能或可靠性等要求不同时，能够用另种部件进 行替换。互换性使得一个数控系统不再是专有的 ，它可以由来自不同厂家的不同部件所构成。这 对提高数控系统的性能价格比具有重要意义。开放式数控

12、系统的特征（四）l互操作性互操作性表征了构成系统内部的各个部件 在一起协调工作的能力。开放式数控系统的互操 作性通过一个统一的、标准的通讯系统来实现， 这个通讯系统不仅允许数据的交换并且定义了交 换的协议。开放式数控系统的组成l开放系统的标准现范和平台软件l基于开放式数控平台的高性能应用系统l全数字式高精度伺服控制器开放式数控系统的结构控制系统的开放途径基于PC的开放式体系结构lPC板嵌入NClNC板嵌入PC机l软件NC基于PC的开放式体系结构（一）lPC板嵌入NC(专用CNC+PC型)即在传统的专机数控中简单地嵌入PC技术 ，使得整个系统可以共享一些计算机的软、硬件 资源，计算机主要起到辅助

13、编程、分析、监控、 指挥生产、编排工艺等工作。这种数控系统由于 其开放性只在PC部分，其专业的数控部分仍处 于瓶颈结构。基于PC的开放式体系结构（二）lNC板嵌入PC机(运动控制器+PC型)即完全采用以PC为硬件平台的数控系统。 这种系统近年的提法比较多，主要有基于PC或 PCBase等，其中最主要的部件是计算机和控 制运动的控制器。控制器以美国DeltaTau公司 生产的PMAC多轴运动控制器最为出色 。基于PC的开放式体系结构（三）l软件NC(纯PC型)即完全采用PC的全软件形式的数控系统 ，但由于存在着操作系统的实时性、标准统一 性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于 探求阶段，还没有

14、大规模投入到实际的应用中 。国外开放式数控系统的发展方向在集成化的基础上，国外数控系统正在向超 薄型、小型化发展；在智能化的基础上，综合了 计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等学科， 数控系统逐步向高速度、高精度、高效率方向发 展；加工过程中，数控系统可以自动修正、调节 与补偿各项参数，正在向在线诊断和智能化故障 处理发展；在网络化基础上，CADCAM与数 控系统集成为一体，机床联网，逐步实现中央集 中控制的群控加工。国内开放式数控系统的研究方向l基于软件芯片的开放式数控系统l基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统l基于WIN98/NT的开放式数控系统l基于可重构软构件(组件技术)的开放式数

15、控系统开放式CNC系统硬件总体结构l硬件模块的划分单PC机主从分布式结构多PC机分布式结构单PC机系统l总线选择并行PC总线串行现场总线l网络协议的选择以太网令牌总线网CAN总线网开放式CNC系统软件总体结构数控软件的总体结构可以设计成六层，即 输入层、译码层、刀补层、协调层、监控层、设 备驱动层。输入层是数控程序，译码层将数控指令解 释成为数控系统的内部数据格式，刀补层进行刀 具补偿、协调层将指令分解到数控系统的各个功 能部件，监控层对于系统当前的的状态和当前指 令的合法性进行检验，设备驱动层直接实现对系 统功能部件的控制。开放式CNC系统 软件总体结构图开放式CNC系统软件特点开放式CNC

16、数控系统是一个多任务并行处 理系统，在同一时刻或同一时间间隔内必须完成 两种或两种以上性质不同或相同的工作。为了协 调复杂的数控系统功能，各种功能之间必须交叉 运行，由此形成了一个复杂的实时多任务并行处 理系统。CNC系统多任务处理开放式CNC系统软件结构整个系统软件分为两大部分：前台程序和后台程 序。前台程序是一个实时中断服务程序，承担了全部 的实时功能，实现与机床动作直接相关的功能，如插 补、位置控制、机床相关逻辑和监控等。后台程序是 一个循环执行程序在这个程序中，主要处理一些实时 性要求不高的工作，如输入、译码、数据预处理等插 补准备工作和相关的管理工作。在后台程序循环运行的过程中，前台程序以实时 中断的方式，按照一定的周期不断插入，二者密切配 合，共同完成数控系统要求的全部功能。前后台型软件结构开放式CNC系统软件模块的化分l人机交互界面模块l零件代码解释模块l刀补预处理模块l轨迹插补模块l轴伺服控制模块lPLC控制模块l诊断模块Win9X/NT下开放式CNC软件设计途径l消息事件驱动机制l多任务、多线程机制l保护模式下的中断