五軸聯(lián)動(dòng)開(kāi)放化數控系統的設計

　　從MIT開(kāi)發(fā)出第一臺三軸銑床數控系統判現在的四1多年中，數控系統的設計方法經(jīng)歷了巨大的變化。特別是近I一年來(lái)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數控系統從整體結構到詳細設計，從軟件設計到硬件設計，都與早期的數控系統有了很大不同。一早期的數控系統出十效率的考慮，許多功能采用硬件電路實(shí)現，專(zhuān)用性很強，可維護性、可擴展性比較差二另一方而，通用計算機的運算速度隨時(shí)間以指數規律不斷提高，現在一臺微機的運算能力已經(jīng)達到或超過(guò)了早期的小型機，而且，通用型微機應用廣泛，有完善和開(kāi)放的標準，有眾多外IIII硬件設備和豐富的軟件資源的支持。借助微機進(jìn)行數控系統的開(kāi)發(fā)可以達到事半功倍的效果，因此成為目前數控領(lǐng)域的國際趨勢。

　　五軸聯(lián)動(dòng)數控系統聯(lián)動(dòng)軸數比較多，同時(shí)義涉及到兩個(gè)回轉運動(dòng)，插補算法復余，而且其各組成部分，如伺服驅動(dòng)單兒、位置反饋單元、誤差補償、電氣控制、機床機械結構等在不同的應用場(chǎng)合有不同的特點(diǎn)，在系統整體設計時(shí)對此應有充分的考慮。目前，多數數控系統不能滿(mǎn)足這種多樣性的需要，對不同的應用場(chǎng)合，就得選用不同型號的數控系統，這勢必增加開(kāi)發(fā)與維護費用。研究開(kāi)放式數控系統及其功能部件，就可以根據用戶(hù)需要，比較容易地對整個(gè)數控系統進(jìn)行重新組合，以提高系統的可移植性、可伸縮性、可維護性和兼容性。

2 數控系統硬件的開(kāi)放化設計

　　2.1 硬件設計的一般原則

　　傳統數控系統的硬件設計分為兩個(gè)流派:采用專(zhuān)用芯片的大板結構與總線(xiàn)式體系結構。人板結構對用戶(hù)而言是一個(gè)封閉的系統，功能的擴展與系統維護都受到限制?？偩€(xiàn)式結構有一定的靈活性，但由于這種總線(xiàn)由生產(chǎn))一自己確定，缺乏共同的行業(yè)標準，不同)一商的產(chǎn)品之間不具備互換性，所以，這種設計方法已不適應現代制造業(yè)的需要。另一方而，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，微機的速度與}一兒年前相比是天壤之別。在這種形勢一「的軟硬件設計中，人們關(guān)注的重點(diǎn)出現了由效率向互換性、可維護性轉移。受其影響，在數控系統的設計進(jìn)程中，由大板結構或專(zhuān)用總線(xiàn)向標準總線(xiàn)、可重組的單兒模塊發(fā)展成為國際趨勢。

　　硬件設計的開(kāi)放化主要體現在總線(xiàn)標準上。開(kāi)放化的數控系統是由多種模塊構成的，模塊通過(guò)標準的總線(xiàn)連成一個(gè)整體?？偩€(xiàn)的選擇應當滿(mǎn)足三個(gè)要求:莊技術(shù)上有一定的先進(jìn)性，能夠滿(mǎn)足數控系統各種功能模塊對信息交互的需要。線(xiàn)標準完全開(kāi)放，且在國際上得到廣泛認可應用，而不是由某個(gè)廠(chǎng)商自己定義使用的某種特殊總線(xiàn)標準。睡其有高度的可靠性。

選擇了合適的總線(xiàn)標準后，才能進(jìn)行各功能模塊的設計。在數控系統中，主要的功能模塊有;運動(dòng)軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機床操作而板及數控而板接口模塊、通訊模塊、顯示模塊等。功能模塊應當能夠重新配置，以免不同模塊I/O端口地址及中斷類(lèi)型發(fā)生沖突口

　　2.2 五軸聯(lián)動(dòng)數控系統的硬件設計

　　在五軸聯(lián)動(dòng)數控系統開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們選擇工控機作為設計的基礎。工控機木身符合多種工業(yè)標準，是一種開(kāi)放化的計算機系統，與常用的微機有良好的兼容性，有大量的軟硬件的支持。目前工控機底板插槽總線(xiàn)類(lèi)型主要有兩種:ISA總線(xiàn)工業(yè)標準總線(xiàn))和PCT總線(xiàn)(外圍設備接口)。ISA總線(xiàn)的數據傳輸速率比較低，但已能滿(mǎn)足數控系統的需要。同時(shí)，高總線(xiàn)速率會(huì )對各功能模塊的硬件提出更高的要求。因此，我們選用TSA總線(xiàn)作為所有模塊設計的基礎。

　　由十五軸聯(lián)動(dòng)插補算法復雜，有大量浮點(diǎn)運算，對實(shí)時(shí)性要求又較高，我們選用Pentium166 CPU完成插補運算。另外，系統中各個(gè)坐標軸還需具備位置控制功能，位置控制實(shí)時(shí)性很強，且控制軸數比較多，該任務(wù)與插補共用一個(gè)CPU會(huì )導致數控系統主機負擔太重，實(shí)時(shí)性不易保證，而且故障風(fēng)險過(guò)于集中，較好做法是何根軸采用一個(gè)獨立的CPU進(jìn)行控制，采用層次式體系結構構成系統。根據位置控制CPU與主機交互信息方法的不同，分為兩種結構見(jiàn)圖1。第一種結構把位置控制板直接插到土控機底板的ISA插槽中，在這種情況下，主機與多個(gè)位控板之間直接進(jìn)行信息傳輸，由于位控板CPU速度低，數據通訊階段會(huì )浪費主機CPU資源，控制軸數越多，主機CPU的效率就越低。此外，主機還需采取措施來(lái)保證多個(gè)位控板在時(shí)間上的準確同步。因此，我們選擇了第二種結構。第二種結構采用單獨的通訊機完成主機與位控板之間的信息傳遞。通訊機一方而通過(guò)雙口存儲器與主機之間進(jìn)行信息交換，另一方而通過(guò)自建的局部總線(xiàn)與位控板進(jìn)行信息交換。雙口存儲器容量為2kb,‘己同時(shí)也起數據緩沖器的作用。這種方案大人減少了主機用于信息交換的CPU時(shí)間。

圖1分布式多CPU數控系統的兩種結構

　　通訊機在系統中起著(zhù)承上啟下的作用。它接收Pentium 166插補得出的各坐標軸位置指令，通過(guò)并行口把這些指令分發(fā)給位控板。另外，通訊機還提供對數控而板按鍵及指不燈的管理功能。通訊機的設計見(jiàn)圖2a圖中的仿ISA總線(xiàn)，提供了通訊機與位控板之間傳輸信息的通道。這時(shí)的“仿TSA總線(xiàn)，，是根據位控板及常用控制插卜的需要而設計的，‘已重建了標準ISA總線(xiàn)的部分信號，包括:I/O操作所需的各種信號線(xiàn)、中斷信號線(xiàn)、就緒控制、電源線(xiàn)等。按照“仿ISA總線(xiàn)”設計的位控板與標準的ISA總線(xiàn)完全兼容口這樣做有兩個(gè)好處:在系統開(kāi)發(fā)階段，通訊機與位控板的設計和調試工作可借助微機各自單獨完成，兩者之間無(wú)先后依賴(lài)關(guān)系:在控制軸數較少的系統中，可以采用圖1中的第一種結構，把位控板自接插到工控機的底板上，方便地實(shí)現對系統的重組。

　　在設汁過(guò)程中，在通訊機與位控板之間，找們曾米用f翻足義的專(zhuān)用總線(xiàn)。專(zhuān)用總線(xiàn)效率高，但根據專(zhuān)用總線(xiàn)設計的位控板與_土控機不兼容，互換性較差，開(kāi)發(fā),試與維護都比較麻煩。為此，我們對這一部分進(jìn)行重新設計，走開(kāi)放化道路，采用“仿ISA總線(xiàn)”向標準總線(xiàn)靠近，收到了良好的效果。

3 數控系統軟件的開(kāi)放化設計

　　開(kāi)放化數控系統的軟件設計首先需要選擇合適的操作系統和軟件開(kāi)發(fā)工具。目前常用的操作系統如005, Windows 3.1, Windows 95, Windaw5 NT等均被應用到數控系統中。DOS木質(zhì)上是一種單任務(wù)操作系統，在DOS下的多任務(wù)只能通過(guò)中斷技術(shù)來(lái)實(shí)現。數控系統各軟件功能模塊一般不能同時(shí)執行，若要同時(shí)執行，需自行解決模塊之間的調度問(wèn)題。但DOS的規模很小，人們對DOS的了解比較多，在DOS上開(kāi)發(fā)應用程度相對容易口Windows3.1 是一種非搶先多任務(wù)操作系統，可同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。其缺點(diǎn)在十某個(gè)任務(wù)，如任務(wù)A得到CPU資源時(shí)，其’言任務(wù)是否能順利執行完成取決于A(yíng)是否能及時(shí)處理完其木次事件，因此實(shí)時(shí)性沒(méi)有保證。Windows 95和Windows NT都是性能優(yōu)異的搶先式3}位多任務(wù)操作系統，操作介而良好，就功能而言，適合數控系統的需要。但在工業(yè)場(chǎng)合使用，其穩定性有待證實(shí)。綜臺考慮的結果，我們選擇了DOS操作系統。與此相應，我們選擇Turbo C++ 3.0作為軟件開(kāi)發(fā)工具。

　　軟件設計:工作分為三個(gè)部分:主機軟件、通訊機軟件和位置控制卡軟件。制訂完善的通訊協(xié)議是其首要問(wèn)題。為了保證可靠傳輸數據，通訊機構件采用分時(shí)處理的方法分別完成與主機及位控卜的信息傳輸。其時(shí)間上的同步關(guān)系見(jiàn)圖3。時(shí)間片的劃分及三部分之間的同步關(guān)系由通訊機進(jìn)行控制。第一時(shí)間片開(kāi)始時(shí)，通訊機向主機及位控卡發(fā)出同步信號，通知主機向雙口RAM中寫(xiě)入新的數據，同時(shí)使位控卡開(kāi)始位置控制運算口第二個(gè)時(shí)間片內，通訊機從雙口RAM中取出位置指令，分發(fā)給各個(gè)位控卡，同時(shí)從各位控卡采集實(shí)際位置數據，寫(xiě)入雙口RAM。

　　主機軟件主要由NC程序編輯模塊、手動(dòng)操作、電氣控制模塊、通訊模塊、自動(dòng)加工、機床參數調整、系統定位、螺矩補償等功能模塊構成。一卜而以電氣控制模塊為例說(shuō)明軟件模塊的開(kāi)放化設計方法。

　　電氣控制是所有機床必不可少的一部分。在數控機床中，其實(shí)現方法有三種:外裝式PLC,嵌入式PLC和虛擬PLC。市場(chǎng)上現有的各種PLC一般具有通訊功能，可以通過(guò)通訊接口與數控系統構成一個(gè)整體，這種電氣控制方式稱(chēng)為外裝式PLC;此外，也可以設計一個(gè)智能型I/O接口，通過(guò)總線(xiàn)_直接與數控系統構成一休，卡上帶有CPU，完成開(kāi)關(guān)邏輯運算與控制，這種方式為嵌入式實(shí)現。也可以_篙接利用數控系統主機CPU周期性地進(jìn)行邏輯運算，配合普通的開(kāi)關(guān)量I/O卡實(shí)現對電氣開(kāi)關(guān)的控制，這種方式稱(chēng)為虛擬PLC。

　　如果采用常規的程序設計方法，對十以上三種電氣控制方式，就得設計不同的軟件接口，數控系統軟件主體就會(huì )直接涉及到電氣控制的實(shí)現方式及其細節，一旦控制方式發(fā)生變化，將不得不對軟件進(jìn)行人工修改二這樣編寫(xiě)出的軟件通用性較差，難以適應預料之外的變化。為了增加軟件與硬件之間的相互獨立性，我們運用而向對象技術(shù)對系統進(jìn)行了開(kāi)放化設計。

　　顯然，不論哪一種控制方式，其目標都是相同的。經(jīng)認真分析，我們找出了三者之間的共同點(diǎn)，由此得出一抽象類(lèi)CPlc,提供了數控機床電氣控制所有的外部特征，為數控系統主體軟件提供了完備的消息處理函數，數控系統中其‘自部分只需向PLC對象發(fā)送消息(message)就可使電氣開(kāi)關(guān)做出相應的動(dòng)作。該部分不涉及電氣操作過(guò)程中的細節。

　　在抽象類(lèi)CPlc的基礎上，針對三種方式分別定義了派生類(lèi)CExernalPic, CEmbedPlc和CVirtual Plc，在這些類(lèi)中，完成消息的解釋及硬件的操作。按照這種設計思想得到的電氣控制部分軟件具有圖4所示的結構口由圖中可以看出，這種設計方法在數控系統主體軟件與電氣控制硬件之間加入了抽象類(lèi)層次，使其相互依賴(lài)性減弱，成為相對獨立的兩部分口運用這種方法得到的數控系統軟件具有與設備無(wú)關(guān)的特征。當有新的硬件設備出現時(shí)，只需在原抽象類(lèi)上派生出新的對象類(lèi)，按照共同的標準對消息進(jìn)行解釋?zhuān)倏v硬件做出相應的動(dòng)作即可，無(wú)需對軟件其‘言部分做任何修改，大人提高了軟件設計的效率，實(shí)際_匕在對消息的數據結構及其意義做出明確的規范后，其它任何人都可以參照該規范設計出新的電氣控制硬件及相應的驅動(dòng)程序，集成入系統中二這也是軟件開(kāi)放化設計的主要目的。

　　上而以PLC為例說(shuō)明了數控系統軟件開(kāi)放化設計的思想。我們按照這種思路完成了數控系統的軟件設計。雖然在開(kāi)發(fā)初期反復做了多次分析討論，但在系統結構確定后，軟硬件開(kāi)發(fā)還是比較順利的。從開(kāi)發(fā)過(guò)程和聯(lián)機調試情況來(lái)看，開(kāi)放化設計可以有效縮短軟件的開(kāi)發(fā)周期，提高數控系統軟件的質(zhì)量。