開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)黃大貴2003.3.16數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷程硬件數(shù)控階段(1952-1970)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和完善階段(1970-1986)高速高精度CNC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用階段(1986-)基于PC的開(kāi)放式CNC的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用(1994-)數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)——硬件CNC系統(tǒng)的硬件是系統(tǒng)工作的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中由CPU、總線、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和外設(shè)構(gòu)成了專(zhuān)用計(jì)算機(jī)的基本系統(tǒng)。由人機(jī)控制、運(yùn)動(dòng)控制、可編程機(jī)床控制器(PMC)及基本輸入輸出接口構(gòu)成設(shè)備支持層，可以和各種外部設(shè)備、系統(tǒng)連接。數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)——硬件

數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)——軟件

CNC系統(tǒng)的軟件一般由操作系統(tǒng)、CNC管理軟件和控制軟件組成。數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)——軟件操作系統(tǒng)提供基本的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和運(yùn)行支持；CNC管理軟件承擔(dān)零件加工程序的輸入輸出、系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和故障診斷以及CNC各功能軟件的協(xié)調(diào)調(diào)度等控制軟件負(fù)責(zé)完成CNC系統(tǒng)的加工控制功能，包括零件程序的解釋、數(shù)據(jù)處理、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算，各坐標(biāo)軸的位置控制、速度控制以及機(jī)床的輔助裝置控制等。專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)總線獨(dú)用型單總線帶寬分用型多總線結(jié)構(gòu)型軟件結(jié)構(gòu)前后臺(tái)型中斷型專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（一）總線獨(dú)用型 系統(tǒng)只有一條總線，有一個(gè)CPU能夠控制總線，占用總線資源，分時(shí)處理數(shù)控的各個(gè)功能和任務(wù)。這一類(lèi)型可以有一個(gè)以上的CPU，但其它CPU只是作為一個(gè)智能的功能部件，不能控制系統(tǒng)總線，不能訪問(wèn)主存儲(chǔ)器。單總線分用型數(shù)控系統(tǒng)框圖專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（二）單總線帶寬分用型這是一種多微處理器CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。主體結(jié)構(gòu)采用帶有獨(dú)立CPU或DMA器件的硬件功能模塊，系統(tǒng)總線把各個(gè)模塊有效的連接在一起，各模塊都有權(quán)使用系統(tǒng)總線，而在某一時(shí)刻只能有一個(gè)模塊按其任務(wù)的緊迫程度有順序地占用總線，由總線仲裁功能或指定某個(gè)CPU來(lái)完成這一優(yōu)先順序的確定。FANUC15功能模塊框圖專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（三）多總線結(jié)構(gòu)型在這種多微處理器結(jié)構(gòu)中，每個(gè)子系統(tǒng)或模塊有各自的局部總線，而各模塊之間采用總線互連實(shí)現(xiàn)信息交換與協(xié)調(diào)。常見(jiàn)的連接方式是，采用多端口存儲(chǔ)器構(gòu)成總線轉(zhuǎn)換器對(duì)多條總線進(jìn)行隔離和互連，或采用網(wǎng)絡(luò)方式連接。MTCICNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（一）前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式這種模式的特點(diǎn)是，前臺(tái)程序是一個(gè)中斷服務(wù)程序，它幾乎承擔(dān)了系統(tǒng)的全部實(shí)時(shí)功能（如插補(bǔ)、位控等），而調(diào)度管理和人機(jī)交互則在背景程序中完成。背景程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，在其運(yùn)行過(guò)程中，前臺(tái)實(shí)時(shí)中斷程序不斷插入，共同完成數(shù)控加工任務(wù)。專(zhuān)用型CNC系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)（二）中斷型結(jié)構(gòu)模式這種模式的特點(diǎn)是，除了初始化程序之外，整個(gè)系統(tǒng)軟件的各種任務(wù)模塊按輕重緩急分別安排在不同級(jí)別的中斷服務(wù)程序中。整個(gè)軟件就是一個(gè)大的中斷系統(tǒng)。其管理功能主要是通過(guò)各級(jí)中斷服務(wù)程序之間的相互通訊來(lái)解決?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)特征加工控制的高速化、高精度化應(yīng)用環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化、集成化體系結(jié)構(gòu)柔性化、開(kāi)放化智能化技術(shù)廣泛應(yīng)用（一）加工控制的高速化、高精度化加工速度和加工精度是衡量CNC系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)微處理器由16位向32位過(guò)渡，甚至采用64位RISC系統(tǒng)配置多微處理器實(shí)現(xiàn)分散處理采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行并行處理（二）應(yīng)用環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化、集成化與上位主機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)交換管理信息與控制系統(tǒng)服務(wù)中心之間通過(guò)Internet傳遞維護(hù)數(shù)據(jù)通過(guò)Internet作為對(duì)外加工代理，交換制造數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線與車(chē)間其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及I/O裝置通訊（三）體系結(jié)構(gòu)柔性化、開(kāi)放化目前制造業(yè)中使用的CNC系統(tǒng)，大多是基于專(zhuān)用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)而成的，這給系統(tǒng)的使用維護(hù)、更新?lián)Q代、系統(tǒng)集成帶來(lái)很多不便。隨著PC技術(shù)的引入，基于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、開(kāi)放化的柔性化結(jié)構(gòu)體系對(duì)CNC技術(shù)的發(fā)展具有重大意義。（四）智能化技術(shù)廣泛應(yīng)用為追求加工效率和加工質(zhì)量的智能化為提高驅(qū)動(dòng)性能方面的智能化簡(jiǎn)化編程、簡(jiǎn)化操作方面的智能化加工過(guò)程控制方面的智能化開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究美國(guó)的NGC和OMAC計(jì)劃歐盟的OSACA計(jì)劃日本的OSEC計(jì)劃TheNextGenerationWork-station/MachineController1987年美國(guó)政府出臺(tái)NGC研究計(jì)劃，由美國(guó)國(guó)家制造科學(xué)中心與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)，于1989年開(kāi)始實(shí)施。

NGC計(jì)劃的目標(biāo)是，為基于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的下一代機(jī)械制造控制器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，在這一標(biāo)準(zhǔn)的支持下，不同的設(shè)計(jì)人員可以開(kāi)發(fā)出具有互換性和互操作性的控制部件。基于這一標(biāo)準(zhǔn)的控制器具有體系結(jié)構(gòu)開(kāi)放、適用范圍廣、能適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)。NGC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)OpenModularArchitectureController美國(guó)Ford、GM和Chrysler等公司在NGC計(jì)劃的指導(dǎo)下，聯(lián)合提出了OMAC開(kāi)發(fā)計(jì)劃，定義了系統(tǒng)基礎(chǔ)框架、信息庫(kù)管理、任務(wù)調(diào)度、人機(jī)接口、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器接口等標(biāo)準(zhǔn)的OMACAPI，構(gòu)造了完整的體系結(jié)構(gòu)。該計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將使系統(tǒng)制造廠、機(jī)床廠和最終用戶分別從縮短開(kāi)發(fā)周期、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用、便于系統(tǒng)集成和二次開(kāi)發(fā)、簡(jiǎn)化系統(tǒng)的使用和維護(hù)等方面受益。OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystem該計(jì)劃共分為三個(gè)階段，其中第一階段和第二階段均己實(shí)現(xiàn)，主要完成了OSACA現(xiàn)范、應(yīng)用指南，并依照OSACA規(guī)范開(kāi)發(fā)了標(biāo)準(zhǔn)的通用系統(tǒng)平臺(tái)和軟件模塊。第三階段的計(jì)劃正在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，其主要目標(biāo)是推廣OSACA思想以及前期工作的技術(shù)成果，同時(shí)與日、美的相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行接觸，以期建立一個(gè)國(guó)際性的控制器標(biāo)準(zhǔn)。OSACA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)OpenSystemEnvironmentforController

OSEC計(jì)劃是在日本國(guó)際機(jī)器人和工廠自動(dòng)化研究中心（IROFA）建立的開(kāi)放式數(shù)控委員會(huì)的倡導(dǎo)下，于1995年由東芝機(jī)器公司、豐田機(jī)器廠和Mazak公司三家機(jī)床制造商和日本IBM、三菱電子及SML信息系統(tǒng)公司共同組建的。其目的是建立一個(gè)國(guó)家性的工廠自動(dòng)化控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)發(fā)新一代基于PC平臺(tái)、性能價(jià)格比高的開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)。OSEC參考結(jié)構(gòu)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的概念I(lǐng)EE（國(guó)際電氣電子工程師協(xié)會(huì)）對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的定義是：“符合系統(tǒng)規(guī)范的應(yīng)用可以運(yùn)行在多個(gè)銷(xiāo)售商的不同平臺(tái)上，可以與其它的系統(tǒng)應(yīng)用互操作，并且具有一致風(fēng)格的用戶交互界面”。開(kāi)放體系結(jié)構(gòu)概念的理解開(kāi)放性的概念可從兩個(gè)方面進(jìn)行理解：一是時(shí)間的開(kāi)放性，二是空間的開(kāi)放性。

時(shí)間的開(kāi)放性是針對(duì)軟硬件平臺(tái)及其規(guī)范化而言的，以保證平臺(tái)具有適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展、容納新設(shè)備的能力。時(shí)間的開(kāi)放性又有可擴(kuò)展性和可移植性?xún)蓚€(gè)方面；

空間的開(kāi)放性是針對(duì)系統(tǒng)接口及其規(guī)范化而言的，它又可分為互操作性和互換性。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征可擴(kuò)展性可移植性互換性互操作性開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征（一）可擴(kuò)展性可擴(kuò)展性包括規(guī)?？蓴U(kuò)展性和換代可擴(kuò)展性。規(guī)模可擴(kuò)展性是指一個(gè)開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)可以通過(guò)增減部件改變系統(tǒng)的功能或性能：換代可擴(kuò)展性，是指隨著時(shí)間和技術(shù)的遷移，組成數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件具有可升級(jí)性。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征（二）可移植性可移植性要求數(shù)控系統(tǒng)能夠在多個(gè)廠商提供的平臺(tái)上面運(yùn)行。因此，系統(tǒng)的功能軟件應(yīng)與設(shè)備無(wú)關(guān)，即應(yīng)用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式、交互模型、控制機(jī)制，并且通過(guò)一致的設(shè)備接口，使各功能模塊能運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的硬件平臺(tái)上。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征（三）互換性互換性要求構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)的部件在功能、性能或可靠性等要求不同時(shí)，能夠用另種部件進(jìn)行替換。互換性使得一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)不再是專(zhuān)有的，它可以由來(lái)自不同廠家的不同部件所構(gòu)成。這對(duì)提高數(shù)控系統(tǒng)的性能價(jià)格比具有重要意義。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征（四）互操作性互操作性表征了構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)部件在一起協(xié)調(diào)工作的能力。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的互操作性通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，這個(gè)通訊系統(tǒng)不僅允許數(shù)據(jù)的交換并且定義了交換的協(xié)議。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的組成開(kāi)放系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)范和平臺(tái)軟件基于開(kāi)放式數(shù)控平臺(tái)的高性能應(yīng)用系統(tǒng)全數(shù)字式高精度伺服控制器開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的開(kāi)放途徑基于PC的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)PC板嵌入NCNC板嵌入PC機(jī)軟件NC基于PC的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)（一）PC板嵌入NC(專(zhuān)用CNC+PC型)即在傳統(tǒng)的專(zhuān)機(jī)數(shù)控中簡(jiǎn)單地嵌入PC技術(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)可以共享一些計(jì)算機(jī)的軟、硬件資源，計(jì)算機(jī)主要起到輔助編程、分析、監(jiān)控、指揮生產(chǎn)、編排工藝等工作。這種數(shù)控系統(tǒng)由于其開(kāi)放性只在PC部分，其專(zhuān)業(yè)的數(shù)控部分仍處于瓶頸結(jié)構(gòu)?；赑C的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)（二）NC板嵌入PC機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制器+PC型)即完全采用以PC為硬件平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)。這種系統(tǒng)近年的提法比較多，主要有基于PC或PCBase等，其中最主要的部件是計(jì)算機(jī)和控制運(yùn)動(dòng)的控制器?？刂破饕悦绹?guó)DeltaTau公司生產(chǎn)的PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制器最為出色?；赑C的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)（三）軟件NC(純PC型)即完全采用PC的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)，但由于存在著操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性及系統(tǒng)穩(wěn)定性等問(wèn)題，這種系統(tǒng)目前正處于探求階段，還沒(méi)有大規(guī)模投入到實(shí)際的應(yīng)用中。國(guó)外開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向在集成化的基礎(chǔ)上，國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)正在向超薄型、小型化發(fā)展；在智能化的基礎(chǔ)上，綜合了計(jì)算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等學(xué)科，數(shù)控系統(tǒng)逐步向高速度、高精度、高效率方向發(fā)展；加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)可以自動(dòng)修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項(xiàng)參數(shù)，正在向在線診斷和智能化故障處理發(fā)展；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD／CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，逐步實(shí)現(xiàn)中央集中控制的群控加工。國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究方向基于軟件芯片的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)基于數(shù)字伺服現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)基于WIN98/NT的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)基于可重構(gòu)軟構(gòu)件(組件技術(shù))的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)硬件模塊的劃分單PC機(jī)主從分布式結(jié)構(gòu)多PC機(jī)分布式結(jié)構(gòu)單PC機(jī)系統(tǒng)總線選擇并行PC總線串行現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇以太網(wǎng)令牌總線網(wǎng)CAN總線網(wǎng)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)數(shù)控軟件的總體結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成六層，即輸入層、譯碼層、刀補(bǔ)層、協(xié)調(diào)層、監(jiān)控層、設(shè)備驅(qū)動(dòng)層。輸入層是數(shù)控程序，譯碼層將數(shù)控指令解釋成為數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式，刀補(bǔ)層進(jìn)行刀具補(bǔ)償、協(xié)調(diào)層將指令分解到數(shù)控系統(tǒng)的各個(gè)功能部件，監(jiān)控層對(duì)于系統(tǒng)當(dāng)前的的狀態(tài)和當(dāng)前指令的合法性進(jìn)行檢驗(yàn)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)層直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能部件的控制。開(kāi)放式CNC系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖開(kāi)放式CNC系統(tǒng)軟件特點(diǎn)開(kāi)放式CNC數(shù)控系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)并行處理系統(tǒng)，在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)必須完成兩種或兩種以上性質(zhì)不同或相同的工作。為了協(xié)調(diào)復(fù)雜的數(shù)控系統(tǒng)功能，各種功能之間必須交叉運(yùn)行，由此形成了一個(gè)復(fù)雜的實(shí)時(shí)多任務(wù)并行處理系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)多任務(wù)處理開(kāi)放式CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)軟件分為兩大部分：前臺(tái)程序和后臺(tái)程序。前臺(tái)程序是一個(gè)實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序，承擔(dān)了全部的實(shí)時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)與機(jī)床動(dòng)作直接相關(guān)的功能，如插補(bǔ)、位置控制、機(jī)床相關(guān)邏輯和監(jiān)控等。后臺(tái)程序是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行程序在這個(gè)程序中，主要處理一些實(shí)時(shí)性要求不高的工作，如輸入、譯碼、數(shù)據(jù)預(yù)處理等插補(bǔ)準(zhǔn)備工作和相關(guān)的管理工作。在后臺(tái)程序循環(huán)運(yùn)行的過(guò)程中，前臺(tái)程序以實(shí)時(shí)中斷的方式，按照一定的周期不斷插入，二者密切配合，共同完成數(shù)控系統(tǒng)要求的全部功能。前后臺(tái)型軟件結(jié)構(gòu)開(kāi)放式CNC系統(tǒng)軟件模塊的化分人機(jī)交互界面模塊零件代碼解釋模塊刀補(bǔ)預(yù)處理模塊軌跡插補(bǔ)模塊軸伺服控制模塊PLC控制模塊診斷模塊Win9X/NT下開(kāi)放式CNC軟件設(shè)計(jì)途徑消息事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制多任務(wù)、多線程機(jī)制保護(hù)模式下的中斷機(jī)制多緩沖區(qū)技術(shù)虛擬內(nèi)存技術(shù)Win9X/NT下開(kāi)放式CNC系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)零件代碼解釋刀具補(bǔ)償曲線插補(bǔ)算法定時(shí)中斷模擬加工3D仿真等零件代碼解釋加工過(guò)程一般控