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開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)
開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)，是小編專門為各位數(shù)控專業(yè)畢業(yè)的同學(xué)準(zhǔn)備的論文，希望對大家有幫助!
摘 要:數(shù)控技術(shù)的廣泛使用,給機械制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)帶來了深刻的變化。目前,我國數(shù)控系統(tǒng)存在諸多問題,而開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠有利于促進我國數(shù)控發(fā)展,本文主要就開放式數(shù)控系統(tǒng)體系相關(guān)內(nèi)容進行探討。
關(guān)鍵詞:數(shù)控教學(xué),開放式,體系結(jié)構(gòu),數(shù)控控制
數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展日趨完善,已由最出的硬件數(shù)控(NC)經(jīng)過計算機數(shù)控(CNC),發(fā)展到以微型計算機為基礎(chǔ)的數(shù)控(MNC)、直接數(shù)控(DNC)和柔性制造系統(tǒng)(FMS)等,并朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場全球化的發(fā)展,市場競爭空前激烈,對制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價格低,質(zhì)量好,而且要求交貨時間短,售后服務(wù)好,好要滿足用戶特殊的需要,即要求產(chǎn)品具有個性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng),它越來越不能滿足市場發(fā)展的需要。新的環(huán)境要求CNC進一步向開放式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化[1,2]。
1、開放式數(shù)控系統(tǒng)體系
采用專用計算機組成的數(shù)控系統(tǒng),在選用高性能的微處理器構(gòu)成分布式處理結(jié)構(gòu)時,可以獲得很高的性能,如多軸聯(lián)動高速、高精度控制,很強的補償功能、圖形功能、故障論斷功能以及通信功能。但是由于大批量生產(chǎn)和保密的需要,不同的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家自行設(shè)計其硬件和軟件,這樣設(shè)計出來的封閉式專用系統(tǒng)具有不同的軟硬件模塊、不同的編程語言、五花八門的人機界面、多種實時操作系統(tǒng)、非標(biāo)準(zhǔn)化接口等缺陷。從而導(dǎo)致,一方面,各控制系統(tǒng)之間互聯(lián)能力差,影響了系統(tǒng)的相互集成;風(fēng)格不一的操作方式以及專用件的大量使用,給用戶的使用與維護帶了很多不便;另一方面,系統(tǒng)的封閉性阻礙了計算機技術(shù)的及時應(yīng)用,不利于數(shù)控產(chǎn)品技術(shù)的進步。顯然,數(shù)控系統(tǒng)的這一現(xiàn)狀已不能適應(yīng)當(dāng)今制造業(yè)市場的變化和競爭,也不能滿足現(xiàn)代化制造業(yè)向信息化、敏捷制造模式發(fā)展的需求。
1.1 開放式分析
對于一個開放式數(shù)控系統(tǒng)來說,也應(yīng)遵循這些基本要求。一個開放的控制系統(tǒng)應(yīng)具有完全模塊化的結(jié)構(gòu),模塊之間具有互換性、可擴展性和可移植性,這是一個開放系統(tǒng)的基本特征。
開放式數(shù)控系統(tǒng)的目的就是使CNC控制器與當(dāng)今的Pc機類似,系統(tǒng)構(gòu)筑于一個開放的平臺上,具有模塊化結(jié)構(gòu),允許用戶根據(jù)需要進行選配和集成,更改或擴展系統(tǒng)的功能,迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求,而且組成系統(tǒng)的各功能模塊可以來源于不同的部件供應(yīng)商,并且相互兼容。與傳統(tǒng)的封閉式專用數(shù)控系統(tǒng)相比,開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢在于:建立一種新型的模塊化、可重構(gòu)、可擴充的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),以增強數(shù)控系統(tǒng)的功能和性能柔性,在體系結(jié)構(gòu)上給用戶留有進行二次開發(fā)更多的余地,能夠快速而有效的響應(yīng)新的加工需求[1,2]。
1.2基于PC的開放式體系結(jié)構(gòu)
PC以其良好的開放性成為開放式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ),數(shù)控系統(tǒng)PC化已成為必然的趨勢,在開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)時應(yīng)最大限度利用豐富的PC軟硬件資源,享受PC硬件與軟件發(fā)展的成果,與PC發(fā)展同步�；赑C的開放式數(shù)控系統(tǒng)主要有3種:
(1)PC嵌入NC型。該類型是把PC嵌入到Nc內(nèi)部,PC與NC之間用專用的總線連接,該系統(tǒng)可以利用原來CNC的豐富資源,同時將PC作為控制器的前端接口,使其具有PC處理的柔性,但不能實現(xiàn)NC內(nèi)核的開放。
(2)Nc嵌入PC型。以PC機作為系統(tǒng)的核心,把運動控制卡插入到PC機的擴展槽中完成數(shù)控系統(tǒng)的功能,軟件的通用性好,一般PC機處理各種非實時任務(wù),運動控制卡處理實時任務(wù)。
(3)軟件型。CNC功能全部由應(yīng)用軟件來實現(xiàn),具有最好的開放性,但系統(tǒng)的實時性要求處理比較困難,系統(tǒng)開發(fā)難度大。
(1) PC嵌入例的開放式數(shù)控系統(tǒng)。I/O接口電路主要完成PC機與外部控制系統(tǒng)接口功能,所設(shè)計的電路板要符合PC總線標(biāo)準(zhǔn),滿足擴展電路的尺寸要求。同時電路的輸出信號集中于一插座,采用并行電纜線輸出。由PC機經(jīng)I/0接口電路輸出的步進脈沖信號CP、方向電平信號MC、復(fù)位信號RESET經(jīng)光電耦合送至相序分配專用芯片,產(chǎn)生三相六拍的時序脈沖和半流信號,又通過光電耦合和電壓比較器組成的整形電路整形得到標(biāo)準(zhǔn)的矩形波,送至功放級放大,推動步迸電機運行。
(2) NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。NC嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)由Pc機和運動控制卡構(gòu)成,這種運動控制卡用高速DSP(數(shù)字信號處理器)或者其他性能比較好的芯片如英國的ARM作為CPU。用戶只需在Windows平臺下利用它開放的函數(shù)庫就可以自行開發(fā)所需的控制系統(tǒng),這樣構(gòu)造的數(shù)控系統(tǒng)只需根據(jù)被控制的對象要求,在Windows環(huán)境下設(shè)計符合用戶操作的人機界面和功能,就可達(dá)到運動控制的目的。
(3) 軟件CNC。軟件CNC可以理解為用PC的概念和手段實現(xiàn)CNC的功能。這種CNC裝置的主體是PC機,充分利用PC機不斷提高的計算速度、不斷擴大的存儲量和性能不斷優(yōu)化的操作系統(tǒng),實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制和開關(guān)量的邏輯控制。軟件化數(shù)控系統(tǒng)把運動控制器以應(yīng)用軟件的形式實現(xiàn),除了支持?jǐn)?shù)控上層軟件的用戶定制外,其更深入的開放性還體現(xiàn)在支持運動控制策略的用戶定制。
2、基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的參考模型是一個分層結(jié)構(gòu),同時也是模塊化的,每一層都是一個模塊。最低層的是數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件平臺,它包括機床本身,X,Y,Z,C軸驅(qū)動器、各種繼電器、伺服電機等。再上一層是控制器硬件平臺,它是一個計算機系統(tǒng),一般采用通用的Pc機硬件結(jié)構(gòu),還應(yīng)提供與楓床底層的接口,如數(shù)字I/O、可編程控制器(PLC)、運動控制卡等。這兩層是硬件層。
軟件的最低層是操作系統(tǒng),采用Windows 2003。這些操作系統(tǒng)提供良好的圖形用戶接口(GUI)、應(yīng)用程序接口(API)庫、多任務(wù)機制。再上一層是CNC應(yīng)用軟件,CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。它的核心是模塊化,由它來負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的諧調(diào)、高效運作。方便的用戶人機界面,代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預(yù)處理,產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行,結(jié)果通過設(shè)備驅(qū)動程序(WDM)操作相應(yīng)的硬件。過程邏輯控制主要處理過程控制、各種開關(guān)量、機床狀態(tài)等。設(shè)備管理等進行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。它應(yīng)提供兩種形式的連接:一是網(wǎng)絡(luò),通過客戶機/服務(wù)器(CIS)的形式與遠(yuǎn)程的CAD/CAM系統(tǒng)、MIS系統(tǒng)等交換數(shù)據(jù);二是和本地機上的其他應(yīng)用程序間交換數(shù)據(jù)。接口功能將有利于CNC系統(tǒng)和其它系統(tǒng)的連接和集成。
這個參考模型充分體現(xiàn)了開放性原則,由于分層次、模塊化的結(jié)構(gòu),各個層次間采用標(biāo)準(zhǔn)接口,從而使每一模塊都能實現(xiàn)互換,可以由不同的廠商來生產(chǎn),組合起來就是一個高性能性價比的系統(tǒng)。由于PC機的開放性,使控制器硬件和操作系統(tǒng)達(dá)到最大限度的互換。而且,CNC系統(tǒng)提供的各種接口允許外部程序獲得其所有內(nèi)部信息。
3、結(jié)語
本文結(jié)合當(dāng)今CNC系統(tǒng)發(fā)展的新進展,對CNC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)特點進行了分析,討論了CNC系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)開放化的基本概念和實行開放的途徑,并在需求分析的基礎(chǔ)上提出了開放體系CNC系統(tǒng)的設(shè)計原則和概念模型,最后對數(shù)控體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計做了比較全面的分析。
參考文獻(xiàn):
[1] 董靖川, 王太勇, 徐躍. 基于數(shù)控流水線技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2009, 15(6).
[2] 尚雅層, 雷兵豐. 開放數(shù)控系統(tǒng)模型的建立及實現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2007, 33(3).
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