开放式计算机数控系统的构建

中文摘要:

  文章首先指出了研究多轴数控加工技术的重要现实意义和深远意义。对CNC 的开放性、开放标准、系统建模、实时 性进行了分析研究,在此基础上创新性地提出了一种基于WinCE 和DSP 的开放式CNC 的构建方案。

英文摘要：

  At first , in this paper we introduce the significance of studying on multi - axis NC machining technology. Then we make researches on the openness , standard , system modeling and real - time characteristic of CNC. On the base of researches , we present an innovative blue print on open CNC based on WinCE OS and DSP.

2 　CNC 的开放性
     当数控机床进入分布式控制和柔性制造系统环境,甚至要 求与CAD/ CAPP/ CAM等信息系统通讯时,原有的以单机服务 为对象的CNC 装置就显得不适应了,新的环境要求CNC 装置 进一步向开放式结构数控系统转化[ 1 ] 。所谓开放一般有外层开 放和内层开放之分。外层开放是提供一个统一的标准的外部控 制接口,具体表现为可扩展的人机界面,标准的驱动接口等。人 机界面一般都是基于PC 机的Windows 界面,这里的开放式控 制界面都表现为开发商特定的层面,没有真正做到开发商中立 这一层面;内层开放则允许部分(完全) 访问和控制NC 层面上 的内核数据(通过访问开发商所提供的动态链接库) , 并可集成 第三方的软件到控制系统内。
4 　CNC 系统建模
     1997 年11 月14 日,OMG采纳UML1. 1 作为基于面向对 象技术的标准建模语言。UML 的目标是以面向对象图的方式 来描述任何类型的系统,具有很宽的应用领域。不但可以用来 建立软件系统的模型,还可以用于描述非软件领域的系统,如机 械系统、企业机构或业务过程,以及处理复杂数据的信息系统、 具有实时要求的工业系统或工业过程等。Rational Rose 是Ra2 tional 公司所推出的完全支持UML 的可视化建模工具,目前在 面向对象分析、建模、设计工具市场上起着主导作用。利用 UML 对开放式模块结构控制器进行面向对象的建模在国内鲜 有报道,OMAC 组织正在从事这方面的研究工作。[ 3 ] 图2 是我们所提出的CNC 系统基于Rational Rose 的使用 案例框图,整个CNC 系统分为四个使用案例,各自所包括内容 又以类模块(亦称之为类似黑箱的“数控软件芯片”) 形式存在, 如图3 所示。
5 　CNC 系统实时性分析
     CNC 是一种典型的多轴实时运动控制系统。传统的CNC 采用的是专用的计算机加多单片机,多控制回路的封闭式并行 结构。此类控制器在高速、高精度和多轴同步运动控制等方面 存在着难以逾越的技术瓶颈。DSP 以其独特的哈佛结构、流水 线操作、专用硬件乘法器、特殊的DSP 指令、快速的指令周期及 性价比的日益提高,越来越多地应用于数控加工等领域。为此 我们拟采取TI 公司最高主频为167MHz 的TMS320C6711 DSP 芯片,利用TI 公司的CCS6000 开发工具(带有RTOS 模块) 设 计出一款多轴同步运动控制卡,负责数控加工中的强实时控制。 国内基于PC 的数控系统多采用DOS 作为软件平台(如华 中I 型) 。DOS 是单任务的实时操作系统,不利于实现数控系统 的多任务,也难以利用现有的Windows 环境下的软件开发工 具。为了在DOS 环境下实现数控系统各任务的优先抢占调度, 一般是自行开发实时多任务调度模块RTM[ 5 ] 。Win98 (2K, NT) , OS/ 2 , Linux 等系列操作系统是多进程、多线程、抢先多 任务的32 位操作系统,运行于保护模式,难以满足CNC 的实时 性要求,需要再附加一个昂贵的实时任务调度模块(RTM) [ 6 ] 。 另Windows 系列OS 对资源要求较高,需要大容量硬盘和内存 等,这和作为嵌入式系统的数控系统也不相称。 Windows CE 是一个抢先式多任务并具有强大通信能力的 Win32 嵌入式实时操作系统(RTOS) ,是微软专门为信息设备、 移动应用、消费类电子产品、嵌入式应用等领域而设计的操作系 统。其增强的实时性、支持高级应用程序服务、强大的通讯以及 网络功能、广泛的硬件支持等特点使之成为像机器人、测试和测量 设备以及可编程控制器之类的工业设备理想的操作系统。它 由一系列独立的模块和子模块组成。通过选择最少数量的模 块,可以设计出为特定设备量身定制的操作系统。 因此,采用WinCE OS 负责人机界面管理等非实时工作以 及刀具补偿等弱实时控制,DSP 运动控制卡则负责数控加工中 的强实时控制是比较理想的。