【硕士论文】纯软件开放式数控系统的研究及其在加工中心上的应用.pdf

厦门大学摘要摘要随着数控技术的不断发展，传统数控系统已不能适应当今制造业市场的变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷模式发展的需要。因此，随着P C 技术的快速发展和广泛普及，开放式数控系统技术开始发展。开放式数控系统不依赖特定的硬件平台和操作系统平台，采用模块化和标准化的结构体系，允许用户进行二次开发。开放式数控系统有三种实现方式：P C 嵌入N C 型、N C 嵌入P C 型和纯软件式。其中，纯软件开放式数控系统充分利用P C 微机丰富的硬件资源，系统的全部核心功能一包括插补运算、加减速运算、P L C 等实时任务，均由运行在P C 硬件平台上的软件实现，是开放程度最高的一种实现方式。S e r v o W o r k s 是基于P C b a s e d 解决方案的软件C N C 技术，它对硬件体现了很高的兼容性，可以运行在目前通用的P C 微机操作系统平台之上，通过R T X 软件扩展了W i n d o w s 系统的实时性，使之符合数控系统的实时性要求。本论文基于纯软件式S e r v o W o r k sC N C 技术的全面理论研究，在三轴立式加工中心上实现了开放式数控系统S 1 0 0 M 和配套的整机P L C 程序。随后，介绍了工程规范的制定以及电气、基本参数和伺服调试的过程。本课题接下来的工作围绕五轴联动机床和人机界面及功能扩展两方面展开，此外，智能化、网络化也将是未来的发展方向。关键词：纯软件开放式数控系统；S e r v o W o r k s；加工中心。厦门大学硕士论文A b s t r a c tA b s t r a c tW i t ht h eu n c e a s i n gd e v e l o p m e n to fn u m e r i cc o n t r o It e c h n o l o g y,t r a d i t i o n a IC N Cs y s t e m sa l r e a d yn e i t h e rs u i t a b l ef o rt h ec h a n g ea n dc o m p e t i t i o ni nt h em a n u f a c t u r i n gm a r k e t sn o w a d a y s，n o rs a t i s f i e dw i t ht h er e q u i r e m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yg r o w i n gt oi n f o r m a t i o n i z a t i o na n da g i l em o d e T h e r e f o r e，o p e nC N Cs y s t e ms t a r t st od e v e l o pa l o n gw i t ht h eP Ct e c h n o l o g yt h a th a se x t e n s i v ep o p u I ar z a t i o na n dr a p i dg r o w t h O p e nC N Cs y s t e mi Si n d e p e n d e n to fs p e c i f i ch a r d w a r ea n do p e r a t i n gs y s t e mp l a t f o r m；i ta d o p t st h ea r c h i t e c t u r eo fm o d u l a r i z a t i o na n ds t a n d a r d i z a t i o na n da l l o w st h eu s e rt om a k et h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t T h e r ea r et h r e ew a y st ot h eO p e nC N Cs y s t e m：N C b a s e dP C e m b e d d e d，P C b a s e dN C e m b e d d e da n dP u r e S o f tO p e nC N C A m o n gt h e m P u r e S 矾o p e nC N C，w h i c ht a k ef u l Ia d v a n t a g eo ft h ea b u n d a n th a r d w a r es o u r c eo fP C，a n dm a k et h ew h o l ek e r n e Is y s t e mf u n c t i o n(i n c l u d i n gt h er e a It i m et a s ko fi n t e r p o l a t i o n，a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc a l c u l a t i o na n dP L C)c o m et r u eb yt h es o f t w a r er u n n i n go nt h eP Ch a r d w a r ep l a t f o r m，i Sar e a l i z a t i o nm e t h o dw i t ht h eh i g h e s td e g r e eo fo p e n n e s s S e r v o W o r k si sas o f tC N Ct e c h n o l o g yb a s e do nP C b a s e ds o l u t i o n I th a sg o o dc o m p a t i b i l i t yt ot h eh a r d w a r e I tc a nr u no nt h ec o n v e n t i o n a lP Co p e r a t i o ns y s t e mp l a t f o r ma n de x t e n dt h er e a lt i m ec a p a b i l i t yo fW i n d o w ss y s t e mu s i n gR T Xs o f t w a r et os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fC N Cs y s t e m T h i sp a p e rw h i c hb a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h eS e r v o W o r k sC N Ct e c h n o l o g y,b r o u g h ti n t oe f f e c tt h eo p e nC N Cs y s t e mS 10 0 Ma n dt h ea s s o r t e dP L Cp r o g r a m s S o o na f t e r,t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ep l a n n i n go fe n g i n e e r i n gs t a n d a r da n dt h ed e b u g g i n gp r o c e s so fe l e c t r i c i t y，e s s e n t i a lp a r a m e t e r sa n dt h es e r v oa m p l i f i e r s T h ef o l l o w i n gt a s k sw i l lc a r r yo nf r O mt w oa s p e c t s：f i v e a x l el i n k a g em a c h i n et o o Ia n dt h ee x t e n s i o no fH MIa n df u n c t i o n s M o r e o v e r,i n t e l l e c t u a l i z a t i o na n dn e t w o r k i n ga r ea l s ot h ef u t u r ee v o l v i n gd i r e c t i o n s K e yW o r d s：P u r e S o f tO p e nC N CS y s t e m；S e r v o W o r k s；M a c h i n eC e n t e r 厦门大学硕士论文第一章绪论第一章绪论1 1数控系统及数控机床的发展1 1 1数控系统和数控机床的概念数控系统是计算机技术在机械制造领域的一种典型应用，它集计算机、机械加工、电子和自动控制等多项技术于一体，是近年来应用领域中发展十分迅速的一项高新技术。数控系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序并将其译码，从而使机床动作并加工零件。我国国家标准(G B 8 1 2 9 8 7)对“机床数控技术”做了如下定义：“用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法，简称数控(N C)州”。数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。从2 0 世纪7 0 年代以来，以数控机床为代表的现代基础机械己成为制造工业最重要的技术特征，数控机床水平的高低和机床数控化率的高低己成为衡量一个国家工业化水平的重要标志。随着数控技术的发展和在生产过程中的广泛应用，传统的机械工业的产业结构和生产模式发生了深刻的革命性变化，加工精度和速度提高，生产效率大幅度增长，加工品质得到了极大完善，并实现了人工很难做到的对各种复杂工件的自动加工。数控系统的发展也奠定了柔性制造系统(F M S)和计算机集成制造系统(C I M S)I 2 1。1 1 2数控系统的发展历程美国麻省理工学院1 9 5 2 年研制出第一台试验性数控铣床，到现在已历经半个世纪。随着电子技术和控制技术的飞速发展，当今的数控系统功能已经非常强大，与此同时，加工技术及其他一些相关技术的发展对数控系统的发展和进步也提出了新的要求。纵观这五十多年间，影响数控技术发展最主要的因素是科学技术特别是计算机技术的发展和制造业市场需求的驱动，总结起来分为两个阶段和六个时代【3】：一、N C(数字控制)阶段1 1 9 5 2 年M I T 的第一台数控铣床标志着基于电子管和继电器的电子管N C 时代的开始。星塑奎兰堡主笙茎星二至丝丝2 2 0 世纪5 0 年代末，以固定布线的晶体管元器件电路取代了电子管，成为了数控系统的核心，数控技术的发展进入了晶体管N C 时代。3 1 9 6 5 年出现了第三代数控系统一小、中规模集成电路N C。集成电路可靠性高，批量生产成本很低，广泛被采用在数控系统上。二、C N C(计算机数字控制)阶段4 19 7 0 年，大规模集成电路的小型通用电子计算机技术诞生，从此开创了C N C 时代。5 1 9 7 4 年起，微处理器开始应用于数控系统，标志着M N C(微型计算机C N C)时代的开始。微型计算机性价比高，实现了计算机核心部件的高度集成，可靠性高、功能强大、速度快。微型计算机技术应用在数控技术上，使其得到了迅速的发展。现代流行的数控系统大部分还是以微型计算机为核心。6 随着P C 技术，特别是软件技术的发展，1 9 9 4 年起美国首次出现了基于P C 的O N C(开放式C N C)，从此数控技术进入了开放式数控时代。1 1 3数控机床的发展趋势现代数控机床综合应用机械设计与制造工艺、计算机自动控制技术、精密测量与检测、信息技术、人工智能等技术领域中的最新成果，将朝着高速化、精密化、复合化、柔性化、极端化等方向发展【4 1。面临剧烈的市场竞争，制造企业的核心在于高效快速地生产出高质量的能满足消费者动态变化的需求的产品。作为制造企业的基本设备一数控机床也朝着这个核心目标发展，呈现出以下发展情况和趋势：1 高精度、高速度、高可靠性提高生产率是机床技术追求的基本目标之一，最主要、最直接的方法就是提高切削速度。这就要求机床向高速化方向发展，不仅要提高主轴转速和进给速度，还要提高移动速度与加速度，缩短主轴起动、制动时间，减少换刀时间等。高速加工的实现是机床、刀具、夹具、数控编程技术以及人员素质的集成。此外，当代工业产品对加工精度也提出了越来越高的要求，一些零件的尺寸精度要求在微米、亚微米级，因此，加工这些零件的机床也受到需求的牵引而必须向高精度发展，从精密加工发展到超精密加工(特高精度加工)，是世界各工业强国致力发展的方向。2厦门大学硕士论文第一章绪论精度和速度是数控机床的两个基本指标。精度关系到产品的质量，而速度是生产率的保证。然而，这两项技术指标是互相制约的【5】。也就是说，要达到越高的速度，就越难保证精度；要获得越高的精度，越难达到高的速度。2 0 世纪9 0 年代以来，世界各大工业国都注重在高速高精方面的研究，高速主轴单元(电主轴技术，15 0 0 0-10 0 0 0 0 r p m)、高速高加减速进给(快移6 0 1 2 0 m m i n，切削6 0m m i n)和其他高性能数控伺服系统、超精密加工技术的研究也取得了很大的突破，达到了很高的水平【6】。数控机床的可靠性是数控机床产品质量的另一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，关键取决于可靠性。提高数控机床的可靠性是建立现代制造业的必要条件，而数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上。2 工艺复合化数控技术的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工；数控技术的多轴化是以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工同。增加数控机床的复合加工功能，进一步提高其工序集中度，不仅可减少多工序加工零件上下料的时间，而且可以减少零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待时间，易于保证加工过程的高可靠性。此外，复合加工还缩短了加工过程链和辅助时间，减少了机床台数，简化了物料流动，提高了生产设备的柔性。3 柔性化产品更新换代和人们对产品多样化、个性化的需求，使得市场对具有良好柔性和多样加工能力的制造系统的需求超过了对大型单一制造系统的需求，这就使得数控机床朝着模块化、可重构、可扩充的柔性化方向发展，也要求在多品种、变批量的环境下保持高效生产。特别是汽车制造业和电子通信设备制造业的发展，对生产效率提出了更高的要求。随着制造过程自动化程度的提高，要求机床不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能。柔性化包含数控系统本身的柔性和群控系统的柔性。数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；而群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大1厦门大学硕士论文第一章绪论限度地发挥群控系统的效能。4 网络化随着全球范围内信息化进程的推进，新的诸如柔性制造系统(生产线、流水线)、柔性制造工厂、自动化工厂、虚拟企业、全球制造等制造模式越来越多地被制造业企业所采用。这种新的制造环境对于数控机床的要求就不再是一个独立功能点的存在，而应该是一个网络节点，这就要求数控机床必须具备网络通讯能力。网络化的发展方向促进了数控机床的网络硬件接口技术、网络传输协议技术和网络制造模式技术等相关方面的研究。5 智能化、开放性信息技术的发展使机床朝着数字化和智能化的方向发展。采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度。智能机床的出现，为未来装备制造业实现生产全盘自动化创造了条件。通过自动抑制振动、减少热变形、防止干涉、自动调节润滑油量、减少噪声等，可提高机床的加工精度和效率。数控系统的开发创新，对于机床智能化起到了重大的作用，它能够收容大量信息，并对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制。智能化新一代数控系统将计算机智能技术、网络技术、C A D C A M、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。随着计算机技术日新月异的发展，基于微机的开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势。在传统数控技术方面，我国处于相对落后的状态，开放式数控为我国数控产业的发展提供了良好的契机。6 环保和极端结构机床随着能源危机的加剧和日趋严格的环境保护政策的出台，人们对机床的效率、运行成本、环境污染等方面提出了更高的要求。通过减少机床冷却液排放和利用复合新材料或者新结构实现机床轻量化来满足环保和节能的需求是未来的一大趋势。此外，极端化是指数控机床有朝着极小化和极大化方向发展的趋势。在国防、航空、航天等行业中大型化装备的制造方面，需要大型数控机床，而微纳米技术的发展需要有能适应微小型尺寸加工的新型制造工艺和装备，这4厦门大学硕士论文第一章绪论样数控机床会朝着极小化方向发展。1 2开放式数控系统技术1 2 1开放式数控系统概念开放式结构控制器(O P E NA R C H I T E C T U R EC O N T R O L L E R)I 拘概念起源于上世纪8 0 年代美国国防部发起的下一代控制器(N G C N e x tG e n e r a t i o nC o n t r o l I e r)的研究计划【8】。I E E E(美国电气电子工程师协会)关于开放式系统的定义是：能够在多种平台上运行，可以和其他系统互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。通俗地讲，开放的目的就是使N C 控制器与当今的P C 机类似，其系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成，更改或扩展系统的功能以迅速适应不同的应用需求，而且，组成系统的各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容【9】。1 2 2开放式数控系统起源与研究目的过去日本的F A N U C、德国的S I E M E N S 等大型的C N C 控制器制造商，为数控机床生产了全部的配套产品，包括C N C 数控装置、主轴、进给驱动器和电机，使机床生产厂得到了满意的服务，也使这种专用的C N C 系统成为市场上的主导产品，受到了机床生产厂和用户的欢迎【1 叫。然而，随着数控系统技术和数控机床的不断发展，对于特定功能的需求以及成本等竞争因素的考虑，开放式的数控系统架构越来越受到机床生产厂家和数控系统开发商的重视。研究开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。1 2 3开放式数控系统的特点及与传统数控系统的比较开放式数控系统自从2 0 世纪9 0 年代首次出现以来，就被公认为数控技术最重要的发展发向。其技术特点突出表现在以下几个方面：1 开放性开放式系统应当具有平台无关性，不依赖特定的硬件平台和操作系统平台。用户可以自定义人机界面，系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，厦门大学硕士论文第一覃绪论既可以增加硬件或软件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用【1 1】。2 模块化模块化的含义有两层，首先是数控功能的模块化，可以根据机床厂的要求选配各个功能；另一层含义是系统体系结构的模块化，即数控系统内部实现各功能的算法是可分离的、可替换的。模块化结构使得控制器具有可互操作性和可移植性。可互操作性是通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协调工作。可移植性是系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，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之上。3 标准化标准化包括开发语言以及外部接口的标准化。外部接口包括人机界面接口、N C P L C 编程接口，与上层系统和下层系统的接口。这些接口应符合国际标准或行业标准。4 二次开发开放式控制器应当允许用户进行二次开发。二次开发是具有不同层次的。比较简单的二次开发可以包括用户根据实际情况调整系统的参数设定和进行模块配置，进一步的二次开发包括对用户界面的重新设计，更深层的开发应当允许用户将自己按照规范设计的功能部件集成到系统中去。如表1 1，分别在系统结构、软硬件开发、网络、接口等方面对开放式数控系统与传统数控系统进行比较。表1 1 开放式数控系统与传统数控系统的比较比较项传统数控系统开放式数控系统系统结构硬件、软件专用，扩展性差基于通用的P C 硬件标准和软件标准特定型号的配置固定，不能修取决于软硬件配置，可通过核心硬件的性能改更换提高系统性能，软件算法容易升级。需随着市场竞争的需要，开发维护性紧跟P C 市场，方便更替生产专用的硬件6厦门大学硕士论文第一章绪论软件开封闭式开发，软件由C N C 制造开放式软件平台发商提供专用系只能由C N C 制造商完成，复杂使用高级语言和A P ，用户可以二次开统开发程度高以及使用专用硬件和专用通讯技P C 通用联网技术，容易同第三方软件协联网术作P L C 软使用专用语言，难以移植，要标准P L C 语言，移植性强，容易掌握件求维护人员素质高标准化接口，可与通用伺服和1 0 模块连接口专用接口，不可互换接C N C 制造商根据竞争需求制成本通用性硬件，成本可控定，维修成本虚高稳定性专用硬件和软件，可靠性高兼容性高，硬件开放，成熟期长1 2 4国内外开放式系统的发展研究动态如上所述，开放式数控系统较传统数控系统有着全方面的优势，这些优势又决定了其良好的发展趋势，在短短的几年间，世界各国不断投入和进行着大量的研究、开发和应用，推动着开放式系统技术的迅速发展。其中最为典型的有：1 美国的“下一代控制器计划(N G C)”和“开放式模块化体系结构控制器(O M A C)美国是开放式数控系统的发起人。早在1 9 8 7 年就提出了N G C 计划，其核心在于基于相互操作和分组式软件模块理念的“开放式系统体系结构标准规范(S O S A S)”。1 9 9 4 年又开始了O M A C 计划。另外，美国的一些C N C厂商对“开放式”也有自己的理解和产品，比如D e t aT a u 公司的“可编程多轴控制器P M A C 和本文所介绍的S o f tS e r v oS y s t e m 公司的S e r v o W o r k sC N C 技术。2 欧共体的“信息技术研究发展战略计划(E S P R I T)及“开放式控制系统体系结构(O S A C A)1 z】1 9 9 0 年欧共体发起了O S A C A 计划，关注三个关键问题：(1)参考体系结构；(2)通信系统；(3)配置系统。3 日本的“控制器开放系统环境计划(O S E C)7厦门大学硕士论文第一章绪论日本是世界上最大的机床出口国，对开放式数控系统的研究十分重视。O S E C 开始于19 9 4 年，重点在以下几个技术领域开展研究：(1)开放控制器的意义和方向；(2)开放式N C 的基本体系结构；(3)自动工厂的记述语言一F A D L；(4)伺服控制的函数程序库。4 我国的“开放式数字控制系统(O N C)”虽然目前我国还没有制定出开放式数控系统的标准规范，但是已经进行了一定的探索，已经开发出来的有华中I 型数控系统和蓝天系纠13 1。1 2 5开放式数控系统架构从结构上来看，开放式数控系统的实现方式有以下三种基本形式：1 P C 嵌入N C 型该类型系统是将P C 装入到N C 内部，P C 与N C 之间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型N C 系统也可不加修改就得以利用。这种数控系统尽管具有一定的开放性，但由于它的N C 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。P C 前端将丰富的P C 硬件软件资源融入数控系统，完成系统的非实时任务；后台N C 完成系统的实时控制功能，可保留其成熟可靠的性能。采用这种结构的数控系统主要出自知名C N C 厂商，在不愿放弃成熟的传统N C 技术而又需要P C 的开放性时采取的一种折衷解决方案【14 1。典型代表有日本F A N U C 的1 8 i 系统、德国S I E M E N S 的8 4 0 D 系统、法国N U M 公司的1 0 6 0 系统掣15 1。2 N C 嵌入P C 型该类型系统以通用P C 架构为基本平台，将具有标准P C 接口(如I S A、P C I)的N C 控制板或整个C N C 单元插入P C 主板扩展槽中形成开放式数控系统。P C 完成人机界面、数据通信及N C 功能调用等非实时任务，N C 扩展卡完成运动控制和P L C 控制等实时任务。这种方法能够方便地实现人机界面的开放化和个性化。N C 扩展卡一般选用高速的D S P 芯片作为N C 的C P U，其标准的函数库可供用户在操作系统平台下二次开发所需要的功能。R厦门大学硕士论文第一章绪论就开放程度而言，这种方式比P C 嵌入N C 式数控系统要高，得到了广泛的应用。较为典型的系统有日本M A z A K 公司基于日本M I T S U B I S H I 公司M e l d a s6 4 的M A Z A T R O L6 4 0 系统和美国D e l t aT a u 公司基于P M A C 多轴运动控制卡的P M A C N C 系统。3 纯软件型纯软件型开放式C N C 的全部核心功能(包括插补运算、加减速运算、P L C 等实时任务)均由运行在P C 硬件平台上的软件实现。这类系统借助现有的操作系统平台(如D O S，W i n d o w s 等)，在应用软件(如V i s u a lC+，V i s u a lB a s i c 等)的支持下，通过对N C 软件的适当组织、划分、规范和开发，可望实现上述各个层次的开放。并且通过安装在P C 主板扩展槽上的通讯接口板与伺服系统或输入输出点进行连接。这种实现形式的数控系统在软件上基于操作系统编程标准，在硬件上基于通用P C 硬件标准，所以在理论上可以实现完全开放。目前典型的产品有：美国M D S I 公司的O p e nC N C、德国P o w e rA u t o m a t i o n 公司的P A 8 0 0 0 0 N T、德国B e c k h o f fA u t o m a t i o n 公司的T W i n C A T 和本文所介绍的美国S o f tS e r v oS y s t e m 公司的S e r v o W o r k。1 2 6开放式数控系统的问题数控系统要实现开放性结构，主要需要解决以下几个关键性的问题：1 制定一个开放式数控系统的制造协议；2 实现系统硬件的模块化、标准化和系列化；3 构造一种独立于硬件系统的软件平台。目前看来，大多数开放式数控系统研发和生产厂商都只能完成第三点，尽可能的降低软件的硬件相关性，在硬件选择上表现开放的态度。然而，由于没有接近成熟的标准和协议，第一和第二点都只能停留在研讨阶段。只有当第一和第二点逐步走向成熟，开放式数控系统才能真正得到长足的发展，才能在市场份额和核心竞争力上与传统数控系统一较高低。9厦门大学硕士论文第一章绪论1 3课题概论1 3 1选题背景从近来年的各大机床展会上可以看到，国外著名数控系统都已经开发出开放式数控系统并且投入使用，如S I M E N S E8 4 0 D、F A N U C3 2 i、M I S T U B I S H IM 7 0 0等；国外著名机床生产厂商的主流型号机床也均采用这些高性能开放式系统，如德国D M G，日本M A z A K 等。随着数控技术的不断发展，传统数控系统己不能适应当今制造业市场的变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷模式发展的需要。这就迫切需要开发具有开放性、性能稳定、价格低廉的新型数控系统。开放式数控系统已经是数控系统发展趋势，而且是实现数控系统其他技术发展的有效途径。美国S o f tS e r v oS y s t e m 公司的S e r v o W o r k sC N C 技术是一项能够实现纯软件开放式的数控系统方案。该技术源自M I T 的“下一代控制器”计划，核心算法成熟，性能出色，是一个高柔性、低成本的控制系统。该技术在日本和中国与知名的机床生产厂商和研究机构共同合作，已经开发了相对成熟的数控系统和数控机床产品，并提供源源不断的技术更新和支持。厦门大学作为S o f tS e r v oS y s t e m 公司在中国的合作研究机构之一，共同参与S e r v o W o r k sC N C 技术的应用开发与核心测试已有3 年多的时间。针对在目前中国数控机床市场上普通三轴加工中心的市场份额最大，应用前景广阔的情况，S e r v o W o r k sC N C 纯软件开放式数控系统在三轴加工中心的应用研究已达两年多的时间，在这段时间里，通过自身的不断改进和与传统数控系统的比较，此开放式数控系统已基本达到了稳定性和精度的使用要求。开展本课题研究的目的在于：1 全面研究纯软件型开放式S e r v o W o r k sC N C 技术。2 掌握将其应用在各种数控机床上的二次开发技术。3 深入内核研究，掌握纯软件型开放式数控系统的实现技术。4 针对三轴加工中心，提供完善且成熟的数控系统整体解决方案。本课题的开展具有理论学习和实践创新的意义。通过对S e r v o W o r k sC N C技术的深入研究，可以了解世界一流的开放性数控系统技术，积累数控核心部件开发能力的技术储备。此外，通过在普通三轴加工中心上的应用，可以在实践中l O厦门大学硕士论文第一章绪论发现纯软件开放式数控系统的优缺点，针对竞争激烈的市场推出更具性价比的产口口口01 3 2课题的工作进程根据项目的总体目标，课题的开展至今大略经历了以下几个阶段：1 对S e r v o W o r k sC N C 技术进行基础研究，掌握S e r v o W o r k sC N C 应用开发的关键技术。2 进行基于S e r v o W o r k sC N C 技术的加工中心数控系统的软件和硬件开匕及o3 对基于S e r v o W o r k sC N C 技术的加工中心进行整机测试，并针对存在问题加以改进。1 3 3论文的全文组织本论文是对S e r v o W o r k sC N C 技术研究工作的阶段性总结，全文共分个五个章节：第一章绪论，回顾和展望数控系统和机床的发展，介绍纯软件开放式数控系统技术的基础知识和课题背景。第二章纯软件开放式S e r v o W o r k sC N C 技术的研究，主要对S e r v o W o r k s的软硬件技术进行全面分析研究，包括S e r v o W o r k s 运行的操作系统平台、S e r v o W o r k s 的软件系统、S e r v o W o r k s 数据通讯硬件平台。第三章针对具体的三轴立式加工中心，利用纯软件开放式S e r v o W o r k sC N C 技术开发其系统界面和系统功能，并进行实际电气连接和P L C 的编写。第四章三轴立式加工中心的整机调试，包括工程的进度安排、电气调试、系统参数的设定和伺服精度的调整。第五章总结与展望，对课题的研究成果进行总结，并对后继的工作进行展望。厦门大学硕士论文第二章纯软件开放式S c r v o W o r k sC N C 技术的研究第二章纯软件开放式S e r v o W o r k sC N C 技术的研究2 1概述S e r v o W o r k sC N C 是一种纯软件开放式数字运动控制技术，这种创新型的基于P C 的技术拥有一种独特且开放的架构，即充分利用电脑的C P U 来完成软件的功能实现，同时尽可能的减少对硬件的依赖和需求。S e r v o W o r k sC N C 技术利用当今普遍使用的普通P C 中的高性能C P U 对伺服进行实时控制和与C N C 控制相关的数控运算以及功能实现，包括反馈循环、加减速运算、多轴插补、G 码编译、与P L C 的协同运作、人机界面、网络通讯和其他基于此技术的应用程序【1 6】。S e r v o W o r k sC N C 借力于高速发展的P C 机性能和快速提高的C P U 运算能力，当它们处理能力增加时，数字运动控制的性能也能大幅增加。S e r v o W o r k sC N C 的开放式架构使得开发者甚至使用者能够自主或参与选择和搭建自己的C N C 产品，将自己独特的产品理念融入其中。相对于传统N C提供商的优先权理念和黑匣子科技来说，这无疑是一种革命性的突破。然而，在现阶段，开放式数控系统仍然要依循相对固定的软件架构和接口平台。S e r v o W o r k sC N C 技术构成包括数控系统软件技术和硬件平台技术，如图2 1 所示。图2 1S e r v o W o r k sC N C 技术构成星塑奎兰堡主堡茎一笙三里丝鏊竺茎整茎!1 2 1 些!坠型竺垫查堕翌壅基于S e r v o W o r k sC N C 技术的数控系统运行在使用A r d e n c e 公司的R T X 技术扩展了实时功能的W i n d o w s 系统中。基于S e r v o W o r k sC N C 技术的P L C 也是纯软件式的，采用相对标准化的语言编写，基本命令齐全，功能指令丰富。此外最重要的一点是，用户可以利用S D K 开发基于S e r v o W o r k s C N C 技术的数控系统和相关应用程序，实现功能和界面的自定义。基于S e r v o W o r k sC N C 技术的硬件负责伺服数据的传输和P L C 数据的采集，目前已经开发出通用平台和专用平台，不仅兼容大部分的通用伺服系统，而且支持当今市场流行的各大品牌伺服系统，如三菱，安川，松下等。能够兼容和使用的通讯平台还在不断增加中，而且接口技术将与当前的一些流行总线共同发展和进步，这一点也是传统数控的自成体系的封闭性结构所无法办到的。2 2S e r v o W o r k s 技术的硬件和操作系统平台2 2 1S e r v o W o r k s 技术的硬件平台S e r v o W o r k s 是基于P C b a s e d 解决方案的软件C N C 技术，它可以使用普通的工控机甚至在保证电源稳定的情况下使用普通个人电脑就可以实现。它直接利用电脑的C P U 和内存进行数据的运算和存储，利用显卡进行人机界面的显示。对于硬件的基本需求如下：C P U：最小需求：I n t e lP e n t i u mI I I1G H z 或同等级；建议需求或使用3 D D L A C C(三维动态前瞻轮廓控制)时的最小需求：I n t e lP e n t i u mI V2G H z 或更快；内存(R A M)：1 2 8M B(建议2 5 6M B)；硬盘空间需求：3 0M B；根据不同的通讯硬件，需要一个I S A 总线插槽或P C I 插槽或P C I 0 4 接口或E t h e r n e t 网卡接口；E t h e r n e t 网卡连接：10M B s e co r10 0M B s e c：显卡：2 5 6 一c o l o r 图形显示卡；8 0 0X6