开放式数控的研究

下午2时16分开放式数控研究开放式数控的研究刘青西安交通大学机械工程学院工程训练中心数控研究小组工作汇报下午2时16分开放式数控研究规划（1）数控系统发展背景、系统的设计方案（2）主要讲RTOS的工作原理和MMU（3）ARM系统的工作原理和DRIVER的编写（4）DSP的工作原理和算法移值（5）RTOS的移值和实时联调下午2时16分开放式数控研究数控系统发展背景、系统的设计方案第一讲数控系统发展背景、系统的设计方案进入下午2时16分开放式数控研究目录（1）数控技术的发展历史。（2）国内数控的研究情况。（3）数控设备的发展趋势。（4）开放式CNC的产生。（5）开放式数控的特点。（6）开放式数控的发展现状。（7）本课题研究背景和设计思想。（8）本课题研究目标—硬件设计。（9）本课题研究目标—软件设计。下午2时16分开放式数控研究目录（10）本课题研究目标—扩展设计。（11）系统开放性的描述。（12）实时和非实时操作系统的比较。（13）RTOS的选择。（14）PCNC的阐述。（15）IPCNC的简述。（16）基于PC的数控系统的组成。（17）系统的网络拓扑（18）硬件设计下午2时16分开放式数控研究（19）系统硬件平台的设计（主控）。（20）DSP多轴运动控制卡的设计。（21）各模块的接口协议和通讯。（22）系统反馈环节的选择。（22）CPLD实现4倍频和辩向。（23）CPLD实现高速计数。（24）CPLD实现变频。（25）致谢目录下午2时16分开放式数控研究数控技术的发展历史（1）1952研制了世界第一台三坐标立式数控铣床。（2）50-60年代，发展到NC（硬件数控）阶段。（3）70年代，发展到CNC（计算机数控）阶段。（4）80年代，出现高速高精度CNC的开发和应用阶段。（5）90年代，基于PC的开放式CNC的开发与应用。（6）当代，主要是基于PC的CNC开放式系统，软件有所提高。数控技术的发展下午2时16分开放式数控研究国内数控研究情况（1）1958开始起步。（2）50-60年代，处于研发阶段。（3）60-70年代，研制了晶体管式数控系统。（4）80年代，引进设备，进行技术吸收更新。（5）80-90年代（七五），数控大发展的阶段。（6）90年代，中国有自主产权的中高档数控设备产生。（7）1995，高校和研究所加入，推出了基于PC的CNC系统。（8）当今，着重研究高档数控设备。国内数控研究情况下午2时16分开放式数控研究数控设备的发展趋势（1）高速度、高精度发展。（2）集成化和智能化。（3）可靠性更高。（4）开放化和PC化。（5）具有更好的通讯功能。数控设备的发展趋势下午2时16分开放式数控研究开放式CNC的产生（1）CNC都采用封闭式结构。（2）由于控制器功能与机床功能不匹配。（3）用的硬件结构也限制了系统的本身的持续开发，更新换代慢，不利于数控产品的技术进步。（4）数控系统的这一现状已不能适应当今制造业市场变化频繁，竞争加剧的形式。为了解决这个问题，提高数控系统的开放性变的非常重要，人们提出开放式数控系统的概念开放式CNC的产生下午2时16分开放式数控研究开放式系统特点（1）互操作性：提供一个统一标准的通讯系统来实现各模块间的数据交换。（2）可移值性：应用程序可在不同的平台上运行。（3）伸缩性：可任意删除各功能模块。（4）可交换性：可任意互换功能模块。开放式系统的特点下午2时16分开放式数控研究开放式数控设备的发展现状（1）美国的NGC和OMAC计划。（2）日本的OSEC计划。（3）欧盟OSACA计划。目前开放式数控尚未形成商业化产品。开放式数控设备发展现状下午2时16分开放式数控研究美国的NGC和OMAC计划（1）NGC是里根政府为了提高制造业，提出的广泛的合作关系，提出了NGC发展计划，是由NCMS（美国国家制造中心）和空军共同实施的。（2）NGC目标：为下一代开放式数控设备的控制器提供一个标准。不同的工程师可以开发出不同的互换性部件。1994年转入工业生产。（3）OMAC计划：美国的FORD,GM,CHRYSLER等公司在NGC的领导下，提出了OMAC（OPENMODULERARCHITECTURECONTROLLER）（4）主要计划：定义系统基础结构，信息库管理，任务调度，人机接口，运动控制，传感器接口等标准API。构成了完毕的体系结构。有利于系统的二次开发。（5）PMAC卡：DELTATAU公司在NGC和OMAC计划的领导下，成功提出了具有良好特性的多轴运动控制卡。（6）PMAC卡和PC之间的接口，双口RAM，并行总线，串口等多种信息交换接口。提供了丰富的I/O设备、电机接口、能与交直电机连续实现运动控制，该卡提供了丰富的接口函数。下午2时16分开放式数控研究日本的OSEC计划（1）日本是一个数控设备生产大国，仅FANUC公司每年生产的数控系统占世界的50%。（2）为了保持世界的领先地位，1994年，6家日本的企业开始OSEC计划（OPENSYSTEMENVIRONMENT），提出了两种版本。（3）主要思想：1)进化:发展原有的思想—利用最新的技术去更新原有的思想。2)尽量做到软件的组态化:以提高系统的互操作性、可扩展性、可配置性和可移植性。3)尽量利用计算机技术。下午2时16分开放式数控研究欧盟OSACA计划（1）欧洲人的策略是联合百家之长，积极吸引世界上各种新技术，提出一个著名的计划：开放式自动化控制系统体系。（2）思想：以平台为基础，有一组逻辑、离散的组件组成，控制系统本身不带有平台信息，而组件与平台之间定义了很好的接口，允许不同供应商提供的组件之间的协调工作，正确工作的控制器可运行于不同的系统平台之上。（3）OSACA的核心部分：通讯系统，它屏蔽了操作系统的差异，保证了个功能单元（AO）的可移值性和互操作性以及系统配置文件的通用性。对外接口是API。（4）OSACA体系结构的主要目标：1）系统硬，软件平台定义统一标准，功能可由用户选择和配置；用户可以开发出自己的应用程序或使用第三方提供的程序。2）在适应有特殊要求的机床控制时，要缩短开发时间，增加灵活性；下午2时16分开放式数控研究CNC都采用封闭式结构软件和硬件不兼容交互、通讯机制不同下午2时16分开放式数控研究由于控制器功能与机床功能不匹配防火墙特有的东西加入不了数控系统数控设备没有标准接口机床生产厂家控制器生产厂家产品升级、服务、更换部件和增加新功能必须找控制器厂家咨询下午2时16分开放式数控研究本课题研究的背景和设计思想(1)我国发展数控系统的起步较早，但大多数为简易数控，已不能适应市场的要求。（2）引进和消化吸收国外产品虽然是追赶世界先进水平的一个途径，但无法从根本上解决自主开发数控系统的问题。（3）利用现有的资金、资源、人才与技术，研制我国自己的嵌入式实时多任务数控系统。开发自主知识产权CNC系统的一个可行的途径。（4）基于PC的数控系统大都是以通用操作系统作为软件平台，虽能提供最优化的全局性能和便捷的计算机资源，但不能满足数控系统实时性要求。（5）实时Linux版本出现为PC化数控系统的软件平台提供了一个好的选择。（6）以PC机为硬件平台在实时LINUX环境下开发开放式数控系统，是一项紧跟数控发展前沿的开拓性开发工作。（7）摆脱PC硬件对我们的不开放。课题研究背景和设计思想下午2时16分开放式数控研究本课题研究目标–硬件设计1硬件平台方案采用：ARMCPU+DSP+FPGA+伺服装置+双口RAM实现。（1）利用DSP完成多轴控制卡（控制的轴数可以扩展，并实现多轴联动）。（2）完成硬件平台的建立，包括多层电路板的设计和调试。（3）FPGA实现I/O输入，变频，倍频等。（4）DSPDRIVER（控制和算法的实现）（C+ASM）。（5）ARMDRIVER。本课题研究目标下午2时16分开放式数控研究本课题研究目标—软件设计1软件平台方案：RTLinux+控制算法+插补算法+应用软件+BSP。（1）裁减Linux，完成TCP/IP通讯协议，图形显示，文件系统的裁减，以便于工业控制。（2）利用RTLinux实时模块对通用Linux系统进行实时化。（3）在RTLinux系统本身提供的强大网络功能组件的基础上实现CNC系统的网络通讯功能。（4）利用RTLinux提供的开发函数库，完成对数控加工过程的速度控制、插补算法、位置控制、实时状态反馈等功能。（5）利用C语言和GNOME/GTK+库以及GCC编译器实现人机界面，包括数控程序的编译、译码、数控加工的状态显示、参数设置、仿真模拟等。本课题研究目标下午2时16分开放式数控研究1软件平台（续）（6）熟悉BSP（BoradSupportPackage）的原码和RTLinux内核原码。（7）利用师兄们好的控制算法（位置反馈和速度反馈）。（8）利用空间自由曲面设计理论完成五轴的空间插补算法。（9）实现数控设备自我描述和协议通明。（10）利用CORBA，COM+技术易于实现系统分布化和组件化。本课题研究目标—软件设计本课题研究目标下午2时16分开放式数控研究本课题研究目标—扩展设计（1）利用ARMBSD变种：实现强大的视频功能实施现场监控和自动刀具的磨损监测。（2）利用ARM的J变种：实现在我们系统硬件平台上跑JAVA程序。（3）利用ARM的E变种：实现代替DSP的功能。（4）实现远程图形直接传输加工。本课题研究目标下午2时16分开放式数控研究系统开放性的描述（1）采用自己设计的硬件平台，摆脱了PC低层硬件设计对我们不开放。使我们可以自己裁剪系统的硬件，简化了系统的硬件设计。（2）Linux系统是开放式代码的，这就允许用户按照自己的需求对系统进行定制开发。特别对工业系统来，好多通用的操作系统的功能是我们不需要的，如果不对进行裁剪，会影响整体性能。（3）RTLinux内核是对外开放的，我们可以自己编写OS的任务调度程序。（4）提供开放式结构的功能接口。用户可以选择不同的功能模块和接口，进行后期开发。（5）使用CORBA，COM+，Bonobo技术，可以实现软件的重组，加速数控机床的开发，易于CNC系统的分布化和组件化。（6）摆脱了通用的多轴运动控制卡，对低层的算法程序对我们不开发。（7）可以在我们自己的系统跑我们自己好的控制算法以及插补算法。系统开放性的描述下午2时16分开放式数控研究系统开放性的描述（续）（8）实现机床的即插即用，协议互联。（9）用户界面开放，用户可以定制用户界面内容和形式。（10）可移植性，RTLinux支持的POSIX接口，有利于将通用模块以库函数的形式移植到其它项目和系统中。（11）RTLinux支持TCP/IP，PPP，SLIP协议，对CNC的网络化提供技术支持。（12）硬件平台运行的操作系统和应用程序，可以通过网络进行软件的在线升级，利于我们系统的程序维护。（13）由于ARM系列CPU，有多种版本，出现多种变种，主频从几十兆到几千兆，但系统的软件是向下兼容的。有利于利用硬件的升级。系统开放性的描述下午2时16分开放式数控研究实时和非实时操作系统的比较1非实时的操作系统（1）DOS（2）Windows2嵌入式实时的操作系统（1）VxWorks（2）pSOS（3）PalmOS（4）WindowsCE（5）QNX（6）uC/OS-II（7）Linux---（UCLinux,RTLinux）操作系统的比较一下午2时16分开放式数控研究VxWorksVxWorks是美国WindRiver公司推出。被业内人士认为最好的实时操作系统，商业内核。特点：（1）高实时性内核。（2）友好的开发环境获得了很大的成功。（3）支持抢占式的基于优先级的任务调度。（4）支持任务间同步和通信。（5）看门狗定时器和内存管理。（6）任务切换时间短、中断延时小。（7）网络功能很强大。主要应用：火星探测车和爱国者导弹的导航系统。下午2时16分开放式数控研究pSOSIntegratedSystem公司推出，现在被WindRiver收购了，商业内核特点：（1）高实时性内核。（2）模块化设计。（3）支持抢占式的基于优先级的任