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数控技术及开放式数控系统

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第2期 机械设计与制造 2006年2月 Machinery Design&Manufacture —.79—. 文章编号:1001—3997(2006)02—0079—02 数控技术及开放式数控系统 龚敏(山西工业职业技术学院,大同037003) 陈友东(北京航空航天大学机械工程及自动化学院。北京) NC technology and open NC system GONG Min(Shanxi Vocational&Technical Institute of Industry,Datong 037003,China) CHEN You—dong(School of Mechanical Engineering&Automation BUAA,Bering China) 【摘要】从数控系统的发展入手,在讨论我国数控系统总体发展规划基础上,重点阐述了开放式 数控系统发展问题,结合IEEE的定义,明确了开放式数控系统的概念,并对国内外的相关研究进行 了总结,继而分析了开放式数控系统的分类与应用前景。 关键词:数控;数控系统;开放式结构;开放式数控系统 【Abstract]On the basis of discussion about the global plan to support home NC system,from the viewpoint foNC system development,issues on the Open NC system is expatiated,and teh deifnitionfor Open NC system is given out deifnitely based upon the deifnitionfrom IEEE.Concludes about the related research on Open NC system are made,and it’S classiifcation and implementatoinfuture are analyzed in brief. Key words:Rotary dryer;Heat transfer;Simulation;Experimental study 中图分类号:TP331.2文献标识码:A 1引言 所必备的基础设施之一,已成为当今先进制造技术的一个重要 制造业是国民经济的支柱产业,制造业的竞争力依赖于先 组成部分。然而,现今市场上组成CNC系统的硬件模块和软件 进制造技术。数控技术作为先进制造技术的基础和核心,使得 模块大部分是专用的、互不兼容,系统各模块间的交互方式、通 开放化智能化数控技术成为先进制造技术的主要研究领域与 讯机制也不相同,这就造成了不同厂家控制系统的相对、 关键技术之一,其研究的核心内容是新一放式数控系统 彼此封闭,缺乏互用互通的机制与标准。 【1】。因此,在颁布的“振兴特定基础机械和基础件的措 近年来随着计算机数控系统的成熟和普及,数控技术从传 施意见”中明确指出,发展数控机床是振兴我国基础机械的重 统的应用领域扩展到各种专用机床和其他机械设备,这种专用 点,发展数控系统又是发展数控机床的关键【2】。在战略实施方 体系结构的数控系统越来越暴露出其固有的缺陷。首先,各控制 面,国家863计划支持下的我国中档数控机床产业化也有长足 系统互连能力差,影响了系统的相互集成;风格不一的操作方式 进步,为实现两个50%(中档数控机床国产化率占50%,国产数 以及专用件的大量使用,不但使用户培训费用增加,还给数控设 备用户(NC系统的最终用户)带来许多不便;其次,系统的封闭 控系统占50%)的战略目标奠定了基础。 性使它的扩展和修改极为不便,造成数控系统设备商(NC系统 从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系 的中间用户)对系统供应商的依赖。并难以将自己的专门技术、 统,数控系统经历了分立式晶体管、小规模集成电路、大规模集 工艺经验集成到控制系统并形成自己的产品特色,这将不利于 成电路、小型计算机、超大规模集成电路、微机式数控系统的发 提高主机产品的竞争力;此外,专用的硬、软件结构也了系 展阶段。2O世纪7O年代中期数控装置由NC转向CNC。到8O年 统本身的持续开发,使系统的开发投资大、周期长、风险高、更新 代CNC装置始向人工智能化方向发展,驱动装置向交流、数字 换代慢,不利于数控产品的技术进步,同时又给技术和资金实力 化方向发展,增强通信功能,数控系统的可靠性不断提高。进入 雄厚的系统开发商和机床制造商在技术和维修等方面的垄断带 2O世纪9O年代以来,计算机技术的飞速发展。推动数控机床技 来了便利,最终受损失的是小型控制系统、机床制造商和机床用 术的更新换代。 户【3】。数控系统的这一现状已引起了人们的足够重视,并于2O 确切的说,市场需求的多元化趋势以及制造技术未来发展 世纪8O年代出现了开放式数控系统的概念。 的多层次性,使得设计生产开放式数控系统必将成为拉动数控 2.1开放体系结构控制系统 机床技术更快更新换代的重要的发展趋势。因此世界上许多数 开放结构意味着对不同的人提供不同的系统【4】。作为开 控系统生产厂家致力于利用PC机丰富的软硬件资源开发开放 放式数控系统的最终用户可以在标准的硬件和软件平台上。根 体系结构的新一代数控系统。 据自己的需要,选购不同厂商的软硬件功能模块,重构自己的 2开放式数控系统 系统。因此开放式系统的两个基本特征是:中性卖主,组件集成 计算机数控系统作为制造形状复杂、高质量、高精度产品 【5】。中性卖主表示开放式系统的设计是基于事先制订的标准, ★来稿13期:2005—05—08 维普资讯 http://www.cqvip.com

一80一 龚敏等:数控技术及开放式数控系统 第2期 ndows提供非实时部分的操作,用实时操作 这个标准于单个专用卖主;组件集成表示开放式系统是高 作系统,用MS—Wi度可移植的和可扩展的。虽然这两个需求被广泛接受,但每个 系统提供实时部分的操作。在这两种情况下用户都可以用API  组织都有自己的需求,如根据EMC【6】的描述,一个开放式系统 开发基于特定厂家开放平台的应用程序。必须是:模块性,扩充性,移植性,裁剪性。虽然开放式系统很难 系统类开发结构——拓扑结构依赖于过程。它具有互操作 形成统一的定义,但通常都采用IEEE 1003.0给出的如下定 性、可伸缩性、可移植性。在这种情况下许多企业联合起来(或 义。开放式系统:能够在众多平台上运行,能与其它系统进行互 组织)定义包括实时部分(运动控制,轴控制,PLC功能)控制器 操作,并能给用户提供统一风格界面的系统。根据这一定义,开 模块的接13。它是一种彻底的开放方案,它提供从软件到硬件, 放式数控系统必须是全模块化的体系结构[7】,它应具有以下 从人机界面到底层控制内核的全方位开放。 几个主要特征【8】:互操作性:提供标准化接口,通信和交互机 目前市场上的大部分开放控制系统只提供按照固定拓扑 制;可移植性:允许在不同的系统平台上运行系统组件;可裁剪 结构对非实时部分进行修改的功能,它们都缺乏柔性,都不是 性:根据用户需求增加和减少系统的功能;互用性:用一个组件 替换另一个组件的能力。 为了满足IEEE的定义和开放程度的评判标准,以下给出 开放式系统的评判标准。 开放式系统评判标准:指开放系统至少必须满足的评价指 标,这些指标借助文献【9】给出的内容,即一个系统是否满足开 放性,必须至少具备以下条件: 中性卖主:这个保证开放式系立于单个专用卖主的利 益; 一致驱动:开放式系统是由用户和卖主的组织控制; 基于标准:这个确保开放式系统以标准(国内或国际的标 准)的形式广泛发布; 免费提供:它对任何感兴趣的团体都是免费的。 2.2开放式控制系统的分类 开放式数控系统已经成为许多研究机构和生产厂商重点 关注的发展方向。比较典型的包括美国GM、EMC、OMAC、OS. ACA以及国内诸如北航、华中理工大学等。这里根据开发结构 的差别将开放式数控系统总体归为三类【10】。如图1所示,虚 线将控制系统划分为人机控制层和控制内核层。 整定 耋圭 生垃耋主 开放的HMI 有限开放的内核 开放控制系统 人机 I一一■ 控内制核 释一 ~猎 l- ・l 誉 I…审I 图1开放结构控制器的三种不同层 Fig.1 Three layers of the Open structure controller 界面类开放结构一指开放的人机界面(HMI),限于非实时 控制的开放。这种方式允许开发商、用户构造或集成自己专用的 模块到人机界面中,它为用户灵活制订适合自己特殊要求的操 作界面和操作步骤提供了一个途径,目前的数控系统基本上属 于这一种。大多数厂家(如GE Fanuc和Siemens)使用PC/Win- dows提供开放的人机界面,使用NC内核提供实时运动控制。 内核类开放结构——指有限开放的内核,内核拓扑结构固 定,厂家提供NC内核接口,至少提供插入用户专用模块的接口 (如Sinumerik 840C能够以这种方式设置)。通过有限开放系统 的核心接口,用户可按照一定的规范将自己专有的控制软件模 块加到系统预留的内核接口上。许多小的厂家提供了基于PC 的“开放式”解决方案,一般都用运动控制卡+Pc机构成。还有 些厂家在同一个处理器上既运行MS—Windows也运行实时操 基于中性卖主的。 2.3开放式系统发展的必然基础一开放结构控制标准化 由于现有控制产品的不同,利益的冲突,开放结构控制器 概念目前仍缺乏清晰的方向,开放结构控制系统全球标准还处 于初级阶段。 一直以来,为了在将来建立一个通用的标准,欧洲、美国、 日本持续讨论了协调不同规范的技术可行性,最终决定进行全 球的HMI标准的开发,共享开放结构控制器HMI API。其目的 是为世界上大部分控制产品定义HMI API。为此,首先定义了通 用数据模型,这包括命名转换,数据类型和数据以及其他重要 特性;第二,定义了通用服务的语义;第三,通过把数据和服务 模型与编程和运行环境进行比较得到了通用的API。如图2所 示。通过把与NC相关的技术和IT技术分离,缩短了创新周期。 主要的机床控制厂商(如GM、Siemens、Misubishi、Rockwe11 Au. tomation)和最终用户(如GM、Boeing)都参与了这项活动。 形式模扳 服务 NC标准 一命名转换 一命名转换 一通用数 一数据结构 一数据耋占构 据模型 一数据语义 一数据语义 一通用服 丽丽 务 规划 rr标准 虚用程序接口 一编程 一中问层 平台 (中间层) 通信协议 一通信 一操作系统 操作系统 一硬件 图2全球HMI API通用数据和服务模型 Fig.2 General data and service model from HMI API 3开放式系统的应用前景 自20世纪90年代以来,国内对数控机床和数控系统的需 求逐年上升,但面对国际上强大竞争对手,国产数控机床和数 控系统无论是性能、质量还是价格,都难以与发达国家产品相 抗衡、受进口数控机床和数控系统的强大冲击,国产数控和数 控系统市场占有率一直处于难以提升的低迷状态,大部分市场 被进口产品所占据。因此在国家有关部门提出的十五期间机械 行业将重点发展的项目中,要求机械行业要围绕主要行业用户 提高自主生产率,为各行业提供先进和成套的技术装备。对于 机床行业,要重点发展数控机床。大力提高数控系统及关键功 能部件的性能和质量,扭转我国数控机床长期依靠进口的局 面。中华人民共和国科学技术部当前优先发展的高技术产业化 重点领域指南,把数控机床及开放式数控系统列为其中一项。 我们有理由相信,随着这项研究的深入,开放体系结构将使数 控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性,并有益于数控 维普资讯 http://www.cqvip.com

第2期 2006年2月 文章编号:1001—3997(2006)02—0081—03 机械设计与制造 Maehinerv Desitm& Manufacture 一81一 电火花成型机数控系统控制策略的研究与实现呋 胡建华(淮海工学院机械工程系,连云港222005) 汪炜(南京航空航天大学机电工程学院。南京210016) HU Jian—hua,WANG Wei The control strategy research and implementation of EDM numerical controI system ( Dept.of Mechanical Engineering,Huaihai Institute of Technology,Lianyungang 222005-China) ( Dept.of Mechanical Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China) { 【摘要】这里通过对电火花成型机数控系统控制对象以及加工过程放电状态的分析,提出了一种符 ;合实际应用的控制策略,在粗加工情况下,以控制间隙电压稳定为主要目标,加工位移作为观测量;在精 ;加工情况下,只要选取合适的分析周期,使在分析周期内的加工位移小于工件的加工精度,则仍以控制间 S隙电压稳定为主要目标,加工位移作为观测量,当加工位移与理想位移最接近时,停止加工。同时,采用模 ;糊控制策略实现了对电火花成型加工过程中放电状态(间隙电压)的控制。采用上述控制方式有效地避免 {了由于间隙电压与加工位移之间的耦合关系而导致的控制系统复杂性。该系统软件结构简单、实用,具有 {很强的工程应用价值,通过对现场运行获取数据进行分析,收到很好效果。 { 关键词:电加工;数控系统;模糊控制;控制策略 ; 【Abstract】On the basis ofanalyzing numeric control(NC)systemfor electro—discharge machining }(EDM)and process fmacohining, 口new control strategy si developed,which eemts ctaual wel1.For coursing {m ̄hining,teh stability fgaop voltage si the aimn controlled object,whiel teh moveentm si onty to be Irl ̄a一 {sured.For ifnish machining,ifthe analyzing period si selec ̄d suitably, and the moveenmt si less than,凇一 {chiinng precsiion,then te hstbiality fgaop voltage si te haimn cotnrolled object,while the moveenmt si only to }be mea¥ured. 饥£ e machining movement si close tofinal diensmion,te hprocess is the end.Meanwhi 如e ; control strategy si adopted to control the state fgaop voltage in te hprocess f oEDM./t is emdonstrated ;tath this strategy si goodfor avoiding te hcomplication fcoontrol systemfor coupling ofgap voltage and,M一 {chiinng moveenmt.The architect of whole sysetm is simpleness,practicality and good engienering applcia- }砌,k Finally,the expeiremnt resuIt si f. { Key words:EDM;Numerical control system;Fuzzy cntrol;Control srtategy 中图分类号:TN502.3文献标识码:A 1电火花放电状态的监 4 最简单也是最常用的是采用判别间隙放电电压波形的方法。来 有多种对电火花成型加工中放电状态的检测方法,但目前 判断电火花成型加工过程中的放电状态。电火花放电电压波形 ★来稿13期:2005—05—08★江苏省高校自然科学研究资助项目(编号:02KJB460012)江苏省高校高技术产业发展项目(编号:JH03—017) 系统向智能化、网络化方向发展。可以预见,深入进行开放式数 控系统的研究,对提高我国数控产业的国际竞争力,提高市场 占有率,具有重要的理论、实际意义和应用价值。 teeture Real—time Controller for Machining Process,CIRP,1995v27. ,6 Frederick M.Proctor,Brad Damaso,Charles Yang,Simon Frechette, open arelaiteetu ̄for machine tools contro1. 参考文献 1先进制造技术的主要研究领域与关键技术。http:∥sy.863cims.net/ tech/rcm/rcmnew/rcm1007.htm. 7王宇晗.吴祖育,陆志强,蔡建国.开放式效控系统的动态建模研究, 机械科学与技术,2000。v19,n6:101l~1013. 8 Pfitchow G.,Daniel Ch.,JunghAwls G.,Speding W.。Open System Con tm ̄em—A Challenge orf the Future of the Machine Tool Industry,Annals of the CIRP,42/l,l993,PP.449~452. 9 Pfitchow G.,Yusuf Altintas.,etc,Open Controller Architecture—Past, Present and Future,CIRP,2001,v50,2:463~470. 2杨皖苏,严鸿和.我国效控产业发展研究.机械设计与制造工 程,2001,1,ppl一3. 3王敏,基于WINDOWS的开放式数控系统研究,北京航空航天大学博 士论文,1997,12. 4闵越,以Pc为基础的的数控系统,锻压机械,1999,3,47~49. 5 Jaehyum Park,Zbigniew J.,Pasek,Yansong Shan,etc,An Open Archi 10陈友东,陈五一.开放式数控系统的研究.北京航空航天大学博士 论文。2002. 

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