CN101226388A - 开放式软件化数控系统 - Google Patents

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王永章
富宏亚
付云忠
韩振宇
刘源
梁全
王显峰
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Abstract

开放式软件化数控系统，它涉及一种数控设备的开放式控制系统，以解决现有控制系统体系结构存在的软硬件结构不可移植和不可扩展导致的控制软件专用性强、系统运行依赖于专用硬件体系结构和软件设计思想的问题。本发明的人机接口模块用于设定参数、编辑程序、显示诊断和反馈信息；任务协调模块用于分配任务给轴组模块；轴组模块完成加减速处理及插补任务，反馈运行状态给任务协调模块；轴模块读取外部设备信息，完成控制功能，将控制信息发送给外部设备执行，反馈结果给轴组模块；控制规律模块完成伺服控制规律的计算，发送结果给轴模块；软PLC模块，与任务协调模块交互，控制外部设备，将结果显示在人机接口模块上，通过软PLC开发系统编译PLC程序。

Description

开放式软件化数控系统
技术领域
本发明涉及一种数控机床的开放式控制系统，具体涉及一种控制器在Windows操作系统下工作的模块化可重构的开放式数控系统。
背景技术
传统数控系统大都采用专用的封闭的体系结构，这种结构的系统硬件是专用的，各厂家的主板、伺服电路板专门设计，厂家之间的产品无互换性。系统软件结构是专用的，无可移植性，也无扩展性，控制软件专用性较强，它的使用依赖于专用控制系统的硬件体系结构和软件设计思想。随着技术、市场、生产组织结构等方面的快速变化，新的加工需求不断出现，要求数控系统具有迅速、高效、经济地面向客户的模块化特性和软硬件重构能力；改变以往数控系统的封闭性设计模式，降低生产厂家对控制系统的高依赖性和对数控软件、硬件、控制策略的耦合性，适应未来车间面向任务和定单的生产模式。相关技术的飞速发展和市场的强烈需求促进了数控系统由专用型封闭式控制模式向通用型开放式体系结构转变和发展。
发明内容
本发明为解决现有控制系统体系结构存在的软硬件结构的不可移植性和不可扩展性，导致控制软件的专用性强、系统的运行依赖于专用的硬件体系结构和软件设计思想的问题，提供一种开放式软件化数控系统。本发明由基于RTX实时扩展的Windows操作系统的工业PC机1、符合SERCOS国际协议标准的伺服驱动器2和I/O模块3、符合SERCOS国际协议标准的用于完成控制器5与伺服驱动器2和I/O模块3之间通讯的SoftSERCANS通讯卡4、用于实现伺服控制功能和开关控制功能的控制器5组成；所述控制器5包括以下单元：
人机接口模块6，修改和设定任务协调模块7的参数、编辑PLC程序、显示诊断信息以及PLC反馈信息；
任务协调模块7，将来自人机接口模块6以及软PLC模块11的任务分配给轴组模块8；
轴组模块8，接受任务协调模块7的调度，完成加减速处理及插补任务，并将运行状态反馈给任务协调模块7；
轴模块9，接受轴组模块8的指令，同时读取伺服驱动器2和I/O模块3的反馈信息，根据用户需求选择性地调用伺服控制规律完成位置控制或速度控制等功能，将控制信息发送给伺服驱动器2和I/O模块3执行，并将其运行状态反馈给轴组模块8；
控制规律模块10，为轴模块9提供多种控制策略完成伺服控制规律的计算，并将计算结果发送给轴模块9；
软PLC模块11，与任务协调模块7进行信息交互，对伺服驱动器2和I/O模块3进行控制，并识别伺服驱动器2和I/O模块3的运行状态，将结果显示在在人机接口模块6上，并通过软PLC开发系统12完成PLC程序的编译与调试。
有益效果：本发明数控系统的控制器采用纯软件实现各个模块的控制功能，并通过函数编程使各模块实现接口通讯，各模块运行在计算机环境中，既提供了数控系统的控制功能，也具备了开放的体系结构，能够支持多种硬件和编程语言，可支持不同的数控设备和编程语言，与传统的硬数控设备相比具有可移植和可扩展性较好、控制软件的通用性较好、系统的设计不依赖硬件体系结构的特点。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；图2是控制器5的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：参见图1、图2，本实施方式由基于RTX实时扩展的Windows操作系统的工业PC机1、符合SERCOS国际协议标准的伺服驱动器2和I/O模块3、符合SERCOS国际协议标准的用于完成控制器5与伺服驱动器2和I/O模块3之间通讯的SoftSERCANS通讯卡4、用于实现伺服控制功能和开关控制功能的控制器5组成；
控制器5由以下单元组成：
人机接口模块6，修改和设定任务协调模块7的参数、编辑PLC程序、显示诊断信息以及PLC反馈信息；
任务协调模块7，将来自人机接口模块6以及软PLC模块11的任务分配给轴组模块8；
轴组模块8，接受任务协调模块7的调度，完成加减速处理及插补任务，并将运行状态反馈给任务协调模块7；
轴模块9，接受轴组模块8的指令，同时读取伺服驱动器2和I/O模块3的反馈信息，根据用户需求选择性地调用伺服控制规律完成位置控制或速度控制等功能，将控制信息发送给伺服驱动器2和I/O模块3执行，并将其运行状态反馈给轴组模块8；
控制规律模块10，为轴模块9提供多种控制策略完成伺服控制规律的计算，并将计算结果发送给轴模块9；
软PLC模块11，与任务协调模块7进行信息交互，对伺服驱动器2和I/O模块3进行控制，并识别伺服驱动器2和I/O模块3的运行状态，将结果显示在在人机接口模块6上，并通过软PLC开发系统12完成PLC程序的编译与调试。
所述人机接口模块6、任务协调模块7完成非实时性任务、采用微软的COM组件技术开发，轴组模块8、轴模块9和控制规律模块10属于实时性任务，采用RTDLL动态连接库技术进行开发。模块接口API是模块向用户提供服务的唯一接口，是模块之间进行交互的途径，本实施方式的各模块都定义了三类标准接口，其中基础接口负责模块的创建、注册、初始化、启动等操作，连接接口模块预定义了模块间的连接框架，功能接口提供与数控功能相关的服务。本实施方式以数控软件包为基础，建立应用于三轴铣床的开放式数控系统，具有友好的人机控制界面，可进行刀具长度和半径补偿，支持直线、圆弧加工等基本的数控功能，采用软件伺服方式实现位置环和速度环控制。其软件平台为：RTX实时扩展采用美国Venturcom公司的RTX5.0，Windows操作系统采用WindowsNT4.0；硬件平台为：工业PC机1采用CPU为PentiumIII 800MHz、内存为256MB的微型计算机，SoftSERCANS通讯卡4采用通过PCI总线与PC机1连接的通讯卡、并通过SERCOS光纤环与外围设备连接；外围设备为：三套由SERCOS接口伺服驱动器、交流伺服电机、变频器和高速电主轴组成的数控设备，并设有SERCOS接口输入输出模块和赛洋数控公司的矩阵加密数控面板。根据数控设备的类型，选择构成数控系统的各个模块，其中伺服功能采用软件方式实现。依次对每一个所选模块进行参数定制及连接关系的设定，系统配置完成后，配置结果以文件名为3_AxisMill.SCF的形式保存。数控系统内三个轴模块实例代表三个进给轴，在轴模块内完成位置环和速度环控制，每个轴模块与两个PID控制规律模块实例相连。启动系统配置文件3_AxisMill.SCF，系统程序自动解析SCF文件，按照配置文件的定义来动态地加载指定的功能模块，进行模块参数配置、连接、启动，构成一个新的系统，开始正常工作，接收用户指令完成相应的数控功能。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同点在于以数控软件包为基础，建立应用于五轴联动铣床的开放式数控系统，支持线性、样条加工等数控功能，采用软件伺服方式实现位置环和速度环控制。其软件平台为：RTX实时扩展采用美国Venturcom公司的RTX6.5.1，Windows操作系统采用Windows XP SP2；硬件平台为：工业PC机1采用CPU为PentiumIV3.0GHz、内存为1GB的艾讯(AXIOMTEK)工作站，SoftSERCANS通讯卡4采用通过PCI总线与PC机1连接的通讯卡、并通过SERCOS光纤环与外围设备连接；外围设备为：六套由SERCOS接口伺服驱动器和交流伺服电机组成的数控设备，并设有SERCOS接口输入输出模块和赛洋数控公司的矩阵加密数控面板，五轴数控铣床系统配置文件保存为5_AxisMill.SCF。启动系统配置文件5_AxisMill.SCF，系统程序自动解析SCF文件，按照配置文件的定义来动态地加载指定的功能模块，进行模块参数配置、连接、启动，构成一个新的系统，开始正常工作，接收用户指令完成相应的数控功能。
具体实施方式三：参见图2，本实施方式在具体实施方式一的基础上增加了以下单元：任务生成模块12，对来自任务协调模块7的数控加工程序进行语法和词法检查，分离提取加工程序中的信息，生成包含运动信息的运动段指令和逻辑控制指令，同时完成刀具补偿，并将结果反馈给任务协调模块7。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于控制器5的配置方法由以下步骤组成：
步骤一、设定可定制参数：在控制器5的每个模块中都定义一个数据链表，将数据链表中的每个元素都定义成该模块的可定制参数，采用如下形式定义：entryInfo＝<参数字符串名称name，数据类型type＝“”，参数地址add＝NULL，描述description＝“”>；并且每个模块都提供configParameters()方法，将用户在系统配置文件中设定的参数写入数据链表中相应的元素，这个功能在模块内部实现，配置过程中系统以统一的方式通过对configParameters()方法的调用来自动完成可定制参数的初值设定；
步骤二、定义模块命名机制：为每个模块添加一个由模块类名和一个数字组合组成的全局名字，以及一个表示与该模块具有连接关系的另一个模块在该模块内的内部名称的本地名字；采用全局命名加本地命名的模块命名机制。每个模块实例都可以有两个名字，全局名字与本地名字，在配置文件中，每个模块由“[模块实例全局名字]”作为定制的起始标志，全局名字由模块类名和一个数字组合而成，按照名字加载模块完成实例化后，实例的全局名字、地址指针等数据记录在可全局存取的信息目录模型内，本地名字是指与该模块具有连接关系的另一模块在该模块内的内部名称，建立本地命名表表达模块设计者预先定义的该模块与其它模块所有可能连接关系，本地命名表每行对应一个连接关系；
步骤三、设计各模块间的连接接口和定义配置文件格式来实现功能模块组的可配置性：采用连接接口的行使管理本地命名标的软件实现，由连接接口内部的绑定条目bindinfo完成，定义如下：bindInfo＝<localName，interfaceType，globalName＝NULL，moduleAdd＝NULL>，其中localName表示待连接模块的本地名字；interfaceType表示待连接模块的接口类型；globalName表示待连接模块在系统内的全局名字；moduleAddress表示被连接模块的地址。多个连接关系对应于多个绑定条目，以链表形式进行管理和操作。

Claims (2)

1.开放式软件化数控系统，它由基于RTX实时扩展的Windows操作系统的工业PC机(1)、符合SERCOS国际协议标准的伺服驱动器(2)和I/O模块(3)、符合SERCOS国际协议标准的用于完成控制器(5)与伺服驱动器(2)和I/O模块(3)之间通讯的SoftSERCANS通讯卡(4)、用于实现伺服控制功能和开关控制功能的控制器(5)组成；
其特征在于所述控制器(5)包括以下单元：
人机接口模块(6)，修改和设定任务协调模块(7)的参数、编辑PLC程序、显示诊断信息以及PLC反馈信息；
任务协调模块(7)，将来自人机接口模块(6)以及软PLC模块(11)的任务分配给轴组模块(8)；
轴组模块(8)，接受任务协调模块(7)的调度，完成加减速处理及插补任务，并将运行状态反馈给任务协调模块(7)；
轴模块(9)，接受轴组模块(8)的指令，同时读取伺服驱动器(2)和I/O模块(3)的反馈信息，根据用户需求选择性地调用伺服控制规律完成位置控制或速度控制等功能，将控制信息发送给伺服驱动器(2)和I/O模块(3)执行，并将其运行状态反馈给轴组模块(8)；
控制规律模块(10)，为轴模块(9)提供多种控制策略完成伺服控制规律的计算，并将计算结果发送给轴模块(9)；
软PLC模块(11)，与任务协调模块(7)进行信息交互，对伺服驱动器(2)和I/O模块(3)进行控制，并识别伺服驱动器(2)和I/O模块(3)的运行状态，将结果显示在在人机接口模块(6)上，并通过软PLC开发系统(13)完成PLC程序的编译与调试。
2.根据权利要求1所述的开放式软件化数控系统，其特征在于它还包括以下单元：任务生成模块(12)，对来自任务协调模块(7)的数控加工程序进行语法和词法检查，分离提取加工程序中的信息，生成包含运动信息的运动段指令和逻辑控制指令，同时完成刀具补偿，并将结果反馈给任务协调模块(7)。
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