CN101699361A - 一种标准化控制机 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的控制机，并提出一种存储信息控制方法与软重构方法。本发明解决了数字控制系统的开放性，实现了数字控制技术的完全软件化。本发明按照制造控制信息的控制流程配置相应的控制资源，将数字控制系统的体系结构解耦为控制信息生成部件、控制信息分配发送部件和控制信息执行部件。所述控制机既拥有PC丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化与低廉的价格，是现代数字控制系统所能达到的理想结构，体现了开放式数字控制系统的核心价值。

Description

一种标准化控制机

技术领域

本发明属先进控制技术领域，涉及一种标准化的控制机，即一种在控制信息、控制方法、控制过程与体系结构等方面全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的DRC控制机与一种存储信息控制方法，还涉及可重构计算机数字控制系统(Reconfigurable Computer Numerical Control System)及其重构方法。

背景技术

计算机数字控制技术以高精度伺服运动控制和多运动协同控制为主要特征，是数控设备、火炮、雷达以及陀螺导航等领域的基础性控制技术。信息技术的发展使现代数控装备迅速实现自动化、数字化、智能化，其中，计算机数字控制系统(Computer Numerical Control System，简称：数字控制系统)扮演了关键角色。

在一般的意义上，现代数字控制装备可抽象概括为三个系统，即动力机、工作机和控制机：动力机提供能量，控制机向工作机与动力机发送控制信息，工作机从动力机获取能量完成产品的制造。

第一次工业革命的标志是工作机的诞生，机械代替手工工具。

第二次工业革命的标志是动力机的诞生，蒸汽机、内燃机、电机代替了人力、畜力。

第三次工业革命将以自动化为主要标志，即控制机的诞生，电脑代替人脑。

从制造业的观点来看，上述划分是符合逻辑的。

在先进控制领域，数字控制系统扮演控制机的角色，然而现有数字控制系统并非是可以与动力机、工作机相提并论的控制机。

1、制约现有数字控制系统发展为控制机的第一个原因是开放性。现有数字控制系统是一种专用的控制装置，或者说，是一个封闭系统。

上世纪八十年代以来，美国、欧盟和日本纷纷推出关于下一代开放式数字控制系统的研发计划，如美国的NGC计划(Next Generation Controller)、欧盟的OSACA计划(Open System Architecture for Control within Automation Systems)和日本的OSEC计划(Open System Environment for Controller)。OSEC认为，没有先进的控制算法的下一代数字控制系统只是进化性的非革命性的。现有数字控制系统，包括上述“下一代数字控制系统”计划，以及基于运动控制器的开放式数字控制系统，其控制算法都是插补迭代控制算法，提高插补精度与插补速度成为其首要目标，其技术手段都是采用高速DSP器件。因此，迄今为止，所谓下一代数字控制系统都只是进化性的，而不是革命性的。

开放式作为下一代数字控制系统的基本标志已成共识。开放式数字控制系统应基于PC，以便拥有PC的丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台。NC嵌入PC的所谓基于运动控制器的开放式数字控制系统成为现有开放式数字控制系统的主流，运动控制器成为一个高新技术产业并风靡全球。基于PC的开放式运动控制器在美国被誉为新一代的工业控制器，在日本被认为是将来的第三次工业革命。

开放式体系结构是实现高性能、智能化数字控制的关键技术。文献《高性能运动控制在数控系统中的应用综述》(载《信息与控制》，2003年第3期，作者：王军平，王安，敬忠良，陈全世)分析了开放式体系结构的研发现状，指出了开放式体系结构的研究尚处于初期阶段，开放式体系结构的研究与系统实现技术还处于百家争鸣时代。

2，制约现有数字控制系统发展为控制机的第二个原因是可重构性。

可重构制造系统是先进制造的研究前沿，是未来制造系统的发展方向。1998年美国国家研究委员会发表关于可重构制造系统以来的十多年里，数字信息技术突飞猛进，可重构制造系统却几无进展，其原因在于可重构制造系统必须建立在可重构数字控制系统的基础上，没有可重构数字控制系统，可重构制造系统则是无米之炊。数字控制系统的可重构性成为可重构制造系统中亟待解决的关键技术。国标“GB/T 18759.1-2002.机械电气设备.开放式数控系统.第1部分：总则.4.5.2”将数字控制系统的可重构性列为开放式数字控制系统的有待实现的最高层次。

3，制约现有数字控制系统发展为控制机的第三个原因是标准化。

零件以及部件的标准化是现代制造业的生命线。标准化与开放式，在目的、效果、内涵等方面都极为接近。嵌入式子系统作为母系统的“部件”，与工作机、动力机的部件相似。开放式的实质在于实现数字控制系统的标准化。

数字控制系统的标准化不仅涉及硬件的标准化，还涉及应用软件的开放性。如果数字控制系统中每个子系统的硬件都标准化了，而其应用软件是开放的，可实现即插即用，则该数字控制系统显然就是标准化的。现有数字控制系统着重于应用软件的即插即用，忽视了子系统硬件的标准化。

4，制约现有数字控制系统发展为控制机的第四个原因是可靠性，特别是其采用的实时操作系统的可靠性。

软开放式数字控制系统被认为是开放式数字控制系统的重要发展方向。软开放式数字控制系统仅由PC、现场总线和进给伺服系统构成，PC通过现场总线与进给伺服系统连接。所有的控制功能，包括多过程控制与管理、零件程序的解释和执行、插补与轮廓控制、加减速控制、进给伺服系统的反馈与驱动、PLC控制等，都在实时操作系统的控制下在实时环境中由软件全部完成。

形象地说，上述软开放式数字控制系统就是将数字控制控制系统完全PC化。完全PC化的数字控制系统既拥有PC的丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化、低廉的价格与广泛的社会普及性。这是现代数字控制系统所能达到的理想结构，也是开放式数字控制系统梦寐以求的核心价值。

在上述软开放式数字控制系统中，实时操作系统是一个极为复杂的系统，因修补漏洞而形成的补丁难以胜数，不仅在实时性方面难以满足现代数控设备在高速超高速、高精度、高可靠性、长期连续运转等方面的要求，在可靠性和安全性方面更无法适应现代制造系统在网络化、远程制造方面的要求，成为软开放式数字控制系统研发的技术瓶颈。上述软开放式数字控制系统研发的另一个技术瓶颈是，无法消除实时操作系统的制约，具体包括：无法消除控制信息的迭代与控制流程的迭代，无法消除插补周期导致的大量冗余信息，从而无法消除控制信息的封闭性、控制方法的封闭性与控制过程的封闭性。一旦工作机的运动速度提高、或运动精度提高、或联动轴增加、或需要实时控制的工艺参数增加，实时操作系统的插补周期必然以指数形式增长，从而需要更多位数、更高速度的CPU以及实时性更强可靠性更高的实时操作系统，从而严重削弱了整个系统的开放性与可重构性。

针对以上各个问题，现有的各种技术提供了不同的解决方案，例如：NGC计划、OSACA计划和OSEC计划所提出的解决方案。

国际电气电子工程师协会(IEEE)将开放式控制系统定义为：符合系统规范的应用系统可以运行在不同的平台上，与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。

IEEE定义表明，现有开放式数字控制系统的体系结构分为系统平台和应用软件两大部分，进而划分为人机控制层和运动控制层，是面向软件模块化的体系结构。其中，运动控制层是数字控制系统完成实时控制过程的内核，与特定的插补迭代控制密不可分。IEEE定义主导着开放式数字控制系统的发展，对人机控制层与运动控制层的开放性的不同处理，产生了现有开放式数字控制系统的三种模式：PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式、软开放式模式。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：

首先，IEEE定义是从计算机系统移植过来的，并未真正解决数字控制系统的开放性。在IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统中，实时操作系统不是面向工作机，为工作机服务，而是将插补周期强制为整个控制系统的系统时钟，指挥一切，“大权独揽，小权不放”，一竿子插到底，规划、设计、施工全包，而且是“边设计，边施工”。对于控制信息的制造而言，这种指挥一切的“边设计，边施工”的集中控制模式必然构成一个强实时的、高度刚性的、封闭的集成制造系统。在实时操作系统中，必须采用多任务并行处理和多重实时中断技术，进程调度与线程调度极为复杂。在这种集中控制模式中，控制信息、控制方法、控制过程与体系结构都是封闭的。

其次，现有开放式数字控制系统的重构是较低层次上的重构。相应于机械设备的重构，控制模块需要增加硬组件以及改变现有控制模块的控制结构，以适应某些特定机械设备的功能，在可互操作性、可移植性、可缩放性、可扩展性、可互换性、重构速度等方面都难以适应现代制造业对数字控制系统的要求。现有开放式数字控制系统不能消除插补周期的制约。随着工作机的运动速度提高、或运动精度提高、或联动轴增加、或需要实时控制的工艺参数增加，现有开放式数字控制系统的插补速度以指数形式暴跌，从而需要更多位数、更高速度的CPU以及实时性更强的实时操作系统。在这种情况下，现有开放式数字控制系统完全没有可重构性。

第三，从标准化的观点来看，数字控制系统必须只生产工作机所需要的控制信息。现有开放式数字控制系统采用实时操作系统控制下的插补迭代控制方法，插补周期作为系统参数成为现有开放式数字控制系统的关键技术指标。实时操作系统导致的插补周期、轮廓步长等大量冗余信息成为数字控制系统标准化的严重障碍。

上述分析表明，IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统与实时操作系统的强相关性导致控制信息、控制方法、控制过程与体系结构的封闭性，可重构差，在标准化和可靠性方面存在严重障碍。这些缺陷导致现有开放式数字控制系统中的嵌入式子系统无法演化为标准化“部件”，从而导致现有开放式数字控制系统无法演化为第三次工业革命所期盼的控制机。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种在控制信息、控制方法、控制过程与体系结构等方面全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的DRC控制机，以适应现代制造业对数字控制系统的要求。

一种标准化控制机，包括：控制信息生成部件01，用于离线制造控制信息；所述控制信息包括：多轴多参数关联数据流和开关控制流；其中，所述多轴多参数关联数据流包括多个坐标轴的多轴关联数据流和多个需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流；控制信息分配发送部件03，用于将所述控制信息实时分配发送给控制信息执行部件04；控制信息执行部件04，包括智能驱动器06与开关系统07；其中，所述智能驱动器06，用于实时执行所述多轴关联数据流；所述开关系统07，用于实时执行所述多参数关联数据流和开关控制流。

上述标准化控制机，还包括：总线02，用于连接所述控制信息生成部件01与所述控制信息分配发送部件03；所述总线02包括现场总线和系统总线；I/O接口05，用于连接所述控制信息分配发送部件03和所述控制信息执行部件04；所述I/O接口05至少包括：通用I/O接口，用于连接所述控制信息分配发送部件03和所述开关系统07；可编程I/O接口，用于连接所述控制信息分配发送部件03和所述智能驱动器06。

上述标准化控制机，所述控制信息生成部件01包括：数据控制流文件库1067，用于存储数据控制流文件，所述数据控制流文件根据所述控制信息生成；对外接口，与所述数据控制流文件库1067连接，用于接入一移动存储器，将所述数据控制流文件通过所述对外接口传输到所述移动存储器，由所述移动存储器将所述数据控制流文件传输给所述控制信息分配发送部件03；无线接口，与数据控制流文件库1067连接，用于将所述数据控制流文件传输给所述控制信息分配发送部件03。

上述标准化控制机，所述多轴多参数联动功能区105还包括重构平台109，所述重构平台109包括：控制环境规划模块1091，用于对一数控设备的功能部件进行离散运动学分析；根据所述功能部件的运动结构，确定所述功能部件之间的约束关系与联动关系、坐标系参数和轴的精细结构常数；根据所述功能部件的运动结构以及被加工零件的几何特征与工艺要求，规划所述功能部件的最优联动关系、约束关系和运动方式，配置或开发制造控制信息的应用软件；控制流程规划模块1092，用于确定控制流程，根据所规划的控制流程为所述控制信息生成部件01、所述控制信息分配发送部件03和所述控制信息执行部件04确定控制目标、分配控制任务；I/O接口规划模块1093，至少包括企业管理级接口和运动控制级接口，用于完成不同通信协议之间的转换。

上述标准化控制机，所述控制信息分配发送部件03包括一硬件平台和一软件平台；所述硬件平台具体为可编程数据流控制器031；所述软件平台具体为数据控制流文件解释运行程序、I/O接口管理程序与中断处理程序。

上述标准化控制机，所述通信服务模块1055、所述通信协议数据库1066、所述I/O接口规划模块1093、所述I/O接口管理程序与所述控制信息分配发送部件03构成一个可重构I/O系统。

一种应用于标准化控制机的重构方法，包括以下步骤：步骤一，控制信息生成部件01接收来自用户的重构信息；步骤二、所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述控制环境规划模块1091对重构后的工作机的功能部件进行离散运动学分析，根据所述功能部件的运动结构以及加工零件的几何特征与工艺要求，确定所述功能部件之间的联动关系、约束关系和运动方式，以及坐标系参数与精细结构常数；配置或开发制造控制信息的应用软件；步骤三，所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述系统数据库106，对所述结构常数数据库1063、所述工艺参数数据库1064和所述系统参数数据库1065进行重构；步骤四，所述控制信息生成部件01从所述结构常数数据库1063中检索坐标系参数，根据工作机重构后的坐标系参数建立相应的正交和/或非正交离散坐标系；步骤五，所述重构平台109调用所述控制流程规划模块1092，确定控制流程；根据所述控制流程为所述控制信息生成部件01、所述控制信息分配发送部件03和所述控制信息执行部件04确定控制目标，分配控制任务；步骤六，根据工作机重构后的I/O接口，所述重构平台109从所述通信协议数据库1066中取出相关信息，规划所述可编程I/O接口的接口参数与所述智能驱动器06的系统参数，生成相应的状态指令；步骤七，所述控制信息生成部件01调用所述通信服务模块1055将所述状态指令传输给所述控制信息分配发送部件03，所述控制信息分配发送部件03运行所述状态指令，完成对所述可编程I/O接口与所述智能驱动器06的重构。

一种存储信息控制方法，包括控制信息生成步骤、控制信息分配发送步骤、控制信息执行步骤：在所述控制信息生成步骤中，所述控制信息生成部件01离线生成控制信息；所述控制信息包括：多轴多参数关联数据流和开关控制流；其中，所述多轴多参数关联数据流包括多个坐标轴的多轴关联数据流和多个需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流；在所述控制信息分配发送步骤中，所述控制信息分配发送部件03实时分配发送所述控制信息给所述控制信息执行部件04；在所述控制信息执行步骤中，所述控制信息执行部件04中的所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；所述控制信息执行部件04中的所述开关系统07实时执行所述多参数关联数据流和开关控制流。

上述存储信息控制方法，所述控制信息生成步骤具体包括：步骤一，控制信息生成部件01接收制造请求；步骤二，所述控制信息生成部件01对所述制造请求进行解析，创建运动轨迹，完成建模、出图、刀具补偿，生成刀具路径文件；步骤三，所述控制信息生成部件01调用PLC系统生成所述开关控制流；步骤四，所述控制信息生成部件01生成多轴多参数关联数据流，包括：根据工作机的坐标系参数生成多轴关联数据流，根据需要实时控制的工艺参数生成多参数关联数据流；步骤五，所述控制信息生成部件01根据工作机的精细结构常数对所述多轴关联数据流的精细数字结构进行调整与优化；步骤六，所述控制信息生成部件01对调整与优化后的所述多轴多参数关联数据流进行格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流；步骤七，所述控制信息生成部件01生成一数据控制流文件；所述数据控制流文件至少包括：多轴关联数据流、多参数关联数据流和开关控制流；步骤八，所述控制信息生成部件01将所述数据控制流文件传送给所述控制信息分配发送部件03。

上述存储信息控制方法，所述控制信息分配发送步骤还包括：步骤九，所述控制信息分配发送部件03将所述多轴关联数据流发送给所述智能驱动器06，所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；所述控制信息分配发送部件03将所述多参数关联数据流与所述开关控制流发送给控制工艺参数的所述开关系统07，所述开关系统07实时执行所述多参数关联数据流与所述开关控制流。

上述存储信息控制方法，所述步骤九中，进一步包括：所述控制信息分配发送部件03运行状态指令设定系统参数和自身的I/O接口参数，根据所述多轴多参数关联数据流的状态表将所述多轴多参数关联数据流的微观信息写入所述控制信息分配发送部件03中的功能寄存器，根据所述多轴多参数关联数据流的特征表将多轴关联数据流和多参数关联数据流写入所述控制信息分配发送部件03中的数据流驱动器。

上述存储信息控制方法，在所述控制信息生成步骤与所述控制信息分配发送步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代；在所述控制信息分配发送步骤与所述控制信息执行步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代。

上述存储信息控制方法，所述控制信息执行部件04实时响应与单轴运动和开关系统07有关的中断请求；所述控制信息分配发送部件03实时响应与多轴运动有关的中断请求；所述控制信息生成部件01响应弱实时和/或非实时性外部环境的变化。

上述存储信息控制方法，所述步骤四中，所述控制信息生成部件01生成所述多轴关联数据流与所述多参数关联数据流，具体包括：所述控制信息生成部件01根据工作机的坐标系参数与精细结构常数，选择相应的非正交离散坐标系并确定优化目标；所述优化目标包括：短程逼近、最小偏差逼近、最少拐点逼近；所述控制信息生成部件01选择相应的数值算法对轮廓运动进行整体优化；所述控制信息生成部件01进行数值计算并予以局部优化，生成所述多轴关联数据流；所述控制信息生成部件01对需要实时控制的工艺参数进行数值计算并予以局部优化，生成所述多参数关联数据流。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

IEEE定义主导下产生了现有开放式数字控制系统三种模式：PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式和软开放式模式。本发明与上述三种模式均不同，而是提出了一种DRC控制机，按照制造控制信息的控制流程配置控制资源，将开放式数字控制系统的体系结构解耦为控制信息生成部件GC、控制信息分配发送部件SC和控制信息执行部件EC等三类功能部件，使得DRC控制机在控制信息、控制方法、控制过程与体系结构等方面成为全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的控制机，从根本上解决了开放式数字控制系统的开放性，达到了当代数字控制系统所能达到的理想状态，实现了开放式数字控制系统梦寐以求的核心价值。

本发明在系统架构、系统观念、控制模式、控制方法、控制目的、体系结构等方面对现有数字控制系统进行了全面的变革，告别了插补时代，进入数据流关联控制的新时代。本发明将存储信息控制方法推广为先进控制技术领域中的一种普适的控制方法。

DRC控制机无高档与低档之分，既拥有PC的丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化、低廉的价格与广泛的社会普及性，可用于任何工作机与任何数字设备。

本发明提出的DRC控制机将多轴联动与工艺参数的实时控制统一为多轴多参数联动，将多轴联动、工艺参数的实时控制、多轴同步、纳米级NURBS逼近等这些当今数字控制技术中亟需解决的关键技术软件化，实现了数字控制技术的完全软件化。

现有开放式数字控制系统都是在IEEE定义的主导下，将开放式数字控制系统的体系结构归结为应用软件的功能划分与控制模块的软硬件实现，并建立相应的技术标准体系。在DRC控制机的体系结构中，GC、SC、EC三类功能功能部件的功能定位简单明确，三类功能部件之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代，控制信息流的拓扑结构简单。每个功能部件“各尽所能，各尽其责”，从而“物尽其用”。特别是，与NC嵌入PC模式中的运动控制器不同，控制信息分配发送部件SC没有实时插补功能，其软件与硬件的功能与结构都很简单，因此SC可以标准化；PC机与智能驱动器06的硬件部分已标准化。因此，GC、SC、EC三类功能部件的标准化均归结为应用软件的“即插即用”，即应用软件的开放性，从而为DRC控制机的标准化奠定了坚实的基础。

数字制造，又称“e-制造”，是制造业现代化的标志之一。本发明将控制信息标准化，从而将控制信息产品化、商品化。标准化的控制信息产品将进入市场，并催生数字制造中的一个新产业——控制信息制造业。

本发明的DRC控制机由三类功能部件构成，显著简化了重构规划。本发明配置了一个开放的、可重构的I/O系统，可实时编程以实现I/O控制的快速重构，以适应不同的现场总线。在本发明中，重构作业全部在控制信息生成部件中离线完成，不涉及任何硬件，所提出的重构方法是一种开放的软重构方法。

在IEEE定义的主导下，NC嵌入PC模式已成为现有开放式数字控制系统的主流，运动控制器成为一个高新技术产业并风靡全球；软开放式模式则被认为是开放式数字控制系统的未来发展方向。这两种模式都是在实时操作系统的统一指挥下采用插补迭代方法，产生了插补周期、轮廓步长等大量冗余信息，是一种“边设计，边施工”的控制模式，同时还必须采用多任务并行处理技术和多重实时中断技术，以实现极为复杂的线程调度与进程调度。一旦工作机的运动速度提高、或运动精度提高、或联动轴增加、或需要实时控制的工艺参数增加，实时操作系统的插补周期必然以指数形式变长，从而需要更多位数、更高速度的处理器以及实时性更强可靠性更高的实时操作系统。与上述两种模式对比，DRC控制机能完成上述两种模式所能完成的全部控制任务，不仅克服了上述两种模式的上述缺陷，并具有上述两种模式没有的上述特点，而且大大降低了对芯片的技术要求，无须64位高速超高速处理器，DRC控制机发送关联数据流的速度可轻松达到0.1μs的数量级。

附图说明

图1为本发明实施例DRC控制机的结构示意图；

图2为系统数据库结构示意图；

图3DRC控制机的重构方法的流程示意图；

图4为具体实施例二的DRC控制机的结构示意图；

图5为具体实施例三的DRC控制机的结构示意图；

图6为DRC控制机中控制信息流的拓扑结构示意图；

图7为一种存储控制信息方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本实施例的目的、技术特征和实施效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统在实时操作系统的控制下将插补迭代算法作为一种普适的控制方法。在实时操作系统的每个插补周期中由插补所生成的控制信息，一方面立即发送给工作机以实时执行，另一方面又作为下一个插补周期的输入进行迭代以生成下一个控制信息。跟随插补周期的节拍，控制信息不断地生成、发送、执行，从而以过程迭代的方式周而复始。

将控制信息看作是一种产品，则必然存在制造控制信息的工艺流程。本发明将控制信息的生成、发送、执行这一制造控制信息的工艺流程称之为控制流程。因而，在IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统中，一方面存在控制信息的迭代，另一方面又存在控制流程的迭代。

本发明的主要目的是提出一种在控制信息、控制方法、控制过程与体系结构等方面全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的DRC控制机(Data-flow Related Control)，以适应第三次工业革命对数字控制系统的要求。

本发明要解决的基本问题是，舍弃IEEE关于开放式数字控制系统的定义，提出开放式数字控制系统的一个新定义，并按照本发明关于开放式数字控制系统的定义，在系统架构、系统观念、控制模式、控制方法、控制目的、体系结构等方面对现有数字控制系统进行全面的变革，舍弃现有开放式数字控制系统以实时操作系统为中心的强实时的、高度刚性的、封闭的体系结构，按照制造控制信息的控制流程配置控制资源，提出一种柔性的、全开放的体系结构。

现代数字控制系统都是由许多嵌入式子系统构成的复杂嵌入式系统，嵌入式子系统也往往是一个复杂嵌入式系统，在空间上表现为分形。现代数字控制系统涉及一系列实时性不同的过程，在时间上表现为控制信息流。

无论在空间上还是在时间上，IEEE定义都没有抓住现代数字控制系统的本质，其存在的基本问题是：

1)、IEEE所定义的开放性都是计算机系统本身固有的开放特征，所谓开放式数字控制系统的体系结构是IEEE从计算机系统移植过来的概念，不能反映数字控制系统在整个控制过程中的技术特征，从而将数字控制系统定义为制造控制信息的集成制造系统。

2)、IEEE定义没有从制造系统的宏观视野来审视开放式数字控制系统的体系结构，导致开放式的概念含糊不清，至今也未能统一。互操作性、可移植性、可伸缩性、可互换性等描述性术语便成为开放式数字控制系统的的所谓技术规范。

3)、IEEE定义完全忽视了工作机与数字控制系统之间的主从关系。数字控制系统是为工作机服务的还是控制指挥工作机的，IEEE定义没有解决这个问题，从而产生了插补周期、轮廓步长等大量冗余信息。

4)、IEEE定义局限于应用软件的划分及其相互之间的操作界面，对于数字控制的过程特征缺乏系统学范畴的界定，从而将开放式数字控制系统的发展引向应用软件的功能划分与控制模块的软硬件实现。

5)、IEEE定义没有将控制信息看作是一种产品。

6)、IEEE定义完全没有控制流程的概念，完全忽视了控制信息的迭代与控制流程的迭代。

7)、IEEE定义不是按照制造控制信息的控制流程来配置控制资源。

8)、在IEEE定义中，运动控制模块中的实时运动控制不对用户开放，只要求运动控制模块具有互换性与可伸缩性，可重构性差。

因此，在IEEE定义中，数字控制系统所制造的控制信息、制造控制信息的方法、以及制造控制信息的过程与过程界面，都是封闭的。IEEE定义不是一个关于数字控制系统的开放性定义，并未从根本上解决数字控制系统的开放性。

国标“GB/T 18759.1-2002.机械电气设备.开放式数控系统.第1部分：总则.3.1”遵循IEEE定义的基本原则，将开放式数控系统定义为：指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性。

本发明将开放式数字控制系统定义为：按照制造控制信息的控制流程配置嵌入式子系统的数字控制系统，具有开放的控制过程界面，其应用软件通过应用编程接口实现与运行平台的无关性。

这一定义同样适用于开放式数字控制系统内部的嵌入式子系统，因而是一个系统学与分形几何学相结合的定义。在所定义的开放式数字控制系统中不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代，控制信息流的拓扑结构是一种线性拓扑结构，如图6所示。对于应用软件，该定义表明，应用软件的开放性就是“即插即用”。

根据工艺流程配置相应的生产设备，进行专业化标准化生产，这是制造业走过的必由之路。显然，工艺流程是分工合作，实现专业化、标准化生产的基础。正如在机械制造中必须按照机械制造的工艺流程来配置相应的加工设备一样，在信息制造中也必须按照制造控制信息的控制流程来配置相应的嵌入式子系统。因此，本发明关于开放式数字控制系统的定义反映了现代制造业的发展环境对控制机所提出的标准化问题，以适应工作机、动力机等产业的标准化进程。

其次，对数字控制系统中现代计算机的本质与实时操作系统的基本功能、以及现有数字控制系统的基本原理，本发明予以全面审视。

现代计算机的本质有二。一是用最快的速度做最简单的事，二进制算术运算与二进制逻辑运算无疑是最简单的运算，二进制全加器是二进制运算的核心。二是“存储程序控制”原理，先存后用，将计算机要做的工作程序以及相关的数据事先存储起来，需要时予以执行。在现代计算机系统中，“存储程序控制”的观念被推广，深入每个子系统的每个层次。现代计算机早已不再是单纯的数值计算机，而是具有强大信息处理功能的信息处理机。不只是程序被事先存储，各种形式的信息也以一定的格式事先存储在数据库中。数据库系统发展为计算机的三大基础软件之一。计算机在进行信息处理时，首先对数据库中事先存储起来的信息进行检索，然后予以处理，输出给外部设备。从控制技术来看，这种方法可称之为“存储信息控制方法”。

从诞生之日起，实时操作系统就成为计算机的基础软件。从计算机与计算机应用的发展历史来看，实时操作系统只是为适应内部与外部资源的管理以及内部与外部的环境变化而构建的一种内外资源的管理机制以及响应内外环境变化的应变机制。插补迭代算法则是以提高计算速度为目标的一种数值计算方法。

现代数字控制系统是一个复杂的嵌入式系统。其实，现代计算机系统本身就是一个数字控制系统，外部设备就是其工作机。然而，在先进控制技术领域，上述存储信息控制方法并未予以足够的重视，甚至完全被忽视，实时操作系统的功能被泛化。半个多世纪以来，在先进控制技术领域，IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统采用在实时操作系统控制下的插补迭代控制方法，创建了所谓“插补时代”。这种控制方法将计算机视为数值计算机，而不是信息处理机，进而将实时操作系统的管理机制与应变机制当作一种普适的控制机制，将插补迭代算法当作一种普适的实时控制方法。实时操作系统的控制机制导致控制信息的迭代与控制流程的迭代。因而，一旦工作机的运动速度提高、或运动精度提高、或联动轴增加、或需要实时控制的工艺参数增加，插补周期必然以指数形式暴涨，从而需要更多位数更高速度的CPU、实时性更强的实时操作系统。这就从根本上否定了控制系统的开放性与可重构性，为控制系统的标准化设置了难以逾越的障碍。

IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统，包括基于运动控制器的开放式数字控制系统与软开放式数字控制系统，在开放性、可重构性、高可靠性与标准化方面存在问题的根本原因在于，忽略了现代计算机的本质，将实时操作系统的管理机制与应变机制当作一种普适的控制机制，将插补迭代算法当作一种普适的实时控制方法，从而在数字控制的基本原理上存在严重的缺陷，具体表现在下述六个方面：

(1)、在系统架构上，现有开放式数字控制系统将实时操作系统的管理机制与应变机制当作一种普适的控制机制，将计算机视为实时制造控制信息的实时控制中心，形成了以实时操作系统为中心的系统架构，采用多任务并行处理和多重实时中断技术，导致整个数字控制软件成为一个庞大而复杂的中断系统。

(2)、在系统观念上，现有开放式数字控制系统完全没有控制流程的观念，没有将控制信息视为一种产品，并塞进了实时操作系统导致的插补周期、轮廓步长等冗余信息。

(3)、在控制模式上，现有开放式数字控制系统采用在实时操作系统的插补周期统一指挥下的“边设计，边施工”的集中控制模式。在这种控制机制中，实时操作系统指挥一切，“大权独揽，小权不放”，一竿子插到底，规划、设计、施工全包，而且是“边设计，边施工”。

(4)、在控制方法上，现有开放式数字控制系统采用插补迭代控制方法。

(5)、在控制目的上，现有开放式数字控制系统将插补精度与插补速度作为控制目的。

(6)、在体系结构上，控制信息的迭代与控制流程的迭代将现有开放式数字控制系统构造成强实时的、高度刚性的封闭的集成制造系统。

针对IEEE定义主导下的现有开放式数字控制系统的上述六个方面的缺陷，本发明在系统架构、系统观念、控制模式、控制方法、控制目的、体系结构等方面对现有数字控制系统进行全面的变革：

(1)、在系统架构上，本发明舍弃了以实时操作系统为中心的系统架构，不再将计算机视为实时制造控制信息的实时控制中心，而是视为非实时的运筹中心。

(2)、在系统观念上，本发明提出了控制流程的观念，将控制信息视为一种产品。工作机与数字控制系统之间的关系成为主从关系，数字控制系统因而是为工作机服务的，为工作机制造控制信息并且只制造工作机所需要的控制信息，不能夹带插补周期、轮廓步长等冗余信息。

(3)、在控制模式上，本发明舍弃现有开放式数字控制系统在实时操作系统的插补周期统一指挥下的“边设计，边施工”的集中控制模式，按照“各尽所能，各尽其责”的原则，对于控制信息的生成、发送与执行采用“先设计，后优化，再施工”的分散控制模式。

(4)、在控制方法上，本发明舍弃现有开放式数字控制系统的插补迭代控制方法，采用基于数据流关联控制的存储信息控制方法。

(5)、在控制目的上，本发明不再将插补精度与插补速度作为控制目的，而是将关联数据流的最优状态流与终点同步作为控制目的。

(6)、在体系结构上，本发明消除了控制信息的迭代与控制流程的迭代，从而舍弃了现有开放式数字控制系统的强实时的、高度刚性的、封闭的体系结构，提出一种弱实时的、柔性的、全开放的体系结构。

将控制信息看作是一种产品，可以将控制流程划分为控制信息的生成、控制信息的分配发送与控制信息的执行三个子过程。于是，立即发现，控制信息的制造过程，包括规划过程、离散过程、确定性误差补偿过程以及优化过程等，理应是“运筹帷幄之中，决胜千里之外”，是一个非实时的运筹过程。而控制信息的分配发送则有如“军令如山”，控制信息的执行更是“兵贵神速”，都必须是实时的。

因此，在本发明中，将制造控制信息的控制流程划分为控制信息的生成、控制信息的分配发送与控制信息的执行，并按照制造控制信息的控制流程配置相应的功能部件，从而将数字控制系统的体系结构解耦为三类功能部件：控制信息生成部件、控制信息分配发送部件和控制信息执行部件，消除了三类功能部件之间的控制信息的迭代与控制流程的迭代。

在控制信息执行部件中，每个智能驱动器控制一个轴。对于每个智能驱动器来说，所接收的控制信息是由“0”与“1”构成的数据流；所述数据流是该轴的运动轨迹的数字映像。对于多个智能驱动器来说，所述数据流构成多维数据流。对于多维数据流来说，如果其数据流之间的“0”“1”信息在每个时序点上是相互依存的，这种耦合关系称之为时序关联性。相互之间具有时序关联性的多维数据流称之为关联数据流。在每个时序点上的“0”“1”分布则称之为该关联数据流在该时序点的状态。显然，控制多轴协同运动的多维数据流是关联数据流。在现代制造业中，实现工艺参数的实时控制是智能控制的基础，例如，在激光制造中必须对激光脉冲的频率、占空比、单脉冲的能量等工艺参数进行实时控制。对于控制信息生成部件来说，工艺参数的实时控制与多轴联动并无区别，只是控制工艺参数的开关所采用的代码与轴的代码有所不同而已。换言之，控制信息生成部件将控制工艺参数的开关视为虚拟坐标轴，对工艺参数进行数值计算生成工艺参数对主动轴数据流的多参数关联数据流并予以局部优化，从而将多轴联动与工艺参数的实时控制统一起来，生成多轴多参数关联数据流，进行多轴多参数联动。

本申请涉及多个自定义以及公知的专有名词，其解析如下：

数据流关联控制DRC         Data-stream Related Control

控制信息生成部件GC        control information generation component

控制信息分配发送部件SC    control information send component

控制信息执行部件EC        control information execution component

开关系统SW                Switch System

智能驱动器SD                    Smart Driver

可编程数据流控制器PDC           Programmable Data-stream Controller

人机界面功能区HMC

可编程逻辑功能区PLC

多轴多参数联动功能区MM         Multi-axis and Multi-parameterMachining

关联数据流生成模块GRD          Generation of Related Data Stream

关联数据流格式化模块FRD        Format of Related Data Stream File

数据控制流文件生成模块DCFS     Data Control Flow Interface Specification

精细结构仿真模块SFS            Simulation of Fine Structure

系统数据库模块                 System Database

通信服务模块CS                 Communication Service

应用编程接口API                 Application Programming Interface

开放式重构平台ORP(简称：重构平台)   Open Reconfiguration Platform

具体实施例一

本实施例中，提供一种标准化DRC控制机的实施例，如图1所示，由控制信息生成部件01、控制信息分配发送部件03、控制信息执行部件04三类功能部件构成：

所述控制信息包括多轴关联数据流、多参数关联数据流和开关控制流；所述多轴关联数据流实时控制轴的轮廓运动，所述开关控制流实时控制开关系统，所述多参数关联数据流实时控制工艺参数；所述控制信息储存在数据控制流文件即DCFS文件中；

控制信息生成部件01将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03；

所述控制信息分配发送部件03通过I/O接口05与所述控制信息执行部件04连接；

所述控制信息执行部件04，包括智能驱动器06与开关系统07；所述智能驱动器06实际上可以是指多个智能驱动器06；

所述控制信息分配发送部件03将所述多轴关联数据流实时分配发送给所述智能驱动器06，所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；

所述控制信息分配发送部件03将所述开关控制流与所述多参数关联数据流实时分配发送给所述开关系统07，所述开关系统07实时执行所述开关控制流与所述多参数关联数据流。

在本实施例中，所述控制信息生成部件01可以通过总线将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03，所述总线为现场总线或系统总线；所述控制信息生成部件01也可以通过无线接口或点对点I/O接口将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03，还可以通过U盘、光盘等移动存储器将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03。I/O接口05为CAN、PROFIBUS、Device Net、CC-Link、SERCOS等现场总线的I/O接口，也可以为点对点I/O接口。

所述控制信息生成部件01的硬件平台为PC机，软件平台为图形界面操作系统；所述控制信息生成部件01还建立在中间件之上。

《国标GB/T 18759.1-2002·机械电气设备·开放式数控系统·第2部分：体系结构规定》将开放式控制系统划分为三个功能区：人机界面功能区HMC、可编程逻辑功能区PLC、数值控制功能区NC。

控制信息生成部件01包括人机界面功能区HMC、可编程逻辑功能区PLC、多轴多参数联动功能区MM。所述人机界面功能区HMC与所述可编程逻辑功能区PLC属国标GB/T 18759.1-2002所描述的常规技术。

与国标GB/T 18759.1-2002不同，所述多轴多参数联动功能区MM取代了国标GB/T 18759.1-2002中的数值控制功能区NC。所述多轴多参数联动功能区MM包括关联数据流生成模块GRD，关联数据流格式化模块FRD、数据控制流文件生成模块DCFS、精细结构仿真模块SFS、通信服务模块CS、系统数据库模块SD；模块之间采用应用编程接口API；其中，

关联数据流生成模块GRD，用于生成多轴多参数关联数据流。

关联数据流格式化模块FRD，用于生成关联数据流的特征表、状态表；对所述多轴多参数关联数据流进行格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流；

数据控制流文件生成模块DCFS，用于生成DCFS文件，链接所述格式化多轴多参数关联数据流用于控制工作机的轮廓运动；链接所述开关控制流用于控制开关系统；链接所述多参数关联数据流用于工艺参数的实时控制；生成并链接系统初始化的状态指令、I/O接口初始化的状态指令、系统运行状态的状态指令；根据用户程序生成I/O分配程序；文本化处理；

精细结构仿真模块SFS，用于对多轴多参数关联数据流的精细数字结构进行调整与优化；

通信服务模块CS，用于根据不同的通信协议完成与外部设备间的信息交换；

如图2所示，系统数据库106包括：

刀具路径文件库1061，至少储存有零件的刀具路径文件；

关联数据流数据库1062，至少储存有刀具路径的多轴关联数据流文件与需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流文件；

结构常数数据库1063，至少储存有工作机的轴间的不平行度、不垂直度作为坐标系参数，至少储存有轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙作为轴的精细结构常数；

工艺参数数据库1064，至少储存有与加工工艺有关的工艺参数；

系统参数数据库1065，储存有步进或非步进、进给当量、速度与加速度的上限、环境温度的上限、所述智能驱动器06的系统参数和所述I/O接口05的接口参数中的至少一个；

通信协议数据库1066，至少储存有已标准化的现场总线的通信协议中的相关信息；

数据控制流文件库1067，至少储存有零件的DCFS文件、多轴多参数关联数据流的特征表、多轴多参数关联数据流的状态表；

其中，所述多轴多参数关联数据流的特征表包括多轴多参数关联数据流的宏观信息；所述多轴多参数关联数据流的宏观信息至少包括：多轴多参数关联数据流的维数、存储容量和相对存储地址、联动坐标轴的代码与实时控制工艺参数的开关的代码；

所述多轴多参数关联数据流的状态表包括每个关联数据流的微观信息；所述关联数据流的微观信息至少包括：每个关联数据流的发送与接收、传输比特率、传输比特数、传输速度和传输的起始时刻。

控制信息分配发送部件03是一个嵌入式系统，应用软件为I/O接口管理程序、中断处理程序与DCFS文件的解释运行程序。所述嵌入式系统构成一个可编程数据流控制器PDC，用于实时分配发送所述控制信息。

所述可编程数据流控制器PDC配置了1个数据流驱动器，所述数据流驱动器包括32个16位或32位移位寄存器，1个由大容量FIFO构成的软移位寄存器；每个移位寄存器配置了一个功能寄存器，用于设定关联数据流的状态，即用于控制每个数据流的发送与接收、及其传输比特率、传输比特数、传输速度、传输的起始时刻。所述可编程数据流控制器PDC至少配置了32个可编程I/O端口，通过交叉开关与可编程I/O接口连接，设有专用指令用于设置I/O接口参数，包括通过交叉开关设置数据流驱动器与I/O端口的连接。

所述控制信息分配发送部件03只是接收、分配、发送控制流与数据流，与现有开放式数字控制系统中的运动控制器不同，没有插补功能。

所述控制信息执行部件04包括智能驱动器06与开关系统07。所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流，所述开关系统07实时执行所述开关控制流与所述多参数关联数据流。

应用本实施例提供的技术，所述DRC控制机充分利用了PC丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化与低廉的价格，是现代数字控制系统所能达到的理想结构，体现了开放式数字控制系统的核心价值。

具体实施例二

本实施例中，旨在提出DRC控制机的一种重构方法与存储信息控制方法。

可重构制造系统对可重构控制系统提出的基本要求有两个：

第一、可重构制造系统需要一个全方位开放的数字控制系统。所述控制信息生成部件01与所述控制信息分配发送部件03具有可重构制造系统所要求的开放性。

第二、现代数字控制系统通过I/O系统构成一个复杂的嵌入式系统。可重构控制系统需要实时变更I/O功能，以适应不同的I/O系统，也就是说I/O系统必须是可重构的。可重构控制系统需要一个开放的、可重构的I/O系统。

基于以上要求，如图4所示，将具体实施例一中的标准化DRC控制机实施例改进为一种标准化可重构DRC控制机的实施例，并提供一种重构方法。

所述标准化可重构DRC控制机由控制信息生成部件01、控制信息分配发送部件03、控制信息执行部件04三类功能部件构成：

所述控制信息包括多轴关联数据流、多参数关联数据流和开关控制流；所述多轴关联数据流实时控制轴的轮廓运动，所述开关控制流实时控制开关系统，所述多参数关联数据流实时控制工艺参数；所述控制信息储存在DCFS文件中；

所述控制信息生成部件01通过现场总线08与所述控制信息分配发送部件03连接，将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03；

所述控制信息分配发送部件03通过I/O接口05与所述控制信息执行部件04连接；所述I/O接口05包括通用I/O接口与可编程I/O接口；

控制信息执行部件04，包括智能驱动器06与开关系统07；智能驱动器06实际上可以是指多个智能驱动器06；

控制信息分配发送部件03将所述多轴关联数据流实时分配发送给所述智能驱动器06，所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；

所述控制信息分配发送部件03将所述开关控制流与所述多参数关联数据流实时分配发送给所述开关系统07，所述开关系统07实时执行所述开关控制流与所述多参数关联数据流。

所述控制信息分配发送部件03是一个嵌入式系统，应用软件为I/O接口管理程序、中断处理程序与DCFS文件的解释运行程序。所述嵌入式系统构成一个可编程数据流控制器PDC，用于实时分配发送控制信息。

所述可编程数据流控制器PDC配置了1个数据流驱动器，所述数据流驱动器包括32个16位或32位移位寄存器，1个由大容量FIFO构成的软移位寄存器；每个移位寄存器配置了一个功能寄存器，用于设定关联数据流的状态，用于控制每个数据流的发送与接收、及其传输比特率、传输比特数、传输速度、传输的起始时刻。所述可编程数据流控制器PDC至少配置了32个可编程I/O端口，通过交叉开关与可编程I/O接口连接，设有专用指令用于设置可编程I/O接口的接口参数，包括通过交叉开关设置数据流驱动器与I/O端口的连接。

与具体实施方式一的实施例相比，本实施例的改进之处为：

1)、所述控制信息生成部件01通过现场总线08与所述控制信息分配发送部件03连接并将所述DCFS文件传输给所述控制信息分配发送部件03；所述现场总线08可以是CAN、PROFIBUS、Device Net、CC-Link、SERCOS等现场总线之一。

2)、所述控制信息生成部件01的硬件平台为PC机，软件平台为图形界面操作系统与中间件。

3)、所述I/O接口05改进为包括通用I/O接口与可编程I/O接口。

4)、所述多轴多参数联动功能区MM配置一个重构平台109。

对于DRC控制机来说，上述改进将DRC控制机的重构简化为在所述重构平台109上进行重构。

DRC控制机的重构包括：系统重构、所述控制信息分配发送部件03的重构与所述智能驱动器06的重构。

1、系统重构

在现有开放式数字控制系统中，所谓系统重构，实际上就是根据重构后的工作机删除一些多余的控制模块，然后从控制模块库中选配装载相应的控制模块，其实质是控制方法与控制模块的重构。

在本发明中，所述控制信息生成部件01实现了数字控制技术的完全软件化，控制方法的重构与系统重构因而完全软件化。为此，本发明在所述控制信息生成部件01中配置一个开放式重构平台109，为用户自主开发新的控制方法提供技术支撑。

所述重构平台109建立在图形界面操作系统、中间件之上。

所述重构平台109包括控制环境规划、控制流程规划、I/O接口规划等功能模块。模块之间采用应用编程接口API。

(1)、控制环境规划模块

工作机的每个功能部件都有确定的功能，这些功能之间存在联动关系与约束关系，例如，x、y、z等坐标轴之间的联动关系与约束关系。每个功能部件的运动方式不同，例如，旋转与平动，连续进给与步进等。根据用户要求，对可重构机床的功能部件进行离散运动学分析，根据每个功能部件的运动结构，确定功能部件之间的联动关系与约束关系，确定坐标系参数与精细结构常数；根据每个功能部件的运动结构以及加工零件的几何特征与工艺要求，规划功能部件的最优联动关系、运动方式与约束关系等，为控制流程规划建立控制环境，然后根据控制环境配置或自主开发生产控制信息的应用软件。

本发明为工作机建立了一个结构常数数据库，将轴间的不平行度、不垂直度视为非正交离散坐标系的坐标系参数，将轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙等几何误差视为轴的精细结构常数。对于每一台工作机，这些结构要素构成非正交离散坐标系的个性化结构常数，用于描述该工作机的精细运动结构。工作机重构后，其结构常数将随之而变，甚至发生显著的变化。因此，控制环境规划包括重构工作机的结构常数数据库。

(2)、控制流程规划模块

嵌入式系统已深入到控制系统的每个子系统甚至子系统内部的环节，成为一个分形结构的复杂分布式系统。在这种具有分形结构的复杂分布式系统中，为每个子系统确定控制目标、分配控制任务，显然是极富创造性的技术挑战。现有开放式数字控制系统没有控制流程的观念，按照确定的控制目标，采用多任务并行处理和多重实时中断技术分配控制任务，实时操作系统的进程调度与线程调度极为复杂。本发明按照控制流程确定控制目标与分配控制任务，显著简化了控制目标与控制任务的规划。

控制流程规划模块用于确定控制流程，根据所规划的控制流程为所述控制信息生成部件01、所述控制信息分配发送部件03和所述控制信息执行部件04确定控制目标、分配控制任务。

(3)、I/O接口规划模块

控制系统的I/O接口包括企业管理级接口和运动控制级接口。许多接口都有相应的国际标准或行业标准，如CAN、PROFIBUS、Device Net、CC-Link、SERCOS等现场总线。

工作机重构后，其运动控制级I/O接口与现场总线的通信协议也随之而变。这就要求系统能识别不同通信协议中的信息并进行重构，以实现系统的正常通信。为此，本发明在系统数据库SD中配置一个通信协议数据库。所述通信协议数据库包括已标准化的现场总线的通信协议中的相关信息。本发明在所述控制信息分配发送部件03配置了I/O接口管理程序。

I/O接口规划模块的功能是，根据工作机重构后的I/O接口与现场总线，与所述通信协议数据库进行匹配，将匹配后的I/O接口参数与通信协议中的相关信息传输给控制信息分配发送部件03的I/O接口管理程序，完成I/O系统的转换。

因此，所述I/O接口规划模块、所述通信协议数据库、所述I/O接口管理程序与所述控制信息分配发送部件03构成一个开放的可重构I/O系统。

2、控制信息分配发送部件03的重构

在本发明中，控制信息分配发送部件03只是接收、分配、发送控制流与数据流，与现有运动控制器不同，没有插补功能。因而，在本发明中，控制信息分配发送部件03的重构就是其可编程I/O接口的重构，由所述可重构I/O系统完成。

3、智能驱动器06的重构

现代进给伺服系统已发展为智能驱动器SD。所有与轴运动有关的功能，包括进给方式、变速比、快速移动、返回零点、位置的检测与反馈控制等，都由SD中的嵌入式系统完成。改变SD的系统参数便可实现SD的重构。因此，SD的重构问题就是重构SD的系统参数。

基于所描述的可编程数据流控制器与智能驱动器的结构，所述DRC控制机的重构方法，如图3所示，可由以下步骤说明：

步骤一，控制信息生成部件01通过图形界面接收用户重构信息；

步骤二、所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述控制环境规划模块对重构后的工作机的功能部件进行离散运动学分析，根据功能部件的运动结构，确定功能部件之间的联动关系与约束关系，确定坐标系参数与精细结构常数；根据每个功能部件的运动结构以及加工零件的几何特征与工艺要求，规划功能部件的最优联动关系、运动方式与约束关系等，配置或开发制造控制信息的应用软件；

步骤三、所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述系统数据库模块，对所述工艺参数数据库、所述系统参数数据库、所述结构常数数据库等进行重构；

步骤四、所述控制信息生成部件01从所述结构常数数据库检索坐标系参数，根据工作机重构后的坐标系参数建立相应的正交/非正交离散坐标系；

步骤五、所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述控制流程规划模块，确定控制流程，根据所规划的控制流程为所述控制信息生成部件01、所述控制信息分配发送部件03和所述控制信息执行部件04确定控制目标、分配控制任务；

步骤六，根据工作机重构后的I/O接口，所述控制信息生成部件01的所述重构平台109调用所述可重构I/O系统，从所述通信协议数据库中取出相关信息，规划所述可编程数据流控制器PDC的所述可编程I/O接口的接口参数与所述智能驱动器06的系统参数，生成相应的状态指令；

步骤七，所述控制信息生成部件01调用所述通信服务模块将所述状态指令传输给所述控制信息分配发送部件03，所述控制信息分配发送部件03运行所述状态指令，完成所述可编程I/O接口与所述智能驱动器的重构。

由上述重构方法可知，只须在控制信息生成部件01中生成新的多轴多参数关联数据流以及重构PDC的可编程I/O接口与SD的系统参数便完成了DRC控制机的重构，重构作业完全软件化。因而所述重构方法是一种完全的软重构方法。

对于DRC控制机，本实施例提供一种存储信息控制方法，将存储信息控制方法推广为先进控制技术领域中的一种通用的控制方法。

计算机数字控制技术以高精度伺服运动控制和多轴同步控制为主要特征。智能驱动器对单轴进行高精度伺服运动控制。多轴同步运动的指令轨迹虽然是确定的，然而，轴的实际运动过程是一个非线性复杂过程，轴的负载变化与热变形、摩擦力的变化等外部因素将产生非线性扰动，导致轴运动的不确定性与轴间的强耦合，从而使实际轮廓运动轨迹偏离指令轮廓运动，产生轮廓误差。

在现有数字控制技术中，对于多轴的确定性运动轨迹，采用实时操作系统控制下的插补迭代控制方法进行实时控制；对于单轴的不确定性位置误差，由智能驱动器解决；对于轴间的不确定性误差，需要事先检测误差并根据误差的分布建立系统模型与误差补偿方程，再采用适当的控制算法在实时操作系统的控制下实时进行误差补偿。显然，对于多轴的运动控制，包括轴的确定性运动轨迹以及轴间的不确定性误差，现有数字控制技术不是将复杂的问题简单化，并分而化之，而是将复杂的问题捆绑在一起，并进一步非线性复杂化。存储信息控制将轴的运动过程视为一个真正的“黑箱”，所需要的全部信息都包含在轴的输入数据流与输出数据流之中，不需要进给伺服系统内部处理过程的任何提示信息。实际上，许多不确定性误差是可预期的误差。存储信息控制不关注强扰动、强耦合、多变量等种种复杂非线性因素所产生的机理与过程，不必为控制对象建立复杂的高度专业化的系统模型与控制方程，只关注关联数据流的生成以及这些非线性因素实际所产生的对关联数据流而言是可预期的综合误差，例如轴的动态时滞、热变形所产生的轴的位置误差与轴间的几何误差。存储信息控制将运动轨迹的确定性控制信息以及这些可预期误差的控制信息统统事先存储在数据库中，如同对数表、三角函数表那样，需要时进行查找并予以校正。形象地讲，存储信息控制方法是以空间换时间。在处理复杂的非线性控制问题时，随着控制速度提高、控制精度提高、联动轴增加、需要实时控制的工艺参数增加，计算机的处理速度必然以指数形式暴跌，并产生一系列复杂的非线性问题。与之相反，存储空间的扩展则是线性的。存储信息控制将PC视为运筹中心，而不是“大权独揽，小权不放”的控制指挥中心，尽可能地将复杂的非线性问题由PC离线处理，这就充分发挥了PC的信息处理功能，完全清除了实时操作系统和插补迭代控制所产生的非线性复杂性，因此，基于关联数据流的存储信息控制方法具有相当程度的普适性。

存储信息控制方法的技术特征在于，按照制造控制信息的控制流程，将控制过程划分为控制信息的生成过程、控制信息的分配发送过程、控制信息的执行过程、并按照控制流程配置控制信息生成部件GC、控制信息分配发送部件SC、控制信息执行部件EC三类功能部件。在整个控制过程中，GC、SC、EC三类功能部件之间没有控制信息的迭代与控制流程的迭代，控制信息流的拓扑结构是一种线性拓扑结构，如图6所示，从而清除了实时操作系统对数字控制系统的负面影响。这样一来，存储信息控制方法将复杂的非线性的控制过程解耦分离，并分而治之。在每个功能部件中，控制信息的处理都得以简化。控制信息、控制过程、控制过程之间的界面都是开放的，实现了数字控制技术的完全软件化。

在先进控制领域，对实时操作系统的实时性与可靠性要求很高。在现有开放式数字控制系统中，实时操作系统集中处理反馈信息，乃千钧重担系于一身，整个数字控制软件成为一个庞大而复杂的中断系统。在存储信息控制中，开放的控制过程界面将实时操作系统的集中的中断管理解耦为GC、SC、EC三类功能部件中的分散的中断处理。

控制信息生成部件GC是运筹中心，离线制造控制信息，其外部环境的变化只因用户请求产生，包括用户通过网络发出的远程请求。这些用户请求是弱实时或非实时的中断请求。

智能驱动器SD的外部信息是SC发送的控制信息与轴的检测系统发送的反馈信息，包括轴的位移误差、轴的负载变化、轴的温度变化等。这些信息是强实时的；类似地，开关系统SW的外部信息是SC发送的开关命令与开关有关的反馈信息，例如，由开关控制的工艺参数的反馈，也是强实时的。SC的外部信息是DCFS文件与多轴运动有关的反馈信息，例如多轴的动态时滞；DCFS文件是弱实时的，多轴运动的反馈信息则是强实时的。

实时操作系统是从中断管理程序发展而来的。在SC、SD与SW等这种功能简单专一的嵌入式系统中，实时操作系统的复杂性反而降低了系统的实时性与可靠性。在存储信息控制中，弱实时或非实时的中断请求分配给控制信息生成部件GC处理，单轴运动的实时中断请求分配给控制信息执行部件SD、SW处理，与多轴运动有关的实时中断请求则分配给控制信息分配发送部件SC处理。因而，本发明在SC、SD、SD中配置简单的中断处理程序以提高实时性与可靠性。

所述存储信息控制方法，如图7所示，包括以下步骤：

步骤501，控制信息生成步骤，用于控制机的控制信息生成部件01离线制造控制信息；所述控制信息至少包括：多轴多参数关联数据流和开关控制流；其中，所述多轴多参数关联数据流包括多个坐标轴的多轴关联数据流和多个需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流；

步骤502，控制信息分配发送步骤，用于控制机中的所述控制信息分配发送部件03实时分配发送所述控制信息给所述控制信息执行部件04；

步骤503，控制信息执行步骤，用于控制机中的所述控制信息执行部件04的所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；用于所述控制信息执行部件04的所述开关系统07实时执行所述多参数关联数据流和开关控制流。

进一步地，在所述控制信息生成步骤与所述控制信息分配发送步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代；在所述控制信息分配发送步骤与所述控制信息执行步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代。

进一步地，所述控制信息执行部件04实时响应与单轴运动和开关系统07有关的中断请求，所述控制信息分配发送部件03实时响应与多轴运动有关的中断请求，所述控制信息生成部件01响应弱实时/非实时性外部环境的变化。

进一步地，所述控制信息生成步骤包括：

步骤一，所述控制信息生成部件01接收制造请求；

步骤二，所述控制信息生成部件01对所述制造请求进行解析，创建运动轨迹，完成建模、出图、刀具补偿，生成刀具路径文件；

步骤三，所述控制信息生成部件01调用PLC系统生成所述开关控制流；

步骤四，所述控制信息生成部件01生成多轴多参数关联数据流，包括：根据工作机的坐标系参数生成多轴关联数据流，根据需要实时控制的工艺参数生成多参数关联数据流；

步骤五，所述控制信息生成部件01根据工作机的精细结构常数对所述多轴关联数据流的精细数字结构进行调整与优化；

步骤六，所述控制信息生成部件01对调整与优化后的所述多轴多参数关联数据流进行格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流；

步骤七，所述控制信息生成部件01生成一DCFS文件；所述DCFS文件至少包括：多轴关联数据流、多参数关联数据流和开关控制流；

步骤八，所述控制信息生成部件01将所述DCFS文件传送给所述控制信息分配发送部件03。

进一步地，所述步骤八中包括：

步骤九，所述控制信息分配发送部件03将所述多轴关联数据流发送给所述智能驱动器06，所述智能驱动器06实时执行所述多轴关联数据流；所述控制信息分配发送部件03将所述开关控制流与所述多参数关联数据流发送给控制工艺参数的所述开关系统07，所述开关系统07实时执行所述开关控制流与所述多参数关联数据流。

进一步地，所述步骤九中包括：

所述控制信息分配发送部件03运行状态指令设定系统参数和自身的I/O接口参数，根据所述多轴多参数关联数据流的状态表将关联数据流的微观信息写入所述控制信息分配发送部件03中的功能寄存器，根据所述多轴多参数关联数据流的特征表将多轴关联数据流和多参数关联数据流写入所述控制信息分配发送部件03中的数据流驱动器。

进一步地，所述步骤四中所述控制信息生成部件01生成所述多轴关联数据流与所述多参数关联数据流，具体包括：

根据工作机的坐标系参数与精细结构常数，所述控制信息生成部件01选择相应的非正交离散坐标系并确定优化目标；所述优化目标包括：短程逼近、最小偏差逼近、最少拐点逼近；

所述控制信息生成部件01选择相应的数值算法对轮廓运动进行整体优化；所述控制信息生成部件01进行数值计算并予以局部优化，生成所述多轴关联数据流；

所述控制信息生成部件01对需要实时控制的工艺参数进行数值计算并予以局部优化，生成所述多参数关联数据流。

应用本实施例提供的技术，控制信息生成部件01是DRC控制机的运筹中心。复杂的多轴联动的插补迭代控制问题、工艺参数的实时控制问题以及确定性误差的实时补偿问题均转化为在基于PC的控制信息生成平台01上离线制造控制信息的问题，导致数字控制技术的完全软件化。本实施例提供的技术充分发挥了现代计算机的信息处理功能，将“存储信息控制”原理推广于先进控制技术领域中的一种通用的控制方法。本实施例提供的技术构建了一种全软开放式、软重构、标准化的且基于PC的DRC控制机。

在此优选实施例中，控制信息生成部件01通过现场总线与控制信息分配发送部件03连接，与NC嵌入PC模式形成对比。采用的是普通PC，一台PC可为多台数控设备服务。显然，此优选实施能完成NC嵌入PC模式所能完成的全部控制任务，却克服了NC嵌入PC模式的缺陷，并具有NC嵌入PC模式没有的有益效果。

具体实施例三

图5为本优选实施例中DRC控制机的体系结构示意图。

控制信息生成部件01通过系统总线(例如Compact PCI或PCI——PCI桥)与控制信息分配发送部件03连接，也就是说控制信息分配发送部件03被集成在PC中，与软开放式模式形成对比。采用的是工业PC。显然，此优选实施能完成软开放式模式所能完成的全部控制任务，却克服了软开放式模式的缺陷，并具有软开放式模式没有的有益效果。

在上述具体实施方式中，以可重构机床作为工作机，详细说明了DRC控制机的体系结构与DRC控制机的存储信息控制方法与重构方法。所谓数字控制就是用“0”与“1”的离散信息进行自动控制，也就是将模拟控制量离散为“0”与“1”的数据流。因而，在数字控制中，控制机的本质就是将诸如图纸、G代码形式的NC程序、方程式、流程图之类的非离散的控制信息加工成离散的数据流。所谓数字设备就是对输入数据流进行数字处理以产生所需要的结果。因而，从数据流的观点来看，任何数字设备都是数据流的合成装置。数字电视将视频与音频的多维数据流合成为图像与声音协调一致的画面，数控机床将X、Y、Z轴的多维数据流合成为运动轨迹，等等。

上述具体实施方式中的说明完全适用于一般的工作机以及装有嵌入式系统的数字处理设备。

本发明与现有技术对比所具有的有益效果是：

IEEE定义主导下产生了现有开放式数字控制系统三种模式：PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式和软开放式模式。本发明与上述三种模式均不同，而是提出了一种DRC控制机，按照制造控制信息的控制流程配置控制资源，将开放式数字控制系统的体系结构解耦为控制信息生成部件GC、控制信息分配发送部件SC和控制信息执行部件EC等三类功能部件，使得DRC控制机在控制信息、控制方法、控制过程与体系结构等方面成为全开放的、软重构的、高可靠性的、标准化的且完全PC化的控制机，从根本上解决了开放式数字控制系统的开放性，达到了当代数字控制系统所能达到的理想状态，实现了开放式数字控制系统梦寐以求的核心价值。

本发明在系统架构、系统观念、控制模式、控制方法、控制目的、体系结构等方面对现有数字控制系统进行了全面的变革，告别了插补时代，进入数据流关联控制的新时代。本发明将存储信息控制方法推广为先进控制技术领域中的一种普适的控制方法。

DRC控制机无高档与低档之分，既拥有PC的丰富的软硬件资源、友好的人机界面与全开放的网络平台，又具有PC的标准化、低廉的价格与广泛的社会普及性，可用于任何工作机与任何数字设备。

本发明提出的DRC控制机将多轴联动与工艺参数的实时控制统一为多轴多参数联动，将多轴联动、工艺参数的实时控制、多轴同步、纳米级NURBS逼近等这些当今数字控制技术中亟需解决的关键技术软件化，实现了数字控制技术的完全软件化。

现有开放式数字控制系统都是在IEEE定义的主导下，将开放式数字控制系统的体系结构归结为应用软件的功能划分与控制模块的软硬件实现，并建立相应的技术标准体系。在DRC控制机的体系结构中，GC、SC、EC三类功能功能部件的功能定位简单明确，三类功能部件之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代，控制信息流的拓扑结构简单。每个功能部件“各尽所能，各尽其责”，从而“物尽其用”。特别是，与NC嵌入PC模式中的运动控制器不同，控制信息分配发送部件SC没有实时插补功能，其软件与硬件的功能与结构都很简单，因此SC可以标准化；PC机与智能驱动器的硬件部分已标准化。因此，GC、SC、EC三类功能部件的标准化均归结为应用软件的“即插即用”，即应用软件的开放性，从而为DRC控制机的标准化奠定了坚实的基础。

数字制造，又称“e-制造”，是制造业现代化的标志之一。本发明将控制信息标准化，从而将控制信息产品化、商品化。标准化的控制信息产品将进入市场，并催生数字制造中的一个新产业——控制信息制造业。

本发明的DRC控制机由三类功能部件构成，显著简化了重构规划。本发明配置了一个开放的、可重构的I/O系统，可实时编程以实现I/O控制的快速重构，以适应不同的现场总线。在本发明中，重构作业全部在控制信息生成部件中离线完成，不涉及任何硬件，所提出的重构方法是一种开放的软重构方法。

在IEEE定义的主导下，NC嵌入PC模式已成为现有开放式数字控制系统的主流，运动控制器成为一个高新技术产业并风靡全球；软开放式模式则被认为是开放式数字控制系统的未来发展方向。这两种模式都是在实时操作系统的统一指挥下采用插补迭代方法，产生了插补周期、轮廓步长等大量冗余信息，是一种“边设计，边施工”的控制模式，同时还必须采用多任务并行处理技术和多重实时中断技术，以实现极为复杂的线程调度与进程调度。一旦工作机的运动速度提高、或运动精度提高、或联动轴增加、或需要实时控制的工艺参数增加，实时操作系统的插补周期必然以指数形式变长，从而需要更多位数、更高速度的处理器以及实时性更强可靠性更高的实时操作系统。与上述两种模式对比，DRC控制机能完成上述两种模式所能完成的全部控制任务，不仅克服了上述两种模式的上述缺陷，并具有上述两种模式没有的上述特点，而且大大降低了对芯片的技术要求，无须64位高速超高速处理器，DRC控制机发送关联数据流的速度可轻松达到0.1μs的数量级。

应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实施例的技术方案而非限制，所有的参数取值可以根据实际情况调整，且在该权利保护范围内。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实施例技术方案的精神范围，其均应涵盖在本实施例的权利要求范围当中。

Claims (15)

1.一种标准化控制机，其特征在于，包括：

控制信息生成部件(01)，用于离线制造控制信息；所述控制信息包括：多轴多参数关联数据流和开关控制流；其中，所述多轴多参数关联数据流包括多个坐标轴的多轴关联数据流和多个需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流；

控制信息分配发送部件(03)，用于将所述控制信息实时分配发送给控制信息执行部件(04)；

控制信息执行部件(04)，包括智能驱动器(06)与开关系统(07)；其中，所述智能驱动器(06)，用于实时执行所述多轴关联数据流；所述开关系统(07)，用于实时执行所述多参数关联数据流和开关控制流。

2.根据权利要求1所述标准化控制机，其特征在于，还包括：

总线(02)，用于连接所述控制信息生成部件(01)与所述控制信息分配发送部件(03)；所述总线(02)包括现场总线和系统总线；

I/O接口(05)，用于连接所述控制信息分配发送部件(03)和所述控制信息执行部件(04)；所述I/O接口(05)至少包括：

通用I/O接口，用于连接所述控制信息分配发送部件(03)和所述开关系统(07)；

可编程I/O接口，用于连接所述控制信息分配发送部件(03)和所述智能驱动器(06)。

3.根据权利要求1所述标准化控制机，其特征在于，所述控制信息生成部件(01)包括：

数据控制流文件库(1067)，用于存储数据控制流文件，所述数据控制流文件根据所述控制信息生成；

对外接口，与所述数据控制流文件库(1067)连接，用于接入一移动存储器，将所述数据控制流文件通过所述对外接口传输到所述移动存储器，由所述移动存储器将所述数据控制流文件传输给所述控制信息分配发送部件(03)；

无线接口，与所述数据控制流文件库(1067)连接，用于将所述数据控制流文件传输给所述控制信息分配发送部件(03)。

4.根据权利要求1所述标准化控制机，其特征在于，所述控制信息生成部件(01)的硬件平台为计算机的硬件平台，软件平台为计算机的图形界面操作系统与中间件；所述控制信息生成部件(01)包括：

人机界面功能区(103)，用于接收用户的制造请求；

可编程逻辑功能区(104)，用于实现任务调度、代码管理、顺序控制和通信服务；

多轴多参数联动功能区(105)，用于根据所述制造请求离线生成所述控制信息；

所述多轴多参数联动功能区(105)包括：

关联数据流生成模块(1051)、关联数据流格式化模块(1052)、数据控制流文件生成模块(1053)、精细结构仿真模块(1054)、通信服务模块(1055)和系统数据库模块(106)；各模块之间采用应用编程接口API；其中，

所述关联数据流生成模块(1051)，用于生成多轴多参数关联数据流；

所述关联数据流格式化模块(1052)，用于生成所述多轴多参数关联数据流的特征表和状态表；对所述多轴多参数关联数据流进行格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流；

所述数据控制流文件生成模块(1053)，用于生成所述数据控制流文件，链接所述多轴关联数据流用于控制工作机的轮廓运动；链接所述开关控制流用于控制开关系统(07)；链接所述多参数关联数据流用于工艺参数的实时控制；生成并链接系统初始化的状态指令、I/O接口初始化的状态指令和系统运行状态的状态指令；根据用户程序生成I/O分配程序；文本化处理；

所述精细结构仿真模块(1054)，用于对所述多轴多参数关联数据流的精细数字结构进行调整与优化；

所述通信服务模块(1055)，用于根据不同的通信协议完成与外部设备间的信息交换；

所述系统数据库(106)包括：

刀具路径文件库(1061)，至少储存有零件的刀具路径文件；

关联数据流数据库(1062)，至少储存有刀具路径的多轴关联数据流文件与需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流文件；

结构常数数据库(1063)，至少储存有工作机的轴间的不平行度、不垂直度作为坐标系参数，轴的线位移误差、角位移误差以及反向间隙作为轴的精细结构常数；

工艺参数数据库(1064)，至少储存有与加工工艺有关的工艺参数；

系统参数数据库(1065)，储存有步进或非步进、进给当量、速度与加速度的上限、环境温度的上限、所述智能驱动器(06)的系统参数和所述可编程I/O接口的接口参数中的至少一个；

通信协议数据库(1066)，至少储存有已标准化的现场总线的通信协议中的相关信息；

数据控制流文件库(1067)，至少储存有零件的数据控制流文件、多轴多参数关联数据流的特征表和多轴多参数关联数据流的状态表；

其中，所述多轴多参数关联数据流的特征表包括多轴多参数关联数据流的宏观信息；所述多轴多参数关联数据流的宏观信息至少包括：所述多轴多参数关联数据流的维数、存储容量和相对存储地址、联动坐标轴的代码与实时控制工艺参数的开关的代码；

所述多轴多参数关联数据流的状态表包括每个关联数据流的微观信息；所述关联数据流的微观信息至少包括：每个数据流的发送与接收、传输比特率、传输比特数、传输速度和传输的起始时刻。

5.根据权利要求4所述标准化控制机，其特征在于，所述多轴多参数联动功能区(105)还包括重构平台(109)，所述重构平台(109)包括：

控制环境规划模块(1091)，用于对一数控设备的功能部件进行离散运动学分析；根据所述功能部件的运动结构，确定所述功能部件之间的约束关系与联动关系、坐标系参数和轴的精细结构常数；根据所述功能部件的运动结构以及被加工零件的几何特征与工艺要求，规划所述功能部件的最优联动关系、约束关系和运动方式，配置或开发制造控制信息的应用软件；

控制流程规划模块(1092)，用于确定控制流程，根据所规划的控制流程为所述控制信息生成部件(01)、所述控制信息分配发送部件(03)和所述控制信息执行部件(04)确定控制目标、分配控制任务；

I/O接口规划模块(1093)，至少包括企业管理级接口和运动控制级接口，用于完成不同通信协议之间的转换。

6.根据权利要求5所述标准化控制机，其特征在于，

所述控制信息分配发送部件(03)包括一硬件平台和一软件平台；

所述硬件平台具体为可编程数据流控制器(031)；

所述软件平台具体为数据控制流文件解释运行程序、I/O接口管理程序与中断处理程序。

7.根据权利要求6所述标准化控制机，其特征在于，

所述通信服务模块(1055)、所述通信协议数据库(1066)、所述I/O接口规划模块(1093)、所述I/O接口管理程序与所述控制信息分配发送部件(03)构成一个可重构I/O系统。

8.一种应用于标准化控制机的重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，控制信息生成部件(01)接收来自用户的重构信息；

步骤二、所述控制信息生成部件(01)的所述重构平台(109)调用所述控制环境规划模块(1091)对重构后的工作机的功能部件进行离散运动学分析，根据所述功能部件的运动结构以及加工零件的几何特征与工艺要求，确定所述功能部件之间的联动关系、约束关系和运动方式，以及坐标系参数与精细结构常数；配置或开发制造控制信息的应用软件；

步骤三，所述控制信息生成部件(01)的所述重构平台(109)调用所述系统数据库(106)，对所述结构常数数据库(1063)、所述工艺参数数据库(1064)和所述系统参数数据库(1065)进行重构；

步骤四，所述控制信息生成部件(01)从所述结构常数数据库(1063)中检索坐标系参数，根据工作机重构后的坐标系参数建立相应的正交和/或非正交离散坐标系；

步骤五，所述重构平台(109)调用所述控制流程规划模块(1092)，确定控制流程；根据所述控制流程为所述控制信息生成部件(01)、所述控制信息分配发送部件(03)和所述控制信息执行部件(04)确定控制目标，分配控制任务；

步骤六，根据工作机重构后的I/O接口，所述重构平台(109)从所述通信协议数据库(1066)中取出相关信息，规划所述可编程I/O接口的接口参数与所述智能驱动器(06)的系统参数，生成相应的状态指令；

步骤七，所述控制信息生成部件(01)调用所述通信服务模块(1055)将所述状态指令传输给所述控制信息分配发送部件(03)，所述控制信息分配发送部件(03)运行所述状态指令，完成对所述可编程I/O接口与所述智能驱动器(06)的重构。

9.一种存储信息控制方法，其特征在于，包括控制信息生成步骤、控制信息分配发送步骤、控制信息执行步骤：

在所述控制信息生成步骤中，所述控制信息生成部件(01)离线生成控制信息；所述控制信息包括：多轴多参数关联数据流和开关控制流；其中，所述多轴多参数关联数据流包括多个坐标轴的多轴关联数据流和多个需要实时控制的工艺参数的多参数关联数据流；

在所述控制信息分配发送步骤中，所述控制信息分配发送部件(03)实时分配发送所述控制信息给所述控制信息执行部件(04)；

在所述控制信息执行步骤中，所述控制信息执行部件(04)中的所述智能驱动器(06)实时执行所述多轴关联数据流；所述控制信息执行部件(04)中的所述开关系统(07)实时执行所述多参数关联数据流和开关控制流。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制信息生成步骤具体包括：

步骤一，所述控制信息生成部件(01)接收制造请求；

步骤二，所述控制信息生成部件(01)对所述制造请求进行解析，创建运动轨迹，完成建模、出图、刀具补偿，生成刀具路径文件；

步骤三，所述控制信息生成部件(01)调用PLC系统生成所述开关控制流；

步骤四，所述控制信息生成部件(01)生成多轴多参数关联数据流，包括：根据工作机的坐标系参数生成多轴关联数据流，根据需要实时控制的工艺参数生成多参数关联数据流；

步骤五，所述控制信息生成部件(01)根据工作机的精细结构常数对所述多轴关联数据流的精细数字结构进行调整与优化；

步骤六，所述控制信息生成部件(01)对调整与优化后的所述多轴多参数关联数据流进行格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流；

步骤七，所述控制信息生成部件(01)生成一数据控制流文件；所述数据控制流文件至少包括：多轴关联数据流、多参数关联数据流和开关控制流；

步骤八，所述控制信息生成部件(01)将所述数据控制流文件传送给所述控制信息分配发送部件(03)。

11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述控制信息分配发送步骤还包括：

步骤九，所述控制信息分配发送部件(03)将所述多轴关联数据流发送给所述智能驱动器(06)，所述智能驱动器(06)实时执行所述多轴关联数据流；所述控制信息分配发送部件(03)将所述多参数关联数据流与所述开关控制流发送给控制工艺参数的所述开关系统(07)，所述开关系统(07)实时执行所述多参数关联数据流与所述开关控制流。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述步骤九中，进一步包括：

所述控制信息分配发送部件(03)运行状态指令设定系统参数和自身的I/O接口参数，根据所述多轴多参数关联数据流的状态表将所述多轴多参数关联数据流的微观信息写入所述控制信息分配发送部件(03)中的功能寄存器，根据所述多轴多参数关联数据流的特征表将多轴关联数据流和多参数关联数据流写入所述控制信息分配发送部件(03)中的数据流驱动器。

13.根据权利要求9所述的方法，其特征还在于：

在所述控制信息生成步骤与所述控制信息分配发送步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代；

在所述控制信息分配发送步骤与所述控制信息执行步骤之间不存在控制信息的迭代与控制流程的迭代。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征还在于：

所述控制信息执行部件(04)实时响应与单轴运动和开关系统(07)有关的中断请求；

所述控制信息分配发送部件(03)实时响应与多轴运动有关的中断请求；

所述控制信息生成部件(01)响应弱实时和/或非实时性外部环境的变化。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征还在于，所述步骤四中，所述控制信息生成部件(01)生成所述多轴关联数据流与所述多参数关联数据流，具体包括：

所述控制信息生成部件(01)根据工作机的坐标系参数与精细结构常数，选择相应的非正交离散坐标系并确定优化目标；所述优化目标包括：短程逼近、最小偏差逼近、最少拐点逼近；

所述控制信息生成部件(01)选择相应的数值算法对轮廓运动进行整体优化；所述控制信息生成部件(01)进行数值计算并予以局部优化，生成所述多轴关联数据流；

所述控制信息生成部件(01)对需要实时控制的工艺参数进行数值计算并予以局部优化，生成所述多参数关联数据流。

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