SOFT型CNC数控系统控制软件的开发
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摘要
制造业当中的机械制造业从来就是发达国家整个工业和国民经济的基石。机械制造业最基本的装备——数控机床又是这个基石中的关键。它是现代科学技术的最前沿——信息技术与传统机床相结合的产物，是先进制造技术的基础。为了适应现代制造业用户的需求，CNC结构正发生着巨大变化，开放式数控系统正以它显著的优点，渐渐的取代传统的CNC系统。通过对国际上三种主要的开放体系结构——美国的OMAC、欧洲的OSACA、日本的OSEC计划的比较，可发现前二者的体系是理想的、革命性的，力图成为自动化领域的通用国际标准，它的范围涵盖了整个自动化领域，可以提供全方位的开放，但这意味着它所需考虑和处理的技术和非技术问题越多，其开发工作量异常的大，短期内难以完成其对大多数操作平台的支持。而OSEC体系的目标是建立国际性的工厂自动化控制设备标准。其重点集中在数控本身和分布式控制系统上，因而它是可阶段性实现的，并且对数控系统的发展有直接的指导意义。此次开发的SOFT型CNC数控系统采用的就是OSEC体系结构，此系统采用“通用PC+CNC接口板”的系统组成模式。PC机既完成前端管理等非实时任务、又完成如实时插补、位置控制、状态监测、仿真等一些实时任务；CNC接口板只担任沟通PC接口和物理驱动器接口的任务。通用Pc机上的控制软件由前后端系统联合共享数据区来完成CNC系统的各种计算、控制、仿真等任务。这种模式的开放式数控系统提供给用户最大的选择和灵活性，最大限度的利用了PC的软硬件资源，价格低廉，适应未来先进制造技术的要求。
本文第一章在分析国内外数控技术发展现状与趋势的基础上，对最有发展前景的开放式CNC数控系统的定义、体系结构、实现形式进行了详细地论述。第二章到第五章是本文的重点，也是本文的核心。第二章对CNC数控系统进行了详细的需求分析，并建立了CNC系统的总体结构模型，应用引入的软件芯片思想，建立了CNC控制软件的芯片结构模型。第三章重点介绍了SOFT型CNC系统开发环境与方法的选择、软件框架的建立、数据流与数据区的具体设计、编译译码芯片和轨迹绘制芯片的设计。第四章主要针对实时多任务并行处理展开论述，重点介绍了实时多任务并行处理的基本策略，以及在Windows操作系统下应用多线程技术解决CNC系统的实时任务调度的具体方案。第五章对数控系统的插补计算进行了论述，主要介绍了扩展DDA算法，以及此算法在本次开发的SOFT型CNC系统中的实现，并对三次B样条曲线的插补原理进行了简要的推导与介绍。第六章对开发的控制软件作了总体介绍，并对系统的工作流程、调试情况进行了分析，最后论述了此CNC系统开放性的实现程度。第七章总结了本文的研究成果，并对SOFT型CNC系统作了展望。
The industry and national economy of developed country is based on the mechanical manufacturing. The mechanical manufacturing is based on the computer numerical control machine (NC). NC is the result of information technology and traditional machine and it is the base of advanced manufacturing. In order to meet the request of modern manufacturing user, the structure of CNC is making great change. The open architecture CNC is substituting traditional CNC by degrees for its distinct excellence. Through contrasting the three main kind system model of open architecture that are OMAC (American), OSACA (European) and OSEC (Japanese), you can find than the first two are perfect and revolutionary, which aim at becoming common international standard of automation fields. They can afford all-sided open for all of the automation fields. But it means that the technical and non-technical matter, which is needed to think, is large amount. And the workload of developing is largeness, thus it's very difficult to apply to mo
st OS in a short period. Whereas the OSEC model's object is to found an international standard for automatic control instruments in manufactory. Its goal focus on CNC and distributed control system, so it can realize step by step and afford direct direction .The SOFT CNC system adopts the OSEC model advanced based on the model of "universal PC + connecting board". The PC takes on not only system's management, which is non-real-time mission, but also real-time missions including real-time interpolation, position controlling, system state inspecting and machining state simulating. The connecting board takes on the responsibility to connect PC port and CNC machine drive. This model gives user much agility. It makes great use of PC's software and hardware resource, and the cost is low. Thus the SOFT CNC is suit of future advanced manufacturing technique's requirement.
There are seven chapters in this thesis.
Chapter one discusses the position, development of NC system in industry. Presents the definition, system structure and design model of Open CNC system. Points out main contents of the study. Chapter two to chapter five is the key and core of this thesis. Chapter two analyses the system's demand. Builds system structure model and establishes soft chip model. Chapter three discusses the developing environment and developing method choosing, software structure building, data stream analyzing, soft chips of machining code translating and track drawing designing. Chapter four discusses around real-time mission's actualization, which introduces the basal deal strategy of real-time mission and the method of using multi-thread technique to solve the real-time request in CNC system. Chapter five discusses NC's interpolation. First describes extended DDA arithmetic and this arithmetic in this SOFT CNC system's realization. Finally, describes the interpolation algorithm of third-order B-spline curve. Chapter six intro
duces the CNC software's function components and system's workflow. The testing and the error of the interpolator data analysis are described. In the end, the realization degree of open architecture in this SOFT CNC system is pointed out. Chapter seven summarizes the results of this research and indicates the direction to continue this study.
本文第一章在分析国内外数控技术发展现状与趋势的基础上，对最有发展前景的开放式CNC数控系统的定义、体系结构、实现形式进行了详细地论述。第二章到第五章是本文的重点，也是本文的核心。第二章对CNC数控系统进行了详细的需求分析，并建立了CNC系统的总体结构模型，应用引入的软件芯片思想，建立了CNC控制软件的芯片结构模型。第三章重点介绍了SOFT型CNC系统开发环境与方法的选择、软件框架的建立、数据流与数据区的具体设计、编译译码芯片和轨迹绘制芯片的设计。第四章主要针对实时多任务并行处理展开论述，重点介绍了实时多任务并行处理的基本策略，以及在Windows操作系统下应用多线程技术解决CNC系统的实时任务调度的具体方案。第五章对数控系统的插补计算进行了论述，主要介绍了扩展DDA算法，以及此算法在本次开发的SOFT型CNC系统中的实现，并对三次B样条曲线的插补原理进行了简要的推导与介绍。第六章对开发的控制软件作了总体介绍，并对系统的工作流程、调试情况进行了分析，最后论述了此CNC系统开放性的实现程度。第七章总结了本文的研究成果，并对SOFT型CNC系统作了展望。
The industry and national economy of developed country is based on the mechanical manufacturing. The mechanical manufacturing is based on the computer numerical control machine (NC). NC is the result of information technology and traditional machine and it is the base of advanced manufacturing. In order to meet the request of modern manufacturing user, the structure of CNC is making great change. The open architecture CNC is substituting traditional CNC by degrees for its distinct excellence. Through contrasting the three main kind system model of open architecture that are OMAC (American), OSACA (European) and OSEC (Japanese), you can find than the first two are perfect and revolutionary, which aim at becoming common international standard of automation fields. They can afford all-sided open for all of the automation fields. But it means that the technical and non-technical matter, which is needed to think, is large amount. And the workload of developing is largeness, thus it's very difficult to apply to mo
st OS in a short period. Whereas the OSEC model's object is to found an international standard for automatic control instruments in manufactory. Its goal focus on CNC and distributed control system, so it can realize step by step and afford direct direction .The SOFT CNC system adopts the OSEC model advanced based on the model of "universal PC + connecting board". The PC takes on not only system's management, which is non-real-time mission, but also real-time missions including real-time interpolation, position controlling, system state inspecting and machining state simulating. The connecting board takes on the responsibility to connect PC port and CNC machine drive. This model gives user much agility. It makes great use of PC's software and hardware resource, and the cost is low. Thus the SOFT CNC is suit of future advanced manufacturing technique's requirement.
There are seven chapters in this thesis.
Chapter one discusses the position, development of NC system in industry. Presents the definition, system structure and design model of Open CNC system. Points out main contents of the study. Chapter two to chapter five is the key and core of this thesis. Chapter two analyses the system's demand. Builds system structure model and establishes soft chip model. Chapter three discusses the developing environment and developing method choosing, software structure building, data stream analyzing, soft chips of machining code translating and track drawing designing. Chapter four discusses around real-time mission's actualization, which introduces the basal deal strategy of real-time mission and the method of using multi-thread technique to solve the real-time request in CNC system. Chapter five discusses NC's interpolation. First describes extended DDA arithmetic and this arithmetic in this SOFT CNC system's realization. Finally, describes the interpolation algorithm of third-order B-spline curve. Chapter six intro
duces the CNC software's function components and system's workflow. The testing and the error of the interpolator data analysis are described. In the end, the realization degree of open architecture in this SOFT CNC system is pointed out. Chapter seven summarizes the results of this research and indicates the direction to continue this study.
引文
【1】 陆启建、刘明灯．数控技术的新进展．制造技术与机床．2002(5)：5～8．
【2】 孙斌、杨汝清．基于PC的数控系统的研究现状和发展趋势．机床与液压．2001(4)：3～5．
【3】 陆启建、刘明灯．网络信息时代发展中国数控技术的几点看法．机械工程师．2001(5)：5～7．
【4】 章富元、方江龙等．对我国数控技术发展的思考．中国机械工程．1999(10)．
【5】 孙淑媛．数控技术发展趋势的研究．山西电子技术．2002(6)：38～41．
【6】 张俊、魏红根．数控技术发展趋势——智能化数控系统．制造技术与机床．2000(4)：7～9．
【7】 文广、马宏伟．数控技术的现状及发展趋势．机械工程师．2003(1)：9～12．
【8】 李斌、唐小琦等．关于我国数控技术和数控产业发展的思考．计算机辅助设计与制造．2001(4)：6～9．
【9】 王时龙、刘飞．计算机数控集成技术的发展．计算机集成制造系统．1998(3)：45～47．
【10】 杨振声．数控技术的发展动向．机电信息．2000(6)：30～32．
【11】 胡俊、王宇晗等．数控技术的现状和发展趋势．机械工程师．2000(3)：5～7．
【12】 文广、马宏伟．数控技术的现状及发展趋势．机械工程师．2003(1)：9～12．
【13】 张广军，宁仲良．开放式数控网络化加工系统的构建与实现．机床与液压．2003(1)：119～122
【14】 戴君等．开放式数控系统的体系结构探讨．机械工程师，2000(7)．
【15】 白建华、黄海峰．开放式CNC与现代运动控制技术的发展．机电工程．2001．18(4)：1～4．
【16】 杨晓京、陈子辰．微机数控系统开放体系结构的研究．组合机床与自动化加工技术．2003(5)：29～30
【17】 课题组．世界开放式数控机床技术研究．机电产品开发与创新．2002(6)：58～62
【18】 王正兵、任偲．第一讲 开放式体系结构——数控系统发展的潮流．制造技术与机床．2002(1)
【19】 杨晓京、张仲彦等．开放式微机数控系统实现技术研究．昆明理工大学学报．2002．27(1)：50～54．
【20】 李佳特．数控技术的发展．机械工艺师．2001(3)：5～7．
【21】 王爱玲、张吉堂等．现代数控原理及控制系统．北京：国防工业出版社，2002．
【22】 周丹、邬义杰．多线程技术在开放式CNC系统中的应用．机电工程．2003．20(4)：68～71．
【23】 朱三元、钱乐秋等编著．软件工程技术概论．北京：科学出版社．2002：168～172．
【24】 左静、魏仁选等．数控系统软件芯片的研制和开发．中国机械工程．1999．10(4)．
【25】 魏仁选、陈幼平等．数控软件芯片设计方法的研究．华中理工大学学报．1998．26(10)：35～36．
【26】 何琳、许阳等．基于软件芯片库的开放式数控系统重构．机械与电子．2001(2)：44～48．
【27】 史玉升、黄树槐等．基于软件芯片的快速原型制造系统软件设计方法．
【28】 王治森、高锷等．基于Windows CE的开放式CNC系统研究．制造业自动化．2001．23(9)：1～4．
【29】 王德军、郝永芳．结构话程序设计方法与面向对象的程序设计方法的比较．铁路计算机应用．2003．12(11)：13～15．
【30】 杨晓波．机构化程序设计与面向对象程序设计．甘肃高邮学报．2001．6(5)：20～21．
【31】 郑莉、董渊等．C++语言程序设计．北京：清华大学出版社，2000：2～6．
【32】 王青松．面向对象的计算机数控雕刻控制软件的研制．2001：15～17．
【33】 唐勇、陈晶等．软件复用与面向对象技术的研究．河北省科学院学报．2001．18(3)：163～166．
【34】 刘烨．面向对象程序设计的基本概念和属性．黄冈职业技术学院学报．2002．4(2)：94～96．
【35】 (美)Dawd J．Kruglinski等．Visual C++6．0技术内幕(第五版)[M]．北京：北京希望电子出版社．1999．
【36】 Michael J．Young．Visual C++6．0从入门到精通．电子工业出版社．
【37】 侯俊杰．深入浅出Windows MFC程序设计．武汉：华中理工大学出版社．
【38】 [美]刘润东．UML对象设计与编程．北京：北京希望电子出版社．2001．
【39】 石海天、许杨等．基于组件技术的虚拟数控系统组件的设计与实现．机械与电子．2001(6)：34～37．
【40】 左静、魏仁选等．数控系统软件芯片的研制和开发．中国机械工程．1999．10(4)．
【41】 黄新燕、蔡理等．数控程序编辑及语法检查系统的开发．机床与液压．2002(6)：193～194．
【42】 陈夕松、邵祥兵．基于Windows GDI的图形编程．微计算机信息．1998．14(5)：50～52．
【43】 常新杰、张科．Windows环境下的3维图形显示．计算机工程与应用．1998(9)：60～61．
【44】 http://www.w-land.net/5.html
【45】 http://www.mdjx.net/course/hep/jisuanjitixijiegou/architecture/chapter1/lecture3/htm/lecture3-3.asp
【46】 王飞、苏秀琴等．Windows应用程序的实时性编程技术．量子电子学报．2001．18(增刊)：80～83．
【47】 范朝阳、张良驹．多线程程序设计的概念与应用．小型微型计算机系统．1996．17(4)：1～6．
【48】 张政、马书根等．基于Windows多线程开放数控主控系统的实现．计算机应用．2002．22(8)：9～11．
【49】 何其昌、王治森等．Windows平台下工控软件的研制．制造业自动化．2002．24(4)：46～48．
【50】 齐文、王勇前等．用Visual C++实现工控设备多线程控制程序．电子技术应用．2001(3)：13～16．
【51】 李中建．32位Windows下使用VC++进行多任务编程．微计算机信息．2000．16(2)：38～40．
【52】 王险峰、刘宝宏．Windows环境下的多线程编程原理与应用．清华大学出版社．2002．
【53】 曹、李隆等．多线程技术在工控软件中的应用．上海大学学报(自然科学版)．1999．5(12增刊)：45～49．
【54】 王刚、赵万生．Windows NT下实现线程同步．微型机与应用．1998(12)：12～13．
【55】 李郝林、方键．机床数控技术．北京：机械工业出版社．2001．
【56】 常晓俊．数控机床脉冲插补法与数字增量插补法之比较．山西机械．2003(2)：22～23．
【57】 毕承恩、丁乃建．现代数控机床．北京：机械工业出版社．1991：295～318．
【58】 王健强．DDA插补的高级语言实现．机电一体化．2000(3)：35～38．
【59】 丁用伯、徐翔．扩展的DDA圆弧插补方法的研究．河海大学机械学院学报．1998．12(2)：17～21．
【60】 叶伯生、杨叔子．CNC系统中三次B-样条曲线的高速插补方法研究．中国机械工程．1998．9(3)：42～44．
【61】 吴光琳、林建平等．B样条曲线的快速实时插补算法．模具工业．2000(10)：14～16．
【62】 王峰、王爱玲．B样条曲线的插补算法实现．华北工学院学报．2001．22(6)：449～452．
【63】 朱心雄．自由曲线曲面造型技术．北京：科学出版社．2000：88～89．
【64】 胡自化、张平．三次B样条曲线恒速进给实时插补算法的研究．制造技术与机床．2000(8)：31～33．
【65】 周凯、陆启建．高精高速采样插补技术．中国机械工程．1998．9(10)：15～18．
【66】 S.-S. Yeh, P.-L. Hsu. The speed-controlled interpolator for machining parametric curves. Computer-Aided Design. 1999(31): 349～357.
【67】 Shpitalni M, Koren Y, et. Realtime curve interpolators [J].Compute Aided Des, 1994, 26(11): 832～838.
【68】 C H Yang Daniel, Tom Kong. Parametric Interpolator Versus Linear Interpolator for Precision CNC Machining. CAD. 1994, 3 (26)
【69】 Amoru Mitsushi etc. An Open Architecture CNC CAD-CAM Machine System with Data-Base Sharing and Mutual Information Feedback [J]. Aanals of the CIRP, 1997, 46(1): 269～274.
【70】 Kazuo Yamazaki etc. Autonomously Proficient CNC Controller for High Performance Machine Tools Based on an Open Architecture Concept [J]. Annals of the CIRP, 1997, 46(1): 275～278.
【71】 Mintchell GA. How to build a PC-based control system[J]. Control Engineering, 2000, 47 (4): 83～87.
【72】 European Research Will Result in Open CNC Architecture [J]. Machinery and Production Engineering, 1995, (4): 7～8.
【73】 Janusz Zalewski. Real-Time Software Architectures and Design Patterns: Fundamental Concepts and Their Consequences. Annual Reviews in Control, 25 (2001) 133～146.
【74】 TIMMERMAN M, MONFRETJ C. Windows NT as a real-time OS[J]. Real-Time Magazine, 1997, (2): 6-13.
【2】 孙斌、杨汝清．基于PC的数控系统的研究现状和发展趋势．机床与液压．2001(4)：3～5．
【3】 陆启建、刘明灯．网络信息时代发展中国数控技术的几点看法．机械工程师．2001(5)：5～7．
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【12】 文广、马宏伟．数控技术的现状及发展趋势．机械工程师．2003(1)：9～12．
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【14】 戴君等．开放式数控系统的体系结构探讨．机械工程师，2000(7)．
【15】 白建华、黄海峰．开放式CNC与现代运动控制技术的发展．机电工程．2001．18(4)：1～4．
【16】 杨晓京、陈子辰．微机数控系统开放体系结构的研究．组合机床与自动化加工技术．2003(5)：29～30
【17】 课题组．世界开放式数控机床技术研究．机电产品开发与创新．2002(6)：58～62
【18】 王正兵、任偲．第一讲 开放式体系结构——数控系统发展的潮流．制造技术与机床．2002(1)
【19】 杨晓京、张仲彦等．开放式微机数控系统实现技术研究．昆明理工大学学报．2002．27(1)：50～54．
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【22】 周丹、邬义杰．多线程技术在开放式CNC系统中的应用．机电工程．2003．20(4)：68～71．
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【25】 魏仁选、陈幼平等．数控软件芯片设计方法的研究．华中理工大学学报．1998．26(10)：35～36．
【26】 何琳、许阳等．基于软件芯片库的开放式数控系统重构．机械与电子．2001(2)：44～48．
【27】 史玉升、黄树槐等．基于软件芯片的快速原型制造系统软件设计方法．
【28】 王治森、高锷等．基于Windows CE的开放式CNC系统研究．制造业自动化．2001．23(9)：1～4．
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【31】 郑莉、董渊等．C++语言程序设计．北京：清华大学出版社，2000：2～6．
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【34】 刘烨．面向对象程序设计的基本概念和属性．黄冈职业技术学院学报．2002．4(2)：94～96．
【35】 (美)Dawd J．Kruglinski等．Visual C++6．0技术内幕(第五版)[M]．北京：北京希望电子出版社．1999．
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【48】 张政、马书根等．基于Windows多线程开放数控主控系统的实现．计算机应用．2002．22(8)：9～11．
【49】 何其昌、王治森等．Windows平台下工控软件的研制．制造业自动化．2002．24(4)：46～48．
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【53】 曹、李隆等．多线程技术在工控软件中的应用．上海大学学报(自然科学版)．1999．5(12增刊)：45～49．
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【56】 常晓俊．数控机床脉冲插补法与数字增量插补法之比较．山西机械．2003(2)：22～23．
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【61】 吴光琳、林建平等．B样条曲线的快速实时插补算法．模具工业．2000(10)：14～16．
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【63】 朱心雄．自由曲线曲面造型技术．北京：科学出版社．2000：88～89．
【64】 胡自化、张平．三次B样条曲线恒速进给实时插补算法的研究．制造技术与机床．2000(8)：31～33．
【65】 周凯、陆启建．高精高速采样插补技术．中国机械工程．1998．9(10)：15～18．
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【68】 C H Yang Daniel, Tom Kong. Parametric Interpolator Versus Linear Interpolator for Precision CNC Machining. CAD. 1994, 3 (26)
【69】 Amoru Mitsushi etc. An Open Architecture CNC CAD-CAM Machine System with Data-Base Sharing and Mutual Information Feedback [J]. Aanals of the CIRP, 1997, 46(1): 269～274.
【70】 Kazuo Yamazaki etc. Autonomously Proficient CNC Controller for High Performance Machine Tools Based on an Open Architecture Concept [J]. Annals of the CIRP, 1997, 46(1): 275～278.
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