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開放式數控技術的系統應用及發展趨勢

時間: 2019-07-12 | 編輯: 56 | 閱讀:56次

開放式數控系統的設計思想誕生于20世紀80年代,近30年的研究取得了巨大的進展,已建立了基于互操作和分級式軟件模塊的開放體系結構標準規范。從90年代開始,國內一些研究單位也投入了一定量的資金和人力進行開放式數控系統的研究工作。根據電器與電子工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)對開放式數控系統的定義,開放式系統應該提供這樣一些功能:它們能使應用程序在不同廠商的各種平臺上運行,能支持與其他系統應用的相互操作,并且具有用戶界面的一貫形式。簡單地說,開放式系統應該具有可移植性、可互操作性和一致性。不言而喻,“開放性”是該技術的最主要的特征。從技術角度上,“開放性”可以為3類:數控系統軟件的開放性、加工數據模型的開放性和硬件實施平臺的開放性。圖1所示的樹形圖可描述開放式數控系統開放性的技術分支,從中可以清楚地看出開放式數控系統的關鍵技術。本文將分別從“軟件的開放性”、“加工數據模型的開放性”和“硬件實施平臺的開放性”等方面,介紹各領域內的關鍵技術、國內的研究現狀和存在的問題,并提出解決方法和建議,與同行交流和共享。

系統軟件的開放性

從本質上說,開放式數控系統的開放性得益于軟件,而軟件開放性中最重要的是數控系統的開放式體系結構。它包括系統的硬軟件組成部件的劃分和各部件間的連接與約束(如拓撲關系、同步關系和通訊協議等)。CNC系統的體系結構不僅為系統的分析、設計和制造提供參考框架,也是指導系統在整個生存期內進行擴展、更新、維護和二次開發的基礎,是整個系統的靈魂,是開放性實現的根源。

1 體系結構的研究

到目前為止,世界上已有幾個組織開展了開放結構控制器體系結構的研究工作,比較有影響的是歐洲的OSACA(Open System Architecture for Controls Within Automation System)、美國的OMAC(Open Modular Architecture Controller)和日本的OSEC(Open System Environment for Controller)。國內已有多家研究單位對這幾種體系結構進行了充分比較,并在以美國的OMAC為基礎、采用COM組件技術實現方式來搭建開放式結構控制器方面做了一些嘗試。從近幾年的發展看,該種研究方向是正確的、適合中國國情的。也正因為選用了OMAC體系結構,引出了實現該體系結構所需要的一系列關鍵技術,包括實時操作系統、組件開發技術、有限狀態機和實時系統下的任務調度等。

2 軟件平臺

開放式數控系統的硬件平臺主要是個人計算機(Personal Computer,PC)。而軟件平臺就有了多種選擇的可能。但事實上,選用何種平臺直接影響到開發難度、成本等一系列核心問題。目前常見的方案一種是采用Windows+RTX方案,RTX可以認為是內置于Windows的一個子系統,它不影響Windows的原有功能,而增加了其實時性。這種方式適合熟悉Windows操作系統的中國用戶進行開發,能夠在一定程度上降低開發難度,但是無論Windows還是RTX都不是中國自主知識產權的操作系統產品,該開發平臺價格昂貴(尤其是RTX),底層技術保密,造成國內開放式數控系統的開發嚴重依賴國外,這對軟數控系統的產業化、降低生產成本都十分不利。另一種方案是采用RTLinux,雖然由于其開源的特性,沒有知識產權的問題和底層開發的限制,但對中國用戶來說,加大了開發難度,增加了工作量,也阻礙了國內開放式軟數控系統的研究進展。事實上,國內在開發平臺的選擇上,一直面臨著兩難的抉擇。

3 組件技術

OMAC是目前國內應用比較廣泛的開放式數控系統體系結構,而OMAC所定義的開放式數控系統的開放性、模塊化、可擴展性、可伸縮性和標準獨立的接口的實現都離不開組件技術。關于組件技術的實現,目前國內采用的主要方式是在Windows操作系統下采用微軟的組件對象模型(Component Object Module,COM)技術來進行開發。所謂COM是由微軟提出的一種適合于分布式軟件模型的標準。這種系統將數控功能分成若干模塊,按COM標準開發各模塊的具體功能,通過相互間的標準接口完成實際的任務。然后通過標準的接口卡把數控系統的軟件和機床連接起來,形成一套簡潔、通用、具有很高開放性的數控系統。

4 有限狀態機

CNC系統是一個復雜且具有不同層次實時性要求的多任務控制器。系統中每個對象的功能、行為、起始過程、以及它們之間相互操作的關系,在系統建模中都必須得到清晰的描述。目前最有效的手段就是有限狀態機(Finite State Machine,FSM)理論。有限狀態機由有限的狀態和相互之間的轉移構成,在任何時候只能處于給定數目的狀態中的一個。FSM經常被應用于反應式系統的建模。數控系統根據輸入的信息控制機床移動,實現加工操作,其行為是可預見的,屬于典型的反應式系統,將外部輸入的信息表示為FSM的輸人事件,將機床的加工操作表示為FSM的動作,因此,有限狀態機在開放式軟數控系統的開發中占有重要的地位。

5 數控系統中的任務調度

文章標題: 開放式數控技術的系統應用及發展趨勢
文章地址: http://www.bqvfdr.icu/guanyuwomen/25128.html
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