开放结构数控系统概述

1．引言

数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化，柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放接口标准的模块形态。基于模块和组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一个模块都是一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理，应用方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。
数控技术是一个综合性很强的技术学科，涉及系统控制，工业设计，机械结构，变频调速，网络通讯，信号分析等范围很广和适用性很强的技术领域，这些技术原理在工科学校的机电一体化教学中都有涉及，但在应用实践上相对分散，目前只注重在数控操作技能上的能力培养，一系列的计算机辅助设计制造软件也都是针对于这一目标，缺少一个贯穿于整个数控技术领域中的开发应用环境，来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。
正是针对于这一数控技术培养模式的局限性，本文建立了一个针对于整个数控技术应用开发领域一体化实验平台，采用组件和模块的思想建立了一个集成的设计开发环境，实现从数控装备产品规划，方案选择，运动算法和人机交互等各个环节的教学实践活动，下面将从总体策略，结构特征，关键技术等几个方面给予阐述。

2系统组建策略
2.1数控系统的组成

在这里我们将一般数控系统的概念广义化，定义成由控制器，机械结构，伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。控制器就是我们通常所说的计算机数控系统，它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的运动控制功能，人机交互功能，数据管理功能和相关的辅助控制功能，是数控装备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控体系的中心模块。机械结构是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台，如数控机床系统中的铣床、车床和加工中心等机械部分；数控机器人系统中机械手和机械臂等。机械结构根据具体应用场合的不同，具体形态千差万别，但都可以按照运动学和动力学方法简化成运动机构的各种组合形式，这种组合越复杂其对控制器的能力要求就越高，同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制，同样一种机械结构可接受不同控制器的控制，这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的产品类型。伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道，它将控制器数字量的指令输出转换成各种形式的电机运动，带动机械结构上执行元件实现其所规划出来的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分，其任务实质是实现一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控制。在此基础上，随着开放式数控技术的出现，数控系统体系具备了自我扩展和自我维护的功能，这得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬件功能和性能的能力。因此，开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组成部分融入了数控系统体系结构中，并在深刻改变着传统数控系统的结构特征和应用方式。

2.2应用开发系统组成和功能规划

本文所建立的一体化数控系统应用开发平台，完成对上面四个组成环节的统一管理控制，系统规划，设计开发和仿真校验流程，其组成结构如图1所示。系统组成规划模块完成所需数控装备产品的单元组合，功能规划和性能规划；机械结构设计模块完成对机械执行机构的物理建模，动态性能仿真，实体造型，结构绘图和工艺设计；伺服单元控制模块完成伺服系统的选型，位置控制规划，速度调节规划；运动规划控制模块完成运动轨迹规划，插补算法设计和仿真，控制策略设计和仿真；人机交互管理模块完成人机交互界面的设计和实现，数据管理和通讯功能。

整个应用开发系统的每个模块都分为应用和开发两个部分：应用部分针对于现有的系统模式和控制方法，从熟悉、使用、理解角度出发通过相应的软硬件技术手段实现对现有技术资源和产品资源的消化吸收；开发部分在应用部分的基础上，针对应用中发现的问题和产生的创意，对数控系统体系的某些组成环节进行旨在提高其性能和丰富其功能个性化的二次开发并提供进行这种二次扩展的软硬件技术支持环境。
应用开发系统以硬件调试平台和集成开发软件两种形式组合展现，硬件部分主要包括典型特征的机械结构实体和伺服单元实体，以及控制器的硬件实体部分，主要是满足对硬件组成部分的扩展和对软件应用开发的效果体现；集成开发软件是个基于PC机系统的统一的资源管理配置和开发调试环境，满足从系统规划、控制策略、人机交互和扩展应用等各主要环节的开发过程。集成开发软件由多个功能单元组成，既包括内嵌的功能单元也包括可与第三方软件进行通讯和数据交换的接口，这使得系统软件的可以灵活的集成到别的软件中或将其他优秀的组件集成到统一的开发环境中。系统采用网络化分布式的模块组合形式，使得多个模块可以分散地工作在不同的平台上，而且通过计算机网络远程共享彼此的数据资源和相对集中的同一个硬件资源。

2.3应用开发系统构建策略
应用开卡系统的构建始终遵循应用与开发紧密结合的原则，按照层次化教学的思路，从软件和硬件两个方面来规划实现不同规模的应用开发系统。

2.3.1应用与开发相结合的策略
熟练应用现有的技术方案是进行创新开发扩展的基础，而个性化开发扩展也是进一步加深对相关技术理解使用的有效途径，二者相辅相成，必须贯穿于整个数控技术的教学过程中。从应用角度将现有的技术和资源以可交互的方式体现在统一的软硬件平台中，是构建系统时的一个核心任务，为此我们充分采用了多媒体技术。首先集成了应用准备阶段所需的文档和图片资源，涵盖技术背景、技术原理、应用例程和产品资源等多方面内容；其次针对于其中涉及的操作实践环节，依托于某些具体的典型产品，建立了一整套操作仿真系统，实现对真实系统功能和操作的全真模拟，从技能层次加强对某种技术资源的深入理解。从开发角度将现有的各种计算机辅助设计制造手段有机集成是实现各个环节开发的有效途径，开发从仿真阶段开始，如机械结构的造型和动态评测，伺服单元的调速和位控测试，控制算法的轨迹规划曲线等；然后再进入到实际的硬件配合调试中，具体验证执行机构的运行特性；涉及到硬件结构扩展的部分，则需要从电路设计，逻辑测试方面去实践。

2.3.2结构和流程的层次化策略
根据不同的教学实验阶段和不同的教学目标，搭建相适应的应用开发环境和实现层次化系统结构是贯穿于应用开发系统功能规划和模块组建过程的重要原则。依赖于模块化的构成特征，用户可对系统进行策略配置改变应用和开发的难易水平、应用范围和流程顺序。如对处于原理性熟悉阶段的教学活动只保留系统组成中数控系统体系规划部分；对处于技能性培训阶段的实验活动可增加某些典型产品的仿真操作系统；对于控制能力实践阶段的开发活动又可以再增加运动规划控制模块等一系列逐层扩充功能的应用开发步骤。

2.3.3软件和硬件紧密结合策略
以往的教学活动只从上层控制软件的角度开展数控技术的教授，使得学生对于具体完成功能的硬件部分结构缺乏足够的认识。这种不明确造成了很多情况下对一些控制思想和控制算法的理解模糊，因为很多软件算法的形成都是跟底层硬件特征密切相关，特别是涉及到多种硬件平台的时候，这种相关性就更加明显，因此加强对硬件一定程度上的深入理解是机电一体化教学的必然要求。
应用开发系统采用两种模式来实现这一目标：第一种是硬件仿真模式，即为特定的典型硬件结构建立一个由软件虚拟的硬件层。硬件层以硬件电路图框的形式展现，其输入输出口可进行交互，以此来模拟整个硬件部分工作时的信号流程，并可像真实硬件一样接受软件算法的代码控制。第二种是建立模块化的硬件单元框架，以真实的硬件模块封装后加入到系统结构中，模块之间采用便于安装和检测的接口，以此来实践系统硬件部分的实际搭建能力。

2.3.4与实际产品相结合的策略
对现有的产品资源是消化吸收是进行独立个性化开发的重要手段，特别是一些技术成熟度高、技术资源丰富的产品更是应该广泛进入教学活动的过程中，让市场产品的发展态势来影响教学和实践活动的指向和重点。为此我们充分运用了互联网上的丰富资源，将众多数控技术厂商的网站集成到应用开发系统的资源模块中，并制作了可进行交互处理的资源向导。另外我们还专门制作了行业性专业网站——中国机床工具网（www.chinamachinetools.com）,该网站已全面运作并积累了丰富的产品资源 。
3．关键技术及其实现

引导型应用和开发模式

层次化的教学模式要求应用开发活动有一个可依附的实践模板，它体现一种交互式的资源响应机制，对学生的实践活动作出引导和评价，并提供获取相关资源的渠道。本系统所建立的引导环境是一种浮动式内嵌帮助平台，它底层以数据库的形式作为资源实体，按照具体应用开发的层次和场合，主要采用交互对话模式，符号描述模式，精灵向导模式三种手段来集中或分散地展示资源。交互对话模式是采用工作步骤预定义的方式，将一些比较成熟的应用开发流程的顺序和内容固定下来，以对话框的形式体现配置环境，最后展现出整个过程的信息结果。符号描述模式采用自定义编程语言的模式对一些需要验证的软件算法和控制流程进行规划，它有别于一般通用的编程语言，只是针对于具体应用场合采用特征描述的方式搜集特定的信息表示，与其所连接的资源数据库进行交互后，给出算法或流程运行的结果和评价。精灵向导模式是提供一个实时在线的帮助信息窗口，该窗口具备智能化的交互形式，可自动根据当前所处的状态提供出相关的引导型帮助信息，并具备自学习的记忆模式，按照用户的应用开发进展调整引导的策略。
图2所示的是针对与控制器部分建立的引导型开发平台的结构，借助于预先定义的各种信息库，将使用特殊语言描述的用户功能要求转换成信息库中特定策略的组合，然后通过与控制器的微控制核心相匹配的代码编译器，将策略描述翻译并通过计算机的并口经由下载电缆传送至控制器的仿真开发接口。控制器内部存在一个与之相对应的仿真开发专门存储区，用于用户订制功能代码的在线校验，该存储区与正常数控程序存储区相互屏蔽，保证二次开发的安全性，并通过校验策略和评价机制返回二次开发的性能指标。

网络化分布式应用体系

网络为分布式资源的集中利用提供了有效的共享途径，经由互联网的交互式通讯机制和监控诊断机制为应用开发系统的远程教学活动提供了安全可靠的媒介。模块化组件、开放式接口和分布式互连三个关键技术实现了这种网络化的应用开发环境。其中模块化组件是基础，分布式互连是形式，开放式接口是连接手段。功能组件的模块化是基础，是对特定功能单元的软硬件进行封装的实体，具备明确定义的交互形式；分布式互连是个单元模块的运行模式，通过网络的连接使分散在不同平台上的软硬件建立起通讯和一种层次化的控制策略，并采用网络激活的技术方案动态配置整个网络中各模块资源的运行和响应特性；开放式接口是各个模块之间的连接通道，接口的开放特征体现在单一模块的多接口和分层次接口两方面：如运动控制单元模块具备伺服电机驱动、步进电机驱动和直线电机驱动三种接口，可按需要配置激活或屏蔽；又如运动轨迹算法模块具备表层的速度加速度曲线配置接口，中层的特定曲线轨迹插补算法定义接口和底层的运动规划策略定义接口三个层次。
图三展示了一种基于校园局域网和互联网的应用开发系统工作模式，从事机械设计，伺服规划和运动控制交互的三个实验室内部的每台计算机上运行着不同的模块单元，并通过局域网共享数据资源；另一方面三个实验室又通过校园网进行连接，实现各教学环节的有机联系，再加上互联网络，系统的功能便可拓展的远程监控领域。

结束语

采用模块化组件技术建立的开放结构模块化数控系统应用开发系统通过组建校园局域网的形式在天津大学机械学院的数控技术教学活动中得到了应用，在交互式学习中取得了很好的效果。

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