模具行业是制造业的重要基础。在切削加工中,模具加工对机床的性能要求是最高的。 开发适合模具加工的高速高精机床,是当今先进制造技术和装备行业的核心技术。世界主要工业国家都把开发高档机床作为经济发展和国防安全的主战略之一,以提高制造能力和水平,改善对动态多变市场的适应和竞争能力。长期以来,高档数控系统的核心技术被世界上几个工业发达国家所垄断,在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。新一代基于PC的开放式数控的出现,给我国发展民族数控产业带来了前所未有的机遇。 开放式数控系统架构,摆脱了对传统封闭数控系统的依赖,在关键技术上,我们与发达国家处于同一起跑线上。目前已经提出并实现的一些系统要么开放程度有限,要么体系结构先进性不足,存在许多需要改进的地方。因此,不论是在理论上还是在应用中,研究开放式数控系统及关键技术都有极为重要的意义。 本文分析了“PC+运动控制器”开放式数控系统的局限性,在目前全软件架构和分布式控制两种开放式数控系统架构的基础上,创新性的提出了一种基于现场总线的全分布式数控架构。所提出的数控系统,体系结构高度开放,结构简单,消除了传统CNC结构中存在的冗余环节,支持系统各组成模块的定制,也支持控制系统内核(插补、运动控制策略)的定制,使得数控系统具有良好的开放性和灵活的组态功能。同时,提出了采用COM组件技术构建数控系统的软件,用集成计算机辅助建模定义方法IDEFO进行系统功能建模。应用统一建模语言UML,完成了数控系统的静态和动态建模,得到了描述基于现场总线的全分布式数控系统模型的类(包)、接口及它们的实例。 在分析现有数控系统两级插补方式存在的问题基础上,提出在基于现场总线的全分布式数控系统中采用一次离线插补的思想,阐述了离线插补的计算原理和算法设计,并分析了基于现场总线的全分布式数控系统的起停平稳要求,提出了适合的柔性加减速方法。由于采用离线插补,插补计算过程与伺服控制过程不要求同步,因此,插补计算的复杂性不再成为一个约束。这样,轨迹插补精度可以大大提高,同时,插补任务从实时任务中划分出来,缩短了实时中断控制周期,有利于进一步提高伺服控制精度。 基于现场总线的全分布式数控系统是实时多任务的。在比较现存的多种数控系统平台的基础上,根据数控系统架构的要求,提出把Windows及实时扩展技术作为系统的开发平台,分析了采用windows及实时扩展开发基于现场总线的全分布式数控系统的优越性.该系统既继承了Windows操作系统的开放性特征,又保证了数控系统所要求的实时性能.文中对RTX实时性解决方案和核心技术进行了论述,并把开放式数控系统的功能抽象为一系列功能模块。 功能模块的实现独立于操作系统,可以在不同的操作系统平台上移植。通过编译、连接,把相关的功能模块集成在具体的任务框架之中,构成了可以独立完成某种控制功能的任务模块。 由于任务模块是由功能模块组合而成的,所以同一个任务模块通过选用不同性能模块可以完成不同的任务。 基于现场总线的全分布式数控系统是一个对实时性、同步性要求很高的系统。针对这些性能要求,文中设计了适合此系统的传输协议。为了进一步提高其工作效率,提出了一种适合数控系统的数据压缩方法.先用改进型半字节压缩法对插补点集进行第一次压缩,然后用游程编码进行第二次压缩,这样可使系统的传输数据减少一半以上,大大提高了效率.为确保系统有良好的同步性能,文中采用两种方案进行多轴同步设计:软件方式同步和硬件方式同步。软件方式可以减少硬件,简化设计流程,但硬件方式有更高的效率和系统稳定性。采用软件同步,插补数据的接收问题简单,但效率较低；而采用硬件同步方式,为了提高CPU的效率,避免数据饥渴现象,论述了如何在驱动器端开辟CAN数据缓冲区来存放插补点集的问题,并详细的阐述了实现方法。通过对CAN总线的通讯效率和速度分析,以及相应的基于现场总线的全分布式数控系统同步方案研究,论证了CAN总线用于全分布式数控系统实时性和同步性控制的可行性。 在上述架构和相关技术研究的基础上,本文开发了一个基于Windows+RTX的全分布式数控原型系统.文中分析了原型系统的设计过程,阐述了硬件开发过程和主要功能电路,介绍了使用RTX的SDK向导创建应用程序的过程。实验证明,Windows+RTX能够满足实时控制要求,基于COM的组件方法和智能控制器可以提高CNC系统的开放性,来自不同制造商的软件和硬件产品能够实现即插即用,外部不可屏蔽中断能够实现多轴的同步控制。因此,这种基于Windows+RTX的现场总线全分布式数控系统能够满足同步性、开放性和实时性能,是切实可行的。