基于調(diào)度軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究*

□ 李 麗 □ 房立金 □ 王國(guó)勛

1.沈陽城市建設(shè)學(xué)院 交通與機(jī)械工程系 沈陽 110167

2.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院 沈陽 110819

3.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 沈陽 110159

數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是數(shù)控技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)普遍存在一些缺點(diǎn)：①系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)封閉且硬件平臺(tái)缺乏柔性；②系統(tǒng)軟件不開放，可重構(gòu)性差；③在編程語言方面，仍然使用G/M代碼，它只包含刀具運(yùn)動(dòng)信息，不包含任何其它信息，無法與CAD/CAM實(shí)現(xiàn)集成，無法實(shí)現(xiàn)智能化，而且加工代碼與其它系統(tǒng)不兼容。為了解決這些缺點(diǎn)，近年來，數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的研究逐漸成為研究熱點(diǎn)。李斌［1］對(duì)基于構(gòu)件的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。游有鵬［2］、李宏偉［3］、謝經(jīng)明［4］、Z D Zhou［5］對(duì)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 陳良驥［6］等人對(duì)基于PC平臺(tái)研究了開放式系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)。X W Xu［7］提出了一種基于STEP-NC分布式支持互操作的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)。Matthieu Rauch［8］等人針對(duì)智能制造過程提出了基于STEP-NC的控制器結(jié)構(gòu)。S H Suh［9］對(duì)智能數(shù)控系統(tǒng)的框架和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了研究。以上研究只針對(duì)數(shù)控系統(tǒng)本身體系結(jié)構(gòu)，而未考慮開放式數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)雜性問題。

隨著STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的制定和日益完善，基于STEP-NC的開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠解決當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)所存在的問題［10］，因此，研究基于STEP-NC的開放式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。筆者從數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)、軟件結(jié)構(gòu)、加工數(shù)據(jù)模型3個(gè)方面進(jìn)行了深入研究，提出了一種既兼容STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)、又基于調(diào)度軟件的數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，在滿足數(shù)控系統(tǒng)開放性需求的同時(shí)，簡(jiǎn)化了數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)任務(wù)。

1 STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

STEP-NC（STandard for the Exchange of Product Model Data for Numeric Control），全稱為“數(shù)控領(lǐng)域的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)”，它是產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP （STandard for the Exchange of Product Model Data）標(biāo)準(zhǔn)向數(shù)控領(lǐng)域內(nèi)的擴(kuò)展。STEP-NC的目的是實(shí)現(xiàn)CAD/CAM與CNC系統(tǒng)之間，以及不同CNC系統(tǒng)之間的信息交換和共享。與G/M代碼不同，STEPNC是基于完整描述加工對(duì)象和現(xiàn)場(chǎng)加工過程的模型，包括零件信息描述、工件毛坯信息描述、刀具信息描述、加工操作和策略描述等。通過易于理解的、易于智能診斷和控制的描述方式，詳細(xì)而簡(jiǎn)潔地描述零件信息及其制造過程。STEP-NC的出現(xiàn)，從根本上改變了數(shù)控系統(tǒng)開放式、智能化發(fā)展的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM/CNC的信息集成。

2 數(shù)控系統(tǒng)開放性需求分析

使用G/M代碼的數(shù)控系統(tǒng)與上游CAD/CAM數(shù)據(jù)格式不兼容，信息只能實(shí)現(xiàn)從CAD/CAM到數(shù)控系統(tǒng)的單向流動(dòng)，而且容易造成數(shù)據(jù)丟失，無法實(shí)現(xiàn)智能加工。而以STEP-NC作為數(shù)據(jù)模型的控制系統(tǒng)與上游CAD/CAM的STEP格式兼容，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)可無損地傳輸?shù)紺NC系統(tǒng)，并且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換，滿足智能化加工的信息需求。因此，對(duì)于開放式智能化的數(shù)控系統(tǒng)，必須滿足對(duì)STEP-NC數(shù)據(jù)格式的兼容。

要實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)真正的開放，必須在數(shù)控系統(tǒng)軟件、硬件和加工數(shù)據(jù)模型3個(gè)方面做到真正的開放，需滿足以下要求。

（1）系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)必須具有開放性，并且允許用戶通過較簡(jiǎn)單的方法進(jìn)行二次開發(fā)，以便用戶定制自己的特殊功能，同時(shí)可減輕設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計(jì)效率。

（2）在數(shù)據(jù)加工模型方面，必須使用一種新的加工數(shù)據(jù)模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的G/M代碼，實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CNC的無縫集成與數(shù)據(jù)共享，并且為實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的智能化加工奠定基礎(chǔ)。

（3）在數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)方面，目前比較可行的方法是基于PC平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，可以充分利用PC軟硬件發(fā)展的最新成果，同時(shí)具有一定的開放性。

3 基于調(diào)度軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建

▲圖1 STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

▲圖2 基于調(diào)度軟件的數(shù)控系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求及特點(diǎn)，本文提出了既兼容STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)、又基于調(diào)度軟件模塊的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不同，兼容STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)于增加了CAPP/CAM系統(tǒng)的部分功能，因此具有更多的模塊，且模塊與模塊之間相互關(guān)聯(lián)，形成復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。在這些模塊中，有強(qiáng)實(shí)時(shí)性模塊、弱實(shí)時(shí)性模塊和非實(shí)時(shí)性模塊，系統(tǒng)需對(duì)這些模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能，因此系統(tǒng)的控制任務(wù)更加繁重。為了減輕系統(tǒng)的控制任務(wù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本文提出調(diào)度軟件的概念，負(fù)責(zé)系統(tǒng)中各模塊的實(shí)時(shí)調(diào)度與任務(wù)處理。

3.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)通常可分為4個(gè)層次：智能控制層、運(yùn)動(dòng)控制層、設(shè)備控制層、物理設(shè)備層，如圖1所示。其中智能控制層和運(yùn)動(dòng)控制層包含插補(bǔ)、加工過程控制、智能控制、軌跡規(guī)劃等軟件模塊，設(shè)備控制層負(fù)責(zé)各運(yùn)動(dòng)軸伺服控制以及PLC、輸入/輸出控制等，物理設(shè)備層是指數(shù)控機(jī)床。

在軟件模塊層和設(shè)備控制層之間插入調(diào)度軟件模塊，使軟件模塊和設(shè)備控制層（運(yùn)動(dòng)控制模塊）、數(shù)控機(jī)床分離，其結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。調(diào)度軟件模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度所有軟件模塊，并通過運(yùn)動(dòng)控制模塊控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)完成特定的任務(wù)。

調(diào)度軟件模塊的管理及調(diào)度功能的實(shí)現(xiàn)是通過3個(gè)子模塊實(shí)現(xiàn)的，即任務(wù)管理調(diào)度模塊、軟件模塊信息庫、任務(wù)序列庫。任務(wù)管理調(diào)度子模塊負(fù)責(zé)管理和調(diào)度各個(gè)軟件模塊；軟件模塊信息庫中保存了本系統(tǒng)中各個(gè)軟件模塊的信息，包括模塊名、模塊位置信息、輸入/輸出參數(shù)等信息；任務(wù)序列庫中保存了完成某個(gè)具體任務(wù)所需的所有軟件模塊和執(zhí)行順序信息。軟件模塊信息庫和任務(wù)序列庫都由任務(wù)管理調(diào)度模塊訪問和維護(hù)，當(dāng)任務(wù)管理調(diào)度模塊接收到外部輸入的某一任務(wù)時(shí)，從任務(wù)序列庫中提取出任務(wù)序列，再?gòu)能浖K信息庫中提取信息，執(zhí)行相應(yīng)的軟件模塊，完成給定任務(wù)，如圖3所示。下面分別對(duì)3個(gè)子模塊進(jìn)行詳細(xì)論述。

3.1.1 軟件模塊信息庫

▲圖3 調(diào)度軟件功能結(jié)構(gòu)圖

軟件模塊信息庫中存儲(chǔ)了整個(gè)系統(tǒng)中所有軟件模塊的信息，為了便于查找與調(diào)用，每個(gè)模塊存儲(chǔ)格式為名稱、IP地址、輸入/輸出參數(shù)、功能說明等。每個(gè)軟件模塊都是獨(dú)立的，可能來自不同的供應(yīng)商，軟件模塊具有兩個(gè)特征：①可替換性。每個(gè)軟件模塊可被實(shí)現(xiàn)相同功能的其它模塊代替，如插補(bǔ)模塊，使用DDA插補(bǔ)算法的插補(bǔ)模塊可被使用Bresenham算法的插補(bǔ)模塊替換。②支持網(wǎng)絡(luò)化調(diào)用。軟件模塊可通過網(wǎng)絡(luò)被其它系統(tǒng)的調(diào)度軟件模塊調(diào)用，為了滿足開放式數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于可重構(gòu)性的需求，軟件模塊信息庫中的軟件模塊可進(jìn)行添加、刪除、替換等操作。因此，用戶可使用已有的軟件模塊迅速構(gòu)建出自己的數(shù)控系統(tǒng)，大大減少了數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期，同時(shí)也簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開發(fā)流程。

3.1.2 任務(wù)序列庫

任務(wù)序列庫描述了怎樣完成操作者或其它系統(tǒng)請(qǐng)求的任務(wù)，它描述完成給定任務(wù)的所有信息，包括軟件模塊的調(diào)用序列以及與運(yùn)動(dòng)控制卡及控制器、操作者的通信等信息。例如，操作者請(qǐng)求了一個(gè)零件的加工任務(wù)，則任務(wù)序列為智能控制軟件模塊負(fù)責(zé)加工軌跡規(guī)劃，運(yùn)動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)生成運(yùn)動(dòng)指令，運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)執(zhí)行加工程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工。

3.1.3 任務(wù)管理調(diào)度子模塊

任務(wù)管理調(diào)度子模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件模塊的管理、調(diào)用、調(diào)度等功能，管理功能體現(xiàn)為對(duì)軟件模塊信息庫和任務(wù)序列庫的管理和維護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)中添加新的軟件模塊時(shí)，任務(wù)調(diào)度子模塊負(fù)責(zé)將該模塊的信息按照一定的格式添加到軟件模塊信息庫中，方便系統(tǒng)的調(diào)用，同時(shí)，將與新模塊有關(guān)的任務(wù)序列進(jìn)行更新或添加到任務(wù)序列庫中。調(diào)用功能和調(diào)度功能是任務(wù)管理調(diào)度子模塊的核心功能，分別介紹如下。

（1）調(diào)用功能。當(dāng)系統(tǒng)要完成某項(xiàng)任務(wù)時(shí)，首先從任務(wù)序列庫中查找完成該項(xiàng)任務(wù)所需的任務(wù)序列，然后從任務(wù)序列中提取需要執(zhí)行的軟件模塊，執(zhí)行該軟件模塊，完成所需任務(wù)。執(zhí)行軟件模塊時(shí)，首先從軟件模塊信息庫中查找該軟件模塊的信息，包括模塊名、模塊位置、模塊輸入?yún)?shù)等信息，然后將模塊所需的信息傳入，軟件模塊接收到輸入?yún)?shù)后開始執(zhí)行，最后將執(zhí)行結(jié)果返回給任務(wù)調(diào)度管理子模塊，任務(wù)調(diào)度管理子模塊將執(zhí)行結(jié)果輸出給其它模塊。以插補(bǔ)模塊為例對(duì)調(diào)用過程進(jìn)行說明，如圖4所示。調(diào)度軟件模塊從軟件模塊信息庫中查找插補(bǔ)模塊信息后，將任務(wù)中的相關(guān)要求和參數(shù)傳給插補(bǔ)模塊，例如：模塊名為插補(bǔ)，模塊位置為10.98.24.2，表示該模塊位于IP地址為10.98.24.2的主機(jī)上，單位為mm，對(duì)精度的要求為（0.1,0.1,0.1），刀具路徑為從點(diǎn)（10,10,-10）到（15，15，-10）。插補(bǔ)模塊接收到這些信息后開始執(zhí)行插補(bǔ)運(yùn)算，并將運(yùn)算后的插補(bǔ)刀具路徑返回給調(diào)度軟件，調(diào)度軟件模塊將刀具路徑信息再傳給運(yùn)動(dòng)控制模塊，運(yùn)動(dòng)控制模塊驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成加工任務(wù)。

（2）調(diào)度功能。調(diào)度軟件模塊除了負(fù)責(zé)管理各軟件模塊外，還要完成對(duì)各模塊的調(diào)度任務(wù)。任務(wù)調(diào)度分為兩部分：弱實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度和強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度。強(qiáng)實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度由運(yùn)動(dòng)控制卡完成，弱實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度由調(diào)度軟件模塊完成。弱實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度是二級(jí)調(diào)度，即由調(diào)度軟件模塊對(duì)數(shù)控系統(tǒng)弱實(shí)時(shí)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制，而當(dāng)任務(wù)被加載到PC的處理器后仍由操作系統(tǒng)完成。

3.2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的數(shù)控硬件系統(tǒng)其連接方式固定、封閉，不具備擴(kuò)展性，且信息傳輸量小，不利于分布式控制，不能滿足開放式數(shù)控系統(tǒng)的要求。根據(jù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的要求，硬件結(jié)構(gòu)必須滿足以下幾個(gè)條件：①在結(jié)構(gòu)上采用總線式，方便擴(kuò)展；②采用基于PC的結(jié)構(gòu)，以方便使用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域內(nèi)的最新的軟硬件技術(shù)；③系統(tǒng)配置方便；④具備與其它系統(tǒng)的通信能力，且能夠傳輸較大的信息量。根據(jù)這一要求，基于PC的數(shù)控系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)開放化比較現(xiàn)實(shí)的途徑，這種方法能夠利用計(jì)算機(jī)的軟硬件資源和PC機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，來實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能。同時(shí)，由于PC總線是一種開放性的總線，因此數(shù)控系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)也就具有了一定的開放性、模塊化等特點(diǎn)。開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用“工業(yè)PC+PMAC”的方式，以工業(yè)PC為主計(jì)算機(jī)，以PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡為從計(jì)算機(jī)的主從式雙處理器結(jié)構(gòu)。兩個(gè)處理器間通過PCI總線交換數(shù)據(jù)，共同管理整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。PMAC實(shí)現(xiàn)前臺(tái)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)任務(wù)，如插補(bǔ)計(jì)算、速度規(guī)劃、實(shí)時(shí)刀具路徑生成等；工業(yè)PC機(jī)實(shí)現(xiàn)后臺(tái)管理及人機(jī)界面接口的各種操作，負(fù)責(zé)非實(shí)時(shí)任務(wù)，如HMI、任務(wù)規(guī)劃、仿真、故障診斷等。

▲圖4 軟件模塊調(diào)用過程

▲圖5 開放式數(shù)控系統(tǒng)界面

▲圖6 基于調(diào)度軟件的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件實(shí)物圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證本文提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用Visual C#開發(fā)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的原型系統(tǒng)，其界面如圖5所示。硬件系統(tǒng)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)中采用SU-15M教學(xué)用三軸銑床，圖 6（a）顯示了實(shí)驗(yàn)用機(jī)床實(shí)物圖，圖 6（b）顯示了機(jī)床控制接線圖，圖6（c）顯示了控制系統(tǒng)的接線圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是正確有效的。

5 結(jié)論

（1）在分析當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了需求分析，進(jìn)一步提出了兼容STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，并分別對(duì)硬件體系結(jié)構(gòu)、軟件體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

（2）提出了PC+PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)，具有開放性好、柔性高、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，無需實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的支持，控制功能穩(wěn)定、可靠，是目前較理想的開放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)施方案。

（3）提出了基于調(diào)度軟件的數(shù)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)，首先將數(shù)控系統(tǒng)各任務(wù)劃分成軟件模塊，在軟件模塊和運(yùn)動(dòng)控制卡之間構(gòu)建調(diào)度軟件，調(diào)度軟件負(fù)責(zé)管理和協(xié)調(diào)各軟件模塊的運(yùn)行以及它們與運(yùn)動(dòng)控制卡的通信，還負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)與其它系統(tǒng)進(jìn)行互操作等。調(diào)度軟件的引入，簡(jiǎn)化了復(fù)雜系統(tǒng)的控制任務(wù)，有利于構(gòu)建出更加穩(wěn)定、可靠的軟件系統(tǒng)。

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