目录

1.  课题来源及研究的目的和意义... 2

2.  国内外在该方向的研究现状及分析... 3

3.  主要研究内容... 6

4.  研究方案及进度安排，预期达到的目标... 6

5.  为完成课题已具备的条件... 6

参考文献…………………………..……………………………….…………………………………………………….7

1.    课题来源及研究的目的和意义

随着先进工业和微技术的迅速发展，PLC(Programming Logic Controller)不断接受着新的考验。传统PLC的有许多优点：在进程控制和I/O控制的广泛应用，实时可控，易于编程(梯型图)。但它也有许多缺点：封闭结构，运动领域功能不足，不兼容其他设备(CNC/机器人控制器)，和匮乏的HMI(Human Machine Interface)。因此，在1999年，基于PC(Personal Computer)的PLC出现在RTOS(Real Time Operate System)或者RTE(Real Time Extension for Windows)^[[1]]。这种类型的模块就是软PLC，它的优势包括实时I/O控制，IEC61131-3标准编程^[[2]]，开放式体系结构，以及丰富的人机界面的工具。然而，它仍然必须面对一个关键问题：在运动控制、数控和机器人领域的功能性和实时能力低。由于这些缺点，软PLC技术还没有完全步入工业自动化系统应用的阶段^[[3]]。与此同时，运动控制技术在工业领域已逐步发挥了重大作用，尤其是基于专用DSP(Digital Signal Processor)的运动控制器。这种类型的运动控制器具有硬实时能力，然而它不能轻易地与PLC连接^[[4]]。在这种情况下，固高科技提出了一种新方法命名为CPAC。

CPAC(Computerized Programmable Automation Controller )是计算机可编程自动化控制器的简称，它是应用于工业装备控制的软硬件开发平台。CPAC与PLC的耐用性、PC机的开放功能、灵活的软件架构和基于DSP的运动控制完美结合。CPAC使用IEC61131-3 标准的IDE CoDeSys作为通用工业控制开发环境，集成了PLC应用、数控、机器人和CPU+DSP架构^[[5]]。

数控技术自1952年诞生以来，随着计算机技术、电子技术、自动控制技术的发展已经经历了6次更新换代[[6]]。而其应用领域也从传统的数控机床扩展到激光切割、激光焊接、激光打标、快速原型制造、三坐标测量、电火花线切割、机器人等多种加工制造领域。它已经成为了现代化制造业的基础。

近年来，尤其是“十一五”期间，我国加大对航空航天、船舶、铁路、发电设备、汽车零部件以及国防军工的投入和扶持，而这些产业都需要数控加工设备，所以也刺激了对数控加工设备的需求，从20##年期，市场对数控设备的需求就以每年15%的速度在增长，机床消费额超过120亿美元^[[7]]，预计到未来几年，数控设备的需求会增长的更快。

在我国，数控技术及其装备的发展近年来得到了高度的重视，并且也取得了相当大的进步，但在数控技术研究及发展方面仍然存在不少问题，尤其是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况较为突出。在我国，国产数控系统大都是停留在中低端水平，高端数控系统仍然被其他发达国家垄断。另一方面，在发达国家中，数控技术已在加工制造业中广泛使用，而我国数控技术的应用同发达国家相比差距很大^[[8]]：我国机床的数控化率不足10%， 而日本高达30%，美国则超过了40%。

目前加工制造业在国内发展迅速，采用的数控系统有些是买国外比较成熟的数控系统，但成本较高，而且对于系统的升级也较为麻烦。所以也有许多设备制造商为了降低成本，选择利用成熟的通用运动控制器自行开发数控系统。

但直接利用通用运动控制器开发数控系统还存在以下几个问题：

(1)一般只是提供底层的运动控制功能，例如插补及伺服控制、I/O控制等。系统集成商要想利用通用运动控制器开发一套数控系统，还需要做许多工作，而且每开发一套新的数控系统，都要将这些工作再重复一遍。

(2)由于不同的运动控制器其提供的接口不一样，这样一旦系统集成商要想换一种运动控制开发系统，就不得不花大量时间去熟悉新的运动控制器。

(3)对系统集成者的要求较高，要求系统集成者对数控系统有非常清晰的理解，并且要有较强的系统集成的能力。

本课题目的就是针对数控系统的内部功能构成做一个详细的分析，利用CPAC(计算机可编程自动化控制器)将各功能模块化，并最终建立一个开放式的数控平台，简化系统集成商的工作。通过对数控系统架构的研究，可以帮助系统集成者对数控系统的理解，指导他们进行系统开发；另外通过对数控系统内核核心功能的研究，帮助他们从这些复杂的工作中解放出来，从而可以大大减少他们进行系统开发的难度。

2.    国内外在该方向的研究现状及分析

在数控系统发展的历程中，数控系统先后经历了3个发展阶段^[[9]]：NC阶段，这个阶段的数控系统又经历了3个时代的发展，即电子管时代、晶体管时代及中小规模集成电路时代；第二阶段是CNC阶段，这个阶段小型计算机系统开始应用于数控系统，这属于第四代数控系统；而自1974年起，微处理器开始应用于数控系统，从而开始了第5代数控系统，目前市场上很多数控系统仍然是第5代数控系统，如FANUC-0及SIEMENS 810。第三个阶段是开放式CNC，这个阶段的特点是充分利用PC技术及软件技术，使得数控系统具有开放性、模块化、可移植性、可裁剪、可互操作性等一系列特点。这个阶段典型的代表有SIEMENS 840D、HEIDENHAIN iTN530及FANUC-32i。

自从开放式数控系统的概念被提出后，便得到世界各国的重视，而且也都加大了对开放式数控的研究，并且提出并制定了一些开放式数控的标准。其中最有影响力的主要有美国的OMAC(Open Modular Architecture Controller)、欧洲的OSACA(Open System Architecture for Controls within Automation System)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller)。

(1)   NGC与OMAC ^{[[10],[11],[12]]}

NGC是美国提出的下一代控制器计划，其核心就是开放式数控体系结构的研究，该计划最终提出了一个开放式体系结构的标准规范SOSAC(Specification for an Open System Architecture Standard)。该规范定义了NGC(Next Generation Contrller)系统、子系统、模块的功能及其相互关系，并提出了分级控制结构的概念，指出了系统功能性分解，定义了虚拟机实现系统模块间的信息交互方法，还定义了NML (Neutral Manufacturing Language)语言进行制造系统中的信息传递。

该计划于1994完成原型研究，并已转入工业开发应用阶段。后来在NGC指导下，由Ford、GM、Chrysler三家公司联合提出OMAC开发计划。OMAC将整个系统分为系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机接口、运动控制、传感器接口等模块，并提出由基类、模块、系统结构设计及系统详细设计等组成系统开发“参考模型”。该计划的目的是使得系统制造厂、机床厂和最终用户可以缩短开发周期、降低开发费用、方便二次开发和系统集成、简化系统使用和维护。

(2)   OSACA ^[5^,[13],[14]]

OSACA是欧盟提出的开放式控制系统体系结构的研究计划。它提出一种“分层的系统平台+结构化功能单元”的体系结构，如图1-1。底层硬件和操作系统构成系统平台，系统平台通过API向应用层提供服务。应用层由一些结构对象AO(Architecture Object)构成，所谓结构对象AO就是实现数控系统特定功能的功能模块，如运动控制、轴控制、人机等。

图1-1 OSACA开放式平台结构

OSACA结构主要有三个部分组成：参考结构、通信系统、配置系统。

参考结构定义了阐述了实现数控功能需要哪些功能模块以及提供哪些开放式接口的问题。OSACA参考结构将系统分为三个任务区：人机任务控制区、NC核心区、逻辑控制区。而每一个AO都分属不同的任务区。人机任务控制区包括人机界面、监控、统计、外部通信、诊断与故障处理等；NC核心区负责运控控制、轴控制、运动控制管理、主轴控制等；逻辑控制去则是负责单元协调、逻辑控制等。

通信系统是OSACA的核心部分，它是AO交互的唯一途径。它屏蔽了操作系统的差异性，保证AO的可移植性和互操作性。

配置系统则描述在某个平台上实现特定的数控系统时需要哪些AO及它们之间的链接关系。

(3)   OSEC ^[5^,9^,[15]]

OSEC计划是在日本国际机器人和工厂自动化研究中心(International Robotics And Factory Automation Center)建立的开放式数控委员会(Open NC Scope and Directions Committee)的倡导下，由3个机床厂(Toyota、Toshiba、Mazak)、1个系统厂(Mitsubishi)和2个信息公司(SML、日本IBM)发起的，其目的是开发基于PC平台的、具有高性能价格比的开放式体系的新一代数控系统。

OSEC的目标是提出一个FA(工厂自动化)控制设备标准，其重点集中在NC本身和分布式控制系统上。OSEC认为，从制造的观点来看，NC是分布式制造系统中的一个服务器。它将各功能单元分组并结构化在一些功能层中，其开放式系统包括了3个功能层共7个处理层，如图1-2。每一个处理层被划分为两部分：NC基本功能部分和可变功能部分，OSEC开放系统正是通过这一特点来表现其开放性。

图1-2 OSEC开放式数控系统架构

国内近年来也开始了对开放式数控系统的研究，像对数控系统的模型的研究、组件技术和复用技术在开放式数控中的应用的研究^[9^{,[16],[17],[18],[19]]}、基于Windows平台的开放式数控系统的研究^{[[20],[21],[22]]}、基于Linux平台的数控系统研究^[16,[23]]等方面都取得了一定的突破。而且我国也开始了自己的开放式数控系统计划^[[24]]，该计划主要是希望推动我国开发出自主知识产权的开放式数控系统，推动数控系统向着规范化方向发展。

3.    主要研究内容

在CPAC平台上根据数控系统的相关功能模块开发开放式数控系统开发平台，该平台是介于数控系统与运动控制器的开发平台。用户只需要连接相关模块，就可实现特定的应用，也可以根据接口的设计，对一些模块进行自主封装，同时只需要关注功能模块的输入以及定义相关的I/O类型。

3.1 CPAC

CPAC的软件开发环境OtoStudio如图：

3.2 数控系统

数控系统的主要功能有代码解析、路径优化、刀具补偿、坐标变换、速度规划、回零、对刀等。

代码解析是从文件中提取加工信息的过程，它输入的是文件名，输出的是加工过程需要的数据。输入文件主要有G代码、M代码和T代码，不同的代码有各自的含义，可以采用如正则表达式的方法逐行解析。

加工代码中有时给定的加工路径在一些地方存在噪音，造成局部有很多小的拐点，这就造成加工过程的频繁加减速，对机床有较大的冲击，同时加工效果也比较差，这就需要对加工路径进行优化。优化功能是自动对加工路径中存在的不光滑的路径段进行优化，使之变得光顺，从而提高加工速度和质量。

4.    研究方案及进度安排，预期达到的目标

2011.7-2011.10：学习软件开发环境，并熟练应用；

2011.10-2012.2：到现场研究学习数控系统各项功能

2012.2-2012.4：系统架构设计，初步确定平台的数据流

2012.4-2012.10：模块封装并设计之间的接口，完善系统架构

2012.10-2012.12：系统评估以及整理论文。

5.    为完成课题已具备的条件

软件： 。

硬件：固高科技运动控制器、运动控制开发平台。

参考文献

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[1] M. T. Clifford J. Peshek. Recent Developments and Future Trends in Plc Programming Languages and Programming Tools for Real-time Control. Cement Industry Technical Conference, IEEE, 1993. 234–239

[2] M. T. Karl-Heinz John. Iec61131-3: Programming Industrial Automation System.1th edn. Springer, 1998

[3] Y. H. Masao Ogawa. Recent Developments on Pc+plc Based Control Systems for Beer Brewery Process Automation Applications. International Joint Conference, SICE-ICASE, 2006. 1053–1056

[4] W. A. Y. Kevin J. Mcerrmott. Developing a Hybrid Programmable Logic Controller Platform for a Flexible Manufacturing System. The International Journal of Flexible Manufacturing Systems. 1997, 9(1):367–374

[5] H. C. Sungsik Park, Sun-Ho Kim. Kernel Software for Efficiently Building, Reconfiguring, and Distributing an Open Cnc Controller. Internatinal Journal of Advanced Manufacture Technology. 2001, 27(1):788–796

[6] 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).

[7] 中国机床工具工业协会数控系统分会. 从CCMT2008看数控系统发展趋势及国内发展水平. 机械工程师,2008,(8):11-12

[8] 石泓,蔡光起,史家顺. 开放式数控系统的现状与发展. 机械制造,2006,(6): 18-21

[9] G. Pritschow, Y. Altintas, F. Jovane, etal. Open controller architecture -past, present and future. CIRP Annals- Manufacturing Technology, Volume 50, issue 2, 2001, Pages 463-470.

[10] 周济,周艳红. 数控加工技术. 北京:国防工业出版社, 2002

[11] OMAC Users Group (2002) Functional requirements, Version 1.0. Technical report. http://www.arcweb.com/omac/wgs/Architecture/

[12] OMAC architecture working group. OMAC baseline architecture functional requirements, version 1.0. http://www.omac.org

[13] P. Lutz, W. Sperling, D. Fichtner and R. Mackay. OSACA—The vendor neutral control architecture. Proc. European Conf. Integration in Manufacturing, 1997, Pages 247 - 256.

[14] 李斌. 基于构架/构件复用的开放式数控系统研究. 华中科技大学博士学位论文,2004,7

[15] OSEC (1997) Development of OSEC (open system environment for controller). Technical report. http://www.sml.co.jp/osec/

[16] B. Li, Y. F. Zhou, X. Q. Tang. A research on open CNC system based on architecture/ component software reuse technology, Computers in Industry, September 2004, 55(1):73-85

[17] T. L Hu, C. R. Zhang, RL.Liu and P.Li. Design and implementation of an open CNC core at the shop floor level. Int J Adv Manuf Technol, 2009,40(5-6):541–552

[18] H. Wang, K. Chen, S. T. Liu. Research on open architecture controller platform based-on software pattern. Computer Integrated Manufacturing Systems, 2006, 12(3): 446-450

[19] 陈友东,陈五一,王田苗. 基于组件的开放结构数控系统. 机械工程学报, 2006,42(6): 188-192

[20] 张正勇,熊清平,李作清. Windows平台下开放式CNC系统研究. 中国机械工程,1999,8(8): 878-881

[21] 迟永琳,明良玉,吴祖育. 基于Windows NT和Linux的开放式数控系统. 上海交通大学学报,2003,37(1): 44-46

[22] 陶耀东,林浒. 高性能开放式数控系统架构设计. 小型微型计算机系统, 2009, 30(9):1911-1916

[23] 陈友东,樊锐,陈五一. 基于RT-Linux的开放式数控系统研究. 中国机械工程, 2003, 14(16):1419-1422

[24] 项目总体组.中国开放式数控系统计划（ONC）系统技术规范.2000