开放式数控系统体系结构

NGC系统Байду номын сангаас系结构
Open Modular Architecture Controller
美国Ford、GM和Chrysler等公司在NGC计 划的指导下，联合提出了OMAC开发计划，定义 了系统基础框架、信息库管理、任务调度、人机 接口、运动控制、传感器接口等标准的OMAC API，构造了完整的体系结构。该计划的实现将 使系统制造厂、机床厂和最终用户分别从缩短开 发周期、降低开发费用、便于系统集成和二次开 发、简化系统的使用和维护等方面受益。
专用型CNC系统的体系结构
硬件结构
– 总线独用型 – 单总线带宽分用型 – 多总线结构型
软件结构
– 前后台型 – 中断型
专用型CNC系统的硬件结构（一）
总线独用型 系统只有一条总线，有一个CPU能够控制
总线，占用总线资源，分时处理数控的各个功 能和任务。这一类型可以有一个以上的CPU， 但其它CPU只是作为一个智能的功能部件，不 能控制系统总线，不能访问主存储器。
专用型CNC系统的软件结构（一）
前后台型结构模式 这种模式的特点是，前台程序是一个中断
服务程序，它几乎承担了系统的全部实时功能 （如插补、位控等），而调度管理和人机交互 则在背景程序中完成。背景程序是一个循环运 行程序，在其运行过程中，前台实时中断程序 不断插入，共同完成数控加工任务。
专用型CNC系统的软件结构（二）
（四）智能化技术广泛应用
为追求加工效率和加工质量的智能化 为提高驱动性能方面的智能化 简化编程、简化操作方面的智能化 加工过程控制方面的智能化
开放体系结构数控系统的研究
美国的NGC和OMAC计划 欧盟的OSACA计划 日本的OSEC计划
The Next Generation Workstation/Machine Controller
1987年美国政府出台NGC研究计划，由美 国国家制造科学中心与空军共同领导，于1989 年开始实施。
NGC计划的目标是，为基于开放式体系结 构的下一代机械制造控制器提供一个标准，在这 一标准的支持下，不同的设计人员可以开发出具 有互换性和互操作性的控制部件。基于这一标准 的控制器具有体系结构开放、适用范围广、能适 应技术发展的特点。
FANUC15功能模块框图
专用型CNC系统的硬件结构（三）
多总线结构型 在这种多微处理器结构中，每个子系统或
模块有各自的局部总线，而各模块之间采用总 线互连实现信息交换与协调。常见的连接方式 是，采用多端口存储器构成总线转换器对多条 总线进行隔离和互连，或采用网络方式连接。
MTCI CNC系统结构框图
（一）加工控制的高速化、高精度化
加工速度和加工精度是衡量CNC系统性能的主 要指标
微处理器由16位向32位过渡，甚至采用64位 RISC系统
配置多微处理器实现分散处理 采用实时多任务操作系统进行并行处理
（二）应用环境网络化、集成化
与上位主机之间通过以太网交换管理信息 与控制系统服务中心之间通过Internet传递维护
单总线分用型数控系统框图
专用型CNC系统的硬件结构（二）
单总线带宽分用型 这是一种多微处理器CNC系统结构。主体
结构采用带有独立CPU或DMA器件的硬件功能 模块，系统总线把各个模块有效的连接在一起， 各模块都有权使用系统总线，而在某一时刻只 能有一个模块按其任务的紧迫程度有顺序地占 用总线，由总线仲裁功能或指定某个CPU来完 成这一优先顺序的确定。
OSACA系统结构
Open System Environment for Controller
Open System Architecture for Control within Automation System
该计划共分为三个阶段，其中第一阶段和 第二阶段均己实现，主要完成了OSACA现范、 应用指南，并依照OSACA规范开发了标准的通 用系统平台和软件模块。第三阶段的计划正在实 现过程中，其主要目标是推广OSACA思想以及 前期工作的技术成果，同时与日、美的相关机构 进行接触，以期建立一个国际性的控制器标准。
数控系统体系结构
黄大贵 2003.3.16
数控技术的发展历程
硬件数控阶段(1952-1970) 计算机数控系统的发展和完善阶段(1970-1986) 高速高精度CNC的开发与应用阶段(1986-) 基于PC的开放式CNC的开发与应用(1994-)
数控系统体系结构—— 硬件
CNC系统的硬件是系统工作的物质基础， 其中由CPU、总线、程序存储器、数据存储器 和外设构成了专用计算机的基本系统。由人机 控制、运动控制、可编程机床控制器(PMC)及 基本输入输出接口构成设备支持层，可以和各 种外部设备、系统连接。
数据 通过Internet作为对外加工代理，交换制造数据 通过现场总线与车间其他现场设备及I/O装置通
讯
（三）体系结构柔性化、开放化
目前制造业中使用的CNC系统，大多是基 于专用计算机设计而成的，这给系统的使用维护、 更新换代、系统集成带来很多不便。
随着PC技术的引入，基于模块化、标准化、 开放化的柔性化结构体系对CNC技术的发展具 有重大意义。
中断型结构模式 这种模式的特点是，除了初始化程序之外，
整个系统软件的各种任务模块按轻重缓急分别安 排在不同级别的中断服务程序中。整个软件就是 一个大的中断系统。其管理功能主要是通过各级 中断服务程序之间的相互通讯来解决。
现代数控系统的技术特征
加工控制的高速化、高精度化 应用环境网络化、集成化 体系结构柔性化、开放化 智能化技术广泛应用
数控系统体系结构—— 硬件
数控系统体系结构—— 软件
CNC系统的软件一般由操作系统、CNC管 理软件和控制软件组成。
数控系统体系结构—— 软件
操作系统提供基本的软件开发平台和运行支持； CNC管理软件承担零件加工程序的输入输出、
系统的状态显示和故障诊断以及CNC各功能软 件的协调调度等 控制软件负责完成CNC系统的加工控制功能， 包括零件程序的解释、数据处理、刀具补偿、插 补运算，各坐标轴的位置控制、速度控制以及机 床的辅助装置控制等。