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    作者簡介：

    曹建福（1963-），男，博士，西安交通大學(xué)教授,陜西省自動化學(xué)會秘書長。

    曹建福教授主要研究領(lǐng)域是先進(jìn)機(jī)器人控制技術(shù)、高速高精度數(shù)控技術(shù)、工業(yè)系統(tǒng)故障診斷與非線性系統(tǒng)理論。在高速高精度數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，取得了大量的研究成果，主持了國家“六五”科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目“經(jīng)濟(jì)型銑床數(shù)控系統(tǒng)”，國家“七五”科技重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目 “高精度磨床數(shù)控系統(tǒng)”，西安市重大科技創(chuàng)新工程“嵌入式數(shù)控系統(tǒng)研制”，國家技術(shù)創(chuàng)新基金“電子制造設(shè)備用數(shù)控系統(tǒng)”。在非線性系統(tǒng)與工業(yè)系統(tǒng)故障診斷方面進(jìn)行了研究，提出了基于非線性頻譜特征融合的故障診斷方法。主持及參加國家“973”項(xiàng)目、863項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、省市級重大技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目及企業(yè)項(xiàng)目共計(jì)30多項(xiàng)。

    摘要：開放式數(shù)控系統(tǒng)是下一代數(shù)控系統(tǒng)的主要發(fā)展方向，本文對基于PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究情況及存在的問題進(jìn)行了分析。為解決嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開放性問題，論文提出了一種基于構(gòu)件的柔性式開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，論述了其硬件邏輯、軟件組態(tài)方法。利用這種柔性結(jié)構(gòu)，所開發(fā)的系列數(shù)控系統(tǒng)已在工業(yè)上得到了應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：開放式控制器；嵌入式系統(tǒng)；數(shù)控系統(tǒng)；現(xiàn)場總線

    當(dāng)加工裝備的聯(lián)動軸數(shù)、控制功能發(fā)生變化時(shí)，若采用傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)需要采取定制方式獨(dú)立開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)（CNC），各種系統(tǒng)軟硬件無法共用，而且開發(fā)周期長、成本高。隨著航空航天、汽車、造船等行業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展, 對數(shù)控裝備的柔性和適應(yīng)性也提出了更高的要求，因此對開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的研究引起了國際范圍內(nèi)的高度關(guān)注。具有開放式體系結(jié)構(gòu)CNC允許用戶根據(jù)需要進(jìn)行選配和集成、更改或擴(kuò)展系統(tǒng)的功能，以便迅速適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，該體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有以下屬性:互操作性、可移植性、可伸縮性、可替換性。開放式數(shù)控系統(tǒng)的迅猛發(fā)展也得益于PC在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。
20世紀(jì)90年代初，歐美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼提出設(shè)計(jì)開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的問題，向規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展是普遍的共識[1]。美國最早提出了NGC（Next Generation Controller，下一代控制器）計(jì)劃，該計(jì)劃首要目標(biāo)是建立一個(gè)與生產(chǎn)商無關(guān)的開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范SOSAS，用來指導(dǎo)機(jī)床控制器的設(shè)計(jì)。美國三大汽車公司在1994年提出了OMAC（開放的模塊化結(jié)構(gòu)控制器）標(biāo)準(zhǔn)。歐洲在90年代提出了OSACA計(jì)劃，該計(jì)劃由德國、法國、瑞士等歐共體國家的系統(tǒng)制造廠、機(jī)床制造廠和科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起。OSACA數(shù)控平臺由硬件和軟件組成，包括操作系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、系統(tǒng)設(shè)定、圖形服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)等。系統(tǒng)平臺通過API與具體應(yīng)用模塊AO（結(jié)構(gòu)對象體）發(fā)生關(guān)系。日本在90年代提出了OSEC（控制器的開放系統(tǒng)環(huán)境）計(jì)劃，目的是開發(fā)基于PC平臺的新一代開放結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)，OSEC采用了3層功能結(jié)構(gòu)，即應(yīng)用層、控制層和驅(qū)動層。這些計(jì)劃與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議得到了許多數(shù)控技術(shù)廠商的支持，很多基于這些技術(shù)規(guī)范的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)投入應(yīng)用，例如DeltaTau公司采用PC機(jī)和PMAC控制卡構(gòu)成了PMAC開放式CNC系統(tǒng)。

    從90年代開始，國內(nèi)一些研究單位和企業(yè)投入大量的人力進(jìn)行開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究工作(CONUC) ，在2002年發(fā)布了開放式數(shù)控系統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18759。華中數(shù)控技術(shù)公司開發(fā)了華中ⅰ型、世紀(jì)星等系列數(shù)控系統(tǒng)，采用通用PC平臺+運(yùn)動控制器的硬件結(jié)構(gòu)，軟件基于DOS、Windows操作系統(tǒng)，聯(lián)動軸數(shù)可達(dá)2~9軸，具有多種形式的插補(bǔ)功能，最小分辨率可達(dá)1微米，速度可達(dá)24m/min，具有聯(lián)網(wǎng)、高速遠(yuǎn)程通信功能[2]。沈陽計(jì)算所藍(lán)天數(shù)控公司基于工業(yè)PC系統(tǒng)，開發(fā)了藍(lán)天ⅰ型、NC-110、NC-200等系列數(shù)控系統(tǒng)，聯(lián)動軸數(shù)可達(dá)8軸聯(lián)動。目前國內(nèi)開發(fā)的各種基于PC結(jié)構(gòu)開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)雖然己具有一定開放性，但嚴(yán)格來說還不具備開放式數(shù)控系統(tǒng)的本質(zhì)特性，軟件還僅僅處于結(jié)構(gòu)化開發(fā)水平。近年來，開展了基于現(xiàn)場總線的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究工作，北京航空航天大學(xué)最早利用SERCOS協(xié)議，研制出光纖數(shù)字通訊的開放式數(shù)控系統(tǒng)，大連光洋、上海開通公司也開發(fā)出高檔光纖總線式數(shù)控系統(tǒng)。目前已開發(fā)的現(xiàn)場總線數(shù)控系統(tǒng)核心處理模塊還是基于PC，在開放性方面與基于工業(yè)PC的數(shù)控系統(tǒng)一樣仍存在開放性差的問題。在國內(nèi)市場上大量使用的中低檔數(shù)控系統(tǒng)，如廣州數(shù)控、北京凱恩帝的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，都是在嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)并實(shí)現(xiàn)的，而對這種嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開放性研究，國內(nèi)還只是停留在研究階段[3]。

    在開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究方面, 國內(nèi)外研究者也進(jìn)行了大量的研究工作。文[4]將STEP-NC數(shù)據(jù)模型和IEC61499功能塊標(biāo)準(zhǔn)引入到數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，提出了一種基于分層功能塊結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)除了具有面向?qū)ο蟮奶攸c(diǎn)外還支持設(shè)計(jì)框架，并在實(shí)際銑床中得到應(yīng)用。文[5]提出了一種內(nèi)核軟件結(jié)構(gòu)用于方便連接開放式CN的軟件和硬件，通過使用資源模型和進(jìn)程模型來實(shí)現(xiàn)。文[6]開發(fā)了一種五層樹形結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)軟件包，樹的結(jié)點(diǎn)單元是具體函數(shù)，處理實(shí)時(shí)任務(wù)的模塊單元采用動態(tài)鏈接庫，處理非實(shí)時(shí)任務(wù)的模塊單元采用由COM組件實(shí)現(xiàn)，CNC的外部接口采用國際標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)串行協(xié)議通信SERCOS內(nèi)部接口遵循OMAC協(xié)議。文[7]提出了一個(gè)開放式CNC內(nèi)核的設(shè)計(jì)方案—功能分離設(shè)計(jì)法(FSD)，這種內(nèi)核結(jié)構(gòu)包括三部件：機(jī)器引擎接口、事件處理器EP、系統(tǒng)描述數(shù)據(jù)SDD，機(jī)器引擎接口通過對HMI的設(shè)定實(shí)現(xiàn)，SDD存儲控制規(guī)則和模塊化NC功能，EP負(fù)責(zé)處理事件。獻(xiàn)[8]提出了一種基于現(xiàn)場總線和組件技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。文[9]提出了一種基于CORBA的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使用TAO作為系統(tǒng)構(gòu)件的軟總線，系統(tǒng)接口通過OMG IDL定義。文[10]提出了一個(gè)基于功能組件的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，通過綁定表方式支持組件功能的軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)，引入異步通訊機(jī)制(ACM)提供通訊模型。文[11]提出了一種由主控流水線線程、驅(qū)動程序和微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元構(gòu)成的數(shù)控流水線體系，定義了指令和微代碼接口,流水線線程封裝了從指令譯碼到生成數(shù)控微代碼的主要控制功能,采用標(biāo)準(zhǔn)編程接口和軟件開發(fā)技術(shù)。微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元由開放式硬件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,通過緩沖區(qū)隔離了流水線的實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)部分。文[12]提出了一種數(shù)控系統(tǒng)的組件模型,該模型結(jié)合了通用PC、Linux和實(shí)時(shí)組件的優(yōu)點(diǎn)，數(shù)控系統(tǒng)軟件由組件庫、虛擬模塊系統(tǒng)和配置系統(tǒng)構(gòu)成。文[13]用層級式有限狀態(tài)機(jī)描述數(shù)控系統(tǒng)的控制邏輯，建立了有限狀態(tài)機(jī)基礎(chǔ)類庫,可根據(jù)有限狀態(tài)機(jī)完成對數(shù)控系統(tǒng)的重構(gòu)。文[14]提出了基于組件的開放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架，系統(tǒng)由硬件層、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層、CML層(提供程序接口、通訊功能、配置功能)、應(yīng)用程序?qū)拥冉M成。

    嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的研究是目前國際自動化與制造技術(shù)領(lǐng)域的重要研究方向。作者所在的課題組針對智能測控儀器裝置的快速組態(tài)開發(fā)難題，經(jīng)過十多年研究開發(fā)出了嵌入式柔性開發(fā)平臺，快速開發(fā)了20余種智能測控儀器裝置，該項(xiàng)目成果“嵌入式柔性開發(fā)平臺及智能測控裝置開發(fā)”獲得了2009年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎。作者利用該嵌入式柔性開發(fā)平臺，開發(fā)出了系列的嵌入式開放式數(shù)控系統(tǒng)，這些數(shù)控系統(tǒng)已在5軸聯(lián)動加工中心、6軸管相貫切割機(jī)、高速雕刻機(jī)等裝備上得到大量應(yīng)用。

    1 基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)的主流結(jié)構(gòu)及存在的問題

    個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）從產(chǎn)生到現(xiàn)在，其計(jì)算能力和可靠性飛速提高，硬件已完全實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，這些使得它越來越適合于工業(yè)環(huán)境下使用。PC具有豐富的支持軟件來改善CNC系統(tǒng)的用戶界面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。利用PC上功能強(qiáng)大的開發(fā)工具，機(jī)床制造商和用戶可以采用通用的編程語言編制軟件模塊代替系統(tǒng)的原有模塊，便于機(jī)床廠和用戶添加具有自己獨(dú)特技術(shù)的功能模塊。基于PC的數(shù)控系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)CNC開放化比較方便的途徑。從實(shí)現(xiàn)方法上，目前基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)有3種模式：NC板插入到PC機(jī)的擴(kuò)展槽中、PC板插入到NC系統(tǒng)中、軟件NC。

    （1）NC板嵌入PC機(jī)

    這種形式就是將運(yùn)動控制板或整個(gè)CNC單元(包括集成的PLC)插入到個(gè)人計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽中。PC機(jī)完成非實(shí)時(shí)處理任務(wù)，實(shí)時(shí)控制由運(yùn)動控制板來承擔(dān)。這種方法能夠方便地實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的開放化，借助于所插入NC板的可編程能力，能部分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)核心結(jié)構(gòu)的開放。

    （2）PC嵌入CNC

    就是在傳統(tǒng)的CNC中提供PC前端接口，使其具有PC化的人機(jī)界面，能夠集成應(yīng)用程序、網(wǎng)絡(luò)接口等。這種系統(tǒng)的NC內(nèi)核保持了原有的封閉性，開放性受到限制。這一形式主要為一些大的CNC控制器制造商所采用。其原因有兩個(gè)方面:一是許多用戶對它們的產(chǎn)品很熟悉，也習(xí)慣使用；二是這些大控制器制造商不可能也不愿意在短時(shí)間內(nèi)放棄他們傳統(tǒng)的專用CNC技術(shù)。 

    （3）Soft型數(shù)控系統(tǒng)模式

    這種模式的CNC部分全部裝在PC機(jī)中，硬件部分為插在PC機(jī)擴(kuò)展槽中的I/O板，提供給用戶最大的靈活性。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺，在應(yīng)用軟件的支持下，通過對CNC軟件的適當(dāng)組織、劃分、規(guī)范定義和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)CNC的開放性。這種控制模式的硬件成本是最經(jīng)濟(jì)的，但實(shí)時(shí)性不能保證。

    幾種有代表性的基于PC數(shù)控系統(tǒng)：

    （1）德國Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)

    Andron公司開發(fā)的Andronic 2060數(shù)控系統(tǒng)是基于微機(jī)和Windows平臺，它采用由兩個(gè)Intel處理器，通過PCI-PCI橋進(jìn)行相互通信。一個(gè)處理器承擔(dān)數(shù)控運(yùn)算（NC計(jì)算機(jī)），另一個(gè)作為人機(jī)界面計(jì)算機(jī)。NC計(jì)算機(jī)中插有NCCPU卡、NC機(jī)床卡。NC機(jī)床卡與數(shù)控驅(qū)動裝置連接，并且通過2塊帶PCI橋的總線卡與人機(jī)界面計(jì)算機(jī)通信。人機(jī)界面計(jì)算機(jī)的內(nèi)部總線卡與數(shù)控系統(tǒng)操作面板和外部接口連接。

    （2）國內(nèi)SKY2006型數(shù)控系統(tǒng)　　

    南京四開電子企業(yè)公司開發(fā)的SKY2006型數(shù)控系統(tǒng)基于WINDOWS平臺，采用通用X86工業(yè)PC進(jìn)行數(shù)控運(yùn)算（軟件實(shí)時(shí)模塊），通過l00M/lG以太網(wǎng)與基于FPGA精密插補(bǔ)核心（硬件實(shí)時(shí)模塊）相連。系統(tǒng)多軸運(yùn)動的實(shí)時(shí)性有FPGA的精細(xì)插補(bǔ)軟核并行完成，保證數(shù)控軌跡高精密性。FPGA核心模塊支持PROFIBUS?DP(10M）與驅(qū)動連接，同時(shí)也有30M的SKYLINK內(nèi)部協(xié)議與模擬驅(qū)動擴(kuò)展模塊相連，便于已有的機(jī)床進(jìn)行系統(tǒng)升級。操作面板和一般性I/O由RS485I/O卡通過RS485與工業(yè)PC相連。

    雖然在很長一段時(shí)間內(nèi)，基于PC平臺的設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)是國內(nèi)外采取的主流模式，但在未來高性能數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)中采用嵌入式技術(shù)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的必然選擇。當(dāng)前,數(shù)控系統(tǒng)正向著高速、高精、智能化方向發(fā)展, 高速高精度控制涉及進(jìn)給速度達(dá)到60m /min, 加速度2g 以上,插補(bǔ)周期達(dá)到0.125ms,計(jì)算精度達(dá)到納米級,需支持樣條插補(bǔ)、刀具中心點(diǎn)補(bǔ)償(RTCP) 、機(jī)床綜合誤差與溫度補(bǔ)償、切削力自適應(yīng)控制、在線三維實(shí)體仿真顯示等智能化功能，對數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算能力要求越來越高, 基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)很難滿足以上的高性能要求。 同時(shí)，基于PC平臺的數(shù)控系統(tǒng)所存在的體積大、可靠性差等固定的問題，也越來越無法適應(yīng)未來高檔數(shù)控裝備的需要。　
　　
    2 嵌入式柔性開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

    為解決嵌入式高性能數(shù)控系統(tǒng)的開放性問題，作者及合作者提出了一種基于構(gòu)件的柔性開放式控制系統(tǒng)框架。保證嵌入式數(shù)控系統(tǒng)核心硬件的廣泛兼容性，以及組態(tài)的柔性與靈活性，CNC硬件部分被抽取成十多種基本的功能構(gòu)件，包括：CPU模板、位置控制板、顯示與數(shù)據(jù)操作終端、內(nèi)裝式PLC、遠(yuǎn)程操作面板等，功能構(gòu)件之間通過現(xiàn)場總線或標(biāo)準(zhǔn)的總線連接，其集成邏輯結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。數(shù)控系統(tǒng)與驅(qū)動器的連接提供了兩種形式，圖1（a）為

               

                                                            （a）

               

                                                                (b)

                          圖1 嵌入式柔性數(shù)控系統(tǒng)硬件集成邏輯結(jié)構(gòu)

    數(shù)字脈沖量或模擬量接口，圖1（b）為數(shù)字以太網(wǎng)接口。CPU模板使用了帶PC104總線的3.5英寸嵌入式計(jì)算機(jī)，位置控制模板采用DSP+FPGA形式實(shí)現(xiàn)，DSP使用的是TI公司的TMS320F2812實(shí)現(xiàn)。內(nèi)裝式PLC模板負(fù)責(zé)高速的邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)床輔助設(shè)備、加工中心中刀庫、機(jī)械臂等控制任務(wù)。

    從柔性開放性的要求出發(fā), 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)軟件都應(yīng)當(dāng)具備可剪裁性或多重性,整個(gè)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠被重新配置,以滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，所提出軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用基于構(gòu)件的組態(tài)結(jié)構(gòu)，軟件由三部分組成：嵌入式柔性開發(fā)平臺、功能程序構(gòu)件庫和模

                  

                      圖2 嵌入式柔性數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

    型算法構(gòu)件庫。構(gòu)件庫由被分成用戶層構(gòu)件庫和核心層構(gòu)件庫，用戶層構(gòu)件庫包括人機(jī)界面、加工數(shù)據(jù)預(yù)處理、代碼編程、圖形模擬、梯形圖編輯等非實(shí)時(shí)任務(wù)構(gòu)件，通過COM組件實(shí)現(xiàn)，其組成見圖3。核心層構(gòu)件庫涉及數(shù)控加工的實(shí)時(shí)性任務(wù)，包括：插補(bǔ)計(jì)算、MST代碼處理、報(bào)警處理、速度控制和位置控制等，其組成如圖4所示。各個(gè)功能構(gòu)件按準(zhǔn)接口進(jìn)行封裝，功能構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)接口如圖5、圖6所示，是兩個(gè)典型的功能構(gòu)件接口圖。針對多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)具有多任務(wù)和實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)，控制軟件的進(jìn)程管理設(shè)計(jì)成前臺、后臺程序模式，后臺程序又稱為“背景”程序，主要用來完成加工數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作和管理工作，后臺程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行的程序，它是主程序，在運(yùn)行過程中被0.2~4ms實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序打斷，前后臺程序相互配合完成數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)控制和管理任務(wù)。

               

                                      圖3 用戶層構(gòu)件庫組成

                   

                                  圖4 核心層構(gòu)件庫組成

                  

                                 圖5 功能構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)接口

               

                                                     （a）                                                  (b)
                                                圖6 具體功能構(gòu)件接口

    所開發(fā)的數(shù)控模型算法構(gòu)件庫包括：多軸聯(lián)動插補(bǔ)、前瞻速度控制、五軸旋轉(zhuǎn)刀具中心點(diǎn)補(bǔ)償（RTCP）、閉環(huán)位置控制等。前瞻速度控制的作用是在預(yù)讀段銜接進(jìn)給速度和加工過程平滑減速的約束條件下，對轉(zhuǎn)接點(diǎn)最優(yōu)銜接速度進(jìn)行預(yù)計(jì)算，以實(shí)現(xiàn)前瞻自適應(yīng)速度控制功能。

    3 面向數(shù)控系統(tǒng)的現(xiàn)場總線通信協(xié)議

    高檔數(shù)控系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)高速高精控制，這既要在內(nèi)部完成大量的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)還要保證通信的實(shí)時(shí)性和可靠性。本文定義了一種面向數(shù)控系統(tǒng)的高速現(xiàn)場總線通信協(xié)議，這種協(xié)議在使用的CAN總線上保證各節(jié)點(diǎn)之間的循環(huán)通信周期達(dá)到16ms。協(xié)議采用帶29位報(bào)文標(biāo)識符的擴(kuò)展幀，其通信報(bào)文形式如表1所示。

    表1 CAN總線報(bào)文結(jié)構(gòu)

   

    CAN報(bào)文由擴(kuò)展的29位標(biāo)識符、1位數(shù)據(jù)類型、1位遠(yuǎn)程發(fā)送請求、4位該幀內(nèi)數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)長度、0~8字節(jié)數(shù)據(jù)段、16位循環(huán)冗余碼CRC、2位應(yīng)答位和1位幀結(jié)尾組成。

    CAN標(biāo)識符的分配在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議時(shí)非常重要，它決定了信息和相關(guān)的優(yōu)先權(quán)及信息的等待時(shí)間，同時(shí)也影響了信息濾波適用性、合理的通信結(jié)構(gòu)適用性和標(biāo)識符使用的效率。報(bào)文標(biāo)識符中包含有優(yōu)先標(biāo)記、目標(biāo)地址、源地址、幀類型、幀號、保留位、結(jié)束標(biāo)記，其格式如表2所示。

    表2 擴(kuò)展幀報(bào)文標(biāo)識符格式

   

    其中，優(yōu)先標(biāo)記(1位)是用來標(biāo)記當(dāng)前幀的優(yōu)先級別。對于正常信息，該位置為1，對于緊急信息(如報(bào)警信息、緊急斷電等)，將該標(biāo)記置0。該標(biāo)記先于其他幀占用總線，在最短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)目的地址；

    目標(biāo)地址(7位)：指定該幀數(shù)據(jù)或信息所要到達(dá)的目的地；

    源地址(7位)：指定該幀數(shù)據(jù)或信息的來源地址；在數(shù)控系統(tǒng)中，對每個(gè)CAN模板都設(shè)定一個(gè)地址號，用來區(qū)分不同的設(shè)備。CAN總線上的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前最多可達(dá)110個(gè)。本文采用了長度為7位的目標(biāo)地址和源地址，可以有128個(gè)編碼地址，完全滿足系統(tǒng)需要。

    幀類型(1位)：用來標(biāo)記該幀數(shù)據(jù)場中的內(nèi)容是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容還是通訊協(xié)議的控制信息；

    幀號(8位)：是用來標(biāo)記數(shù)據(jù)拆分后的幀塊序號；由于每個(gè)郵箱最多可存放8字節(jié)即64位的數(shù)據(jù)，而消息的大小不定，CNC運(yùn)動控制器側(cè)輸入信號有32位，刀庫表信息和梯形圖程序段卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過64位，需要分段傳輸。在傳輸超過8字節(jié)長度的數(shù)據(jù)時(shí)，按照每塊8字節(jié)對數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，根據(jù)數(shù)據(jù)的先后順序，指定相應(yīng)的幀號，從0遞增。幀號采用8位表示，取值范圍為0～255，用這種方式完全滿足本控制系統(tǒng)的通信需求。

    保留(4位)：用作擴(kuò)展，可以根據(jù)功能擴(kuò)展的需要增加其它功能；

    結(jié)束標(biāo)記(1位)：是用來標(biāo)記該數(shù)據(jù)包傳輸過程的結(jié)束。

    CAN通信報(bào)文數(shù)據(jù)段要傳送的數(shù)據(jù)包括MST代碼、I/O信息、當(dāng)前刀盤位置信息、梯形圖程序、刀庫表信息以及遠(yuǎn)程操作面板信號，表3所定義的數(shù)據(jù)段數(shù)據(jù)類型。

    表3 數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)類型定義

   

    4 嵌入式柔性數(shù)控系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用

    利用所開發(fā)的柔性開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺，已開發(fā)出高速雕刻機(jī)、5軸加工中心、管相貫切割機(jī)等數(shù)控系統(tǒng)，并已在工業(yè)上得到應(yīng)用。

    4.1 加工中心用5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)

    主要的技術(shù)指標(biāo)如下：具有5個(gè)運(yùn)動軸，可實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動，最小分辨率0.001mm/0.001度。切削進(jìn)給速度達(dá)到24m/min，快移速度達(dá)到24m/min，進(jìn)給加速度達(dá)到20m/s2。具有微線段的前瞻自適應(yīng)速度控制功能，其中微線段最小段長為0.01mm，預(yù)讀段數(shù)為100段。具有直線、圓弧插補(bǔ)、空間螺旋線等插補(bǔ)功能。提供內(nèi)裝式PMC功能，可使用梯形圖進(jìn)行編程，具有動態(tài)三維仿真顯示功能。

    本系統(tǒng)已在蘇州一企業(yè)的五軸數(shù)控加工中心上進(jìn)行了成功的應(yīng)用，實(shí)際應(yīng)用的數(shù)控加工中心如圖7所示，已完成了速度、精度測試和實(shí)際切削實(shí)驗(yàn)。圖8為開發(fā)的六軸數(shù)控系統(tǒng)主界面圖。
按照國家標(biāo)準(zhǔn)對加工精度進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表4所示。實(shí)際測試表明，微線段加工時(shí)其進(jìn)給速度可達(dá)到10m/min，可實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度的高速平滑銜接。圖9為使用五軸聯(lián)動加工葉輪試件的實(shí)際切削圖。數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過持續(xù)不間斷生產(chǎn)加工，結(jié)果表明：控制系統(tǒng)可靠穩(wěn)定，加工過程中速度控制平穩(wěn)，精度高，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)提出的要求。

               

                圖7 STH-850型數(shù)控加工中心             圖8 六軸數(shù)控系統(tǒng)主界面圖

    表4 試件測試結(jié)果

   

                     

                 圖9 五軸聯(lián)動加工試件實(shí)際切削圖

    4.2 大口徑管相貫切割機(jī)控制系統(tǒng)

    6軸管相貫切割機(jī)，包括X軸、Y軸和Z軸三個(gè)平動軸，以及A軸、B軸和W軸三個(gè)轉(zhuǎn)動軸，W軸可以周而復(fù)始旋轉(zhuǎn)，A軸轉(zhuǎn)動范圍為（轉(zhuǎn)動范圍是割槍繞X軸轉(zhuǎn)動角度），B軸轉(zhuǎn)動范圍為（轉(zhuǎn)動范圍是割槍繞Y軸轉(zhuǎn)動角度），A軸和B軸的旋轉(zhuǎn)帶動割槍的擺動。系統(tǒng)通過控制A軸、B軸，結(jié)合與被切管件同軸心旋轉(zhuǎn)的W軸，再加上其它三個(gè)平動軸，就可以實(shí)現(xiàn)對管材任意角度坡口和相貫曲線的加工。圖10為所配套的6軸管相貫切割機(jī)。

                           

                   圖10 6軸管相貫切割機(jī)

    5  結(jié)束語

    基于PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)存在體積大、可靠性差等問題，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。為解決嵌入式數(shù)控系統(tǒng)的開放性問題，本文提出并實(shí)現(xiàn)了基于構(gòu)件的柔性開放式結(jié)構(gòu)，并開發(fā)出系列的高性能數(shù)控系統(tǒng)，這些系統(tǒng)已在工業(yè)上得到了成功的應(yīng)用。現(xiàn)場測試表明：系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能滿足開放性要求。

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