基于软件组件和实时动态链接库的开放式数控系统研究

摘要

本文针对目前开放式数控系统存在的问题及我国的实际情况,提出了基于软件组件和实时动态链接库的开放式数控系统的课题,对开放式数控系统从体系结构分析、系统软硬件结构以及运动控制中的插补技术等多个方面进行了系统、深入的探索和研究.文中列举了在目前通用PC操作系统基础上,实现实时控制的各种解决办法并分析了其优缺点.提出了开放体系数控系统架构下,选择实时操作系统时应遵循的原则,并据此决定基于RTX开发开放式数控系统的实时内核.分析了开放式数控系统的基本特征,讨论了开放式数控系统体系结构的具体特点.讨论了模块化系统设计的原理,设计了模块化开放式数控系统体系结构,并给出了系统总体结构的具体模型.设计了基于SERCOS总线的开放式数控系统的硬件体系结构.并对SERCOS总线进行了详细分析.详细阐述了SoftSERCANS实现伺服系统与CNC之间实时数据交换的原理.本文对B样条曲线和NURBS曲线的数学表示和插补原理分别进行了研究.对于B样条曲线,详细研究了等参数分割插补和不等参数恒速插补两种算法,并对两种算法进行了比较.对于NURBS,研究了三次NURBS曲线的插补原理,并给出了详细的数学推导.对三坐标曲面直接插补中的关键技术进行了研究.着重研究了曲面直接插补中的轨迹生成方法、行距确定方法、插补原理和速度控制等关键问题.介绍了开放式数控系统的人机控制和仿真的系统设计,阐述了它们的功能和作用,给出了用户界面和三维仿真的实例.分别就刀具补偿、一般零件加工和复杂零件加工给出仿真实例,其中复杂零件的加工实例,是利用用户扩展方式实现的.

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1课题的研究背景及目的和意义

1.2引言

1.3数控技术的现状和发展趋势

1.3.1控制系统的高性能

1.3.2控制系统的开放式智能化

1.3.3 STEP-NC和网络数控技术

1.4开放式数控系统的产生、发展及研究现状

1.4.1研究和开发开放式数控系统的社会原因

1.4.2开放式数控系统的发展过程及研究现状

1.5 STEP-NC

1.6主要研究内容

第2章开放体系结构数控系统的实时控制研究

2.1基于PC机的软件数控系统

2.2基于通用PC机数控系统实时控制的研究

2.2.1数控系统实时性能的重要意义

2.2.2 DOS操作系统下实时控制的实现

2.2.3 Windows95/98平台下实时控制的实现。

2.2.4在WINNT和Windows2000下编制实时控制程序。

2.2.5对于各种实时控制方法的总结

2.3实时操作系统的选定

2.3.1数控系统实时性对操作系统的要求

2.3.2数控系统开放性对于实时操作系统的要求

2.4 RTX实时操作系统

2.4.1 RTX的实时性能

2.4.2 RTX的系统结构

2.5本章小结

第3章系统体系结构和硬件系统结构的设计

3.1开放式数控系统的基本特征

3.1.1对开放性的认识

3.1.2数控系统的开放层次

3.2模块化开放式数控系统的系统结构设计

3.2.1系统的层次设计

3.2.2.系统的总体设计

3.3系统的硬件结构

3.3.1硬件结构

3.3.2采用SERCOS接口技术的运动控制结构

3.3.3 SERCOS总线

3.3.4 SoftSERCANS

3.4本章小结

第4章软件系统的设计及系统可伸缩特性的研究

4.1模块化的软件系统设计

4.1.1系统软件的设计层次

4.1.2系统模块接口方式

4.2开放式数控软件系统内核

4.2.1系统基本数控功能的实现

4.3软件系统非实时内核

4.3.1开放系统非实时内核组件的设计

4.3.2开放系统非实时内核的结构

4.3.3数据通讯客户机

4.3.4译码器组件

4.3.5刀具补偿组件

4.3.6预处理组件

4.4开放系统实时内核的设计

4.4.1实时内核的面向对象设计方法。

4.4.2开放系统实时任务处理区结构设计

4.4.3实时内核的任务调度机制

4.4.4系统可伸缩特性的实现

4.5进程间通讯

4.5.1非实时内核与实时内核之间的任务同步与互斥

4.6本章小结

第5章开放式数控系统可扩展特性及曲线、曲面插补的研究

5.1开放系统可扩展特性的研究

5.1.1用户插补指令的扩展机制

5.1.2非实时内核对于用户指令的处理

5.1.3用户实时动态链接库

5.1.4实时内核中对于用户指令的处理

5.1.5专用扩展指令的映射

5.2列表曲线插补方法研究

5.2.1三次B样条的等参数分割插补算法

5.2.2三次B样条的恒速进给插补算法

5.2.3非均匀有理B样条曲线(NURBS)插补

5.3三坐标曲面直接插补关键技术研究

5.3.1三坐标曲面加工的刀具轨迹

5.3.2刀具中心轨迹的确定

5.3.3 CC轨迹的生成

5.3.4加工行距的确定

5.3.5沿行距方向曲率半径的确定

5.3.6曲面直接插补的插补原理

5.4本章小结

第6章人机控制和仿真系统设计及系统实例验证

6.1人机控制

6.1.1用户界面设计的基本原则

6.1.2部件化用户界面系统的设计

6.2仿真系统

6.3系统实例验证

6.3.1普通零件的加工过程

6.3.2曲线和曲面插补指令的用户定义格式及用户实时动态链接库的开发

6.3.3三次样条曲线插补的加工仿真实例

6.3.4 NURBS插补的加工仿真

6.3.5曲面加工仿真

6.4系统工作状态测试

6.5本章小结

结论

参考文献

附录1

附录2

攻读博士学位期间所发表的论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明与哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历