专利名称：基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种数控系统，尤其是一种基于模块化设计、内核平台控制下的开放 式数控系统与直接面向加工路径点的开放式数控系统。
背景技术：
传统的数控系统虽然已经实现了一定的功能，但是由于传统数控系统采用的是专 用计算机系统，实现过程对用户来讲是封闭的，模块功能也是固定的，不同厂商的软硬件互 不兼容，用户无法对系统进行重新定义和扩展，系统与外部缺乏有效的通信功能，这就增加 了用户的投资风险和成本。而且，自20世纪50年代以来，传统数控系统一直沿用G、M代码 (IS06983)，CNC与CAD/CAM之间的数据交换为单向传输，现场对CNC程序的修改无法直接 反馈到CAD/CAM系统，导致了 CNC编程效率低及CNC程序不具有可交换性的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是要建立一个统一的可重构的系统平台，允许用户根 据需要进行选配、集成、更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求，解决了目 前不同数控厂家各自开发的软硬件之间不可替换和不可兼容的矛盾、变换频繁的需求与封 闭控制系统之间的矛盾以及数控系统加工信息单向流动等问题。为实现上述目的，本发明提供了一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放 式数控系统，即CNC数控系统，包括PC机、DSP运动控制卡模块，PC机作为上位机，DSP运 动控制卡模块作为下位机，DSP运动控制模块控制CNC机床的加工过程，通过实时接收来自 CNC机床的反馈信息，实现对加工过程的闭环控制，在PC机和DSP运动控制卡模块之间还有 一内核平台模块，作为上位机与下位机集成与通讯的中介。内核平台可以实现软件模块和 DSP运动控制卡的整合，有利于软件模块与运动控制卡之间的通讯，从而减少了执行集成和 通讯的负荷；利用内核平台使开发的CNC数控系统具有便携性、通用性，而且与其它控制系 统具有兼容性。利用PC机、内核平台和DSP运动控制卡相结合的方式，数控系统的计算速 度、控制精度等指标都将会得到提高，且在实时性、二次开发和联网通讯等方面都会有显著 的提高。所述CNC数控系统还包括智能控制软件模块、运动控制软件模块、CNC与CAD/CAM 之间的信息传递与反馈模块三个分布式模块且与内核平台模块进行信息联系，其中智能控 制软件模块用于任务的安排、监控和人工输入加工，运动控制软件模块用于刀具轨迹生成 和插补，CNC与CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块用于CNC与CAD/CAM的双向通讯。开 放式数控系统所有功能模块都有标准的接口定义，只需要按照这个接口定义来实现相应的 功能模块即可；通过定义的接口，实现利用其它应用程序，即从其它应用程序访问数据；而 内核平台模块就是根据资源模型中定义的调用接口，来调用相应的软件模块。因此，内核平 台建立起了功能完备的软件模块。所述内核平台模块包括任务管理器、工艺模型执行器、资源模型执行器，所述内核
3平台模块还有独立于厂商规范的工艺和资源模型，任务管理器将从智能控制软件模块发出 的各种加工任务下达到工艺模型执行器，工艺模拟执行器根据所接受的任务从工艺模型知 识库中搜索与加工任务匹配的工艺模型，然后工艺模型执行器将搜索到的工艺模型信息传 给资源模型执行器，资源模型执行器根据该工艺模型在资源模型中定义的调用接口来调用 相应的软件模块，最后，内核软件将调用的软件模块中具体加工信息传给DSP控制器，由 DSP控制电机实现工件加工。内核平台模块中的工艺和资源模型独立于厂商的规范，可以根 据需要进行补充或更换。因此，内核平台模块建立起了功能齐全的任务管理器、工艺模型和 资源模型等。所述内核平台模块经STEP-NC解释器、STEP-NC接口后与CNC与CAD/CAM之间的 信息传递与反馈模块进行双向数据传递，实现CNC信息与CAD/CAM的双向通讯。所述零件加工路径点信息的提取方法是在UG环境下设计零件的外形，通过二次 开发所形成的软件模块，来提取零件的加工路径点，实现零件加工信息的共享。所述采用UG的二次开发工具UG GRIP模块来提取零件的加工轨迹坐标，按照一定 的路径优化原则或算法，提取出零件的加工路径点信息，接下来由运动控制模块根据零件 加工路径点信息，逐步发出脉冲信号，实现对零件的多轴联动数控加工。所述可以实现五轴联动数控加工。
图1为基于内核平台的数控系统架构图；图2为零件的加工坐标数据示例图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。(一)本发明基于内核平台的开放式数控系统结构主要包括三大部分构建基于 内核平台的数控系统架构、内核平台的建立、CNC与CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块。1、构建基于内核平台的数控系统架构如图1所示。本发明采用主从式控制架构，PC机作为上位机，DSP运动控制卡模块 作为下位机，内核平台作为上位机与下位机集成与通讯的中介，DSP运动控制卡控制CNC机 床的加工和接收来自CNC机床的反馈信息。CNC数控系统主要由内核平台、智能控制软件模 块、运动控制软件模块、CNC与CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块、DSP运动控制卡等五 个分布式模块组成。通过建模的方法，内核平台可以实现软件模块和DSP运动控制卡的整 合，有利于软件模块与运动控制卡之间的通讯，从而减少了执行集成和通讯的负荷；内核平 台中的工艺和资源模型可为CNC数控系统提供独立于厂商的规范；利用内核平台使开发的 CNC数控系统具有便携性、通用性，而且与其它控制系统具有兼容性。利用PC机、内核平台 和DSP运动控制卡相结合的方式，数控系统的计算速度、控制精度等指标都将会得到提高， 且在实时性、二次开发和联网通讯等方面都会有显著的提高。2、内核平台的建立从图1可以看出，内核平台需要实现以下功能任务管理器将从智能控制软件模 块发出的(或由发生的相应事件产生的)各种加工任务下达到工艺模型执行器；工艺模拟执行器根据所接受的任务从工艺模型知识库中搜索与加工任务匹配的工艺模型(软件模 块和运动控制卡的调用序列就可以作为一个工艺模型)，然后工艺模型执行器将搜索到的 工艺模型信息传给资源模型执行器，资源模型执行器根据该工艺模型在资源模型中定义的 调用接口来调用相应的软件模块；最后，内核软件将调用的软件模块中具体加工信息传给 DSP控制器，由DSP控制电机实现工件加工；并且在加工过程中，工件的加工信息能够通过 内核平台、STEP-NC解释器和接口得到及时的反馈。因此，内核平台建立起了功能齐全的任 务管理器、工艺模型和资源模型等。如图1所示。本数控系统采用软件模块化设计方法，根据不同的系统功能划分为 不同的功能模块智能控制软件模块、运动控制软件模块、CAD与CNC的信息传送与反馈模 块等。软件系统为分布式结构体系，其中智能控制软件模块主要实现任务的安排、监控和人 工输入加工，运动控制软件模块主要实现刀具轨迹生成和插补。开放式数控系统所有功能 模块都有标准的接口定义，只需要按照这个接口定义来实现相应的功能模块即可；通过定 义的接口，实现利用其它应用程序，即从其它应用程序访问数据；而内核平台就是根据资源 模型中定义的调用接口，来调用相应的软件模块。因此，内核平台建立起了功能完备的软件 模块。3、CNC与CAD/CAM之间的信息传递与反馈如图1所示。STEP-NC定义了 CAD、CAM与CNC之间的双向数据接口标准，可作为 CNC与CAD/CAM双向通讯的工具。内核平台经STEP-NC解释器、STEP-NC接口后与CNC与 CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块进行双向数据传递，实现了 CNC信息与CAD/CAM的双向 通讯，更重要的是实现了现场对CNC的修改反馈到CAD/CAM系统中；CNC与CAD/CAM之间的 信息传递与反馈模块有STEP-NC数据库和STEP文件。本发明提出的基于内核平台的开放式数控系统，能够很好的解决目前不同数控厂 家各自开发的软硬件之间不可替换、不可兼容性，以及数控系统加工信息单向流动等问题。 采用内核管理平台的形式，架起各个软件模块、数控机床之间信息互通的桥梁，通过CAD/ CNC双向通讯、接口模块资源化、工艺数据资源化，最终形成系统的面向加工过程的开放式 数控系统。( 二)本发明直接面向加工路径点的开放式数控系统中的零件加工路径点的提 取。上述关于CNC与CAD/CAM双向通讯的内容中，是如何在加工过程中动态提取加工 信息，如何生成数据文件的呢？针对目前NC编程采用G、M代码存在的编程效率低及NC程序不具有可交换性等种 种问题，本发明在UG环境下设计零件的轮廓，结合UG的二次开发工具之一 UG GRIP模块来 提取零件的加工轨迹坐标，实现了零件加工信息的共享。UG是目前市场上数控加工能力最强的CAD/CAM集成系统之一，也是非常通用的 绘图软件之一。本发明是利用UG丰富的绘图工具进行零件外形设计，根据建立的零件模 型，采用UG的二次开发工具，按照一定的路径优化原则或算法，提取出零件的加工坐标数 据(包括路径点坐标、法矢等信息)，保存在一个*. TXT文件里面，如图2所示；接下来由运 动控制模块，根据零件加工路径点信息，逐步发出脉冲信号，实现对零件的多轴联动数控加 工，例如五轴联动数控加工。
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虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发 明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和 变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系统，即CNC数控系统，包括PC机、DSP运动控制模块，PC机作为上位机，DSP运动控制模块作为下位机，DSP运动控制模块控制CNC机床的加工过程，通过实时接收来自CNC机床的反馈信息，实现对加工过程的闭环控制，其特征在于在PC机和DSP运动控制卡模块之间，构建一内核平台模块，作为上位机与下位机集成与通讯的中介。
2.根据权利要求1所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系 统，其特征在于所述CNC数控系统还包括智能控制软件模块、运动控制软件模块、CNC与 CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块三个分布式模块且与内核平台模块进行信息联系，其 中智能控制软件模块用于任务的安排、监控和人工输入加工，运动控制软件模块用于刀具 轨迹生成和插补，CNC与CAD/CAM之间的信息传递与反馈模块用于CNC与CAD/CAM的双向 通讯。
3.根据权利要求2所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系 统，其特征在于所述内核平台模块包括任务管理器、工艺模型执行器、资源模型执行器，所 述内核平台模块还有独立于厂商规范的工艺和资源模型，任务管理器将从智能控制软件模 块发出的各种加工任务下达到工艺模型执行器，工艺模拟执行器根据所接受的任务从工艺 模型知识库中搜索与加工任务匹配的工艺模型，然后工艺模型执行器将搜索到的工艺模型 信息传给资源模型执行器，资源模型执行器根据该工艺模型在资源模型中定义的调用接口 来调用相应的软件模块，最后，内核软件将调用的软件模块中具体加工信息传给DSP控制 器，由DSP控制电机实现工件加工。
4.根据权利要求2所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系 统，其特征在于所述内核平台模块经STEP-NC解释器、STEP-NC接口后与CNC与CAD/CAM 之间的信息传递与反馈模块进行双向数据传递，实现CNC信息与CAD/CAM的双向通讯。
5.根据权利要求2或4所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控 系统，其特征在于零件加工路径点信息的提取方法是在UG环境下设计零件的外形，通过 二次开发所形成的软件模块，来提取零件的加工路径点，实现零件加工信息的共享。
6.根据权利要求5所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系 统，其特征在于采用UG的二次开发工具UG GRIP模块来提取零件的加工轨迹坐标，按照一 定的路径优化原则或算法，提取出零件的加工路径点信息，接下来由运动控制模块根据零 件加工路径点信息，逐步发出脉冲信号，实现对零件的多轴联动数控加工。
7.根据权利要求6所述的一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系 统，其特征在于可以实现五轴联动数控加工。
全文摘要
本发明公开了一种基于内核平台、直接面向加工路径点的开放式数控系统，即CNC数控系统，包括PC机、DSP运动控制卡模块，PC机作为上位机，DSP运动控制卡模块作为下位机，控制CNC机床的加工过程，通过实时接收来自CNC机床的反馈信息，实现对加工过程的闭环控制；在PC机和DSP运动控制卡模块之间还有一内核平台模块，作为上位机与下位机集成与通讯的中介；通过UG的二次开发所形成的软件模块提取零件的加工路径。运动控制模块，根据零件加工路径点信息，逐步实现对零件的五轴联动数控加工。本发明建立了一个统一的可重构的系统平台，允许用户根据需要进行选配、集成或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的应用需求，并实现了加工信息双向流动及共享。
文档编号G05B19/4097GK101923335SQ201010249199
公开日2010年12月22日 申请日期2010年8月10日 优先权日2010年8月10日
发明者曹树坤, 曹欣, 曹翀 申请人:济南大学