一种数字控制信息制造系统与方法及其数据控制流文件的制作方法

专利名称：一种数字控制信息制造系统与方法及其数据控制流文件的制作方法
技术领域：
本发明涉及先进控制与先进制造领域，具体是涉及数字控制信息制造 系统及其制造数字控制信息的方法，以及一种标准化的数字控制信息产品 ——数据控制流文件。
背景技术：
信息时代使现代制造业迅速迈向自动化、数字化、智能化。在这一历 史进程中，计算机数字控制系统扮演了关键角色。现有开放式数字控制系统采用实时操作系统控制下的插补迭代技术。 插补模块是现有数字控制系统的核心模块。插补周期是现有开放式数字控 制系统的关键技术指标。插补周期越短，插补点距越小，零件的加工精度也就越高。高精度加工要求插补周期达到O.lms的数量级。现代数字控制系统已迈向高速、高精度、复杂运动轨迹的运动控制， 纳米插补技术、NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline，非统一有理B样 条)插补技术成为当前运动控制技术研究的热点。直线插补、圆弧插补和 NURBS插补这三种插补技术分别对应零件模型的一阶表示、二阶表示、三 阶(以上)表示。纳米插补涉及64位处理器与64位实时操作系统。NURBS 插补涉及曲线的曲率，是三阶甚至三阶以上的差分方程，其计算过程异常 复杂，需要超高速微处理器。在现有开放式数字控制系统中， 一旦工作机的运动速度提高、或运动 精度提高、或联动轴增加、或联动参数增加，实时操作系统的插补周期必 然以指数形式增大，从而需要更多位数、更高速度的CPU以及实时性更强 可靠性更高的实时操作系统。因此，采用64位高速超高速微处理器与插补 周期达到0.1毫秒甚至微秒级的64位实时操作系统成为现有开放式数字控制系统的发展趋势。换言之，在实质上，现有开放式数字控制系统的技术 进步取决于微处理器的芯片技术。本申请人的在先专利申请《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》(中国专利申请号200710124304.9)针对常规正交离散坐标 系提出了一种数据流关联控制方法(Data- flow Related Control,简称DRC控制)，取消了实时操作系统与插补迭代算法的实时控制功能，清除了微处 理器芯片与实时操作系统对数字控制系统的一切负面影响，使数字控制系 统告别了插补时代。DRC控制方法简述如下根据工作机的结构常数和工艺参数(如进给 量、进给速度等)，首先确定优化目标，包括短程逼近、最小偏差逼近、最 少拐点逼近等，再根据刀具路径文件库中的刀具路径，选择相应的算法对 轮廓运动进行整体优化；在常规正交离散坐标系进行数值计算生成轮廓运 动的多维关联数据流并予以局部优化；将控制工艺参数的开关视为虚拟坐 标轴，对工艺参数进行数值计算生成工艺参数对主动轴数据流的关联数据 流并予以局部优化；生成多轴多参数的多维关联数据流分布矩阵。DRC控制将复杂的多轴联动的插补迭代控制问题、工艺参数的实时控 制问题以及确定性误差的实时补偿问题统统转化为PC系统中离线进行的 信息处理问题，纳米插补与NURBS插补同样转化为PC系统中离线进行的 信息处理问题，从而将数字控制信息的制造过程软件化，将数字控制技术 软件化。但是上述DRC控制技术还存在不完善之处，主要表现在1、 采用DRC控制方法的PC系统将数字控制信息的制造过程软件化， 也将数字控制技术软件化，这就意味着，所述PC系统是一个可以独立生产、 独立使用的用于制造数字控制信息的装置，可称之为数字控制信息制造系 统。关于所述数字控制信息制造系统的体系结构与功能还须进一步改进。2、 开放式数字控制系统的基本内涵是，用户不必依赖于制造厂商，可 以自主开发用于生产数字控制信息的应用软件，并对现有应用软件进行置换和扩展。这就要求基于PC构建的数字控制信息制造系统必须是一个开放 式的开发平台，从而使数字控制信息制造过程进一步完全软件化，使数字 控制技术进一步完全软件化。3、 对于开放式数字控制系统，欧盟的OSACA计划规定了3个层次的 开放程度人机界面开放、内核有限开放、全开放。在人机界面层，开放 式数字控制系统应能够提供一致性好的人机界面，对于降低人员培训费用， 降低系统维护费用都具有比较重要的意义。从方法上讲，所谓一致性好的 人机界面涉及用户描述控制作业的方式或用户程序所使用的高级语言应该 与数字控制系统中的控制程序具有一定的一致性，包括用户指令与控制程 序中的控制指令在形式上的一致性以及在语义结构上的一致性。4、 现有数字控制技术都建立在笛卡儿坐标系、极坐标系等正交坐标系 上。由于存在制造误差、装配误差以及摩損产生的误差，实际上的直角坐 标工作台、迴转工作台都不是正交坐标系。开放式数字控制信息制造平台 将数字控制信息制造过程进一步完全软件化，将数字控制技术进一步完全 软件化，这就意味着，在开放式数字控制信息制造平台中，制造数字控制 信息的方法可以推广到非正交坐标系，包括存在种种误差的正交坐标系。5、 在现代制造业中，零件图是携带、传递控制信息的唯一载体。数字 控制信息制造系统既然是独立生产、独立使用的用于制造数字控制信息的 装置，那么，数字控制信息制造系统所制造的数字控制信息则成为一种产 品，如何规定该产品的结构以利于标准化也是需要解决的问题。发明内容本发明要解决的技术问题是弥补以上不完善之处，提出一种数字控制 信息制造系统以及制造数字控制信息的方法。本发明还提出一种用于数字 控制的数据控制流文件。1、本发明的数字控制信息制造系统。对于用户程序，本发明提出一种数字控制信息制造系统用于离线制造全部数字控制信息。所述数字控制信息用于完成给定控制任务，是直接面 向工作机的，包括多个轴的多轴关联数据流与多个参数的参数关联数据流 即多轴多参数关联数据流，以及控制开关系统的开关控制流。本发明的数字控制信息制造系统包括硬件平台、软件平台和应用软件系统；所述硬件平台为PC机；所述软件平台为图形界面操作系统；所述应 用软件系统包括人机界面功能区HMC、可编程逻辑控制功能区PLC、多 轴多参数联动功能区MM (Multi-axis Multi-parameter Machining)以及系 统数据库SD (System Database);所述人机界面功能区HMC用于接收用 户程序；所述可编程逻辑控制功能区PLC用于生成控制开关运动的开关控 制流；所述多轴多参数联动功能区MM用于生成数据控制流文件；所述系 统数据库SD用于储存各种形式的相关数据。进一步地，所述应用软件系统建立在中间件(Middleware)之上，各 功能区均采用应用编程接口 API (Application Programming Interface)。进一步地，所述多轴多参数联动功能区MM包括关联数据流生成模块GRD (Generation of Related Data Stream),用 于生成伺服控制的多轴多参数关联数据流分布矩阵；关联数据流格式化模块FRD (Format of Related Data Stream File), 用于将多轴多参数关联数据流分布矩阵格式化；链接关联数据流的状态表； 链接关联数据流的特征表；生成格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵；数据控制流文件生成模块DCFS (Data Control Flow Interface Specification),用于生成系统初始化与系统运行状态的状态指令ST;链接 所述开关控制流生成开关指令SW;链接所述格式化多轴多参数关联数据流 分布矩阵生成轨迹指令TR;根据用户程序将开关指令SW、轨迹指令TR 和状态指令ST编译成I/0分配程序；根据用户程序将I/O分配程序、格式 化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流编译成数据控制流文件。进一步地，所述多轴多参数联动功能区MM还包括精细结构仿真模块 SFS (Simulation of Fine Structure),所述精细结构仿真模块SFS用于对多轴多参数关联数据流分布矩阵进行设定标度的模拟仿真与调整优化。进一步地，所述系统数据库SD包括刀具路径文件库、DCFS文件库、 关联数据流数据库、结构常数数据库、工艺参数数据库、系统参数数据库; 所述刀具路径文件库，至少储存有零件的刀具路径文件；所述DCFS文件 库，至少储存有零件的DCFS文件、关联数据流的特征表、关联数据流的 状态表；所述关联数据流数据库，至少储存有刀具路径的关联数据流数据 文件；所述结构常数数据库，至少储存有工作机轴间的包括不平行度、不 垂直度在内的坐标系参数，以及工作机单轴的包括线位移误差、角位移误 差、反向间隙在内的精细结构常数；所述工艺参数数据库至少储存有与加 工工艺有关的工艺参数；所述系统参数数据库，至少储存有包括步进/非步 进、进给当量、速度与加速度的上限、环境温度的上限在内的系统参数， 以及智能驱动器的初始化参数、可编程数据流控制器的I/O接口的初始化参 数。进一步地，所述关联数据流的特征表包括所述多轴多参数关联数据流 分布矩阵的宏观信息，所述宏观信息包括所述多轴多参数关联数据流分布 矩阵的维数即联动坐标轴与联动工艺参数的个数信息、联动坐标轴与联动 工艺参数的代码信息、所述多轴多参数关联数据流的存储容量信息和存储 地址信息、所述开关控制流的存储容量信息和存储地址信息中的一个或多 个信息；所述关联数据流的状态表包括每个数据流的微观信息，所述微观 信息包括每个数据流的发送与接收状态信息、传输速度信息、传输比特率 信息、传输比特数信息和传输起始时刻信息中的一个或多个信息。2.本发明的数字控制信息制造方法本发明提出的数字控制信息的制造方法包括以下步骤步骤l、人机界 面功能区接收用户程序；步骤2、根据用户程序，可编程逻辑控制功能区生 成控制开关运动的开关控制流；步骤3、根据用户程序，多轴多参数联动功 能区生成控制轮廓运动和工艺参数的格式化多轴多参数数据流分布矩阵； 步骤4、多轴多参数联动功能区链接开关控制流和格式化多轴多参数数据流分布矩阵，生成数据控制流文件。进一步地，所述步骤3包括以下步骤步骤3-l、多轴多参数联动功能 区的关联数据流生成模块生成多轴多参数关联数据流分布矩阵；步骤3-2、 多轴多参数联动功能区的关联数据流格式化模块将多轴多参数关联数据流 分布矩阵格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵。所述步骤3-1包括关联数据流生成模块在非正交离散坐标系中生成多 轴多参数关联数据流分布矩阵；所述非正交离散坐标系为轴的位移量为有理整数、轴的运动方向不相互垂直的坐标系。所述步骤4包括以下步骤步骤4-l、根据用户程序，多轴多参数联动功能区的数据控制流文件生 成模块链接所述开关控制流，生成开关指令SW;链接所述格式化多轴多参 数关联数据流分布矩阵，生成轨迹指令TR;链接用户程序中指定的系统参 数与系统运行状态，生成状态指令ST;步骤4-2、根据用户程序，所述数据控制流文件生成模块将所述开关指 令SW、所述轨迹指令TR和所述状态指令ST编译成I/O分配程序；步骤4-3、根据用户程序，所述数据控制流文件生成模块将I/O分配程 序、格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流编译成数据控制 流文件。进一步地，所述I/O分配程序用状态指令ST控制坐标轴的轮廓运动， 用开关型运动指令SW控制开关系统的开关逻辑，用状态指令ST进行系统 初始化并控制系统运行状态；所述状态指令ST与用户程序中的状态指令 ST-hm具有一致的语义结构，所述轨迹指令TR与用户程序中的伺服型运动 指令TR-hm具有一致的语义结构，所述开关指令SW与用户程序中的开关 型运动指令SW-hm具有一致的语义结构。3、本发明的用于数字控制的数据控制流文件。本发明提出的DCFS (Data Control Flow Interface Specification)文件，包括I/0分配程序、格式化多轴多参数关联f(据流分布矩阵、开关控制流。所述I/O分配程序由状态指令ST、轨迹指令TR与开关指令SW构成; 所述状态指令ST用于设定系统运行状态以及按照系统参数进行系统初始 化；所述轨迹指令TR链接所述格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵，用 于实时控制轴的轮廓运动；所述开关指令SW链接所述开关控制流，用于 实时控制开关系统。
进一步地，所述轨迹指令TR包括所述格式化多轴多参数关联数据流分 布矩阵在存储器的存储地址；所述开关指令SW包括所述开关控制流在存 储器的存储地址。
采用本发明的数字控制信息制造系统和方法所生产的数字控制信息以 特定的格式形成一个数字控制信息文件即DCFS文件。DCFS文件具有平 台无关性，即与PC系统的硬件平台和操作系统平台无关，从而成为一种可 以在市场上进行交换的商品，该数字控制信息是直接面向该工作机的数字 化控制信息，是完成给定控制任务的数字映像，包括运动轨迹的数字映像 与工艺参数的数字映像，以及逻辑控制的开关控制流；数字映像包括毫米 级精细数字映像、微米级精细数字映像、纳米级精细数字映像、皮米级精 细数字映像。
本发明与现有技术对比的有益效果是
1、 在现有开放式数字控制系统中，数字控制信息的生产过程与所生产 的数字控制信息都是完全封闭的。在本发明中，数字控制信息的生产过程 与所生产的数字控制信息都是开放的。本发明在用户与控制机之间、用户 与工作机之间、控制机与工作机之间，也就是在控制的全过程中构建了一 致性好的过程界面，从而实现了数字控制信息的开放性。
2、 本发明所提出的开放式控制信息制造平台建立在数据库访问中间件 之上，与PC系统的硬件平台和操作系统平台无关，实现了数字控制技术的 完全软件化，为数字控制信息的应用开发构建了一个开放式技术创新平台。
3、 NURBS插补涉及曲线的曲率，是三阶甚至三阶以上的差分方程，其计算过程异常复杂。在现有数字控制系统中实I见NURBS插补需要超高速 微处理器，造价很高，是完全封闭的。本发明所提出的开放式数字控制信 息制造平台为用户采用种种高度复杂的数值计算技术进行NURBS插值、拟 合与逼近提供了技术支撑，以扩展存储空间的简单技术手段与低廉的代价 实现了 NURBS逼近，而且是完全开放的。
4、 纳米插补是以纳米为单位进行插补。纳米插补可以达到接近所设计 形状的光洁加工表面，显著提高了加工表面平滑性。为实现纳米插补，现 有数字控制技术必须采用64位超高速处理器，技术复杂，价格高昂。本发 明所提出的开放式数字控制信息制造平台以扩展存储空间的简单技术手段 与低廉的代价实现了纳米插补以及纳米级精细数字结构的模拟仿真与调整 优化。
5、 NC程序的高速程序预处理技术是现有数字控制系统的重要技术手 段。现有数字控制系统采用插补迭代控制，将曲线用微小直线来逼近，导 致轮廓轨迹的NC程序过長，加工精度愈高，NC程序愈長，因而必须对 NC程序进行高速预处理。国家"高档数控机床与基础制造装备"科技重大专 项中的课题"全数字高档数控装置"将NC程序的高速程序预处理技术列 为研究内容。在本发明所提出的开放式数字控制信息制造平台上，无论轮 廓轨迹中有多少条不同的曲线，该轮廓轨迹在I/O分配程序中一般只使用 一条轨迹指令，实现了NC程序的最简化，不存在NC程序的预处理问题。
6、 本发明提出的开放式数字控制信息制造平台所生产的数字控制信息 与PC的硬件平台和软件平台无关，实现了数字控制信息的最优化与数字控 制信息的标准化，从而将数字控制信息产品化、商品化。如果将图纸视为 零件的图形化控制信息产品，则DCFS文件就是零件的数字化控制信息产 品，这种数字控制信息产品将进入市场。
7、 数字制造，又称"e-制造"，是制造业现代化的标志之一。现有开放 式数字控制系统的技术进步，实质上取决于微处理器的芯片技术。本发明将数字控制技术转化为开放式数字控制信息制造平台上的信息处理问题， 将数字控制信息的生产与数字控制技术完全软件化，这就产生了一个有益 效果，即催生数字制造中的一个新产业——数字控制信息制造业，即生产
DCFS文件形态的商品化数字控制信息。


图1是具体实施方式
中数字控制信息制造系统的结构示意图。
具体实施例方式
一种数字控制信息制造系统，包括硬件平台、软件平台和应用软件系 统。其硬件平台为一般的PC机系统，软件平台为图形界面操作系统，其它 配置包括PLC系统、CAD/CAM系统(选配)等。
如图1所示，应用软件系统包括人机界面功能区HMC、可编程逻辑控 制功能区PLC、多轴多参数联动功能区MM以及系统数据库SD (System Database);人机界面功能区HMC用于接收用户程序；可编程逻辑控制功 能区PLC用于生成控制开关运动的开关控制流；多轴多参数联动功能区 MM用于生成数据控制流文件；系统数据库SD用于储存各种形式的相关 数据。
其中，HMC功能区应具有的基本功能及其相应模块为信息可视化模
块HMC-Visu、人工操作模块HMC-Mop、加工程序编辑模块HMC-Edit、 诊断模块HMC-Diag、用户身份验证模块HMC-Authe、文件系统管理模块 HMC-FileManage、通信服务模块HMC-CommSrv 。
PLC功能区应具有的基本功能及其相应模块为代码管理模块 LC-RtsCm、顺序控制模块LC-RtsCtrl、 PLC任务调度模块LC-RtsTask、通 信服务模块LC-RtsSrv。
人机界面功能区HMC通过图形界面接收用户程序；可编程逻辑功能 区PLC处理开关系统的逻辑控制，生成开关控制流。HMC功能区和PLC功能区属现有的常规技术。
MM功能区包括关联数据流生成模块GRD、关联数据流格式化模块 FRD、数据控制流文件生成模块DCFS、精细结构仿真模块SFS。
系统数据库SD包括刀具路径文件库、DCFS文件库、关联数据流数据 库、结构常数数据库、工艺参数数据库、系统参数数据库。所述刀具路径 文件库，至少储存有零件的刀具路径文件；所述DCFS文件库，至少储存 有零件的DCFS文件、关联数据流的特征表、关联数据流的状态表；所述 关联数据流数据库，至少储存有刀具路径的关联数据流数据文件；所述结 构常数数据库，至少储存有工作机的轴间的不平行度、不垂直度等坐标系 参数，轴的线位移误差、角位移误差、反向间隙等轴的精细结构常数；所 述工艺参数数据库，至少储存有与加工工艺有关的工艺参数，如进给量、 进给速度等；所述系统参数数据库，至少储存有步进/非步进、进给当量、 速度与加速度的上限、环境温度的上限等系统参数，智能驱动器的初始化
参数，可编程数据流控制器的i/o接口的初始化参数。
所述关联数据流的特征表包括所述多轴多参数关联数据流分布矩阵的 宏观信息，所述宏观信息包括所述多轴多参数关联数据流分布矩阵的维数 即联动坐标轴与联动工艺参数的个数信息、联动坐标轴与联动工艺参数的 代码信息、所述多轴多参数关联数据流的存储容量信息和存储地址信息、 所述开关控制流的存储容量信息和存储地址信息中的一个或多个信息；所 述关联数据流的状态表包括每个数据流的微观信息，所述微观信息包括每 个数据流的发送与接收状态信息、传输速度信息、传输比特率信息、传输 比特数信息和传输起始时刻信息中的一个或多个信息。
对于每个控制任务，数字控制信息制造系统离线生成全部数字控制信 息，所述数字控制信息用于完成给定控制任务，是直接面向工作机的，包 括多个轴的多轴关联数据流与多个参数的参数关联数据流即多轴多参数关 联数据流，以及控制开关系统的开关控制流。
在本实施方式中，采用数据库访问中间件，将数字控制信息制造系统进一步改进为开放式数字控制信息制造平台OCM (Open Digital Control Information Manufacturing platform)。应用软{牛系统建立在中间{牛之上， 各功能模块之间采用应用编程接口 API。数据库访问中间件为用户提供简 单、标准、透明的数据库连接的公共编程接口，导致数据库连接方式的变 革。数据库访问中间件位于数据库管理系统和应用程序之间，允许应用程 序与本地或者异地的数据库进行通信，并提供了一系列的应用编程接口， 实现了应用程序和异构数据库之间的统一接口，有效地解决了应用系统在 不同数据库之间的移植问题。典型的数据库访问中间件有微软的ADO、 ADO.NET和JAVA的JDBC。
中间件(Middleware)是在硬件和操作系统之上，支持应用软件开发 和运行的系统软件，使得应用软件开发和运行能够独立于特定的计算机硬 件和操作系统平台，以跨越硬件平台的异构性、操作系统的异构性、数据 管理的异构性、开发语言的异构性、网络平台的异构性，实现应用软件之 间的互连和互操作。中间件技术发展很快，已成为应用系统的支撑，与操 作系统、数据库并列为三大基础软件。平台(platform)是中间件在特定的 行业或领域的深入发展。中间件是构建平台的基础。在中间件之上有一层 属于特定应用领域的应用构件，以进一步简化应用软件的开发，从而构成 该应用领域的开发平台。针对不同的图形界面操作系统，例如Windows、 Lirnix，已开发出许多中间件，出现了不同层次、不同类型的中间件产品， 包括数据库访问中间件、远程过程调用中间件、消息中间件、交易中间件、 对象中间件，以及企业应用集成中间件、工作流中间件、门户中间件等。 数据库访问中间件是使用最广泛的一种中间件，目前己相当成熟。本实施 例的上述多轴多参数联动功能区MM构建在中间件之上，从而将数字控制 信息制造系统改进为开放式数字控制信息制造平台OCM。
在OCM中，用户可以在正交离散坐标系/非正交离散坐标系的标架下 自主开发种种数值算法以生成关联数据流，也可以接收异地的异构关联数 据流，从而支持用户二次开发，改变或增加控制功能，为NURBS插值(interpolation)、拟合(fitting)、逼近(approximation)，以及纳米级精细数字
结构的模拟仿真与调整优化奠定了坚实的基础并提供了一个技术创新平 台
国标《GB/T 18759.1-2002 机械电气设备 开放式数控系统 第2部 分体系结构》将开放式控制系統划分为三个功能区(functional area):人 机界面功能区HMC、可编程逻辑功能区PLC、数值控制功能区NC。
人机界面功能区HMC与可编程逻辑功能区PLC属常规技术。本实施 例中提出采用多轴多参数联动功能区MM取代了国标GB/T 18759.1-2002 中的数值控制功能区NC。
系统各部件的功能如下。
一、 可编程逻辑功能区PLC
逻辑控制的数字化控制信息由PLC处理，采用现有的常规技术。
二、 多轴多参数联动功能区MM 1、关联数据流生成模块GRD
多轴多参数关联数据流分布矩阵由关联数据流生成模块GRD生成。根 据工作机的结构常数和工艺参数(如进给量、进给速度等)，GRD模块确 定优化目标，包括短程逼近、最小偏差逼近、最少拐点逼近等，根据刀具 路径文件库中的刀具路径，选择相应的算法对轮廓运动进行整体优化；在 正交离散坐标系进行数值计算生成轮廓运动的多维关联数据流并予以局部 优化；将控制工艺参数的开关视为虚拟坐标轴，对工艺参数进行数值计算 生成工艺参数对主动轴数据流的关联数据流并予以局部优化；生成多轴多 参数的多维关联数据流分布矩阵。离散坐标系的另一个特征是网格细分 (Subdivision)。在开放式控制信息制造平台OCM上，网格标度可由系统参 数设定，例如，毫米(mm)、微米(um)、纳米(nm)、皮米(pm)等。 GRD模块所生产的控制信息是轮廓运动的完整的数字映像，而且可以是完 全离散的最优的数字映像。这种完全离散的数字映像称之为轮廓运动的精 细数字结构。按照网格标度的不同，GRD模块可生成毫米级精细数字结构、微米级精细数字结构、纳米级精细数字结构、皮米级精细数字结构。
以上描述的多维关联数据流针对常规正交离散坐标系生成，也可进一 步改进推广于非正交离散坐标系中生成。所谓非正交离散坐标系定义为轴 的位移量为有理整数、轴的运动方向不相互垂直的坐标系。所谓正交离散 坐标系定义为轴的位移量为有理整数、轴的运动方向相互垂直的坐标系。 通常的直角坐标工作台、极坐标工作台等都是正交离散坐标系。存在不垂 直度的直角坐标工作台是非正交离散坐标系，主轴与坐标轴不垂直/不平行， 也视为非正交离散坐标系。
2、 精细结构仿真模块SFS
精细结构仿真模块SFS将关联数据流在正交离散坐标系/非正交离散坐 标系中进行精细数字结构的模拟仿真并对轮廓运动的精细数字结构进行调 整与优化，特别是进行纳米级精细数字结构的模拟仿真并对轮廓运动的纳 米级精细数字结构进行调整与优化。因此，OCM为纳米级精细数字结构层 面的NURBS插值、拟合与逼近提供了技术支撑。
3、 关联数据流格式化模块FRD
关联数据流格式化模块FRD将多轴多参数关联数据流分布矩阵格式 化，链接关联数据流的状态表，链接关联数据流的特征表，生成格式化多 轴多参数关联数据流分布矩阵。
4、 数据控制流文件生成模块DCFS
数据控制流文件生成模块DCFS用于生成DCFS文件，包括以下步骤:
1) 、生成状态指令ST，包括系统初始化的状态指令、智能驱动器的初 始化状态指令、可编程数据流控制器的I/0接口初始化状态指令ST、系统 运行状态(自动、手动、启动、结束、暂停等)的状态指令ST;
2) 、链接格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵，生成轨迹指令TR;
3) 、链接开关控制流，生成开关指令SW;
4) 、根据用户程序，将开关指令SW、轨迹指令TR与状态指令ST编 译成！/O分配程序5)、链接关于用户程序的文本文件，生成DCFS文件。
DCFS文件是所述数字控制信息制造系统针对待加工零件离线制造的
数字控制信息产品，由文本说明、1/0分配程序、格式化多轴多参数关联数
据流分布矩阵、开关控制流等四部分构成。
① 、文本说明
这是一个非执行的文本文件，用于记录文本信息，包括与加工零件 有关的文本信息，例如名称、材料、数量、所耗工时、加工日期等；与 机床有关的文本信息，例如型号、规格、出厂日期、维修状态等；与程 序本身有关的文本信息，例如最优化目标、采用的数值算法、必要的注 释、作者、编制日期等。
② 、I/O分配程序
I/O分配程序取代现有数控技术中的NC程序。
工作机(执行机构)的X轴以5m/s的速度正向进给50mm，水泵以2L/s 的流量输出冷却液等信息，这是用户对执行机构提出的控制请求。所谓用 户程序就是将这些控制请求按照用户指定的时序以一定的格式书写的控制 信息文件。运动指令"X、 Y: (+64， -32), 5;"表示X轴和Y轴以5mm/s 的进给速度沿第三象限的直线进给到Xe-64mm， ye = -32mm，这种运动指 令称之为伺服型运动指令TR-hm。运动指令"S1: 2;"表示开关S,打开水 泵以2L/s的流量输出冷却液，这种运动指令称之为开关型运动指令 SW-hm。状态指令ST-hm描述自动、手动、启动、结束、暂停等系统运行 状态与进行系统初始化。人机界面功能区HMC中的运动指令既是面向执 行机构的，又是面向用户的，它是用户对执行机构发出的控制请求，是人 机界面上控制信息的表示方式。
在上述运动指令中，X、 Y、 S!等变量与(+64， -32)、 5、 2等常量的 顺序，标点符号的意义，简称为语义结构。上述运动指令与自然语言中使 用的形式、以及数学中使用的形式保持相似的语义结构。
与用户的状态指令ST-hm、伺服型运动指令TR-hm、 关型运动指令SW-hm相对应，所述I/O分配程序只有三类指令
状态指令ST，用于系统初始化与设定系统运行状态。 轨迹指令TR，用于描述轮廓运动的多轴多参数关联数据流。 开关指令SW，用于描述开关控制流，由PLC处理。 按照用户程序的要求，状态指令、开关指令与轨迹指令构成I/O分配程序。
开关指令SW与用户的开关型运动指令SW-hm相对应，用于描述开关 控制流，由PLC处理。
轨迹指令TR与用户的伺服型运动指令TR-hm相对应，用于描述轮廓 运动的多轴多参数关联数据流。
状态指令ST可分为系统初始化状态指令与系统运行状态指令，与用户 的状态指令ST-hm相对应。系统初始化状态指令用于设定步进/非步进、进 给当量、速度与加速度的上限、环境温度的上限等系统参数，设定智能驱 动器的初始化参数，设定可编程数据流控制器的可编程I/O接口的初始化参 数。系统运行状态指令用于设定系统的运行状态，例如，自动、手动、启 动、结束、暂停等。
用户通过图形界面,用伺服型运动指令TR-hm描述坐标轴的轮廓运动， 用开关型运动指令SW-hm描述开关系统的开关逻辑，用状态指令ST-hm使 系统初始化与描述系统运行状态。I/O分配程序则将用户的伺服型运动指令 TR-hm、开关型运动指令SW-hm与状态指令ST-hm转换为轨迹指令TR、 开关指令SW与状态指令ST。
本实施方式用I/O分配程序取代现有数控技术中的NC程序，I/O分配 程序有如下特点
a) 、 1/0分配程序中的数字控制信息是面向工作机的，是工作机运动轨 迹的完整的最优的数字映像，不包含插补周期、轮廓步长等冗余信息，信 息量是最小化的；
b) 、 I/O分配程序中的数字控制信息包括实时控制工艺参数的参数关眹数据流；
c)、所述i/o分配程序的程序条数是最少的。
一般来说，在不涉及多次切削、无须换刀的情况下，所述I/O分配程 序中只有一条轨迹指令TR。
1/0分配程序的基本形式为 Nl:启动状态指令ST-start;
N2:轨迹指令TR+多轴多参数关联数据流分布矩阵在存储器的相对地 址或绝对地址；
N3:结束状态指令ST-end。
③、格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵
DCFS文件的第三部分为轨迹指令的数据区即格式化多轴多参数关联 数据流分布矩阵。
本实施例，在DCFS文件中，1/0分配程序与多轴多参数关联数据流分 布矩阵分离。这就是说，DCFS模块在编译轨迹指令TR时，不直接链接格 式化多轴多参数关联数据流分布矩阵，而是链接所述格式化多轴多参数关 联数据流分布矩阵在存储器中的存储地址，包括相对地址或绝对地址。
、开关控制流
开关控制流确定开关系统的逻辑控制，由PLC生成。 本实施例，在DCFS文件中，采用I/O分配程序与开关控制流分离方 式。这就是说，DCFS模块在编译开关指令SW时，不直接链接开关控制 流，而是链接开关控制流在存储器中的存储地址，包括相对地址或绝对地 址。
5、多轴多参数联动功能区MM (包括以上描述的关联数据流生成模块 GRD、关联数据流格式化模块FRD、数据控制流文件生成模块DCFS、精 细结构仿真模块SFS)构建在ADO/ADO.NET/JDBC等数据库访问中间件 之上，通过人机界面功能区HMC的图形界面接收用户程序；各模块均采 用应用编程接口 API。 CAD/CAM系统完成建模、出图、刀具补偿、生成刀具路径文件，或者由GRD模块直接完成建模、出图、刀具补偿、生成刀 具路径文件。多轴多参数联动功能区MM为用户创建自己的数值算法生产 数字控制信息提供了技术支撑，特别是为用户采用种种高度复杂的数值计 算技术进行NURBS插值、拟合与逼近提供了技术支撑，从而为用户自主开 发用于生产数字控制信息的应用软件或对现有应用软件进行置换和扩展提 供了一个开放式开发平台，为用户进行NURBS逼近，以及纳米级精细数字 结构的模拟仿真与调整优化提供了一个开放式开发平台。 三、人机界面功能区HMC
在现有开放式数字控制系统中，所谓人机界面指的是用户与数字控制 系统之间的界面，并不包括用户与工作机(执行机构)之间的界面，也不 包括数字控制系统与工作机之间的界面。换言之，工作机是排除在外的。 其原因在于，现有开放式数字控制系统将实时操作系统的管理机制与应变 机制当作一种普适的控制机制，采用插补迭代控制方法，从而形成了以实 时操作系统为中心的系统架构。现有开放式数字控制系统凌驾于工作机之 上，不是为工作机服务的，塞进了实时操作系统导致的插补周期、轮廓步 长等大量冗余信息，无法在数字控制系统与工作机之间构建一致性好的界 面。
在本发明中，用户程序用伺服型运动指令TR-hm描述坐标轴的轮廓运 动，用开关型运动指令SW-hm描述开关系统的开关逻辑，用状态指令ST-hm 描述系统运行状态与进行系统初始化。上述运动指令与自然语言中使用的 形式、以及数学中使用的形式保持相似的语义结构。伺服型运动指令 TR-hm、开关型运动指令SW-hm与状态指令ST-hm既是面向执行机构的， 又是面向用户的，是用户程序对工作机发出的控制请求，具有接近自然语 言的语义结构，是人机界面上控制信息的表示方式。
在人机界面层，用户使用的指令为状态指令ST-hm、伺服型运动指令 TR-hm、开关型运动指令SW-hm 。与之相对应，在控制程序层，DCFS 文件中的I/O分配程序使用的指令即工作机接收的控制指令为轨迹指令TR、开关指令SW与状态指令ST。而TR-hm与TR、 SW-hm与SW、 ST-h迈
与ST具有一致的语义结构。因此，本发明在用户与控制机之间、用户与工 作机之间、控制机与工作机之间，也就是在控制的全过程中构建了一致性 好的控制过程界面，包括用户与控制机之间的人机界面、用户与工作机之 间的人机界面、控制机与工作机之间的界面。
人机界面功能区HMC设置有创新窗口 PR与远程窗口 RM，多轴多参 数联动功能区MM设置有GRD窗口、 SFS窗口、 FRD窗口、 DCFS窗口。 用户自主开发生产数字控制信息的应用软件时可以通过点击各窗口进入。
在人机界面功能区
1) 、点击创新窗口 PR，用户创建自己的数值算法并生成同构/异构关联 数据流文件；
2) 、点击远程窗口RM，接收异地的同构/异构刀具路径文件或同构/异 构关联数据流文件。
在可编程逻辑控制功能区PLC:点击PLC窗口，生成开关控制流。 在多轴多参数联动功能区MM:
1) 、点击GRD窗口，选择适当的数值算法或所户自己创建的数值算法 生成多轴多参数关联数据流；
2) 、点击SFS窗口，设定网格标度，对关联数据流数据库中的所述多 轴多参数关联数据流进行相应标度的模拟仿真与调整优化；
3) 、点击FRD窗口，点击"特征表"，生成多轴多参数关联数据流的 特征值；点击"状态表"，生成多轴多参数关联数据流的状态值；点击"格 式化"，将多轴多参数关联数据流格式化；链接特征值与状态值；生成格式 化多轴多参数关联数据流分布矩阵；
4) 、点击DCFS窗口，生成文本文件；根据用户程序，生成DCFS文件。
采用上述数字控制信息制造系统产生DCFS文件包括以下步骤 步骤l、人机界面功能区接收用户程序；用户程序通过图形界面用伺服型运动指令TR-hin描述坐标轴的轮廓运动，用开关型运动指令SW-hm描述 开关系统的开关逻辑，用状态指令ST-hm描述系统运行状态与进行系统初 始化，且伺服型运动指令TR-hm、开关型运动指令SW-hm与状态指令ST-hm 既是面向执行机构的，又是面向用户的，是用户程序对工作机发出的控制 请求，具有接近自然语言的语义结构。
步骤2、根据用户程序，可编程逻辑控制功能区生成控制开关运动的开 关控制流。
步骤3、根据用户程序，关联数据流生成模块在正^/非正交离散坐标 系中生成多轴多参数关联数据流分布矩阵。
步骤4、关联数据流格式化模块将多轴多参数关联数据流分布矩阵格式 化，生成格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵。
步骤5、根据用户程序，数据控制流文件生成模块链接开关控制流，生 成开关指令SW;链接格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵，生成轨迹指 令TR;链接用户程序中指定的系统参数与系统运行状态，生成状态指令 ST。
步骤6、根据用户程序，数据控制流文件生成模块将开关指令SW、轨 迹指令TR和状态指令ST编译成I/O分配程序；状态指令ST用于控制坐 标轴的轮廓运动，开关型运动指令SW用于控制开关系统的开关逻辑，状 态指令ST用于进行系统初始化并控制系统运行状态；状态指令ST与用户 程序中的状态指令ST-hm具有一致的语义结构，轨迹指令TR与用户程序 中的伺服型运动指令TR-hm具有一致的语义结构，开关指令SW与用户程 序中的开关型运动指令SW-hm具有一致的语义结构。
步骤7、根据用户程序，数据控制流文件生成模块将I/0分配程序、格 式化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流编译成数据控制流文件 DCFS。
在OCM上制造出包含所有数字控制信息的DCFS文件后，可以通过 各种传输方式，如通过现场总线、或U盘、光盘等移动存储器、或无线接口将DCFS文件发送给可编程数据流控制器，可编程数据流控制器运行 DCFS文件中的I/O分配程序，将数字控制信息实时分配发送给执行机构的 智能驱动器和开关系统执行。这样可以实现数字控制信息的制造与数字控 制信息的使用在时空上的分离，为先进控制领域的进一步分工与合作提供 了广阔前途。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若 干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种数字控制信息制造系统，其特征在于包括硬件平台、软件平台和应用软件系统；所述硬件平台为PC机；所述软件平台为图形界面操作系统；所述应用软件系统包括人机界面功能区HMC、可编程逻辑控制功能区PLC、多轴多参数联动功能区MM以及系统数据库SD；所述人机界面功能区HMC用于接收用户程序；所述可编程逻辑控制功能区PLC用于生成控制开关运动的开关控制流；所述多轴多参数联动功能区MM用于生成数据控制流文件；所述系统数据库SD用于储存各种形式的相关数据。
2. 如权利要求1所述的数字控制信息制造系统，其特征还在于所述 应用软件系统建立在中间件之上，各功能区之间采用应用编程接口 API。
3. 如权利要求1所述的数字控制信息制造系统，其特征还在于所述 多轴多参数联动功能区MM包括关联数据流生成模块GRD，用于生成伺服控制的多轴多参数关联数据 流分布矩阵；关联数据流格式化模块FRD，用于将多轴多参数关联数据流分布矩阵 格式化；链接关联数据流的状态表；链接关联数据流的特征表；生成格式 化多轴多参数关联数据流分布矩阵；数据控制流文件生成模块DCFS，用于生成系统初始化与系统运行状态 的状态指令ST;链接所述开关控制流生成开关指令SW;链接所述格式化 多轴多参数关联数据流分布矩阵生成轨迹指令TR;根据用户程序将开关指 令SW、轨迹指令TR和状态指令ST编译成I/0分配程序；将I/0分配程 序、格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流编译成数据控制 流文件。
4. 如权利要求3所述的数字控制信息制造系统，其特征还在于所述 多轴多参数联动功能区MM还包括精细结构仿真模块SFS，所述精细结构仿真模块SFS用于对多轴多参数关联数据流分布矩阵进行设定标度的模拟 仿真与调整优化。
5. 如权利要求1所述的数字控制信息制造系统，其特征还在于所述系统数据库SD包括刀具路径文件库、DCFS文件库、关联数据流数据库、结构常数数据库、工艺参数数据库、系统参数数据库；所述刀具路径文件库，至少储存有零件的刀具路径文件； 所述关联数据流数据库，至少储存有刀具路径的关联数据流数据文件; 所述DCFS文件库，至少储存有零件的DCFS文件、关联数据流的特征表、关联数据流的状态表；所述结构常数数据库，至少储存有工作机轴间的包括不平行度、不垂直度在内的坐标系参数，以及工作机单轴的包括线位移误差、角位移误差、反向间隙在内的精细结构常数；所述工艺参数数据库，至少储存有与加工工艺有关的工艺参数； 所述系统参数数据库，至少储存有包括步进/非步进、进给当量、速度与加速度的上限、环境温度的上限在内的系统参数，以及智能驱动器的初始化参数、可编程数据流控制器的I/O接口的初始化参数。
6. 如权利要求5所述的数字控制信息制造系统，其特征还在于 所述关联数据流的特征表包括所述多轴多参数关联数据流分布矩阵的宏观信息，所述宏观信息包括所述多轴多参数关联数据流分布矩阵的维数 即联动坐标轴与联动工艺参数的个数信息、联动坐标轴与联动工艺参数的 代码信息、所述多轴多参数关联数据流的存储容量信息和存储地址信息、 所述开关控制流的存储容量信息和存储地址信息中的一个或多个信息；所述关联数据流的状态表包括每个数据流的微观信息，所述微观信息 包括每个数据流的发送与接收状态信息、传输速度信息、传输比特率信息、 传输比特数信息和传输起始时刻信息中的一个或多个信息。
7. —种数字控制信息的制造方法，其特征在于包括以下步骤-步骤l、人机界面功能区接收用户程序；步骤2、根据用户程序，可编程逻辑控制功能区生成控制开关运动的开 关控制流；步骤3、根据用户程序，多轴多参数联动功能区生成控制轮廓运动和工 艺参数的格式化多轴多参数数据流分布矩阵；步骤4、根据用户程序，多轴多参数联动功能区链接开关控制流和格式 化多轴多参数数据流分布矩阵，生成数据控制流文件。
8. 如权利要求7所述数字控制信息的制造方法，其特征还在于，所述 步骤3包括以下步骤步骤3-1、多轴多参数联动功能区的关联数据流生成模块生成多轴多参 数关联数据流分布矩阵；步骤3-2、多轴多参数联动功能区的关联数据流格式化模块将多轴多参 数关联数据流分布矩阵格式化，生成格式化多轴多参数关联数据流分布矩 阵。
9. 如权利要求8所述数字控制信息的制造方法，其特征还在于，所述 步骤3-1包括关联数据流生成模块在非正交离散坐标系中生成多轴多参数 关联数据流分布矩阵；所述非正交离散坐标系为轴的位移量为有理整数、 轴的运动方向不相互垂直的坐标系。
10. 如权利要求8所述数字控制信息的制造方法，其特征还在于，所述 步骤4包括以下步骤步骤4-1、多轴多参数联动功能区的数据控制流文件生成模块链接所述 开关控制流，生成开关指令SW;链接所述格式化多轴多参数关联数据流分 布矩阵，生成轨迹指令TR;链接用户程序中指定的系统参数与系统运行状 态，生成状态指令ST;步骤4-2、根据用户程序，所述数据控制流文件生成模块将所述开关指 令SW、所述轨迹指令TR和所述状态指令ST编译成I/O分配程序；步骤4-3、根据用户程序，所述数据控制流文件生成模块将I/O分配程 序、格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流编译成数据控制流文件。
11. 如权利要求10所述的数字控制信息的制造方法，其特征还在于-所述用户程序通过图形界面用伺服型运动指令TR-hm描述坐标轴的轮廓运动，用开关型运动指令SW-hm描述开关系统的开关逻辑，用状态指令 ST-hm描述系统运行状态与进行系统初始化；所述伺服型运动指令TR-hm、开关型运动指令SW-hm与状态指令 ST-hm既是面向执行机构的，又是面向用户的，是用户程序对工作机发出的 控制请求，具有接近自然语言的语义结构。
12. 如权利要求ll所述的数字控制信息的制造方法，其特征还在于 所述I/O分配程序用轨迹指令TR控制坐标轴的轮廓运动，用开关型运动指令SW控制开关系统的开关逻辑，用状态指令ST进行系统初始化并控 制系统运行状态；所述状态指令ST与用户程序中的状态指令ST-hm具有一致的语义结 构，所述轨迹指令TR与用户程序中的伺服型运动指令TR-hm具有一致的 语义结构，所述开关指令SW与用户程序中的开关型运动指令SW-hm具有 一致的语义结构。
13. —种用于数字控制的数据控制流文件，其特征在于，包括I/0分配 程序、格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵、开关控制流。
14. 如权利要求13所述的用于数字控制的数据控制流文件，其特征在于所述I/O分配程序由状态指令ST、轨迹指令TR与开关指令SW构成； 所述状态指令ST用于设定系统运行状态以及按照系统参数进行系统 初始化；所述轨迹指令TR链接所述格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵，用 于实时控制轴的轮廓运动；所述开关指令SW链接所述开关控制流，用于实时控制开关系统。
15. 如权利要求13所述的用于数字控制的数据控制流文件，其特征在于所述I/O分配程序由状态指令ST、轨迹指令TR与开关指令SW构成;所述轨迹指令TR包括所述格式化多轴多参数关联数据流分布矩阵在 存储器的存储地址，用于实时控制轴的轮廓运动；所述开关指令SW包括所述开关控制流在存储器的存储地址，用于实 时控制开关系统。
全文摘要
本发明公开了一种数字控制信息制造系统与方法及其数据控制流文件。本发明将数字控制信息标准化，采用接近自然语言的语义结构的表示方式实现数字控制信息的标准化生产。本发明支持用户的二次开发，为纳米级NURBS插值、拟合与逼近提供了一个技术创新平台。在正交/非正交离散坐标系的标架下，用户可以自主采用各种复杂的数值计算技术制造标准化的数字控制信息。本发明将数字控制信息标准化，将数字控制信息的制造过程标准化，从而催生一个新的IT产业——数字控制信息制造业。
文档编号G05B19/414GK101673106SQ20091019061
公开日2010年3月17日 申请日期2009年9月25日 优先权日2009年9月25日
发明者灏 江, 江俊逢 申请人:江俊逢;江 灏