开放结构数控系统网络化应用开发平台的构建
1．引言
数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化，柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放接口标准的模块形态。基于模块和组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一个模块都是一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理，应用方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。
数控技术是一个综合性很强的技术学科，涉及系统控制，工业设计，机械结构，变频调速，网络通讯，信号分析等范围很广和适用性很强的技术领域，这些技术原理在工科学校的机电一体化教学中都有涉及，但在应用实践上相对分散，目前只注重在数控操作技能上的能力培养，一系列的计算机辅助设计制造软件也都是针对于这一目标，缺少一个贯穿于整个数控技术领域中的开发应用环境，来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。
正是针对于这一数控技术培养模式的局限性，本文建立了一个针对于整个数控技术应用开发领域一体化实验平台，采用组件和模块的思想建立了一个集成的设计开发环境，实现从数控装备产品规划，方案选择，运动算法和人机交互等各个环节的教学实践活动，下面将从总体策略，结构特征，关键技术等几个方面给予阐述。
2系统组建策略
2.1数控系统的组成
在这里我们将一般数控系统的概念广义化，定义成由控制器，机械结构，伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。控制器就是我们通常所说的计算机数控系统，它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的运动控制功能，人机交互功能，数据管理功能和相关的辅助控制功能，是数控装备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控体系的中心模块。机械结构是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台，如数控机床系统中的铣床、车床和加工中心等机械部分；数控机器人系统中机械手和机械臂等。机械结构根据具体应用场合的不同，具体形态千差万别，但都可以按照运动学和动力学方法简化成运动机构的各种组合形式，这种组合越复杂其对控制器的能力要求就越高，同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制，同样一种机械结构可接受不同控制器的控制，这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的产品类型。伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道，它将控制器数字量的指令输出转换成各种形式的电机运动，带动机械结构上执行元件实现其所规划出来的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分，其任务实质是实现一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控制。在此基础上，随着开放式数控技术的出现，数控系统体系具备了自我扩展和自我维护的功能，这得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬件功能和性能的能力。因此，开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组成部分融入了数控系统体系结构中，并在深刻改变着传统数控系统的结构特征和应用方式。
2.2应用开发系统组成和功能规划
本文所建立的一体化数控系统应用开发平台，完成对上面四个组成环节的统一管理控制，系统规划，设计开发和仿真校验流程，其组成结构如图1所示。系统组成规划模块完成所需数控装备产品的单元组合，功能规划和性能规划；机械结构设计模块完成对机械执行机构的物理建模，动态性能仿真，实体造型，结构绘图和工艺设计；伺服单元控制模块完成伺服系统的选型，位置控制规划，速度调节规划；运动规划控制模块完成运动轨迹规划，插补算法设计和仿真，控制策略设计和仿真；人机交互管理模块完成人机交互界面的设计和实现，数据管理和通讯功能。
整个应用开发系统的每个模块都分为应用和开发两个部分：应用部分针对于现有的系统模式和控制方法，从熟悉、使用、理解角度出发通过相应的软硬件技术手段实现对现有技术资源和产品资源的消化吸收；开发部分在应用部分的基础上，针对应用中发现的问题和产生的创意，对数控系统体系的某些组成环节进行旨在提高其性能和丰富其功能个性化的二次开发并提供进行这种二次扩展的软硬件技术支持环境。
应用开发系统以硬件调试平台和集成开发软件两种形式组合展现，硬件部分主要包括典型特征的机械结构实体和伺服单元实体，以及控制器的硬件实体部分，主要是满足对硬件组成部分的扩展和对软件应用开发的效果体现；集成开发软件是个基于PC机系统的统一的资源管理配置和开发调试环境，满足从系统规划、控制策略、人机交互和扩展应用等各主要环节的开发过程。集成开发软件由多个功能单元组成，既包括内嵌的功能单元也包括可与第三方软件进行通讯和数据交换的接口，这使得系统软件的可以灵活的集成到别的软件中或将其他优秀的组件集成到统一的开发环境中。系统采用网络化分布式的模块组合形式，使得多个模块可以分散地工作在不同的平台上，而且通过计算机网络远程共享彼此的数据资源和相对集中的同一个硬件资源。
2.3应用开发系统构建策略
应用开卡系统的构建始终遵循应用与开发紧密结合的原则，按照层次化教学的思路，从软件和硬件两个方面来规划实现 《开放结构数控系统网络化应用开发平台的构建》
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数控技术作为未来先进制造技术的核心内容之一，正在朝着开放化，网络化，柔性化和智能化方向发展，数控装备产品的设计制造和应用开发都日益显示出基于开放接口标准的模块形态。基于模块和组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一个模块都是一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理，应用方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和性能指标都体现数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完善的数控装备产品。
数控技术是一个综合性很强的技术学科，涉及系统控制，工业设计，机械结构，变频调速，网络通讯，信号分析等范围很广和适用性很强的技术领域，这些技术原理在工科学校的机电一体化教学中都有涉及，但在应用实践上相对分散，目前只注重在数控操作技能上的能力培养，一系列的计算机辅助设计制造软件也都是针对于这一目标，缺少一个贯穿于整个数控技术领域中的开发应用环境，来从系统规划的高度和应用开发的层面来实施数控技术能力素质培养的目标。
正是针对于这一数控技术培养模式的局限性，本文建立了一个针对于整个数控技术应用开发领域一体化实验平台，采用组件和模块的思想建立了一个集成的设计开发环境，实现从数控装备产品规划，方案选择，运动算法和人机交互等各个环节的教学实践活动，下面将从总体策略，结构特征，关键技术等几个方面给予阐述。
2系统组建策略
2.1数控系统的组成
在这里我们将一般数控系统的概念广义化，定义成由控制器，机械结构，伺服单元等三个主要部分组成的产品模式。控制器就是我们通常所说的计算机数控系统，它由专用或通用计算机硬件加上系统软件和应用软件组成，完成数控装备的运动控制功能，人机交互功能，数据管理功能和相关的辅助控制功能，是数控装备功能实现和性能保证的核心组成部分，是整个数控体系的中心模块。机械结构是展现控制器运动控制功能的执行机构和机械平台，如数控机床系统中的铣床、车床和加工中心等机械部分；数控机器人系统中机械手和机械臂等。机械结构根据具体应用场合的不同，具体形态千差万别，但都可以按照运动学和动力学方法简化成运动机构的各种组合形式，这种组合越复杂其对控制器的能力要求就越高，同一种控制器可以完成对不同机械结构的控制，同样一种机械结构可接受不同控制器的控制，这说明机械部分和控制器组合起来可形成形式多样的产品类型。伺服单元是连接控制器和机械结构的控制传输通道，它将控制器数字量的指令输出转换成各种形式的电机运动，带动机械结构上执行元件实现其所规划出来的运动轨迹。伺服系统包括驱动放大器和电机两个主要部分，其任务实质是实现一系列数模或模数之间的信号转化，表现形式就是位置控制和速度控制。在此基础上，随着开放式数控技术的出现，数控系统体系具备了自我扩展和自我维护的功能，这得益于各种二次开发手段提供了自由完善和自定义系统软硬件功能和性能的能力。因此，开放数控所特有的二次开发平台也作为一个新的组成部分融入了数控系统体系结构中，并在深刻改变着传统数控系统的结构特征和应用方式。
2.2应用开发系统组成和功能规划
本文所建立的一体化数控系统应用开发平台，完成对上面四个组成环节的统一管理控制，系统规划，设计开发和仿真校验流程，其组成结构如图1所示。系统组成规划模块完成所需数控装备产品的单元组合，功能规划和性能规划；机械结构设计模块完成对机械执行机构的物理建模，动态性能仿真，实体造型，结构绘图和工艺设计；伺服单元控制模块完成伺服系统的选型，位置控制规划，速度调节规划；运动规划控制模块完成运动轨迹规划，插补算法设计和仿真，控制策略设计和仿真；人机交互管理模块完成人机交互界面的设计和实现，数据管理和通讯功能。
整个应用开发系统的每个模块都分为应用和开发两个部分：应用部分针对于现有的系统模式和控制方法，从熟悉、使用、理解角度出发通过相应的软硬件技术手段实现对现有技术资源和产品资源的消化吸收；开发部分在应用部分的基础上，针对应用中发现的问题和产生的创意，对数控系统体系的某些组成环节进行旨在提高其性能和丰富其功能个性化的二次开发并提供进行这种二次扩展的软硬件技术支持环境。
应用开发系统以硬件调试平台和集成开发软件两种形式组合展现，硬件部分主要包括典型特征的机械结构实体和伺服单元实体，以及控制器的硬件实体部分，主要是满足对硬件组成部分的扩展和对软件应用开发的效果体现；集成开发软件是个基于PC机系统的统一的资源管理配置和开发调试环境，满足从系统规划、控制策略、人机交互和扩展应用等各主要环节的开发过程。集成开发软件由多个功能单元组成，既包括内嵌的功能单元也包括可与第三方软件进行通讯和数据交换的接口，这使得系统软件的可以灵活的集成到别的软件中或将其他优秀的组件集成到统一的开发环境中。系统采用网络化分布式的模块组合形式，使得多个模块可以分散地工作在不同的平台上，而且通过计算机网络远程共享彼此的数据资源和相对集中的同一个硬件资源。
2.3应用开发系统构建策略
应用开卡系统的构建始终遵循应用与开发紧密结合的原则，按照层次化教学的思路，从软件和硬件两个方面来规划实现 《开放结构数控系统网络化应用开发平台的构建》
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