基于RTLinux的数控系统软件开发
摘要
本课题是在基于RTLinux的数控系统基本框架初步实现的基础上进行的。因此，作者的主要工作是：评述国内外数控技术的发展趋势，完善数控系统的基本框架，并在此基础上，开发数控系统的其它功能模块。
本文着重就以下几个方面的内容进行深入研究和探讨：
(1)完善数控系统的基本框架。开放式数控系统的硬件平台是PC，软件平台一般是DOS和Windows。本文通过分析指出DOS和Windows都存在着不足之处，而RTLinux是实时性较高的免费操作系统，是开发数控系统较为理想的软件平台。完善了数控系统的插补、位控等模块，简明扼要地介绍了本数控系统的软件框架。
(2)数控系统误差补偿的理论研究和实现。本文在传统刀具长度补偿算法的基础上，论述了采用软件实现刀具长度补偿的方法。根据传统刀具半径补偿算法，总结出了一套直接适合于软件编程的公式，成功应用于本数控系统。将传统的等螺距误差补偿与机床使用情况相结合，提出并采用软件方法实现弹性螺距误差补偿。同时，阐述了实现齿隙误差补偿的软件方法，并采用软件方法加以实现。
(3)数控系统加减速控制的理论研究和实现。本文创新性地提出了一种新的加减速控制算法，阐述了该算法的基本原理及实现过程。
(4)软件PLC系统开发。一般来说，数控系统采用硬PLC实现机床的开关量控制，但是硬PLC通用性差，且价格比较贵。本文充分利用数控系统的软硬件平台所提供的资源，提出了利用这些资源开发软PLC系统的技术，阐述了开发软PLC系统的基本方法，并成功地开发了一套软PLC系统。
(5)网络功能开发。目前，数控系统一般不具有网络功能或只有很有限的网络功能，比如传输NC程序。本文提出了利用PC软件资源实现数控系统网络功能的网络编程思想，阐述了实现数控系统网络功能的基本方法，并成功地开发了数控系统的远程控制功能和文件传输功能。
(6)数据交换功能开发。本文创新性地提出了使数控机床集测量与加工功能于一体的思想，并实现了数据交换功能，使数控系统可与CAD／CAM系统之间进行数据交换。
Based on the previous achievements on developing a RTLinux-based CNC system, the thesis focuses on the overview of the development trending of CNC technology, the completeness of the frame of the RTLinux-based CNC system and the development of some associated modules.
Some key issues of the development of the CNC system are addressed and investigated deep in detail, as follows:
(1) To complete the frame of RTLinux-based CNC system. Due to the inherent disadvantages of DOS and Windows, a new concept of CNC system based on a free and real time operating system, RTLinux is introduced and a platform is developed. Moreover, some modules such as interpolation and position control modules have been completed in the environment of this platform.
(2) Theoretical research and implementation of the CNC system error compensation. In the thesis, the software-based method for tpol length compensation is addressed, and some programmable formulas for tool radius compensation are summarized and used in the CNC system. A new software-based method for flexible thread pitch error compensation is proposed, considering the traditional equi-thread pitch error compensation and the usage of the CNC machine tools. Meantime, an algorithm to the error compensation of the tooth clearance is implemented.
(3) Theoretical research and implementation of the speed-up and speed-down control in CNC system. An innovative algorithm of speed-up and speed-down control is proposed and implemented in detail.
(4) The development of soft-PLC. Generally speaking, hard-PLC is used for control of machine tools' switch control in CNC systems, with the result of a poor universality and expensive price. The concept of soft-PLC is proposed to overcome the limits. Moreover, a soft-PLC system is developed.
(5) To extend wed-based CNC technology. Up to now, CNC systems don't have or only has a little function of network, such as transferring NC file. With the development of IT, developer of PC-based CNC systems can easily develop function of network using PC's hardware and software resources. Network function is very important to CNC systems. For example, remote control is so convenient to maintain CNC systems that manufacturers can economize cost. A network programming idea of CNC is proposed and a module implementing remote control and file transferring is developed.
(6) The development of data exchanging. The new idea of integrating the measurement and machining of CNC machine tools is proposed. In order to exchange data between CNC system and CAD/CAM system, a module of data exchanging is developed.
本文着重就以下几个方面的内容进行深入研究和探讨：
(1)完善数控系统的基本框架。开放式数控系统的硬件平台是PC，软件平台一般是DOS和Windows。本文通过分析指出DOS和Windows都存在着不足之处，而RTLinux是实时性较高的免费操作系统，是开发数控系统较为理想的软件平台。完善了数控系统的插补、位控等模块，简明扼要地介绍了本数控系统的软件框架。
(2)数控系统误差补偿的理论研究和实现。本文在传统刀具长度补偿算法的基础上，论述了采用软件实现刀具长度补偿的方法。根据传统刀具半径补偿算法，总结出了一套直接适合于软件编程的公式，成功应用于本数控系统。将传统的等螺距误差补偿与机床使用情况相结合，提出并采用软件方法实现弹性螺距误差补偿。同时，阐述了实现齿隙误差补偿的软件方法，并采用软件方法加以实现。
(3)数控系统加减速控制的理论研究和实现。本文创新性地提出了一种新的加减速控制算法，阐述了该算法的基本原理及实现过程。
(4)软件PLC系统开发。一般来说，数控系统采用硬PLC实现机床的开关量控制，但是硬PLC通用性差，且价格比较贵。本文充分利用数控系统的软硬件平台所提供的资源，提出了利用这些资源开发软PLC系统的技术，阐述了开发软PLC系统的基本方法，并成功地开发了一套软PLC系统。
(5)网络功能开发。目前，数控系统一般不具有网络功能或只有很有限的网络功能，比如传输NC程序。本文提出了利用PC软件资源实现数控系统网络功能的网络编程思想，阐述了实现数控系统网络功能的基本方法，并成功地开发了数控系统的远程控制功能和文件传输功能。
(6)数据交换功能开发。本文创新性地提出了使数控机床集测量与加工功能于一体的思想，并实现了数据交换功能，使数控系统可与CAD／CAM系统之间进行数据交换。
Based on the previous achievements on developing a RTLinux-based CNC system, the thesis focuses on the overview of the development trending of CNC technology, the completeness of the frame of the RTLinux-based CNC system and the development of some associated modules.
Some key issues of the development of the CNC system are addressed and investigated deep in detail, as follows:
(1) To complete the frame of RTLinux-based CNC system. Due to the inherent disadvantages of DOS and Windows, a new concept of CNC system based on a free and real time operating system, RTLinux is introduced and a platform is developed. Moreover, some modules such as interpolation and position control modules have been completed in the environment of this platform.
(2) Theoretical research and implementation of the CNC system error compensation. In the thesis, the software-based method for tpol length compensation is addressed, and some programmable formulas for tool radius compensation are summarized and used in the CNC system. A new software-based method for flexible thread pitch error compensation is proposed, considering the traditional equi-thread pitch error compensation and the usage of the CNC machine tools. Meantime, an algorithm to the error compensation of the tooth clearance is implemented.
(3) Theoretical research and implementation of the speed-up and speed-down control in CNC system. An innovative algorithm of speed-up and speed-down control is proposed and implemented in detail.
(4) The development of soft-PLC. Generally speaking, hard-PLC is used for control of machine tools' switch control in CNC systems, with the result of a poor universality and expensive price. The concept of soft-PLC is proposed to overcome the limits. Moreover, a soft-PLC system is developed.
(5) To extend wed-based CNC technology. Up to now, CNC systems don't have or only has a little function of network, such as transferring NC file. With the development of IT, developer of PC-based CNC systems can easily develop function of network using PC's hardware and software resources. Network function is very important to CNC systems. For example, remote control is so convenient to maintain CNC systems that manufacturers can economize cost. A network programming idea of CNC is proposed and a module implementing remote control and file transferring is developed.
(6) The development of data exchanging. The new idea of integrating the measurement and machining of CNC machine tools is proposed. In order to exchange data between CNC system and CAD/CAM system, a module of data exchanging is developed.
引文
1．毕承恩、丁乃建等编著，现代数控机床，北京：机械工业出版社，1991
2．王润孝、秦现生编著，机床数控原理与系统(第2版)，西安：西北工业大学出版社，1997
3．杜君文、邓广敏、刘又午，数控技术，天津：天津大学出版社，2002
4．叶伯生、朱志红、熊清平，计算机数控系统原理、编程与操作，武汉：华中理工大学出版社，1999
5．王爱玲、张吉堂、吴雁编著，现代数控原理及控制系统，北京：国防工业出版社，2002
6. Pritschow G, Wurst K H, Systematic design of Hexapods and other parallel link systems, Annals of the CIRP, 1997, 46 (1): 291～295
7. Altintas Y, Munasinghe W K, A hierarchical open-architecture CNC system for machine tools, Annals of the CIRP, 1994, 43 (1): 349～354
8. Altintas Y, Erol N A, Open architecture modular tool kit for motion and machining process control, Annals of the CIRP, 1998, 47 (1): 295～300
9. Koren, Y, Peng J, Design and analysis of a modular CNC system, Computers in Industry, 1990, 13 (4): 305～316
10. Mitsushi M, Nagao T, Okabe H, Hashiguchi M, Tanaka K, An open architecture CNC CAD/CAM maching system with data-base sharing and mutual information feedback, Annals of the CIRP, 1997, 46 (1): 269～274
11．刘雄伟等编著，数控加工理论与编程技术(第2版)，北京：机械工业出版社，2000
12．张纪文，如何用好加工中心刀具长度补偿功能，制造技术与机床，2001，(2)：30～31
13．冯勇、倪仁男、冉树成，CNC系统刀具补偿研究(一)，制造技术与机床，1995，(1)：12～13
14．冯勇、倪仁男、冉树成，CNC系统刀具补偿研究(二)，制造技术与机床，1995，(2)：11～14
15．黄杰、陈幼平、周祖德，数控铣床CNC系统刀具补偿模块的软件化，电子机械工程，1999，(2)：41～43
16．熊矢，准双曲面齿轮小轮刀盘刀尖半径的精确计算，机械，2000，27：93～94
17．刘西京，采用间隙误差补偿与螺距误差补偿改善机床最终数控精度，机械研究与应用，2001，14(3)：6～7
18．王宏涛、赵传萍、赵雪冬等，滚丝杆螺距误差补偿法提高数控机床定位精度的研究，航空精密制造技术，2001，37(5)：2～4
19．樊留群、罗建军、姜迪刚等，螺距误差弹性化补偿，制造技术与机床，1997，(5)：10～12
20．肖乃宽，数控设备丝杆齿轮间隙及螺距误差补偿，机床电器，2001，(6)：12～13
21．宋玉明，数控机床螺距误差及反向间隙补偿的测定，精密制造与自动化，2001，(3)：42～43
22．钟伟弘、关保国，单片机控制的误差补偿系统，制造技术与机床，1998，(5)：
16～18
23．吴海、于锡纯、徐心和，高档数控机床伺服系统误差源研究，东北大学学报，1998，19(4)：367～369
24．刘丽冰、刘又午、赵小松等，加工中心在线检测误差补偿技术研究，中国机械工程，2000，11(3)：313～316
25．侯志坚、刘凤同，减小车削螺距误差的几点措施，制造技术与机床，1995，(4)：20
26．郑道昌，交流伺服系统的位置精度和误差原因，浙江水产学报，1996,15(4)：36～37
27．刘又午、刘丽冰、赵小松等，数控机床误差补偿技术研究，中国机械工程，1998，9(12)：48～52
28．周克新、刘冬春，螺距误差的测量，计量技术，1999，5：21～22
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30．刘又午、章青、王国锋等，数控机床误差补偿技术及应用，制造技术与机床，1998，(12)：5
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33．王一丁、张国雄、楚晓华等，数控加工中心的位置误差补偿模型，计量学报，1995，18(3)：200～205
34．李富尘、刘陆群、吕战争等，数控机床闭环控制系统的螺距误差补偿，洛阳工学院院报，2002，23(3)：34～36
35．周凯、陆启建，数控机床的柔性加减速控制，组合机床与自动化加工技术，1999，(8)：39～41
36．李峰，数控系统步进电机加减速控制原理及应用，自动化与仪表，2000，(3)：61～62
37．王彦增，步进电机速度控制的软件设计方法，机械与电子，1994，(2)；40～41
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39．郭玉平、顾仰，增量运动的加减速策略研究，微特电机，1997，(2)：6～7
40．全球PLC市场动向，航空精密制造技术，1999，35(5)：46
41．付应红、李晓帆、项进解，软PLC(SoftPLC)技术、产品及控制方案探讨，微计算机信息，2000，16(5)：27～29
42．马新红、高玉平，西门子PLC应用，大氮肥，2000，23(4)：259～261
43．SIMATIC S7—200可编程序控制器系统手册，2000
44．Herrin G.E. Dos platforms in CNCs. Morder Machne Shop,1991,64(2)
45．张昆苍编著，操作系统原理DOS篇，北京：清华大学出版社，1994
46．陈家新、彭丁嵩，DOS环境下实时多任务调度策略的实现，计算机应用，2000，20(3)：45～47
47．谢明红、蔡伯阳、朱国力等，基于Windows平台的CNC实时多任务设计，机械与电子，2000，(1)：36～37
48．王建滨、马培荪、李旗号，Windows95平台下的铣床数控系统，制造技术与
机床，2000，(4)：21～22
49．阳代平、陈幼平、周祖德等，Windows95／NT环境下的数控系统驱动程序的研究与开发，机械与电子，1995，(5)：8～205
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52. Internet: http://www.FSMLabs.com
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59. IMTS'S 90 Preview, Manufacturing Engineering, 1990, 105 (2) : 2～13
60．怀石工作室，LINUX上的C编程，北京：中国电力出版社，2000
61．廖效果、朱启逑，数字控制机床，武汉：华中理工大学出版社，1992
62．上海市职业技术教育课程改革与教材建设委员会，数控机床控制技术与系统．北京：机械工业出版社，2001
63．焦振学主编，微机数控技术，北京：北京理工大学出版社，2001
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66．蔡悦华、王恒奎、廖德刚等，一种基于主从控制的经济型数控系统，机电工程，2000，17(1)：40～42
67．刘锦德、刘崇伟，Linux操作系统纵览，计算机应用，2000，(3)
68．王广炎、赵建东、帅梅等，五轴联动数控系统的开放化设计，组合机床与自动化加工技术，2000，(2)：19～22
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2．王润孝、秦现生编著，机床数控原理与系统(第2版)，西安：西北工业大学出版社，1997
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62．上海市职业技术教育课程改革与教材建设委员会，数控机床控制技术与系统．北京：机械工业出版社，2001
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66．蔡悦华、王恒奎、廖德刚等，一种基于主从控制的经济型数控系统，机电工程，2000，17(1)：40～42
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