专利名称：一种可重构数控系统、重构方法
技术领域：
本发明属先进控制与先进制造领域，具体涉及一种基于PC的、全方位开放的、标准化的可重构数控系统及其重构方法，以适应可重构制造系统对数字控制系统的要求。
背景技术：
可重构制造系统是先进制造的研究前沿，是未来制造系统的发展方向。1998年， 美国国家研究委员会发表了 “2020年制造业面临的挑战”的研究报告，将可重构制造系统列为10大关键技术的第一位。对可重构制造系统具有决定性意义的是可重构机床 RMT(Reconfigurable Machine Tools)。十余年来，数字信息技术突飞猛进，可重构机床毫无进展，其原因在于可重构机床必须建立在可重构数控系统的基础上。没有可重构数控系统，可重构机床则成无米之炊。数控系统的可重构性成为可重构制造系统中亟待解决的关键技术。可重构数控系统应该是一种开放式数字控制系统，这是本领域的共识。自从1952年美国MIT研制出第一台电子管数控系统以来，历经晶体管、集成电路、 小型计算机、微型计算机之后，数控系统于上世纪八十年代发展为基于PC的开放式数控系统，产生了现有开放式数控系统的三种模式PC嵌入NC模式、NC嵌入PC模式、软开放式模式。NC嵌入PC模式的所谓基于运动控制器的开放式数控系统成为现有开放式数控系统的主流，运动控制器成为一个高新技术产业并风靡全球。开放式运动控制器在美国被誉为新一代的工业控制器，在日本被认为是将来的第三次工业革命。IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers,电气电子工禾呈师协会)关于开放式数控系统的定义为“符合系统规范的应用系统可以运行在多个销售商的不同平台上，可以与其它系统的应用进行互操作，并且具有一致风格的用户交互界面。”中国国家标准《GB/T 18759. 1-2002 ·机械电气设备·开放式数控系统 第1部分总则》抓住IEEE定义的本质并遵循IEEE定义的基本原则，在3. 1款中直截了当将开放性定义为应用软件的“即插即用”，将开放式数控系统定义为“指应用软件构筑于遵循公开性、可扩展性、兼容性原则的系统平台之上的数控系统，使应用软件具备可移植性、互操作性和人机界面的一致性。”开放式体系结构是实现高性能、智能化数字控制的关键技术。然而，近三十年来， 在IEEE定义的误导下，正如文献《高性能运动控制在数控系统中的应用综述》(载《信息与控制》，2003年第3期，中国自动化学会和中国科学院沈阳自动化研究所联合主办，作者王军平，王安，敬忠良，陈全世)所指出的，“开放式体系结构还没有统一、明确的概念内涵，系统实现技术还处于百家争鸣时代”，“开放式体系结构的研究还处于初期阶段”。从信息论的角度来看，数控系统只是将压缩在刀路曲线与进给速度中的数字控制信息解压。在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，插补迭代控制方法就是数字控制信息的一种解压方法。
插补迭代控制方法的基本技术方案是，对于给定的刀路(Tool Path)曲线与刀具的进给速度，在实时操作系统的控制下，以插补周期为分时周期，采用插补迭代算法实时计算相关坐标轴的数字控制信息，并实时分配发送给伺服驱动装置执行，以控制机械系统之间的确定性运动关系。在每个插补周期中，由插补所生成的数字控制信息，一方面立即实时分配发送给伺服驱动装置执行，另一方面又作为下一个插补周期的输入进行迭代以生成下一个数字控制信息，从而构成数字控制信息的实时迭代。跟随插补周期的节拍，数字控制信息不断地生成、分配、发送、执行，从而又以过程迭代的方式周而复始，构成控制过程的实时迭代。发明人发现，基于IEEE定义的现有开放式数控系统没有可重构性的基本原因有四点第一、平台相关性所谓平台无关性一般指的是应用软件可以在多个不同品种的CPU上运行以及多个操作系统上运行。前者为硬件平台无关性，后者为软件平台无关性。中国国家标准《GB/T 18759. 1-2002 ·机械电气设备·开放式数控系统 第1部分总则》将开放式数控系统的基本体系结构分为应用软件和系统平台，系统平台由硬件平台与软件平台组成。所谓硬件平台，是软件平台和应用软件运行的基础部件，处于基本体系结构的最底层；所谓软件平台，是应用软件运行的基础部件，处于基本体系结构的硬件平台和应用软件之间。所谓NC核心软件则是应用软件中的基础软件，也就是涉及运动控制、轴控制和运动控制管理的应用软件模块。为叙述的简便，将NC核心软件简称为数控应用软件。软件平台一般包括操作系统、图形系统及应用编程接口 APT，其中核心是实时操作系统。从计算机与计算机应用的发展历史来看，采用分时运行多个用户程序的多任务操作系统是一个划时代的进展。然而，在本质上，多任务操作系统只是为适应内部与外部资源的管理以及内部与外部的环境变化而构建的一种内外资源的管理机制以及响应内外环境变化的应变机制。在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，插补迭代控制方法将实时操作系统的管理机制与应变机制转变为一种普适的控制机制，实时操作系统便成为进行实时插补迭代以生成数字控制信息的实时控制中心，现有数控系统形成了以实时操作系统为中心的系统架构。插补迭代控制算法的运算规则与实时操作系统的任务调度规则紧密耦合在一起构成一种实时的数字控制方法，即插补迭代控制方法。插补迭代控制方法贯穿于数字控制技术与数控系统的全部历史，创建了数控系统的“插补时代”。。在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，插补迭代控制算法作为数字控制信息的一种解压方法，必须在实时操作系统的控制下实时地进行插补计算。实时操作系统具有高精度计时功能、多级中断嵌套处理机制与实时调度机制，其核心是进程调度与线程调度。实时性将进程调度与线程调度复杂化。并行算法又将进程调度与线程调度进一步复杂化。与机器指令级流水线的并发性和处理器级进程的并发性相比，线程的并发性所面临的不确定性极为复杂。进程与线程，再加上并行算法，导致实时操作系统的高度复杂化以及数控应用软件的高度复杂化。对于高速高精度的多轴系统，数控应用软件势必成为采用并行算法、涉及多进程/多线程嵌套调用以及多重实时嵌套中断的一个庞大而复杂的中断系统。问题在于，一旦运动速度提高、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长，从而需要更多位数更高速度的CPU、更多位数更强实时性的实时操作系统、更优化的实时调度能力、以及更先进的插补迭代控制算法。问题还在于，为了研发那个庞大而复杂的中断系统，既要精通数字控制技术，又要精通计算机软硬体系结构，还要精通并行算法与多线程编程。这就意味着，数控应用软件成为所谓的专家型系统，即只有精通上述技术的复合型专家才能研发的系统，用户无法进行二次开发，从而完全丧失了开放性。因此，基于IEEE定义的开放式现有数控系统完全“被计算机化”，在体系结构上， 实质上成为需要配置实时操作系统的通用计算机系统，数控应用软件只是其中的一个专用应用系统，其开放性只能定义为数控应用软件的“即插即用”。由此可见，在本质上，基于IEEE定义的现有开放式数控系统并不具有平台无关性，而是相反，具有平台相关性，对于高速高精度的多轴系统来说，更是平台强相关性。基于IEEE定义的现有开放式数控系统既然具有平台强相关性，在本质上便失去了重构的基础。第二、实时控制过程不具有可重构性在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，实时控制过程既是数字控制信息的迭代过程又是实时控制过程的迭代过程，与插补迭代控制算法密不可分，高速高精度的插补迭代算法自然成为现有数控技术中的核心技术。故而，日本的OSEC计划(Open System Environment for Controller)认为，没有先进的控制算法的开放式数控系统只是进化性的、不是理想的和革命性的。在体系结构上，基于IEEE定义的现有开放式数控系统被划分为系统平台和应用软件两大部分，应用软件进而划分为人机控制层和运动控制层。运动控制层是数控系统完成实时控制过程的内核，由一些标准组件构成。显然，这是一种面向应用软件配置的体系结构。这就意味着，基于IEEE定义的现有开放式数控系统是面向对象而不是面向过程的。数字控制系统的核心问题是实时控制刀路曲线。相应于机械系统的重构，刀路曲线的实时控制过程必然需要重构。在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，对于不同的刀路曲线，例如，直线、圆弧、抛物线、渐开线、NURBS曲线等，必须研发相应的插补迭代算法并在数控应用软件中配置相应的实时控制模块。因此，相应于机械系统的重构，实时控制过程的重构必然涉及实时控制模块的修改，或替换、增加实时控制模块。舍此之外，再无其他技术手段。显然，这与数字控制系统可重构性的内涵相距甚远。发明人发现，对于数字控制来说，过程比对象更具本质特征。数字控制系统中的数字控制是一个过程，而不是对象。然而，基于IEEE定义的现有开放式数控系统是面向对象而不是面向过程的。在插补迭代控制方法中，实时控制过程就是插补周期控制下的坐标值增量的生成过程、分配过程、发送过程、执行过程的周而复始。因而，实时控制过程与刀路曲线的几何特征、加工过程的工艺特征、机械系统的运动学/动力学特征等密不可分，与CPU的位数、运算速度等硬件平台密不可分，与实时操作系统等软件平台密不可分，与插补迭代算法密不可分。这就从根本上限制了实时控制过程的重构。换言之，在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，刀路曲线的实时控制过程无法开放，不具有可重构性。第三、通信周期为系统参数网络化是先进制造技术的重要技术特征。中国国家标准“GB/T 18759. 1-2002 机械电气设备 开放式数控系统 第1部分 总则·5. 2. 4. 2”规定，外部通信应符合有关的国家标准或国际标准，内部通信应符合ISO标准通信模型。外部通信用于数控系统与车间管理网之间，其按口可称为网络接口，例如工业以太网接口或其他现场总线(Field bus)。继而，对于内部通信接口，中国国家标准《GB/T 18759.3-2009.机械电气设备.开放式数控系统.第3部分总线接口与通信协议》以IS0/0SI开放系统互联参考模型为基础， 规范了一种现场总线，称之为“开放式数控系统总线”，用于连接“数控装置、伺服驱动装置、 主轴驱动装置、传感器装置、I/O装置”，以实现这些“装置间的数字式、双向、多点的通信”， 并满足系统对周期性、实时性、同步、可靠性、安全性、开放性等方面的要求。另一种数控系统现场总线标准《机床数控系统NCUC-Bus现场总线协议规范(草案)》的草案已公开、也以 IS0/0SI开放系统互联参考模型为基础。众所周知，IS0/0SI开放系统互联参考模型是针对计算机网络之间的通信模型。所述现场总线标准对总线体系结构进行了简化，主要由物理层、数据链路层与应用层构成。所述现场总线导致通信周期成为另一个系统参数，通信协议的实时性、数据表示的兼容性等一系列问题导致内部通信高度复杂化与高成本。相应于机械系统的重构，实时控制过程中的数字控制信息的数据格式，包括进给当量(纳米或微米)、数据的字节数等都将发生变化。在所述现场总线中必须制定用户层通信协议，对开放式数控系统内部的数据交换中的数据格式、时序关系和纠错方式予以规范。 因而，与实时操作系统中的插补周期类似，现场总线中的通信周期反而成为制约数字控制系统可重构性的因素。对于可重构数控系统来说，为此必须耗费大量计算资源用于支持各类现场总线 (例如 CAN、Profibus、Sercos 等)。第四、编程接口与人机界面的一致性在基于IEEE定义的开放式现有数控系统中，采用G代码标准作为数控加工程序的编程接口。上世纪50年代纸带作为输入的基本物理介质时，为规范在纸带上表示字符，制定了纸带穿孔的编码标准，即G代码标准。G代码标准是信息技术起步阶段的原始产物，受纸带的限制不可避免地存在信息量过少的缺陷。各个厂商因而对G代码都进行了基本语义之外的扩张，导致G代码程序与相应硬件的依赖，数控加工程序在不同的数控系统之间不具有互换性，造成各种数控系统互不兼容。因而，作为编程接口，G代码标准不具备人机界面的一致性，成为数控技术进一步发展的瓶颈之一，也制约了数字控制系统的开放性与可重构性。上述四个方面的问题导致基于IEEE定义的现有开放式数控系统只有三种技术方案来解决数字控制系统的开放性。其一是研发更多位数、更高速度的CPU与更多位数、实时性更强的实时操作系统。例如，2009年，中国国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项计划将64位CPU、 64位实时操作系统、以及插补周期达到0. 125ms的多轴联动数控系统列为关键技术。其二是研发更先进的插补迭代控制算法。例如，日本在OSEC计划推动下，研发出用于运动控制器的64位超高速芯片与NURBS插补迭代控制算法。其三是研发基于超高速处理器与实时操作系统的全软开放式数控系统。所谓全软开放式数控系统，形象地说，就是在实时操作系统支持下将数字控制系统完全PC化。显然，上述三种技术方案都依赖实时操作系统，刀路曲线的实时控制过程无法开放。一个严峻的事实是，在基于IEEE定义的现有开放式数控系统中，相应于机械系统的重构，特别是相应于高速高精度多轴系统的重构，无论是NC嵌入PC模式还是软开放式模式， 都不能解决上述四个方面的问题，特别是，都不能解决实时控制过程的可重构性，只能重新研发那个庞大而复杂的中断系统。因此，中国国家标准“GB/T 18759. 1-2002 ·机械电气设备·开放式数控系统·第 1部分总则”未对数控系统的可重构性进行技术界定，也未对可重构数控系统作任何说明， 仅在4. 5. 2款中将可重构性列为开放式数控系统中有待实现的最高层次而已。换言之，对基于IEEE定义的现有开放式数控系统来说，可重构性只是一个美妙的设想。发明人发现，IEEE关于开放式数控系统的定义是阻碍可重构数控系统发展的根本原因，其首要因素是IEEE定义所产生的控制观念。在观念上，必须对现有数字控制技术进行变革，树立以工作机为中心的控制观念。数控系统是为工作机服务的，其任务只是为工作机制造数字控制信息即多维关联数据流，所述多维关联数据流不能夹带工作机不需要的插补周期、通信周期、轮廓步长等冗余信息。对于数字控制来说，过程比对象更具本质特征。数控系统中的数字控制是一个过程，而不是对象。IEEE定义下的现有数控系统的体系结构，与历史上天文学中地心说的托勒密体系结构类似，均缘于观念的错误。发明人进而发现，IEEE定义存在三个原则性错误。IEEE定义的第一个原则性错误是，在控制观念上，IEEE定义将数控系统定位为控制工作机的实时指挥中心，没有关联数据流的概念。IEEE定义的第二个原则性错误是，在体系结构上，IEEE定义忽视了数字控制的过程本质，面向对象而不是面向过程，没有控制流程的概念，将数控系统定义为一种需要配置实时操作系统的通用计算机系统。IEEE定义的第三个原则性错误是，在控制方法上，IEEE定义忽视了插补迭代控制算法只是数字控制信息的一种解压方法，从而将实时操作系统的内外资源的管理机制以及响应内外环境变化的应变机制视为一种普适的控制机制，将插补迭代控制算法的运算规则与实时操作系统的任务调度规则紧密耦合在一起构成一种实时控制方法。因此，IEEE定义必然产生下述问题1)、一切事物都处于过程之中，都要遍历产生、发展、消亡等阶段并演化出层次结构。在过程的不同层次中事物演化出的结构便成为对象。一切对象都在过程中实现其功能。对象只是关于事物在特定层次结构的一种人为抽象，过程则是事物在不同层次结构中实际运动的动态行为。IEEE定义完全忽视了数字控制的过程本质，将数字控制过程视为对象，导致数字控制信息的迭代与控制流程的迭代，不可能涉及数字控制信息的开放性、数字控制过程的开放性与数字控制过程之间的界面的开放性。2)、IEEE定义以数控系统为中心，所定义的开放性是计算机系统本身应具有的开放性，所谓开放式数控系统的体系结构是从计算机系统移植过来的，是一种面向对象以便实现控制软件模块化的体系结构，不能反映数控系统在整个控制过程中的技术特征。3)、IEEE定义未能从制造系统的宏观视野来审视开放式数控系统的体系结构，采用通用计算机系统的体系结构，导致开放式的概念含糊不清，至今也未能统一。互操作性、 可移植性、可伸缩性、可互换性等描述性词汇便成为开放式的所谓技术规范，阻碍了数控系统的标准化进程。4) ,IEEE定义面向对象而不是面向过程，忽视了计算机数字控制的本质，数控系统 “被计算机化”，数字控制技术的发展被引向所谓“先进的控制算法”(日本OSE(Hta)JP 插补迭代控制算法的精度与速度，从而误导了数字控制技术的发展方向。5)、数控系统的核心问题是实时控制过程的开放性与可重构性。在IEEE定义的开放式数控系统中，实时控制模块因面向对象而无法开放，从根本上制约了数控系统的发展。6)、IEEE定义基于通用计算机系统的体系结构，局限于数控软件的功能划分及其相互之间的操作界面，对于数字控制的过程特征缺乏系统学范畴的界定，因而，数控系统被定义为配置了数控软件的通用计算机系统，从而在实质上将开放式数控系统定义为制造数字控制信息的刚性集成制造系统。7)、IEEE定义不是以工作机为中心，而是以数控系统为中心，从而产生了插补周期、轮廓步长等大量冗余信息，违反了简单性原则。这些冗余信息消耗了大量计算资源，违反了经济性原则。8)、过程的开放性与对象的开放性是完全不同的。过程的开放性必然涉及数字控制信息的生成、分配、发送、执行的控制流程。IEEE定义完全没有控制流程的观念。IEEE定义的开放式数控系统的体系结构不是按照制造数字控制信息的控制流程来配置控制资源的体系结构。9)、IEEE定义没有将数字控制信息看作是一种产品，未涉及数字控制信息的开放性。10), G代码标准是现有数控程序采用的编程接口。G代码编程接口不具备人机界面的一致性。IEEE定义关于人机界面的表述过于抽象，所谓“人机界面的一致性”回避了编程接口的开放性。因此，IEEE定义不是一个关于计算机数字控制系统的开放性定义，只是试图规范应用软件的“即插即用”问题，并未解决数控系统的开放性，反而在体系结构上将数控系统强制为通用计算机系统架构下的专用计算机系统，从而将数控系统的发展牢牢地钉死于 “插补时代”。综上所述，在IEEE定义的错误观念主导下的现有开放式数控系统中，数控系统所制造的数字控制信息、制造数字控制信息的方法、以及制造数字控制信息的过程与过程界面，都是封闭的、非标准的、不可重构的。所制造的数字控制信息成为现有数控系统的内部物品。这就从根本上否定了数控系统的开放性与可重构性，人为地将现有数字控制技术与现有开放式数控系统高度复杂化，为数控系统的重构设置了难以逾越的障碍，必然导致现有开放式数控系统无法演化为第三次工业革命所期盼的控制机。
发明人舍弃IEEE关于开放式数控系统的定义，将开放式数控系统定义为“所谓开放式数控系统是按照控制流程配置嵌入式子系统的计算机数字控制系统，具有开放的人机界面、开放的数字控制信息、开放的数字控制信息制造方法、开放的数字控制信息制造过程、数字控制信息制造过程之间的开放的界面、开放的应用软件。”这一定义同样适用于所述嵌入式子系统，因而是一个系统学与分形几何学相结合的定义。在所定义的开放式数控系统中不存在数字控制信息的迭代与控制流程的迭代，控制信息流的拓扑结构是一种线性拓扑结构。应用软件的开放性就是“即插即用”。IEEE定义的开放性只涉及应用软件的开放性以及操作使用计算机时的人机界面的开放性。发明人的这一定义表明，开放式数控系统的开放性具有下述五个方面的内涵1)、人机界面的开放性，包括数字控制信息制造过程的所有控制过程界面中的人机界面，特别是编程接口的开放性；2)、数字控制信息的开放性；3)、数字控制信息的制造方法的开放性；4)、数字控制信息的制造过程的开放性；5)、数字控制信息制造过程之间的界面的开放性。所谓数字控制信息的开放性指的是数字控制信息生成部件中生成的数字控制信息的公开性与透明性。所谓数字控制信息制造方法的开放性指的是允许用户(或开发商)构造或集成自己的数字控制信息的制造方法，也就是实时控制方法完全软件化与应用软件的“即插即
田，，所谓数字控制信息制造过程的开放性指的是数字控制信息的每个子过程的公开性与透明性。数控系统的内部接口用于系统内部功能部件之间交换信息。所谓数字控制信息制造过程之间的界面的开放性指的是内部接口的开放性。所谓人机界面的开放性指的是编程接口的开放性。由此可见，发明人的上述开放式数控系统的定义反映了现代制造业的发展环境对控制机所提出的标准化问题，以适应工作机、动力机等产业的标准化进程。发明人在发明专利《计算机数字控制系统数据流关联控制方法与体系结构》(中国专利号ZL2007101M304.9，授权公告日2009年8月19日)中发明了数据流关联控制方法(Data-stream Related Control, DRC控制)，使现有数控系统告别了插补时代，迈入了数据流关联控制时代，产生了新一代控制机即数据流关联控制机(DRC控制机)。发明人在发明专利《一种标准化控制机》(申请号200910110439. 9 PCT国际申请号PCT/CN2010/072914)公开了一种标准化DRC控制机及其重构方法，按照数字控制信息的生成、分配发送、执行的控制流程来配置控制资源，所述标准化DRC控制机由数字控制信息生成部件，数字控制信息分配发送部件与数字控制信息执行部件构成。发明人将数字控制信息看作是一种产品，将数字控制信息的生成、分配、发送、执行这一制造数字控制信息的工艺流程称之为控制流程。根据工艺流程配置相应的生产设备，进行专业化标准化生产，这是制造业走过的必由之路。显然，工艺流程是分工合作、实现专业化、标准化生产的基础。将数字控制信息看作是一种产品，则必然存在制造数字控制信息的工艺流程。正如在机械制造中必须按照机械制造的工艺流程来配置相应的加工设备一样，在信息制造中也必须按照制造数字控制信息的控制流程来配置相应的嵌入式子系统。发明人将控制流程划分为数字控制信息生成过程、数字控制信息分配发送过程与数字控制信息执行过程等三个子过程。发明人发现，数字控制信息的生成过程，包括数字控制信息的解压过程、数字控制信息的优化过程以及确定性误差的补偿过程等，理应是“运筹帷幄之中，决胜千里之外”，是一个非实时过程。而数字控制信息的分配发送过程则有如“军令如山”，数字控制信息的执行过程更是“兵贵神速”，都必须是实时的。按照制造数字控制信息的控制流程，开放式数控系统的体系结构可解耦为数字控制信息生成部件(数字信息制造系统)、数字控制信息分配发送部件(数据流控制器)、数字控制信息执行部件(伺服驱动装置与I/O装置)等三个功能部件。在数字控制技术中，由“1” “0”形态的离散位置信息一般称为步进型，由坐标值增量构成的离散位置信息则称之为增量型。设刀路(Tool Path)曲线为X、y、Ζ、A、B、W、Ε、H等8个变量的函数。其中，X、y、 Ζ、A、B为联动的坐标轴，W、E、H为需要实时控制的参数(例如，W为激光脉冲的宽度、E为激光脉冲的能量、H为激光脉冲的频率)。对于数据流关联控制来说，需要实时控制的工艺参数与坐标值并无任何本质上的差别，可以将控制该工艺参数的开关视为虚拟坐标轴，参数值视为该虚拟坐标轴的坐标值，从而将坐标轴联动与工艺参数的实时控制统一起来，称之为多轴多参数联动。在本发明中，坐标轴包括虚拟坐标轴。表1为8联动的多维关联数据流的示意图。表权利要求
1. 一种可重构数控系统，其特征在于，包括PC系统、数据流控制器、伺服驱动装置、I/O 装置、串行接口、分配接口、联动接口、I/O接口 ；所述PC系统通过串行接口与所述数据流控制器连接；所述数据流控制器通过分配接口、联动接口与所述伺服驱动装置连接，所述数据流控制器通过I/O接口与所述I/O装置连接；所述PC系统用于生成控制工件加工过程的DRC数控程序，包括状态指令生成模块、开关指令生成模块、轨迹指令生成模块、DRC数控程序生成模块； 所述状态指令生成模块用于生成控制辅助过程的状态指令； 所述开关指令生成模块用于生成控制I/O装置的开关指令；所述状态指令生成模块还用于生成重构指令，所述重构指令用于修改所述状态指令与所述开关指令的解释程序。所述轨迹指令生成模块用于生成控制伺服驱动装置完成刀路曲线走刀过程的轨迹指令；所述DRC数控程序生成模块，用于根据加工工艺将状态指令、开关指令、轨迹指令链接为DRC数控程序；其中，所述轨迹指令生成模块包括离散几何规划模块与离散运动规划模块； 所述离散几何规划模块用于生成存储有刀路曲线的L分割的联动表；所述L分割用于控制坐标轴联动产生合成位移；所述联动表区分为各个轴的轴联动表，所述轴联动表用于存储相关坐标轴的L分割分量，控制该坐标轴产生轴位移；所述离散运动规划模块用于存储有刀路曲线的T分割与状态字的随动表；所述T分割用于控制所述轴位移之间的时间间隔；所述状态字用于指定联动的坐标轴；所述数据流控制器包括微处理器、解释程序存储器、文件存储器、轴联动表分配模块、 DRC数控程序运行模块、实时控制模块与中断管理模块；所述解释程序存储器用于存储所述状态指令、所述开关指令、所述轨迹指令的解释程序；所述文件存储器用于通过所述串行接口接收并存储所述DRC数控程序、所述随动表、 所述轴联动表；所述轴联动表分配模块用于通过所述分配接口向所述伺服驱动装置分配所述轴联动表；所述DRC数控程序运行模块用于运行所述DRC数控程序，执行所述状态指令控制辅助过程、执行所述开关指令通过所述I/O接口控制所述I/O装置、执行所述轨迹指令通过所述联动接口控制所述伺服驱动装置完成刀路曲线的加工过程；所述实时控制模块用于按照所述随动表中的控制节律Ati(i = 1，...，n)，通过所述联动接口向所述伺服驱动装置发送联动命令；所述联动命令用于控制所述状态字指定的坐标轴之间的同步；所述中断管理模块用于处理来自所述伺服驱动装置的实时反馈信息； 所述伺服驱动装置设有轴联动表初始化模块与轴联动表控制模块； 所述轴联动表初始化模块用于设置执行标志，并根据所述轨迹指令的顺序码，将所述轴联动表的地址写入L指针；跟随所述联动命令，所述轴联动表控制模块根据L指针从所述轴联动表中读取该轴的坐标值增量并写入位置环，驱动坐标轴进给产生合成位移。
2.如权利要求1所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述状态字的字节数为用户参数。
3.如权利要求1所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述轴联动表文件还包括特征表；所述特征表用于标识该坐标轴的逻辑属性；所述逻辑属性包括进给当量、数据的字节数、电子齿轮传动比。
4.如权利要求1所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述联动接口的每个数据位分别连接一个伺服驱动装置。
5.如权利要求1所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述串行接口与所述分配接口分别为现场总线、RS232接口、RS485接口、USB接口或无线接口。
6.如权利要求1所述的可重构计算机数字控制系统，其特征还在于，所述数据流控制器中的文件存储器还包括扇区分析模块；所述扇区分析模块用于读取所述DRC数控程序、 所述随动表、所述轴联动表。
7.如权利要求1至6中任意一项所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述数据流控制器中的DRC程序运行模块包括运动指令取指模块、状态指令执行模块、开关指令执行模块、轨迹指令执行模块；所述运动指令取指模块用于将DRC数控程序中运动指令的地址写入运动指令指针并读取运动指令，将运动指令的功能字节写入运动指令寄存器；如果所述运动指令为状态指令，根据所述状态指令的地址表，所述状态指令执行模块跳转至所述地址表所指定的入口地址，用于执行该状态指令的解释程序；如果所述运动指令为开关指令，根据所述开关指令的地址表，所述开关指令执行模块跳转至所述地址表所指定的入口地址，用于执行该开关指令的解释程序；如果所述运动指令为轨迹指令，所述轨迹指令执行模块用于执行该轨迹指令的解释程序。
8.如权利要求7所述的可重构数控系统，其特征还在于，所述轨迹指令执行模块设置运行标志，用于启动所述实时控制模块；所述实时控制模块包括联动坐标轴设置模块、联动命令设置模块、节律控制模块、终点控制模块；所述联动坐标轴设置模块用于将随动表的地址写入T指针，从所述随动表中读取状态字并写入状态字寄存器，指定联动的坐标轴；所述联动命令设置模块用于读取所述随动表中的= 1，...，n)并写入T分割定时器；T分割定时器中的定时时间到，所述节律控制模块启动脉冲发生器输出一个脉冲，并通过联动接口向所述状态字寄存器指定的伺服驱动装置发送联动命令；所述终点控制模块用于控制所述轨迹指令的终点，如果所述T指针等于所述随动表的末地址，则关闭运行标志；否则，T指针指向下一个时间增量Δ、。
9.一种可重构数控系统的重构方法，其特征在于，包括下述步骤步骤(1)、重构离散坐标系数字控制信息生成部件重构离散坐标系；所述离散坐标系包括正交离散坐标系与非正交离散坐标系；步骤O)、重构结构常数数据库数字控制信息生成部件重构结构常数数据库；所述结构常数数据库存储坐标轴的精细结构常数与坐标系参数；所述坐标轴的精细结构常数包括线位移误差、角位移误差、反向间隙；所述坐标系参数包括坐标轴之间的不平行度、不垂直度；步骤(3)、构造状态指令的重构指令数字控制信息生成部件构造所述状态指令的重构指令；步骤G)、构造开关指令的重构指令数字控制信息生成部件构造所述开关指令的重构指令；步骤(5)、运行重构指令数字控制信息发送部件运行所述状态指令的重构指令，重构所述状态指令；运行所述开关指令的重构指令，重构所述开关指令。
10.如权利要求9所述的可重构数控系统的重构方法，其特征还在于，所述步骤(3)包括下述步骤步骤(31)、设置重构指令的目标地址参数将所述状态指令的地址表中的入口地址设置为重构指令的目标地址参数；步骤(32)、设置重构指令的源地址参数将重新编写的解释程序的起始地址设置为重构指令的源地址参数；步骤(33)、设置重构指令的字节数参数将重新编写的解释程序的容量设置为字节数参数；步骤(34)、构造重构指令根据所述目标地址参数、所述源地址参数、所述字节数参数，构造所述状态指令的重构指令。
11.如权利要求9或10所述的可重构数控系统的重构方法，其特征还在于，所述步骤 (4)包括下述步骤步骤(41)、设置重构指令的目标地址参数将所述开关指令的地址表中的入口地址设置为重构指令的目标地址参数；步骤(42)、设置重构指令的源地址参数将重新编写的解释程序的起始地址设置为重构指令的源地址参数；步骤(43)、设置重构指令的字节数参数将重新编写的解释程序的容量设置为字节数参数；步骤(44)、构造重构指令根据所述目标地址参数、所述源地址参数、所述字节数参数，构造所述开关指令的重构指令。
全文摘要
本发明公开了基于PC的、全方位开放的、标准化的可重构数控系统及其重构方法，提出了一种面向过程的、开放的加工过程模型。本发明按照控制流程配置控制资源，与处理器的位数与速度、操作系统等软硬件平台无关，与编程口无关，具有良好的可重构性和高可靠性。本发明将刀路曲线的实时控制转化为最简单的联动命令的实时发送，具有简单可靠的高速高精度多轴同步能力，导致数字控制方法的重大变革。对于由多台数控机床、数字化夹具、搬运机械手等组成的可重构生产线，本发明具有集成控制、可靠性高、结构简单、价格低廉等显著优点。
文档编号G05B19/18GK102402197SQ20111020721
公开日2012年4月4日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者江俊逢 申请人:江俊逢