外文翻译-雕刻机控制器的设计与实现

XX 工 学 院毕业设计(论文)外文资料翻译学 院：机械工程学院专 业：机械设计制造及其自动化姓 名：学 号：外文出处：IEEE(用外文写)2010 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation附 件：1.外文资料翻译译文；2.外文原文。指导教师评语：签名： 年 月 日注：请将该封面与附件装订成册。附件 1：外文资料翻译译文雕刻机控制器的设计与实现杨林，胡天亮，张承睿高效清洁机械制造重点实验室机械工程学院，山东大学，济南，250061，中国S3n163.com,tianliang.huhotmail.com,zhangchengruigmail.com摘要：本文针对分层雕刻机控制系统提出了一种基于有限状态机和多线程编程的软件架构。并详细介绍了交互序列图和数据流图表的手动和自动操作模式，提供了一个用于构建数控系统的统一灵活的方式。关键词：雕刻机，数控系统，软件架构一、介绍雕刻机被广泛应用于木材，石材，玻璃和金属制品的制造。雕刻机机床的控制系统是多了一个数控系统，它具有以下特点：1、由 CAD/CAM 数控程序生成的文件软件是非常大的，文件的大小范围从几 MB到几百 MB 的。2、机械加工零件的任意多边形曲线在数控程序中，通常是通过小的直线段展现。提高加工效率和保证表面质量，加速控制通常很复杂。此外需要先行功能。3、随着工业的发展，在雕刻制造业中小批量制造业也越来越常见。因此雕刻机控制器的更新换代也变得非常频繁了。因此，一般的 CNC 控制器在雕刻机领域很少使用。为实现以上的特殊功能，需要开放和灵活的控制器。基于 PC 的系统可以利用丰富的软件和硬件的资源。在市场中近一半的雕刻控制器是基于 PC 的。这些基于 PC 的控制器在使用 Windows系统的 RT 扩展名或硬件实时运动控制卡，那些通常是很昂贵的。一种基于分层有限状态机和多线程编程的新型软件设计方法，针对解决以上文中提到的问题提供了一种一致的、灵活的方式来通过 Windows 平台的实现构造数控系统。实时以太网现场总线 EtherMC（运动控制以太网）3这由我们的研究小组开发的通过。Windows 内核编程用于保证软件的实时特性。EtherMC 的特殊设计的机制可以获得硬件的实时能力。在下面的章节中描述的是雕刻机控制系统的硬件体系结构。子序列部分详细介绍了软件结构。二、硬件体系结构基于 PC 主控制器Ether 接口卡EtherMC 现场总线 主轴X 轴Y 轴Z 轴图 1.系统体系结构概述该系统的硬件设计图如图 1.在这架构中由我们研究组开发的 EtherMC 作为实施平台。在这平台中，EtherMC 主平台是基于 PC 的数控内核在主控制器的实现。EtherMC 有一下几个特点：1、容易做重构。EtherMC 所有的从属节点通过线的拓展结构连接到主机。这样从属节点可以从系统中轻松的添加或删除。2、标准以太网用于 EtherMC。成本可以大大的减少。3、作为一个从属节点应同时配置实时控制节点在 EtherMC 系统同步实时定期信号。有了这个设计，只有软件实时能力才是必要的主控制器，硬盘实时是没必要的。这些特点使 EtherMC 符合雕刻机控制器的要求。在这个设计中，四轴接口卡用作 EtherMC 的从属节点。此卡从主机发送转换数据命令到控制轴上，如主轴，X 轴，Y 轴和 Z 轴。三、软件体系结构控制软件采用多层架构如图 2 所示，包括人机界面（HMI） ，服务器，通信，人机界面的客户端，NC 内核，通讯库和以太网的驱动程序。HMI 客户端HMI 服务器NC 内核通讯库以太网驱动程序IEngine IHMI 的反馈图 2.多层软件架构数控内核实现 IEngine 接口，执行外观层封装数控内核的内部结构。HMI 服务器从 HMI 客户端发送接受命令，并调用 IEngine 接口方法，因此，这就变成了一个状态机事件对象的方法的参数和派单记录状态的事件对象。数控内核的数据更改时将调用 IHMI 反馈接口来通知 HMI 服务器，然后更新 HMI 客户端。以太网驱动程序对所有用户提供 Windows 操作系统的内核推迟过程调用（DPC）的实时能力。数控内核的功能模块是内部分层状态机（HSM）决定数控，如图 3 所示的顶部的操作的模式。只有在非运行的子状态下系统才可以切换到另一个操作模式。HSM 处理从用户界面或内部功能模块发送的事件，并协调系统的全局行为。HSM据此调用功能模块，实现实际的行为。状态机 功能模块进给控制器主轴控制器逻辑控制器错误管理器安全服务手动自动其他空载 点动空载 准备其他手动模块Inc .点动 主页 措施自动模块准备进程执行进程模拟进程IEngine外观/基础打开关闭GetConflgSetConflg/手动开始运行停止运行停止界面/自动登录开始停止暂停简述基本服务图 3.数控内核组件的结构以及组件之间的相互关系从左到右图 4.点动操作的 UML 序列图状态机引擎通常会假定由运行到通过队列的事件，并按顺序根据指令对它们进行调度。而状态机引擎在一个单独的线程中运行，应该不会阻止相应的功能模块，否则将不会响应其他事件。因此，系统功能模块，如自动运行、点动、自导、工具测量等，都是在自己的线程中执行的。状态机的寄存器变量与功能模块线程进行通信或本机操作系统同步对象。例如，点动模式具有一下执行序列，如图 4所示：1、用户切换到手动模式下，如果在系统适合的状态下就可以将手动状态时的初始化操作传输从超状态变到手动/空载是的子状态。2、事件处理程序由安在用户界面下的正 X 轴的 ButtonDown 按钮进行。HMI客户端通过 StartJog 从服务器 HMI 获取数控内核的 IEngine 接口和调用接口方法参数，包括轴、方向和速度。数控内核将方法参数打包到 JogEvent对象，并成为 HSM 事件的队列。以上所有的步骤都在 UI 线程中。3、调用状态机引擎线程当中的 JogEvent 对象，并将它分派到激活状态手动/空载。系统当前状态从手动/空载变成手动/点动。并通过手动/点动的初始化操作创建新线程来执行实际的操作，并记为停止。4、在点动函数线程中，为了达到每个通讯周期必须要提高速度，然后按这个速度不断运行。将插值的数据发送到以太网驱动程序中并通过轴控制器将其转换成为机械和电气所采取的循环脉冲的步长的计数。在每个步骤中都要检查停止标志。如果该标志变成了正确就要减速到零。5、当用户松开点动按钮时则执行 Buttonup 事件处理程序。如第二和第三步中所述，StopEvent 事件被发送到手动/点动就将停止标志设置为正确并通知点动降速退出线程。在自动模块中数控内核不断执行载有一次性命令和模态命令的数控程序。NC解释器分析 G 代码的源文件并将解释的命令插入到命令缓冲区。运行时上下文对象是用来记录当前的模态数据，如平面选择代码（G17/18/19 ） ，插补类型代码（G00/01/02） ，刀具补偿类型代码（G40/41/42）等等。在运行预处理功能的时候，模态数据的先行位置和实际执行的位置可能会不同，因此将这两个线程用来执行缓冲的命令：一个是制备过程，一个是执行过程。这两个线程持有自身运行时上下文对象，当执行内容是暂停和恢复时所持有的运行时的上下文对象会在执行过程中复制到对象所持有的制备工艺中。制备过程和执行过程如图 5 所示。当它们遇到的模态变化的指令就会将新的模态数据分别存储到运行时上下文对象中。尽管插补指令处理方式不同。一方面，当制备工艺读取插补指令时会根据当前的坐标系统（WCS）协调选择工件坐标系（G54-G59） ，以及外部工件零点偏移的选择，绝对/增量模式（G90/91）和英制/公制模式（G20/21） 。当要求刀具补偿的时候则会将指令输送到刀具补偿缓冲区中，不然就到预处理缓冲区。另一方面，在执行过程中读取插补命令时会从插补缓冲区包含预处理插补指令中取出匹配的插值。如果该插值不可用，执行过程中的线程将会处于等待状态，直到插入其他的准备过程。接着执行过程时定期发送插补数据到设备。四、结论与目标本文给出了雕刻机控制器的设计与实现方法。在此方法中，为了确保硬件的灵活性采用了 EtherMC 现场总线作为硬件平台。在软件的设计汇总采用分层状态机作为控制层特定的功能模块。同时这个软件设计也非常适合数控运行模式。在这设计方法中运用多线程编程与分层状态机相结合来处理连续的任务与指令。这个方法可以更灵活的运用数控功能。今后的工作将集中在系统的开放性方面，并在尽可能的提高可操作性，可维护性，可重构性的同时降低这一框架结构的设计开发成本。本文由国家自然科学基金以及中国基金和山东省自然科学基金赞助。参考文献1 HUANG Ying-hua, FANG Kai and ZHANG Yao-xin. Research and Realization on DSP Based Control Card Applied to High-speed CNC Engraving and Milling Machine. Automation and Instrumentation. 2006 21(2): pp.55-59 2 CAO Hao-ying, WANG Xiao-chun, ZHANG Bing. The Design of CNC System of a kind of Hi-Speed CNC Engraving and Milling Machine Tool. Modular Machine Tool and Automatic Manufacturing Technique. 2005(12): pp.64-66 3 Tianliang Hu. Research on the Design Method for STEP-Compliant Open CNC Platform. Ph. D Dissertation of Shandong University. Jinan, China. 2008. 4 Walter Oney: Programming the Microsoft Windows Driver Model, Second Edition, Microsoft Press, 2002. 5 Miro Samek: Practical UML Statecharts in C/C+, Second Edition, Newnes, 2008. 6 Han, G. C., D. I. Kim: A high speed machining algorithm for CNC machine tools. Industrial Electronics Society, 1999. IECON 99 Proceedings. The 25th Annual Conference of the IEEE, 1999. 7 Hong-Tzong, Y., W. Jun-Bin: Development and implementation for real-time lookahead interpolator by using Bezier curve to fit CNC continuous short blocks. Mechatronics, 2005. ICM 05. IEEE International Conference on, 2005.附件 2：外文原文（复印件）(网络查阅的资料可以打印)