GSK218標準型數控系統的設計與開發*

曾鈺

（廣州數控設備有限公司，廣東廣州 510530）

GSK218標準型數控系統的設計與開發*

曾鈺

（廣州數控設備有限公司，廣東廣州 510530）

GSK218標準數控系統是我國自行研發的具有自主核心知識產權的數控系統，采用多處理器耦合技術，可支持多軸車銑加工，具有良好的人機界面。介紹了GSK218系列標準型數控系統的設計思想及研發的關鍵技術與解決方法，包括系統總體設計、功能規劃以及關鍵技術突破，可作為研究開發數控系統的參考。

標準數控系統；研發；FPGA

0 引言

數控技術是現代裝備制造業的基礎，也是關系到國家戰略地位和體現一個國家綜合科技水平的關鍵技術。雖然經過“十一五”等重點攻關，國內部分企業已經掌握了中高檔數控的相關技術，但其應用領域、市場占有率相對國外產品還比較小，且遠遠不能滿足航空航天、船舶工業、發電設備、汽車制造、重大裝備制造等行業急劇增長的需求。

標準型數控系統是一種外設可擴展的數控系統[1-3]。盡管目前在CNC開發層面，人們普遍關注開放式數控系統的開發[4]，但是標準數控系統一直受到企業界的青睞[5]，這是因為國際上大多數CNC工業產品都采用標準型結構，具有延續性和穩定性。此外，相對于傳統車銑分家的數控系統，標準型數控系統能集合多種形式的車、銑功能，適合應用在加工中心上。GSK早期生產的數控系統帶有專用性質，如GSK980T系列、GSK218M系列分別側重于車和銑[6]。為了提升產品的通用性和集成度，在國家十二五科技重大專項的支持下，GSK開展了標準型CNC系統的研發與產業化工作。經過2年的刻苦攻關，完成了GSK218標準數控系統的開發并在產業化方面取得了好的效果。

筆者作為項目的主要參與人員，通過本文介紹GSK218標準型數控系統的設計思想及研發的關鍵技術與解決方法，包括系統總體設計、功能規劃以及關鍵技術突破，旨在為進一步研發更加先進的數控系統提供參考。

1 GSK218標準型CNC系統的設計思想及總體設計

1.1 設計思想與要求

一個典型的數控系統包括有輸入輸出裝置、計算機數控裝置、進給驅動裝置、主軸控制單元和輔助控制裝置和位置檢測裝置以及連接這些裝置的I/O接口總線系統。數控系統的總線主板有大板結構、功能模塊化結構和計算機總線結構式，可采用單處理器或多處理器控制。早期的數控系統大多采用單處理器，其功能也較為單一。結合目前數控系統發展的現狀，本次標準型數控系統采用功能模塊化總線結構并利用多處理器實現控制，并且要求產品性能指標達到或接近國外同類產品技術水平。

1.2 功能設計與規劃

整個數控系統的功能可以劃分為系統模塊、人機界面模塊、譯碼模塊、插補模塊、PLC模塊、網絡通訊模塊及總線驅動模塊。具體功能要求如下。

（1）系統模塊。主要用于管理系統各種參數、狀態等信息，協調其他模塊之間的交互過程。

（2）人機界面模塊。用于顯示機床運行過程中的各種數據和信息，反饋機床的運行狀態，監控整個加工過程；用戶界面是數控系統軟硬件與用戶之間的接口。

（3）譯碼模塊。處理各種運動加工指令、完成譯碼和刀具補償并將處理結果提供給插補模使用。譯碼模塊主要實現以下功能：

1）支持的G功能指令；

2）各種輔助指令：程序結束、程序停止、子程序調用、子程序結束等，及用戶自定義輔助指令；

3）各種宏指令：條件宏指令、循環宏指令、跳轉宏指令、宏變量操作指令等；

4）子程序調用、宏程序調用；5）刀具半徑、長度補償算法。

（4）插補模塊執行各種速度規則、插補運算；插補控制模塊主要是完成各種運動軸的控制任務。根據鍵盤的輸入完成相應的運動，如進行手動，回機床零點，回程序零點，自動運行等，其中自動運行是運動控制最核心的功能，是進行零件加工的主要動作。

（5）PLC模塊主要對各I/O點進行邏輯控制，邏輯控制分為簡單的邏輯輸入、邏輯輸出及組合邏輯控制，主要是主軸電機的正反轉、電機停止、冷卻泵電機的啟動、停止控制等。

（6）網絡通訊模塊實現標準的TCP/IP協議，支持局域網DNC、遠程監控、文件傳輸等功能。

（7）總線驅動模塊封裝了總線通訊接口協議，實現與總線相關設備之間的通訊（各種總線擴展卡、總線驅動器等），實現數據采集功能、時域和頻域波形顯示、圓度和輪廓誤差分析、伺服參數的修改保存和備份以及伺服故障診斷等；支持總線驅動器的連接、監控、參數修改，支持絕對式編碼器；支持總線擴展盒，可擴展進給軸、主軸、I/O和光柵等，通過擴展盒連接各種外設。

1.3 總體設計

基于前述系統功能設計與規劃，分別在硬件和軟件兩個層面進行設計。

1.3.1 硬件設計

系統硬件基于ARM9、DSP6713、OMA?PL138、FPGA為核心，采用單CPU體系結構來設計。系統各組件及其數據流、拓撲關系如圖1所示。

可以看出，系統采用兩片ARM9、一片DSP和一片大容量FPGA，以及各種不同功能的存貯器、相關外圍器件組成系統的主控CPU板。系統中各CPU與相應的存貯器構成獨立的CPU子系統。主ARM系統進行文件系統管理、系統參數管理、人機界面管理、USB接口管理、系統邏輯任務管理等。DSP子系統負責插補算法、GSK-LINK總線部分管理工作等。從ARM子系統負責PLC邏輯任務。FPGA利用內部雙口RAM為各CPU子系統提供數據交換通道，FPGA管理系統的各種外部設備，如TFT液晶顯示器、主軸電機、機床I/O、鍵盤管理、串口管理等。

1.3.2 系統軟件規劃

根據數控系統所需完成的功能和需求，GSK218M數控系統的軟件分為以下五個大的模塊：

（1）人機界面管理任務；

（2）數據處理任務；

圖1 GSK218數控系統硬件總布局示意圖

（3）運動控制任務；

（4）邏輯控制任務和輔助控制任務；

（5）伺服控制。

其中，人機交互為機床的準備工作提供數據和信息，反饋機床的運行狀態，監控整個加工過程。本次人機界面模塊采用單獨開發，與其他模塊的聯系通過全局變量和系統接口函數完成，以降低開發難度，縮短開發周期，降低系統成本。數據預處理主要包括數據指令的譯碼，刀具的長度補償、半徑補償、螺距補償、間隙補償等插補前的預處理工作。運動控制主要控制位移，速度，加速度或三者的組合，控制機床各運動軸的插補運動等。邏輯控制分為簡單的邏輯輸入、邏輯輸出及組合邏輯控制，主要是主軸電機的正反轉、電機停止、冷卻泵電機的啟動、停止控制等。包括編輯、自動、錄入、手動（連續）、手輪（增量）、機械回零、單步、DNC。伺服控制主要通過速度控制方式，通過模擬量的輸入或脈沖的頻率都進行伺服電機轉動速度的控制，通過上位控制裝置的外環PID控制進行定位，其中電機的位置信號是反饋源，其目的在于可以減少中間傳動過程中的誤差，增加整個系統的定位精度。GSK218M伺服控制的有效控制軸數3軸（X、Y、 Z）/4軸（X、Z、Y、A）可選。1.3.3系統的工作原理

基于前兩個小節的軟硬件系統設計與規劃，整個系統在表現上和作業聯動上呈現出四大功能模塊：

（1）顯示模塊；

（2）邏輯模塊；

（3）運動控制模塊；

（4）譯碼模塊。

這些模塊及前述個任務出來模塊之間的工作流關系是這樣的：顯示（界面）模塊把加工G代碼傳給譯碼模塊；譯碼根據需要調用刀補模塊，并把譯碼結果傳遞給插補預處理模塊；插補預處理完成后，把結果傳遞給插補模塊；插補進行中，可能需要調用加減速控制模塊進行加減速處理，插補得到每周期各軸進給量，傳遞給位控模塊；位控對插補值做進一步處理后，結果傳遞給輸出模塊，輸出模塊調用硬件驅動模塊進行實際的物理信號輸出，并且把當前系統坐標回傳給界面模塊進行顯示。各模塊的運行時機由主控模塊控制。整個過程可用圖2所示的框圖來直觀描述。

2 若干關鍵技術及其解決方案

在整個系統開發中，有關實時工業以太網的串行通信總線設計、高速高精的插補計算、以及基于Internet的數控系統遠程診斷成為關鍵技術。一方面這些技術是傳統數控系統不具備的功能，另一方面也是市場和用戶高度關注的。

2.1 實時工業以太網的串行通信總線設計

這是實現數控系統與關鍵數控部件的高速可靠通信的基礎。本次開發將以太網技術應用于運動控制系統，解決了控制器實時性要求高、同步控制實現困難等問題，本次設計綜合借鑒了文獻[7]、[8]所采用的方法，基于操作系統提高周期性通訊時間精度和同步精度，采用面向操作的應用程序接口設計方法，使運動控制總線可以從不同的層次進行擴展，從而適應不斷變化的用戶需求和平臺自身的演進升級。相關的技術細節在文獻[7-8]有詳細介紹。這里不贅述。

圖2 軟件部分個模塊的工作流關系示意圖

2.2 高速高精插補計算技術

高速高精插補是高襠數控系統的必要功能。插補計算也涉及到諸多的數學和計算機問題[9]。為實現系統要求的高速功能，本次設計采用了一種并行流水插補模式[10]并結合二叉結構的高速數據存儲技術[11-12]，成功解決了這一問題。相關的技術細節在文獻[10-12]有詳細介紹。這里不贅述。

2.3 開發基于Internet的數控系統遠程診斷系統

數控機床結構的日益復雜及其功能的愈加強大使其在日常使用中的維護問題日漸突出，對于數控機床的維護單靠使用者的維護能力已經很難完成設備保障任務。本次設計參考了文獻[13]～[15]的思想和方法，首先運用故障樹分析數控機床故障原因，建立了一個可以拓展的數控機床故障數據庫，通過軟件實現了數控機床的故障診斷功能，并可以修改數控機床故障診斷的數據庫。這些技術細節涉及到大量工作和稱述，這里不贅述，讀者可參考文獻[13-15]。

3 設計開發成果

經過2年的努力和開發，廣州數控設備有限公司成功開發出預期的工業產品GSK218MC，這是前期GSK218M的升級產品，采用高速樣條插補算法，加工速度、精度、表面光潔度得到大幅提升，人機界面更加美觀、友好、易用。系統支持GSK-LINK以太網總線功能，支持語句式宏程序（宏B）編程?？蛇m配銑床加工中心、高速雕銑機、磨床、滾齒機等?；拘阅苋缦拢?/p>

（1）高速高精，復雜曲面加工有效速度8 m/min，最佳加工速度4 m/min；

（2）最高定位速度60 m/ min，最高進給速度15 m/min；

（3）預處理段數高達1 000段，具有前瞻功能，速度快，精度高，光潔度好；

（4）安裝結構分為合體、橫式、豎式三種，分別采用8.4/10.4英寸高分辨率彩色LCD；

（5）全新設計的人機界面，更加美觀、友好、易用；

（6）支持中、英、俄、西班牙、土耳其等多種語言；

（7）支持PLC在線監視、編輯、編譯，信號跟蹤功能；

（8）支持斗笠式、圓盤式、伺服刀庫等多種刀庫；

（9）支持語句式宏程序（宏B），編程更加簡潔；

（10）豐富的幫助、提示信息，易學、易用、易調試；

（11）支持RS232、USB、網絡三種通訊接口，實現文件傳輸、DNC加工，USB在線加工；

（12）支持GSK-LINK以太網總線功能，連接方便，擴展性強，支持17位絕對式編碼器，精度高，免回零，可實現全閉環控制。

產品外觀圖如圖3所示。目前該系統已經被國內50多家生產加工中心的企業采用，取得了很好的經濟效益。

圖3 GSK218MC數控系統外觀

4 結語

廣州數控設備有限公司為適應市場需求和技術進步的要求，在國家“十二五”科技重大專項的支持下，開展了標準型CNC系統的研發與產業化，旨在提升國產中高檔數控產品的技術水平和市場占有率，打破國外壟斷。筆者有幸作為課題組骨干成員，全程參與了該項目的開發，個人收獲頗豐。本文僅僅是研究工作的部分，旨在與廣大同行交流發展。

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Design and Development of GSK218 Standard Computer Numerical Control System

ZENG Yu
（GSK CNC Equipments Co.，Ltd.，Guangzhou510530，China）

GSK218 standard CNC system is a system of independent intellectual property rights.The system applies technology of multi-cores supports multi-axis lathing and milling and has excellent interface.The paper introduces design and development of the system， including the design guidance， the key issues and their resolutions of the development which composes the principal architecture，the plan of functions and the technical breakthroughs.The paper is of a valuable reference for development of CNC system.

standard CNC；development；FPGA

TG659

：A

：1009－9492(2014)10－0029－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.008

曾 鈺，男，1979年生，江西全南人，碩士，工程師。研究領域：自動化與控制系統。

(編輯：向 飛)

*國家“十二五”高檔數控裝置重大專項項目（編號：2012ZX04001-021）

2014－07－12