專利名稱：一種數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)與方法及其數(shù)據(jù)控制流文件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及先進控制與先進制造領(lǐng)域，具體是涉及數(shù)字控制信息制造 系統(tǒng)及其制造數(shù)字控制信息的方法，以及一種標準化的數(shù)字控制信息產(chǎn)品 ——數(shù)據(jù)控制流文件。
背景技術(shù)：
信息時代使現(xiàn)代制造業(yè)迅速邁向自動化、數(shù)字化、智能化。在這一歷 史進程中，計算機數(shù)字控制系統(tǒng)扮演了關(guān)鍵角色?，F(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)采用實時操作系統(tǒng)控制下的插補迭代技術(shù)。 插補模塊是現(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)的核心模塊。插補周期是現(xiàn)有開放式數(shù)字控 制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標。插補周期越短，插補點距越小，零件的加工精度也就越高。高精度加工要求插補周期達到O.lms的數(shù)量級?，F(xiàn)代數(shù)字控制系統(tǒng)已邁向高速、高精度、復(fù)雜運動軌跡的運動控制， 納米插補技術(shù)、NURBS (Non-Uniform Rational B-Spline，非統(tǒng)一有理B樣 條)插補技術(shù)成為當(dāng)前運動控制技術(shù)研究的熱點。直線插補、圓弧插補和 NURBS插補這三種插補技術(shù)分別對應(yīng)零件模型的一階表示、二階表示、三 階(以上)表示。納米插補涉及64位處理器與64位實時操作系統(tǒng)。NURBS 插補涉及曲線的曲率，是三階甚至三階以上的差分方程，其計算過程異常 復(fù)雜，需要超高速微處理器。在現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)中， 一旦工作機的運動速度提高、或運動 精度提高、或聯(lián)動軸增加、或聯(lián)動參數(shù)增加，實時操作系統(tǒng)的插補周期必 然以指數(shù)形式增大，從而需要更多位數(shù)、更高速度的CPU以及實時性更強 可靠性更高的實時操作系統(tǒng)。因此，采用64位高速超高速微處理器與插補 周期達到0.1毫秒甚至微秒級的64位實時操作系統(tǒng)成為現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。換言之，在實質(zhì)上，現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)的技術(shù) 進步取決于微處理器的芯片技術(shù)。本申請人的在先專利申請《計算機數(shù)字控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制方法與體系結(jié)構(gòu)》(中國專利申請?zhí)?00710124304.9)針對常規(guī)正交離散坐標 系提出了一種數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)控制方法(Data- flow Related Control,簡稱DRC控制)，取消了實時操作系統(tǒng)與插補迭代算法的實時控制功能，清除了微處 理器芯片與實時操作系統(tǒng)對數(shù)字控制系統(tǒng)的一切負面影響，使數(shù)字控制系 統(tǒng)告別了插補時代。DRC控制方法簡述如下根據(jù)工作機的結(jié)構(gòu)常數(shù)和工藝參數(shù)(如進給 量、進給速度等)，首先確定優(yōu)化目標，包括短程逼近、最小偏差逼近、最 少拐點逼近等，再根據(jù)刀具路徑文件庫中的刀具路徑，選擇相應(yīng)的算法對 輪廓運動進行整體優(yōu)化；在常規(guī)正交離散坐標系進行數(shù)值計算生成輪廓運 動的多維關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流并予以局部優(yōu)化；將控制工藝參數(shù)的開關(guān)視為虛擬坐 標軸，對工藝參數(shù)進行數(shù)值計算生成工藝參數(shù)對主動軸數(shù)據(jù)流的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù) 流并予以局部優(yōu)化；生成多軸多參數(shù)的多維關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。DRC控制將復(fù)雜的多軸聯(lián)動的插補迭代控制問題、工藝參數(shù)的實時控 制問題以及確定性誤差的實時補償問題統(tǒng)統(tǒng)轉(zhuǎn)化為PC系統(tǒng)中離線進行的 信息處理問題，納米插補與NURBS插補同樣轉(zhuǎn)化為PC系統(tǒng)中離線進行的 信息處理問題，從而將數(shù)字控制信息的制造過程軟件化，將數(shù)字控制技術(shù) 軟件化。但是上述DRC控制技術(shù)還存在不完善之處，主要表現(xiàn)在1、 采用DRC控制方法的PC系統(tǒng)將數(shù)字控制信息的制造過程軟件化， 也將數(shù)字控制技術(shù)軟件化，這就意味著，所述PC系統(tǒng)是一個可以獨立生產(chǎn)、 獨立使用的用于制造數(shù)字控制信息的裝置，可稱之為數(shù)字控制信息制造系 統(tǒng)。關(guān)于所述數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)與功能還須進一步改進。2、 開放式數(shù)字控制系統(tǒng)的基本內(nèi)涵是，用戶不必依賴于制造廠商，可 以自主開發(fā)用于生產(chǎn)數(shù)字控制信息的應(yīng)用軟件，并對現(xiàn)有應(yīng)用軟件進行置換和擴展。這就要求基于PC構(gòu)建的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)必須是一個開放 式的開發(fā)平臺，從而使數(shù)字控制信息制造過程進一步完全軟件化，使數(shù)字 控制技術(shù)進一步完全軟件化。3、 對于開放式數(shù)字控制系統(tǒng)，歐盟的OSACA計劃規(guī)定了3個層次的 開放程度人機界面開放、內(nèi)核有限開放、全開放。在人機界面層，開放 式數(shù)字控制系統(tǒng)應(yīng)能夠提供一致性好的人機界面，對于降低人員培訓(xùn)費用， 降低系統(tǒng)維護費用都具有比較重要的意義。從方法上講，所謂一致性好的 人機界面涉及用戶描述控制作業(yè)的方式或用戶程序所使用的高級語言應(yīng)該 與數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制程序具有一定的一致性，包括用戶指令與控制程 序中的控制指令在形式上的一致性以及在語義結(jié)構(gòu)上的一致性。4、 現(xiàn)有數(shù)字控制技術(shù)都建立在笛卡兒坐標系、極坐標系等正交坐標系 上。由于存在制造誤差、裝配誤差以及摩損產(chǎn)生的誤差，實際上的直角坐 標工作臺、迴轉(zhuǎn)工作臺都不是正交坐標系。開放式數(shù)字控制信息制造平臺 將數(shù)字控制信息制造過程進一步完全軟件化，將數(shù)字控制技術(shù)進一步完全 軟件化，這就意味著，在開放式數(shù)字控制信息制造平臺中，制造數(shù)字控制 信息的方法可以推廣到非正交坐標系，包括存在種種誤差的正交坐標系。5、 在現(xiàn)代制造業(yè)中，零件圖是攜帶、傳遞控制信息的唯一載體。數(shù)字 控制信息制造系統(tǒng)既然是獨立生產(chǎn)、獨立使用的用于制造數(shù)字控制信息的 裝置，那么，數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)所制造的數(shù)字控制信息則成為一種產(chǎn) 品，如何規(guī)定該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)以利于標準化也是需要解決的問題。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是彌補以上不完善之處，提出一種數(shù)字控制 信息制造系統(tǒng)以及制造數(shù)字控制信息的方法。本發(fā)明還提出一種用于數(shù)字 控制的數(shù)據(jù)控制流文件。1、本發(fā)明的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)。對于用戶程序，本發(fā)明提出一種數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)用于離線制造全部數(shù)字控制信息。所述數(shù)字控制信息用于完成給定控制任務(wù)，是直接面 向工作機的，包括多個軸的多軸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流與多個參數(shù)的參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流 即多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流，以及控制開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)控制流。本發(fā)明的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)包括硬件平臺、軟件平臺和應(yīng)用軟件系統(tǒng)；所述硬件平臺為PC機；所述軟件平臺為圖形界面操作系統(tǒng)；所述應(yīng) 用軟件系統(tǒng)包括人機界面功能區(qū)HMC、可編程邏輯控制功能區(qū)PLC、多 軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM (Multi-axis Multi-parameter Machining)以及系 統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD (System Database);所述人機界面功能區(qū)HMC用于接收用 戶程序；所述可編程邏輯控制功能區(qū)PLC用于生成控制開關(guān)運動的開關(guān)控 制流；所述多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM用于生成數(shù)據(jù)控制流文件；所述系 統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD用于儲存各種形式的相關(guān)數(shù)據(jù)。進一步地，所述應(yīng)用軟件系統(tǒng)建立在中間件(Middleware)之上，各 功能區(qū)均采用應(yīng)用編程接口 API (Application Programming Interface)。進一步地，所述多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊GRD (Generation of Related Data Stream),用 于生成伺服控制的多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊FRD (Format of Related Data Stream File), 用于將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣格式化；鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表； 鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表；生成格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS (Data Control Flow Interface Specification),用于生成系統(tǒng)初始化與系統(tǒng)運行狀態(tài)的狀態(tài)指令ST;鏈接 所述開關(guān)控制流生成開關(guān)指令SW;鏈接所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流 分布矩陣生成軌跡指令TR;根據(jù)用戶程序?qū)㈤_關(guān)指令SW、軌跡指令TR 和狀態(tài)指令ST編譯成I/0分配程序；根據(jù)用戶程序?qū)/O分配程序、格式 化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流編譯成數(shù)據(jù)控制流文件。進一步地，所述多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM還包括精細結(jié)構(gòu)仿真模塊 SFS (Simulation of Fine Structure),所述精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS用于對多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣進行設(shè)定標度的模擬仿真與調(diào)整優(yōu)化。進一步地，所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD包括刀具路徑文件庫、DCFS文件庫、 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫; 所述刀具路徑文件庫，至少儲存有零件的刀具路徑文件；所述DCFS文件 庫，至少儲存有零件的DCFS文件、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的 狀態(tài)表；所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫，至少儲存有刀具路徑的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù) 文件；所述結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有工作機軸間的包括不平行度、不 垂直度在內(nèi)的坐標系參數(shù)，以及工作機單軸的包括線位移誤差、角位移誤 差、反向間隙在內(nèi)的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)；所述工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫至少儲存有與加 工工藝有關(guān)的工藝參數(shù)；所述系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有包括步進/非步 進、進給當(dāng)量、速度與加速度的上限、環(huán)境溫度的上限在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)， 以及智能驅(qū)動器的初始化參數(shù)、可編程數(shù)據(jù)流控制器的I/O接口的初始化參 數(shù)。進一步地，所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流 分布矩陣的宏觀信息，所述宏觀信息包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布 矩陣的維數(shù)即聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動工藝參數(shù)的個數(shù)信息、聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動 工藝參數(shù)的代碼信息、所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的存儲容量信息和存儲 地址信息、所述開關(guān)控制流的存儲容量信息和存儲地址信息中的一個或多 個信息；所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表包括每個數(shù)據(jù)流的微觀信息，所述微觀 信息包括每個數(shù)據(jù)流的發(fā)送與接收狀態(tài)信息、傳輸速度信息、傳輸比特率 信息、傳輸比特數(shù)信息和傳輸起始時刻信息中的一個或多個信息。2.本發(fā)明的數(shù)字控制信息制造方法本發(fā)明提出的數(shù)字控制信息的制造方法包括以下步驟步驟l、人機界 面功能區(qū)接收用戶程序；步驟2、根據(jù)用戶程序，可編程邏輯控制功能區(qū)生 成控制開關(guān)運動的開關(guān)控制流；步驟3、根據(jù)用戶程序，多軸多參數(shù)聯(lián)動功 能區(qū)生成控制輪廓運動和工藝參數(shù)的格式化多軸多參數(shù)數(shù)據(jù)流分布矩陣； 步驟4、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)鏈接開關(guān)控制流和格式化多軸多參數(shù)數(shù)據(jù)流分布矩陣，生成數(shù)據(jù)控制流文件。進一步地，所述步驟3包括以下步驟步驟3-l、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能 區(qū)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊生成多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；步驟3-2、 多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流 分布矩陣格式化，生成格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。所述步驟3-1包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊在非正交離散坐標系中生成多 軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；所述非正交離散坐標系為軸的位移量為有理整數(shù)、軸的運動方向不相互垂直的坐標系。所述步驟4包括以下步驟步驟4-l、根據(jù)用戶程序，多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)的數(shù)據(jù)控制流文件生 成模塊鏈接所述開關(guān)控制流，生成開關(guān)指令SW;鏈接所述格式化多軸多參 數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，生成軌跡指令TR;鏈接用戶程序中指定的系統(tǒng)參 數(shù)與系統(tǒng)運行狀態(tài)，生成狀態(tài)指令ST;步驟4-2、根據(jù)用戶程序，所述數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將所述開關(guān)指 令SW、所述軌跡指令TR和所述狀態(tài)指令ST編譯成I/O分配程序；步驟4-3、根據(jù)用戶程序，所述數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將I/O分配程 序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流編譯成數(shù)據(jù)控制 流文件。進一步地，所述I/O分配程序用狀態(tài)指令ST控制坐標軸的輪廓運動， 用開關(guān)型運動指令SW控制開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令ST進行系統(tǒng) 初始化并控制系統(tǒng)運行狀態(tài)；所述狀態(tài)指令ST與用戶程序中的狀態(tài)指令 ST-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)，所述軌跡指令TR與用戶程序中的伺服型運動 指令TR-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)，所述開關(guān)指令SW與用戶程序中的開關(guān) 型運動指令SW-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)。3、本發(fā)明的用于數(shù)字控制的數(shù)據(jù)控制流文件。本發(fā)明提出的DCFS (Data Control Flow Interface Specification)文件，包括I/0分配程序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)f(據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流。所述I/O分配程序由狀態(tài)指令ST、軌跡指令TR與開關(guān)指令SW構(gòu)成; 所述狀態(tài)指令ST用于設(shè)定系統(tǒng)運行狀態(tài)以及按照系統(tǒng)參數(shù)進行系統(tǒng)初始 化；所述軌跡指令TR鏈接所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，用 于實時控制軸的輪廓運動；所述開關(guān)指令SW鏈接所述開關(guān)控制流，用于 實時控制開關(guān)系統(tǒng)。
進一步地，所述軌跡指令TR包括所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分 布矩陣在存儲器的存儲地址；所述開關(guān)指令SW包括所述開關(guān)控制流在存 儲器的存儲地址。
采用本發(fā)明的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)和方法所生產(chǎn)的數(shù)字控制信息以 特定的格式形成一個數(shù)字控制信息文件即DCFS文件。DCFS文件具有平 臺無關(guān)性，即與PC系統(tǒng)的硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，從而成為一種可 以在市場上進行交換的商品，該數(shù)字控制信息是直接面向該工作機的數(shù)字 化控制信息，是完成給定控制任務(wù)的數(shù)字映像，包括運動軌跡的數(shù)字映像 與工藝參數(shù)的數(shù)字映像，以及邏輯控制的開關(guān)控制流；數(shù)字映像包括毫米 級精細數(shù)字映像、微米級精細數(shù)字映像、納米級精細數(shù)字映像、皮米級精 細數(shù)字映像。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)對比的有益效果是
1、 在現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)中，數(shù)字控制信息的生產(chǎn)過程與所生產(chǎn) 的數(shù)字控制信息都是完全封閉的。在本發(fā)明中，數(shù)字控制信息的生產(chǎn)過程 與所生產(chǎn)的數(shù)字控制信息都是開放的。本發(fā)明在用戶與控制機之間、用戶 與工作機之間、控制機與工作機之間，也就是在控制的全過程中構(gòu)建了一 致性好的過程界面，從而實現(xiàn)了數(shù)字控制信息的開放性。
2、 本發(fā)明所提出的開放式控制信息制造平臺建立在數(shù)據(jù)庫訪問中間件 之上，與PC系統(tǒng)的硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺無關(guān)，實現(xiàn)了數(shù)字控制技術(shù)的 完全軟件化，為數(shù)字控制信息的應(yīng)用開發(fā)構(gòu)建了一個開放式技術(shù)創(chuàng)新平臺。
3、 NURBS插補涉及曲線的曲率，是三階甚至三階以上的差分方程，其計算過程異常復(fù)雜。在現(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)中實I見NURBS插補需要超高速 微處理器，造價很高，是完全封閉的。本發(fā)明所提出的開放式數(shù)字控制信 息制造平臺為用戶采用種種高度復(fù)雜的數(shù)值計算技術(shù)進行NURBS插值、擬 合與逼近提供了技術(shù)支撐，以擴展存儲空間的簡單技術(shù)手段與低廉的代價 實現(xiàn)了 NURBS逼近，而且是完全開放的。
4、 納米插補是以納米為單位進行插補。納米插補可以達到接近所設(shè)計 形狀的光潔加工表面，顯著提高了加工表面平滑性。為實現(xiàn)納米插補，現(xiàn) 有數(shù)字控制技術(shù)必須采用64位超高速處理器，技術(shù)復(fù)雜，價格高昂。本發(fā) 明所提出的開放式數(shù)字控制信息制造平臺以擴展存儲空間的簡單技術(shù)手段 與低廉的代價實現(xiàn)了納米插補以及納米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)的模擬仿真與調(diào)整 優(yōu)化。
5、 NC程序的高速程序預(yù)處理技術(shù)是現(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)的重要技術(shù)手 段?，F(xiàn)有數(shù)字控制系統(tǒng)采用插補迭代控制，將曲線用微小直線來逼近，導(dǎo) 致輪廓軌跡的NC程序過長，加工精度愈高，NC程序愈長，因而必須對 NC程序進行高速預(yù)處理。國家"高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專 項中的課題"全數(shù)字高檔數(shù)控裝置"將NC程序的高速程序預(yù)處理技術(shù)列 為研究內(nèi)容。在本發(fā)明所提出的開放式數(shù)字控制信息制造平臺上，無論輪 廓軌跡中有多少條不同的曲線，該輪廓軌跡在I/O分配程序中一般只使用 一條軌跡指令，實現(xiàn)了NC程序的最簡化，不存在NC程序的預(yù)處理問題。
6、 本發(fā)明提出的開放式數(shù)字控制信息制造平臺所生產(chǎn)的數(shù)字控制信息 與PC的硬件平臺和軟件平臺無關(guān)，實現(xiàn)了數(shù)字控制信息的最優(yōu)化與數(shù)字控 制信息的標準化，從而將數(shù)字控制信息產(chǎn)品化、商品化。如果將圖紙視為 零件的圖形化控制信息產(chǎn)品，則DCFS文件就是零件的數(shù)字化控制信息產(chǎn) 品，這種數(shù)字控制信息產(chǎn)品將進入市場。
7、 數(shù)字制造，又稱"e-制造"，是制造業(yè)現(xiàn)代化的標志之一?，F(xiàn)有開放 式數(shù)字控制系統(tǒng)的技術(shù)進步，實質(zhì)上取決于微處理器的芯片技術(shù)。本發(fā)明將數(shù)字控制技術(shù)轉(zhuǎn)化為開放式數(shù)字控制信息制造平臺上的信息處理問題， 將數(shù)字控制信息的生產(chǎn)與數(shù)字控制技術(shù)完全軟件化，這就產(chǎn)生了一個有益 效果，即催生數(shù)字制造中的一個新產(chǎn)業(yè)——數(shù)字控制信息制造業(yè)，即生產(chǎn)
DCFS文件形態(tài)的商品化數(shù)字控制信息。


圖1是具體實施方式
中數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
一種數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，包括硬件平臺、軟件平臺和應(yīng)用軟件系 統(tǒng)。其硬件平臺為一般的PC機系統(tǒng)，軟件平臺為圖形界面操作系統(tǒng)，其它 配置包括PLC系統(tǒng)、CAD/CAM系統(tǒng)(選配)等。
如圖1所示，應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括人機界面功能區(qū)HMC、可編程邏輯控 制功能區(qū)PLC、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD (System Database);人機界面功能區(qū)HMC用于接收用戶程序；可編程邏輯控制功 能區(qū)PLC用于生成控制開關(guān)運動的開關(guān)控制流；多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū) MM用于生成數(shù)據(jù)控制流文件；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD用于儲存各種形式的相關(guān) 數(shù)據(jù)。
其中，HMC功能區(qū)應(yīng)具有的基本功能及其相應(yīng)模塊為信息可視化模
塊HMC-Visu、人工操作模塊HMC-Mop、加工程序編輯模塊HMC-Edit、 診斷模塊HMC-Diag、用戶身份驗證模塊HMC-Authe、文件系統(tǒng)管理模塊 HMC-FileManage、通信服務(wù)模塊HMC-CommSrv 。
PLC功能區(qū)應(yīng)具有的基本功能及其相應(yīng)模塊為代碼管理模塊 LC-RtsCm、順序控制模塊LC-RtsCtrl、 PLC任務(wù)調(diào)度模塊LC-RtsTask、通 信服務(wù)模塊LC-RtsSrv。
人機界面功能區(qū)HMC通過圖形界面接收用戶程序；可編程邏輯功能 區(qū)PLC處理開關(guān)系統(tǒng)的邏輯控制，生成開關(guān)控制流。HMC功能區(qū)和PLC功能區(qū)屬現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)。
MM功能區(qū)包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊GRD、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊 FRD、數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS、精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS。
系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD包括刀具路徑文件庫、DCFS文件庫、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù) 庫、結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。所述刀具路徑 文件庫，至少儲存有零件的刀具路徑文件；所述DCFS文件庫，至少儲存 有零件的DCFS文件、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表；所述 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫，至少儲存有刀具路徑的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)文件；所述結(jié) 構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有工作機的軸間的不平行度、不垂直度等坐標系 參數(shù)，軸的線位移誤差、角位移誤差、反向間隙等軸的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)；所 述工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有與加工工藝有關(guān)的工藝參數(shù)，如進給量、 進給速度等；所述系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有步進/非步進、進給當(dāng)量、 速度與加速度的上限、環(huán)境溫度的上限等系統(tǒng)參數(shù)，智能驅(qū)動器的初始化
參數(shù)，可編程數(shù)據(jù)流控制器的i/o接口的初始化參數(shù)。
所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣的 宏觀信息，所述宏觀信息包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣的維數(shù) 即聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動工藝參數(shù)的個數(shù)信息、聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動工藝參數(shù)的 代碼信息、所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的存儲容量信息和存儲地址信息、 所述開關(guān)控制流的存儲容量信息和存儲地址信息中的一個或多個信息；所 述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表包括每個數(shù)據(jù)流的微觀信息，所述微觀信息包括每 個數(shù)據(jù)流的發(fā)送與接收狀態(tài)信息、傳輸速度信息、傳輸比特率信息、傳輸 比特數(shù)信息和傳輸起始時刻信息中的一個或多個信息。
對于每個控制任務(wù)，數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)離線生成全部數(shù)字控制信 息，所述數(shù)字控制信息用于完成給定控制任務(wù)，是直接面向工作機的，包 括多個軸的多軸關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流與多個參數(shù)的參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流即多軸多參數(shù)關(guān) 聯(lián)數(shù)據(jù)流，以及控制開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)控制流。
在本實施方式中，采用數(shù)據(jù)庫訪問中間件，將數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)進一步改進為開放式數(shù)字控制信息制造平臺OCM (Open Digital Control Information Manufacturing platform)。應(yīng)用軟{牛系統(tǒng)建立在中間{牛之上， 各功能模塊之間采用應(yīng)用編程接口 API。數(shù)據(jù)庫訪問中間件為用戶提供簡 單、標準、透明的數(shù)據(jù)庫連接的公共編程接口，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫連接方式的變 革。數(shù)據(jù)庫訪問中間件位于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和應(yīng)用程序之間，允許應(yīng)用程 序與本地或者異地的數(shù)據(jù)庫進行通信，并提供了一系列的應(yīng)用編程接口， 實現(xiàn)了應(yīng)用程序和異構(gòu)數(shù)據(jù)庫之間的統(tǒng)一接口，有效地解決了應(yīng)用系統(tǒng)在 不同數(shù)據(jù)庫之間的移植問題。典型的數(shù)據(jù)庫訪問中間件有微軟的ADO、 ADO.NET和JAVA的JDBC。
中間件(Middleware)是在硬件和操作系統(tǒng)之上，支持應(yīng)用軟件開發(fā) 和運行的系統(tǒng)軟件，使得應(yīng)用軟件開發(fā)和運行能夠獨立于特定的計算機硬 件和操作系統(tǒng)平臺，以跨越硬件平臺的異構(gòu)性、操作系統(tǒng)的異構(gòu)性、數(shù)據(jù) 管理的異構(gòu)性、開發(fā)語言的異構(gòu)性、網(wǎng)絡(luò)平臺的異構(gòu)性，實現(xiàn)應(yīng)用軟件之 間的互連和互操作。中間件技術(shù)發(fā)展很快，已成為應(yīng)用系統(tǒng)的支撐，與操 作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫并列為三大基礎(chǔ)軟件。平臺(platform)是中間件在特定的 行業(yè)或領(lǐng)域的深入發(fā)展。中間件是構(gòu)建平臺的基礎(chǔ)。在中間件之上有一層 屬于特定應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用構(gòu)件，以進一步簡化應(yīng)用軟件的開發(fā)，從而構(gòu)成 該應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)平臺。針對不同的圖形界面操作系統(tǒng)，例如Windows、 Lirnix，已開發(fā)出許多中間件，出現(xiàn)了不同層次、不同類型的中間件產(chǎn)品， 包括數(shù)據(jù)庫訪問中間件、遠程過程調(diào)用中間件、消息中間件、交易中間件、 對象中間件，以及企業(yè)應(yīng)用集成中間件、工作流中間件、門戶中間件等。 數(shù)據(jù)庫訪問中間件是使用最廣泛的一種中間件，目前己相當(dāng)成熟。本實施 例的上述多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM構(gòu)建在中間件之上，從而將數(shù)字控制 信息制造系統(tǒng)改進為開放式數(shù)字控制信息制造平臺OCM。
在OCM中，用戶可以在正交離散坐標系/非正交離散坐標系的標架下 自主開發(fā)種種數(shù)值算法以生成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流，也可以接收異地的異構(gòu)關(guān)聯(lián)數(shù) 據(jù)流，從而支持用戶二次開發(fā)，改變或增加控制功能，為NURBS插值(interpolation)、擬合(fitting)、逼近(approximation)，以及納米級精細數(shù)字
結(jié)構(gòu)的模擬仿真與調(diào)整優(yōu)化奠定了堅實的基礎(chǔ)并提供了一個技術(shù)創(chuàng)新平 臺
國標《GB/T 18759.1-2002 機械電氣設(shè)備 開放式數(shù)控系統(tǒng) 第2部 分體系結(jié)構(gòu)》將開放式控制系統(tǒng)劃分為三個功能區(qū)(functional area):人 機界面功能區(qū)HMC、可編程邏輯功能區(qū)PLC、數(shù)值控制功能區(qū)NC。
人機界面功能區(qū)HMC與可編程邏輯功能區(qū)PLC屬常規(guī)技術(shù)。本實施 例中提出采用多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM取代了國標GB/T 18759.1-2002 中的數(shù)值控制功能區(qū)NC。
系統(tǒng)各部件的功能如下。
一、 可編程邏輯功能區(qū)PLC
邏輯控制的數(shù)字化控制信息由PLC處理，采用現(xiàn)有的常規(guī)技術(shù)。
二、 多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM 1、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊GRD
多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣由關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊GRD生成。根 據(jù)工作機的結(jié)構(gòu)常數(shù)和工藝參數(shù)(如進給量、進給速度等)，GRD模塊確 定優(yōu)化目標，包括短程逼近、最小偏差逼近、最少拐點逼近等，根據(jù)刀具 路徑文件庫中的刀具路徑，選擇相應(yīng)的算法對輪廓運動進行整體優(yōu)化；在 正交離散坐標系進行數(shù)值計算生成輪廓運動的多維關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流并予以局部 優(yōu)化；將控制工藝參數(shù)的開關(guān)視為虛擬坐標軸，對工藝參數(shù)進行數(shù)值計算 生成工藝參數(shù)對主動軸數(shù)據(jù)流的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流并予以局部優(yōu)化；生成多軸多 參數(shù)的多維關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。離散坐標系的另一個特征是網(wǎng)格細分 (Subdivision)。在開放式控制信息制造平臺OCM上，網(wǎng)格標度可由系統(tǒng)參 數(shù)設(shè)定，例如，毫米(mm)、微米(um)、納米(nm)、皮米(pm)等。 GRD模塊所生產(chǎn)的控制信息是輪廓運動的完整的數(shù)字映像，而且可以是完 全離散的最優(yōu)的數(shù)字映像。這種完全離散的數(shù)字映像稱之為輪廓運動的精 細數(shù)字結(jié)構(gòu)。按照網(wǎng)格標度的不同，GRD模塊可生成毫米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)、微米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)、納米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)、皮米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)。
以上描述的多維關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流針對常規(guī)正交離散坐標系生成，也可進一 步改進推廣于非正交離散坐標系中生成。所謂非正交離散坐標系定義為軸 的位移量為有理整數(shù)、軸的運動方向不相互垂直的坐標系。所謂正交離散 坐標系定義為軸的位移量為有理整數(shù)、軸的運動方向相互垂直的坐標系。 通常的直角坐標工作臺、極坐標工作臺等都是正交離散坐標系。存在不垂 直度的直角坐標工作臺是非正交離散坐標系，主軸與坐標軸不垂直/不平行， 也視為非正交離散坐標系。
2、 精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS
精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS將關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流在正交離散坐標系/非正交離散坐 標系中進行精細數(shù)字結(jié)構(gòu)的模擬仿真并對輪廓運動的精細數(shù)字結(jié)構(gòu)進行調(diào) 整與優(yōu)化，特別是進行納米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)的模擬仿真并對輪廓運動的納 米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)進行調(diào)整與優(yōu)化。因此，OCM為納米級精細數(shù)字結(jié)構(gòu)層 面的NURBS插值、擬合與逼近提供了技術(shù)支撐。
3、 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊FRD
關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊FRD將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣格式 化，鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表，鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表，生成格式化多 軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。
4、 數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS
數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS用于生成DCFS文件，包括以下步驟:
1) 、生成狀態(tài)指令ST，包括系統(tǒng)初始化的狀態(tài)指令、智能驅(qū)動器的初 始化狀態(tài)指令、可編程數(shù)據(jù)流控制器的I/0接口初始化狀態(tài)指令ST、系統(tǒng) 運行狀態(tài)(自動、手動、啟動、結(jié)束、暫停等)的狀態(tài)指令ST;
2) 、鏈接格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，生成軌跡指令TR;
3) 、鏈接開關(guān)控制流，生成開關(guān)指令SW;
4) 、根據(jù)用戶程序，將開關(guān)指令SW、軌跡指令TR與狀態(tài)指令ST編 譯成！/O分配程序5)、鏈接關(guān)于用戶程序的文本文件，生成DCFS文件。
DCFS文件是所述數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)針對待加工零件離線制造的
數(shù)字控制信息產(chǎn)品，由文本說明、1/0分配程序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)
據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流等四部分構(gòu)成。
① 、文本說明
這是一個非執(zhí)行的文本文件，用于記錄文本信息，包括與加工零件 有關(guān)的文本信息，例如名稱、材料、數(shù)量、所耗工時、加工日期等；與 機床有關(guān)的文本信息，例如型號、規(guī)格、出廠日期、維修狀態(tài)等；與程 序本身有關(guān)的文本信息，例如最優(yōu)化目標、采用的數(shù)值算法、必要的注 釋、作者、編制日期等。
② 、I/O分配程序
I/O分配程序取代現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)中的NC程序。
工作機(執(zhí)行機構(gòu))的X軸以5m/s的速度正向進給50mm，水泵以2L/s 的流量輸出冷卻液等信息，這是用戶對執(zhí)行機構(gòu)提出的控制請求。所謂用 戶程序就是將這些控制請求按照用戶指定的時序以一定的格式書寫的控制 信息文件。運動指令"X、 Y: (+64， -32), 5;"表示X軸和Y軸以5mm/s 的進給速度沿第三象限的直線進給到Xe-64mm， ye = -32mm，這種運動指 令稱之為伺服型運動指令TR-hm。運動指令"S1: 2;"表示開關(guān)S,打開水 泵以2L/s的流量輸出冷卻液，這種運動指令稱之為開關(guān)型運動指令 SW-hm。狀態(tài)指令ST-hm描述自動、手動、啟動、結(jié)束、暫停等系統(tǒng)運行 狀態(tài)與進行系統(tǒng)初始化。人機界面功能區(qū)HMC中的運動指令既是面向執(zhí) 行機構(gòu)的，又是面向用戶的，它是用戶對執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出的控制請求，是人 機界面上控制信息的表示方式。
在上述運動指令中，X、 Y、 S!等變量與(+64， -32)、 5、 2等常量的 順序，標點符號的意義，簡稱為語義結(jié)構(gòu)。上述運動指令與自然語言中使 用的形式、以及數(shù)學(xué)中使用的形式保持相似的語義結(jié)構(gòu)。
與用戶的狀態(tài)指令ST-hm、伺服型運動指令TR-hm、 關(guān)型運動指令SW-hm相對應(yīng)，所述I/O分配程序只有三類指令
狀態(tài)指令ST，用于系統(tǒng)初始化與設(shè)定系統(tǒng)運行狀態(tài)。 軌跡指令TR，用于描述輪廓運動的多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流。 開關(guān)指令SW，用于描述開關(guān)控制流，由PLC處理。 按照用戶程序的要求，狀態(tài)指令、開關(guān)指令與軌跡指令構(gòu)成I/O分配程序。
開關(guān)指令SW與用戶的開關(guān)型運動指令SW-hm相對應(yīng)，用于描述開關(guān) 控制流，由PLC處理。
軌跡指令TR與用戶的伺服型運動指令TR-hm相對應(yīng)，用于描述輪廓 運動的多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流。
狀態(tài)指令ST可分為系統(tǒng)初始化狀態(tài)指令與系統(tǒng)運行狀態(tài)指令，與用戶 的狀態(tài)指令ST-hm相對應(yīng)。系統(tǒng)初始化狀態(tài)指令用于設(shè)定步進/非步進、進 給當(dāng)量、速度與加速度的上限、環(huán)境溫度的上限等系統(tǒng)參數(shù)，設(shè)定智能驅(qū) 動器的初始化參數(shù)，設(shè)定可編程數(shù)據(jù)流控制器的可編程I/O接口的初始化參 數(shù)。系統(tǒng)運行狀態(tài)指令用于設(shè)定系統(tǒng)的運行狀態(tài)，例如，自動、手動、啟 動、結(jié)束、暫停等。
用戶通過圖形界面,用伺服型運動指令TR-hm描述坐標軸的輪廓運動， 用開關(guān)型運動指令SW-hm描述開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令ST-hm使 系統(tǒng)初始化與描述系統(tǒng)運行狀態(tài)。I/O分配程序則將用戶的伺服型運動指令 TR-hm、開關(guān)型運動指令SW-hm與狀態(tài)指令ST-hm轉(zhuǎn)換為軌跡指令TR、 開關(guān)指令SW與狀態(tài)指令ST。
本實施方式用I/O分配程序取代現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)中的NC程序，I/O分配 程序有如下特點
a) 、 1/0分配程序中的數(shù)字控制信息是面向工作機的，是工作機運動軌 跡的完整的最優(yōu)的數(shù)字映像，不包含插補周期、輪廓步長等冗余信息，信 息量是最小化的；
b) 、 I/O分配程序中的數(shù)字控制信息包括實時控制工藝參數(shù)的參數(shù)關(guān)眹數(shù)據(jù)流；
c)、所述i/o分配程序的程序條數(shù)是最少的。
一般來說，在不涉及多次切削、無須換刀的情況下，所述I/O分配程 序中只有一條軌跡指令TR。
1/0分配程序的基本形式為 Nl:啟動狀態(tài)指令ST-start;
N2:軌跡指令TR+多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣在存儲器的相對地 址或絕對地址；
N3:結(jié)束狀態(tài)指令ST-end。
③、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣
DCFS文件的第三部分為軌跡指令的數(shù)據(jù)區(qū)即格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián) 數(shù)據(jù)流分布矩陣。
本實施例，在DCFS文件中，1/0分配程序與多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分 布矩陣分離。這就是說，DCFS模塊在編譯軌跡指令TR時，不直接鏈接格 式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，而是鏈接所述格式化多軸多參數(shù)關(guān) 聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣在存儲器中的存儲地址，包括相對地址或絕對地址。
、開關(guān)控制流
開關(guān)控制流確定開關(guān)系統(tǒng)的邏輯控制，由PLC生成。 本實施例，在DCFS文件中，采用I/O分配程序與開關(guān)控制流分離方 式。這就是說，DCFS模塊在編譯開關(guān)指令SW時，不直接鏈接開關(guān)控制 流，而是鏈接開關(guān)控制流在存儲器中的存儲地址，包括相對地址或絕對地 址。
5、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM (包括以上描述的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊 GRD、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊FRD、數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS、精 細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS)構(gòu)建在ADO/ADO.NET/JDBC等數(shù)據(jù)庫訪問中間件 之上，通過人機界面功能區(qū)HMC的圖形界面接收用戶程序；各模塊均采 用應(yīng)用編程接口 API。 CAD/CAM系統(tǒng)完成建模、出圖、刀具補償、生成刀具路徑文件，或者由GRD模塊直接完成建模、出圖、刀具補償、生成刀 具路徑文件。多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM為用戶創(chuàng)建自己的數(shù)值算法生產(chǎn) 數(shù)字控制信息提供了技術(shù)支撐，特別是為用戶采用種種高度復(fù)雜的數(shù)值計 算技術(shù)進行NURBS插值、擬合與逼近提供了技術(shù)支撐，從而為用戶自主開 發(fā)用于生產(chǎn)數(shù)字控制信息的應(yīng)用軟件或?qū)ΜF(xiàn)有應(yīng)用軟件進行置換和擴展提 供了一個開放式開發(fā)平臺，為用戶進行NURBS逼近，以及納米級精細數(shù)字 結(jié)構(gòu)的模擬仿真與調(diào)整優(yōu)化提供了一個開放式開發(fā)平臺。 三、人機界面功能區(qū)HMC
在現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)中，所謂人機界面指的是用戶與數(shù)字控制 系統(tǒng)之間的界面，并不包括用戶與工作機(執(zhí)行機構(gòu))之間的界面，也不 包括數(shù)字控制系統(tǒng)與工作機之間的界面。換言之，工作機是排除在外的。 其原因在于，現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)將實時操作系統(tǒng)的管理機制與應(yīng)變 機制當(dāng)作一種普適的控制機制，采用插補迭代控制方法，從而形成了以實 時操作系統(tǒng)為中心的系統(tǒng)架構(gòu)。現(xiàn)有開放式數(shù)字控制系統(tǒng)凌駕于工作機之 上，不是為工作機服務(wù)的，塞進了實時操作系統(tǒng)導(dǎo)致的插補周期、輪廓步 長等大量冗余信息，無法在數(shù)字控制系統(tǒng)與工作機之間構(gòu)建一致性好的界 面。
在本發(fā)明中，用戶程序用伺服型運動指令TR-hm描述坐標軸的輪廓運 動，用開關(guān)型運動指令SW-hm描述開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令ST-hm 描述系統(tǒng)運行狀態(tài)與進行系統(tǒng)初始化。上述運動指令與自然語言中使用的 形式、以及數(shù)學(xué)中使用的形式保持相似的語義結(jié)構(gòu)。伺服型運動指令 TR-hm、開關(guān)型運動指令SW-hm與狀態(tài)指令ST-hm既是面向執(zhí)行機構(gòu)的， 又是面向用戶的，是用戶程序?qū)ぷ鳈C發(fā)出的控制請求，具有接近自然語 言的語義結(jié)構(gòu)，是人機界面上控制信息的表示方式。
在人機界面層，用戶使用的指令為狀態(tài)指令ST-hm、伺服型運動指令 TR-hm、開關(guān)型運動指令SW-hm 。與之相對應(yīng)，在控制程序?qū)?，DCFS 文件中的I/O分配程序使用的指令即工作機接收的控制指令為軌跡指令TR、開關(guān)指令SW與狀態(tài)指令ST。而TR-hm與TR、 SW-hm與SW、 ST-h邁
與ST具有一致的語義結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明在用戶與控制機之間、用戶與工 作機之間、控制機與工作機之間，也就是在控制的全過程中構(gòu)建了一致性 好的控制過程界面，包括用戶與控制機之間的人機界面、用戶與工作機之 間的人機界面、控制機與工作機之間的界面。
人機界面功能區(qū)HMC設(shè)置有創(chuàng)新窗口 PR與遠程窗口 RM，多軸多參 數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM設(shè)置有GRD窗口、 SFS窗口、 FRD窗口、 DCFS窗口。 用戶自主開發(fā)生產(chǎn)數(shù)字控制信息的應(yīng)用軟件時可以通過點擊各窗口進入。
在人機界面功能區(qū)
1) 、點擊創(chuàng)新窗口 PR，用戶創(chuàng)建自己的數(shù)值算法并生成同構(gòu)/異構(gòu)關(guān)聯(lián) 數(shù)據(jù)流文件；
2) 、點擊遠程窗口RM，接收異地的同構(gòu)/異構(gòu)刀具路徑文件或同構(gòu)/異 構(gòu)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流文件。
在可編程邏輯控制功能區(qū)PLC:點擊PLC窗口，生成開關(guān)控制流。 在多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM:
1) 、點擊GRD窗口，選擇適當(dāng)?shù)臄?shù)值算法或所戶自己創(chuàng)建的數(shù)值算法 生成多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流；
2) 、點擊SFS窗口，設(shè)定網(wǎng)格標度，對關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫中的所述多 軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流進行相應(yīng)標度的模擬仿真與調(diào)整優(yōu)化；
3) 、點擊FRD窗口，點擊"特征表"，生成多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的 特征值；點擊"狀態(tài)表"，生成多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)值；點擊"格 式化"，將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化；鏈接特征值與狀態(tài)值；生成格式 化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；
4) 、點擊DCFS窗口，生成文本文件；根據(jù)用戶程序，生成DCFS文件。
采用上述數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)產(chǎn)生DCFS文件包括以下步驟 步驟l、人機界面功能區(qū)接收用戶程序；用戶程序通過圖形界面用伺服型運動指令TR-hin描述坐標軸的輪廓運動，用開關(guān)型運動指令SW-hm描述 開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令ST-hm描述系統(tǒng)運行狀態(tài)與進行系統(tǒng)初 始化，且伺服型運動指令TR-hm、開關(guān)型運動指令SW-hm與狀態(tài)指令ST-hm 既是面向執(zhí)行機構(gòu)的，又是面向用戶的，是用戶程序?qū)ぷ鳈C發(fā)出的控制 請求，具有接近自然語言的語義結(jié)構(gòu)。
步驟2、根據(jù)用戶程序，可編程邏輯控制功能區(qū)生成控制開關(guān)運動的開 關(guān)控制流。
步驟3、根據(jù)用戶程序，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊在正^/非正交離散坐標 系中生成多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。
步驟4、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣格式 化，生成格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣。
步驟5、根據(jù)用戶程序，數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊鏈接開關(guān)控制流，生 成開關(guān)指令SW;鏈接格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，生成軌跡指 令TR;鏈接用戶程序中指定的系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)運行狀態(tài)，生成狀態(tài)指令 ST。
步驟6、根據(jù)用戶程序，數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將開關(guān)指令SW、軌 跡指令TR和狀態(tài)指令ST編譯成I/O分配程序；狀態(tài)指令ST用于控制坐 標軸的輪廓運動，開關(guān)型運動指令SW用于控制開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，狀 態(tài)指令ST用于進行系統(tǒng)初始化并控制系統(tǒng)運行狀態(tài)；狀態(tài)指令ST與用戶 程序中的狀態(tài)指令ST-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)，軌跡指令TR與用戶程序 中的伺服型運動指令TR-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)，開關(guān)指令SW與用戶程 序中的開關(guān)型運動指令SW-hm具有一致的語義結(jié)構(gòu)。
步驟7、根據(jù)用戶程序，數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將I/0分配程序、格 式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流編譯成數(shù)據(jù)控制流文件 DCFS。
在OCM上制造出包含所有數(shù)字控制信息的DCFS文件后，可以通過 各種傳輸方式，如通過現(xiàn)場總線、或U盤、光盤等移動存儲器、或無線接口將DCFS文件發(fā)送給可編程數(shù)據(jù)流控制器，可編程數(shù)據(jù)流控制器運行 DCFS文件中的I/O分配程序，將數(shù)字控制信息實時分配發(fā)送給執(zhí)行機構(gòu)的 智能驅(qū)動器和開關(guān)系統(tǒng)執(zhí)行。這樣可以實現(xiàn)數(shù)字控制信息的制造與數(shù)字控 制信息的使用在時空上的分離，為先進控制領(lǐng)域的進一步分工與合作提供 了廣闊前途。
以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說 明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù) 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若 干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征在于包括硬件平臺、軟件平臺和應(yīng)用軟件系統(tǒng)；所述硬件平臺為PC機；所述軟件平臺為圖形界面操作系統(tǒng)；所述應(yīng)用軟件系統(tǒng)包括人機界面功能區(qū)HMC、可編程邏輯控制功能區(qū)PLC、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM以及系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD；所述人機界面功能區(qū)HMC用于接收用戶程序；所述可編程邏輯控制功能區(qū)PLC用于生成控制開關(guān)運動的開關(guān)控制流；所述多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM用于生成數(shù)據(jù)控制流文件；所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD用于儲存各種形式的相關(guān)數(shù)據(jù)。
2. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征還在于所述 應(yīng)用軟件系統(tǒng)建立在中間件之上，各功能區(qū)之間采用應(yīng)用編程接口 API。
3. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征還在于所述 多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊GRD，用于生成伺服控制的多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù) 流分布矩陣；關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊FRD，用于將多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣 格式化；鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表；鏈接關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表；生成格式 化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊DCFS，用于生成系統(tǒng)初始化與系統(tǒng)運行狀態(tài) 的狀態(tài)指令ST;鏈接所述開關(guān)控制流生成開關(guān)指令SW;鏈接所述格式化 多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣生成軌跡指令TR;根據(jù)用戶程序?qū)㈤_關(guān)指 令SW、軌跡指令TR和狀態(tài)指令ST編譯成I/0分配程序；將I/0分配程 序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流編譯成數(shù)據(jù)控制 流文件。
4. 如權(quán)利要求3所述的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征還在于所述 多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)MM還包括精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS，所述精細結(jié)構(gòu)仿真模塊SFS用于對多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣進行設(shè)定標度的模擬 仿真與調(diào)整優(yōu)化。
5. 如權(quán)利要求1所述的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征還在于所述系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫SD包括刀具路徑文件庫、DCFS文件庫、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫、結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫；所述刀具路徑文件庫，至少儲存有零件的刀具路徑文件； 所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)庫，至少儲存有刀具路徑的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)文件; 所述DCFS文件庫，至少儲存有零件的DCFS文件、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表；所述結(jié)構(gòu)常數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有工作機軸間的包括不平行度、不垂直度在內(nèi)的坐標系參數(shù)，以及工作機單軸的包括線位移誤差、角位移誤差、反向間隙在內(nèi)的精細結(jié)構(gòu)常數(shù)；所述工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有與加工工藝有關(guān)的工藝參數(shù)； 所述系統(tǒng)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，至少儲存有包括步進/非步進、進給當(dāng)量、速度與加速度的上限、環(huán)境溫度的上限在內(nèi)的系統(tǒng)參數(shù)，以及智能驅(qū)動器的初始化參數(shù)、可編程數(shù)據(jù)流控制器的I/O接口的初始化參數(shù)。
6. 如權(quán)利要求5所述的數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)，其特征還在于 所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的特征表包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣的宏觀信息，所述宏觀信息包括所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣的維數(shù) 即聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動工藝參數(shù)的個數(shù)信息、聯(lián)動坐標軸與聯(lián)動工藝參數(shù)的 代碼信息、所述多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的存儲容量信息和存儲地址信息、 所述開關(guān)控制流的存儲容量信息和存儲地址信息中的一個或多個信息；所述關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流的狀態(tài)表包括每個數(shù)據(jù)流的微觀信息，所述微觀信息 包括每個數(shù)據(jù)流的發(fā)送與接收狀態(tài)信息、傳輸速度信息、傳輸比特率信息、 傳輸比特數(shù)信息和傳輸起始時刻信息中的一個或多個信息。
7. —種數(shù)字控制信息的制造方法，其特征在于包括以下步驟-步驟l、人機界面功能區(qū)接收用戶程序；步驟2、根據(jù)用戶程序，可編程邏輯控制功能區(qū)生成控制開關(guān)運動的開 關(guān)控制流；步驟3、根據(jù)用戶程序，多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)生成控制輪廓運動和工 藝參數(shù)的格式化多軸多參數(shù)數(shù)據(jù)流分布矩陣；步驟4、根據(jù)用戶程序，多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)鏈接開關(guān)控制流和格式 化多軸多參數(shù)數(shù)據(jù)流分布矩陣，生成數(shù)據(jù)控制流文件。
8. 如權(quán)利要求7所述數(shù)字控制信息的制造方法，其特征還在于，所述 步驟3包括以下步驟步驟3-1、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊生成多軸多參 數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；步驟3-2、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流格式化模塊將多軸多參 數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣格式化，生成格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩 陣。
9. 如權(quán)利要求8所述數(shù)字控制信息的制造方法，其特征還在于，所述 步驟3-1包括關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流生成模塊在非正交離散坐標系中生成多軸多參數(shù) 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣；所述非正交離散坐標系為軸的位移量為有理整數(shù)、 軸的運動方向不相互垂直的坐標系。
10. 如權(quán)利要求8所述數(shù)字控制信息的制造方法，其特征還在于，所述 步驟4包括以下步驟步驟4-1、多軸多參數(shù)聯(lián)動功能區(qū)的數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊鏈接所述 開關(guān)控制流，生成開關(guān)指令SW;鏈接所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分 布矩陣，生成軌跡指令TR;鏈接用戶程序中指定的系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)運行狀 態(tài)，生成狀態(tài)指令ST;步驟4-2、根據(jù)用戶程序，所述數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將所述開關(guān)指 令SW、所述軌跡指令TR和所述狀態(tài)指令ST編譯成I/O分配程序；步驟4-3、根據(jù)用戶程序，所述數(shù)據(jù)控制流文件生成模塊將I/O分配程 序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流編譯成數(shù)據(jù)控制流文件。
11. 如權(quán)利要求10所述的數(shù)字控制信息的制造方法，其特征還在于-所述用戶程序通過圖形界面用伺服型運動指令TR-hm描述坐標軸的輪廓運動，用開關(guān)型運動指令SW-hm描述開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令 ST-hm描述系統(tǒng)運行狀態(tài)與進行系統(tǒng)初始化；所述伺服型運動指令TR-hm、開關(guān)型運動指令SW-hm與狀態(tài)指令 ST-hm既是面向執(zhí)行機構(gòu)的，又是面向用戶的，是用戶程序?qū)ぷ鳈C發(fā)出的 控制請求，具有接近自然語言的語義結(jié)構(gòu)。
12. 如權(quán)利要求ll所述的數(shù)字控制信息的制造方法，其特征還在于 所述I/O分配程序用軌跡指令TR控制坐標軸的輪廓運動，用開關(guān)型運動指令SW控制開關(guān)系統(tǒng)的開關(guān)邏輯，用狀態(tài)指令ST進行系統(tǒng)初始化并控 制系統(tǒng)運行狀態(tài)；所述狀態(tài)指令ST與用戶程序中的狀態(tài)指令ST-hm具有一致的語義結(jié) 構(gòu)，所述軌跡指令TR與用戶程序中的伺服型運動指令TR-hm具有一致的 語義結(jié)構(gòu)，所述開關(guān)指令SW與用戶程序中的開關(guān)型運動指令SW-hm具有 一致的語義結(jié)構(gòu)。
13. —種用于數(shù)字控制的數(shù)據(jù)控制流文件，其特征在于，包括I/0分配 程序、格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣、開關(guān)控制流。
14. 如權(quán)利要求13所述的用于數(shù)字控制的數(shù)據(jù)控制流文件，其特征在于所述I/O分配程序由狀態(tài)指令ST、軌跡指令TR與開關(guān)指令SW構(gòu)成； 所述狀態(tài)指令ST用于設(shè)定系統(tǒng)運行狀態(tài)以及按照系統(tǒng)參數(shù)進行系統(tǒng) 初始化；所述軌跡指令TR鏈接所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣，用 于實時控制軸的輪廓運動；所述開關(guān)指令SW鏈接所述開關(guān)控制流，用于實時控制開關(guān)系統(tǒng)。
15. 如權(quán)利要求13所述的用于數(shù)字控制的數(shù)據(jù)控制流文件，其特征在于所述I/O分配程序由狀態(tài)指令ST、軌跡指令TR與開關(guān)指令SW構(gòu)成;所述軌跡指令TR包括所述格式化多軸多參數(shù)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)流分布矩陣在 存儲器的存儲地址，用于實時控制軸的輪廓運動；所述開關(guān)指令SW包括所述開關(guān)控制流在存儲器的存儲地址，用于實 時控制開關(guān)系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種數(shù)字控制信息制造系統(tǒng)與方法及其數(shù)據(jù)控制流文件。本發(fā)明將數(shù)字控制信息標準化，采用接近自然語言的語義結(jié)構(gòu)的表示方式實現(xiàn)數(shù)字控制信息的標準化生產(chǎn)。本發(fā)明支持用戶的二次開發(fā)，為納米級NURBS插值、擬合與逼近提供了一個技術(shù)創(chuàng)新平臺。在正交/非正交離散坐標系的標架下，用戶可以自主采用各種復(fù)雜的數(shù)值計算技術(shù)制造標準化的數(shù)字控制信息。本發(fā)明將數(shù)字控制信息標準化，將數(shù)字控制信息的制造過程標準化，從而催生一個新的IT產(chǎn)業(yè)——數(shù)字控制信息制造業(yè)。
文檔編號G05B19/414GK101673106SQ20091019061
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者灝 江, 江俊逢 申請人:江俊逢;江 灝