（机械制造及其自动化专业论文）基于rtlinux的全软件数控系统设计与开发.pdf

中文攘要 f7 7 9 2 工3 基于r t l 。1 1 l 1 x 的全软件数控系统设计与开发 机械制造及其自动化专业 研究生：朱达宇指导教师：李彦 本课题怒四川i 省科技攻关项目( 0 3 g g 0 0 6 0 1 3 1 ) “y l ：放式软件数控系统开 发与应蘑”静予项霞，瀑题名穗“蒺予r t l i n u x 豹全软件数掺系统设计与开发”， 课题致力于构建一个l i n u x 平台下的数控系统原型。 随着信怠技术的飞遥发展，开教式数控系统正进入一个崭新的发展阶 段全软件数控( 亦穆软件数控或软数控) 。全软传数控是指c n c 系统的各 项功能，包括插补，位控和p l c ，均由软件模块来实现。软件实现的灵活性有 铡予数控系绞实现更蔑层次浆并羧往。 “基于p c ”是目前实现c n c 开放化比较现实而明确的途径。p c 平台上的 主流撩 乍系统( 鲡w i m o w s 、l i n u x 等) 是一种通用( g e n e r a l p u r p o s e ) 澡作系 统，其软实时特性不适合囊接作为软数控系统的开发平台。本课题以l i n u x 为 开发平台，熊决实时性问题的办法是采用r t l i n u x 实时扩展。 软馋开发是软数控系统秀发熬核心秘关镱。本漾邃以c 语言鸯主要再发语 言，系统图形用户界面的开发采用t c l t k 脚本语言。通过对数控系统功能需求 及多任务闯数掘依赖关系的分褥，结合l i n u x + r t l i n u x 平台上实时应瑙软俘的 结构特点，本课题的软数控系统采用分层结构，自上面下分别为：零耐层、管 理层和控制屠，界而层之上是用户，控制层之下是碗件。每鹾又分为着下个 模块及予模块，同层模块相互配合共同完残该嚣鲮任务。遴过u n i x 信号襁焉l 和半双工管道实现管理层与界面层的通信，通过r t l i n u x 提供的内核实时管道 实臻管理层与控割屡的通信。 软数控系统的实时控制功能由控制层中的软c n c 模块和软p i 。( ：模块完成。 其中软c n c 模块由嬲个予模块缀成，分踊是桶补准备了模块、插补子彼块、位 控子模块和输出予模块。在系统实现上四个子模块体现为鲤个宴时线程，按漉 心川大学坝十学位论卫 水线模式工作。系统的实时性由r t l i n u x 的高精度定时刷期以及合理的缓冲区 管理来保证。 本谍豚采用普通p c 或者工业p c 为硬件平台，数控系统与伺服系统及枫床 辅助机构的接口采用”块多功能接阴卡。该卡方面将上位控制器输出的位置 速度指令转化为相应的脉冲串，驱动伺服系统；舅一方蘧完成殍关量信号的输 入输出。 目1 本课题所设计开发的软数控系统已具备撼本数控功能，如译码、加减 速处理、赢线圆弧插补等，系统能够在实验平台上稳定运行。 关键词：丌放式数控；软件数控；r t l i n u x ；实时线程；通信管道 英文摘要 d e v e l o p m e n to f r t l i n u x b a s e ds o f t w a r ec n c m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n n f a e t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：z h ud a y u s u p e r v i s o r ：l iy a n t h et h e s i so fd e v e l o p m e n to fr t l i n u x - b a s e ds o f t w a r ec n ci st h es u bi t e r no f “d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f o p e na r c h i t e c t u r es o f t w a r ec n cs y s t e m ”，w h i c h i ss u p p o r t e db yk e yt e c h n o l o g i e sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mf u n do f s i c h u a np r o v i n c e c h i n a ( g r a n tn o 0 3 g g 0 0 6 。0 1 3 1 ) t h i st h e s i sd e d i c a t e st o c o n s t r u c t i n gap r o t o t y p eo f l i n u x - b a s e dc n cs y s t e m ， a l o n g w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , o p e nc n c s y s t e m h a sb e e ne n t e r i n gu p o nad e wp h a s e ，w h i c hi sa l l s o f t w a r ec n c ，s o f t w a r ec n co r s o f tc n c 。s o f t w a r ec n cm e a n st h a ta l lt h ef u n c t i o n so fc n cs y s t e m s u c ha s i n t e r p o l a t i o n ，p o s i t i o nc o n t r o la n dp l c ，a r ei m p l e m e n t e dw i t hs o f t w a r em o d u l e s t h c f l e x i b i l i t y o fs o f t w a r em a k e si ta v a i l a b l ef o rc n cs y s t e m st oa c h i e v e h i g h e r - l e v e lo p e n n e s s “p c b a s e d ”i sap r a c t i c a la n dd e f i n i t ew a yt oa c t u a l i z et h eo p e n n e s so fc n c s y s t e m sa tp r e s e n t 确em a i n s t r e a mo s ( o p e r a t i n gs y s t e m s ) o nm ep cp l a t f o r m ，s u c h a sw i n d o w s ，l i n u xa n ds o o n ，a r eg e n e r a l - p u r p o s eo s t h es o f t r e a l t i m e c h a r a c t e r i s t i cm a k e st h e mn o ts u i t a b l et ob et h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mf o rs o f t w a r e c n cs y s t e m s i nt h i st h e s i s ，t h ew a yt os o l v et h i sp r o b l e mi st oi n t r o d u c et h e r t l i n u xr e a l t i m ee x p a n s i o n s o f t w a r ed e v e l o p m e n ti st h ec o r eo fs o f t w a r ec n c s y s t e md e v e l o p m e n t i nt h i s t h e s i s ，el a n g u a g ei su s e da st h em a i nd e v e l o p m e n tl a n g u a g ea n dt c l t ki su s e di 珏 t h ed e v e l o p m e n to ft h eg r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e n t so fc n cs y s t e ma n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et a s k s ( r e a l t i m eo r n o n r e a t t i m e ) ，w ea d o p tm u l t i l a y e rs t r u c t u r ei nt h es o f t w a r ec n cs y s t e m f r o mt o pt o b o t t o m t h e ya r ei n t e r f a c el a y e r , m a n a g e m e n tl a y e ra n dc o n t r o ll a y e n 强eo n ea b o v e 瓣翊夫学嫒学位论文 i n t e r f a c el a y e ri st h eu s e r ，a n dt h eo n eb e l o wt h ec o n 拄o ll a y e ri st h eh a r d w a r e ，e a c h l a y e rf a l l si n t os e v e r a lm o d u l e so rs u b - m o d u l e s t h r o u i 舳c o o p e r a t i o nw i t he a c ho t h e r ? t h em o d u l e so ft h es a m el a y e rc o m p l e t et h em i s s i o no f t h a tt a y e n j h ei n t e r f a c el a y e r c o m m u n i c a t e sw i t ht h em a n a g e m e n tl a y e rt h r o u g hu n i xs i g n a lm e c h a n i s ma n d s e m i d u p l e xp i p e t h em a n a g e m e n tl a y e rc o m m u n i c a t e sw i t ht h ec o n t r o ll a y e r t h r o u g ht h ek e r n e lr e a l - t i m ep i p e ，w h i c hi sp r o v i d e db yr t l i n n x 。 t h er e a t t i m ec o n t r o lf u n c t i o no fs o f t w a r ec n cs y s t e mi sp e r f o r m e db yt h es o f t c n cm o d u l ea n dt h es o f tp l cm o d u l e t h es o f tc n cm o d u l ec o m p r i s e sf o m - s u b - m o d u l e s ，w h i c h a r e p r e i n t e r p o l a t i o nm o d u l e ，i n t e r p o l a t i o nm o d u l e ，p o s i t i o n c o n t r o lm o d u l ea n d o u t p u tm o d u l e t h ef o u rs u b - m o d u l e sa c ta sf o u rr e a l t i m et h r e a d s t h e yw o r ku n d e rt h ep i p e l i n em o d e l t h er e a l t i m er e q u i r e m e n to fc n cs y s t e mi s s a t i s f i e db yt h eh i g ht i m e rr e s o l u t i o na n da p p r o p r i a t eb u f f e rm a n a g e m e n t i nt h i st h e s i s ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sg e n e r a lp co ri n d u s t r i a lp c a st ot h e i n t e r f a c eb e t w e e nc n cc o n t r o l l e ra n ds e r v os y s t e ma n da u x i l i a r yd e v i c e s a m u l t i f u n c t i o n a li n t e r f a c ec a r di su s e d o nt h eo n eh a n d ，t h ec a r dt r a n s f o r m st h e o u t p u t t i n gj o m m a n d so f t h eu p p e rc o n t r o l l e ri n t oc o r r e s p o n d i n gp u l s es e r i e s ，w h i c h d r i v et h es e r v os y s t e m ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ta c c o m p l i s h e st h ei n p n t o u t p u to ft h e s w i t c h i n gv a l u e s a tp r e s e n t ，t h es o f t w a r ec n c s y s t e md e v e l o p e di nt h i st h e s i s ，h a sr e a l i z e db a s i c n u m e r i c a lc o n t r o lf u n c t i o n ss u c ha sc o d i n g , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o n 1 i n ea n d a r ci n t e r p o l a t i o n ，a n ds oo n i tc a r lr u ns t a b l yo nt h ee x p e r i m e n t a lf a c i l i t i e s k e yw o r d s ：o p e nc n c ；s o f t w a r ec n c ；r t l i n u x ；r e a l t i m et h r e a d ：c o m m u n i c a t i o n p i p e 第一章概论 第一章概论 1 1引言 1 1 1 问题的提出 市场全球化的后果使得各个企业之间的竞争空间剧烈，从而要求制造商具 有较强的市场适应能力，因而当今市场对于适合中小批量加工、具有良好柔性 和多种加工功能制造系统的需求已经逐步超过了对大型单一功能制造系统的需 要。这一市场发展的客观趋势促成了一个新的概念的产生，即模块化、可重构、 可扩充的开放式数控系统【1 。 开放式数控在其发展过程中逐步引入p c 技术，首先经历了在专用数控系统 中嵌入p c 或以p c 为载体嵌入专用的数控系统阶段：而后逐步发展为以p c 机 扩展板( c n c 板和p l c 板) 作为运动控制器的局部开放式数控系统；随着信息 技术的飞速发展，开放式数控系统正进入一个崭新的发展阶段一一全软件数控， 亦称软件数控或软数控f 2 】 3 1 。 1 1 2 课题来源 本课题来源于四川省科技攻关项目( 0 3 g g 0 0 6 - 0 1 3 一1 ) “开放式软件数控系 统开发与应用”，是该项目的予项目之一。 1 2 开放式数控综述 1 2 1 开放式数控的产生背景 数控技术的问世解决了传统方式难以解决的复杂零件的制造问题。准确、 高效的自动化手段，改变了以往机械工业中周期长、效率低的局面；柔性的工 作方式，能充分适应多品种、小批量的现代生产方式，从而大大提高了对现代 化工业生产需求的适应能力。利用数控技术，可以大幅度缩短产品的制造周期， 提高产品的加工质量，加速产品的更新换代，提高产品的竞争力，因而具有显 著的经济效益及广阔的发展前景，业己成为一个国家机械制造业水平的重要指 标之- - 。 然而，现今生产中使用的绝大多数c n c 系统( 阱f a n u c ，s i e m e n s 等为 凹川大学硕士学位论文 代表) ，所采用的是一种专用的封闭式体系结构，即组成系统的硬件模块和软件 缝握电器数控系统厂象鑫罩亍设计，怒专蠲赘，量不兼容懿，系统蔷穰袋闽懿交 互方式、通讯机制也互不相同。这种专用的封闭式结构的数控系统，虽然结构 简单，技术成熟，产品批量大，生产成本低，但随着技术的避步，市场竞争的 加屠g ，熬来越暴露出其固有的缺隐，集中表现在以下几个方藤f s 】： 各控铷系统闰互途能力差，影酾了系统豹糖互集成；风穰不的操作方式， 使用户培训费用增加；专用件的大量使用，给数控设备的使用与维护带来很 多不便； 系绞豹封阉缝馊缮对萁扩充秘穆菠授蔻鸯瓣，造或鼗控系统集盛意( n c 系 统中间用户) 对系统供应商的依赖，难以将翻己的专门技术、工艺经躲集成 入控制系统并形成自己的产品特点，不利于摄高主机产鼎的竞争力； 专嗣鹣硬、软件缩槐也限制了焱统本麦豹持续开发，镬系统豹秀发投瓷大、 周期长、风险离、更耨换代後，不穰予数控产品的技术避步。 总之，数控系统的这一现状已难以适应当今制造业的市场变化与竞争，也 不能满足现代制造业向信息化、敏挝制造模式发展的要求。 受瓣凌努濯式髂累缝秘数控存在鹣竭踅，避年来，嚣方餐工延发达辫蒙稳 继提出了向规范化、桥准化的方向发展，设诗歼敝式体系绐构数控系统的问题， 其中最鼹代表性和影响的相关研究计划有 黄圜的n g c 和o m a c 计划，欧盟 鳃o s a c a 诗划及| ：= i l 零躲o s e c 诗麓。开放式数控系统匏主黉磷究蟊翡蹩，要 解决交化频繁的需求与封闭的控翩系统结构之闽的矛蜃，建立一种新型的模块 化、可黧构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的功熊柔性，能够快速 而有效地响应新的加工需求。 1 2 。2 释放式数控酌定义 关于 丌放式数控的定义，目前尚有较大的争议。根据i e e e 关于丌放式系统 的定义，一个开放式瓣系统斑能够在多静等台上运行，能够与荬它系统遴褥互 操作，并能给雳户撼供一致豹交互箨霭。 对于个开放式的数控系统米说，也应遵循这些基本要求。一个开放的控 制系统应具有完全模块化的结构，模块之间其有可扩展性，可移植健，互换性 窝互揉终毪，这是令西藏系统黥纂零特征。 第一章概论 开放性的概念可从两个方面进行理解7 】：一是时间的丌放性，二二是空问的 开放性。时间的开放性是针对软硬件平台及其规范化而言的，以保证平台具有 适应新技术的发展、容纳新设备的能力。时间的开放性又有可扩展性和可移植 性两个方面；空间的开放性是针对系统接口及其规范化而言的，它又可分为互 操作性和互换性。 ( 1 ) 可扩展性 可扩展性包括规模可扩展性和换代可扩展性。规模可扩展性是指一个开放 式的数控系统可以通过增减部件改变系统的功能或性能；换代可扩展性，是指 随着时间和技术的迁移，组成数控系统的硬件和软件具有可升级性。 ( 2 ) 可移植性 可移植性要求数控系统能够在多个厂商提供的平台上面运行。因此，系统 的功能软件应与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模型、控制机制，并 且通过一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台上。 ( 3 ) 互换性 互换性要求构成数控系统的部件在功能、性能或可靠性等要求不同时，能 够用其它部件进行替换。互换性使得一个数控系统不再是专有的，它可以由来 自不同厂家的不同部件所构成。这对提高数控系统的性能价格比具有重要意义。 ( 4 ) 互操作性 互操作性表征了构成系统内部的各个部件在一起协调工作的能力。开放式 数控系统的互操作性通过一个统一的、标准的通讯系统来实现，这个通讯系统 不仅允许数据的交换并且定义了交换的协议。 通俗地讲，丌放式数控系统的目的就是使c n c 控制器与当今的p c 机类似， 系统构筑于一个开放的平台上，具有模块化结构，允许用户根掘需要进行选配 和集成，更改或扩展系统的功能，迅速适应不同的应用需求，而且组成系统的 各功能模块可以来源于不同的部件供应商并相互兼容。 与传统的封闭式专用数控系统相比，开放式的数控系统的主要优势在于， 建立- g e 新型的模块化、可重构、可扩充的控制系统结构，以增强数控系统的 功能和性能柔性，在体系结构上给用户留有进行二次开发的更多余地，能够快 速而有效地响应新的加工需求。 鲫j i 大学碳士学位论文 1 2 3 较件数控是一种新型的开放式数控 扶实疆方法上，p c ，n c ( 令久计算季趸数控怒嚣蓑实瑷c n c 野敖纯比较凌 实的途径。p c 从产生到现在，其计算能力和可靠性飞速提高，硬件已完全实现 标准化，这些使得它越来越适合于工业环境下使用。p c 具有丰富的支持软件来 改善c n c 系统昀用户器露、图形撼示、动态仿真、数控编稷、教障诊甑、网络 通讯等功能。利用p c 上功能强大豹开发工具，枫床割遗商和翊户可以采用避嗣 的编程谱言编制软件檬块代替系统的原有模块，便于机床厂和用户添加具有自 己独特技术诀窍的模块。 瑟落p c - n c ，帮在p c 程磺臀平台窝豢终系绕熬萋疆上，蒗嚣市场上镌售 或自行开发的应用软件和硬件插卡，构造出数控系统功能。倦砜有p c 的操作系 统缺乏寅时性。 鼙羲，p c - n c 的掏造方式主簧奔三静f 3 嬲：p c 板捶a nn c 装置中、n c 援插入副p c 祝的扩鼹獾中、软谇数控。 ( 1 ) p c 板嵌入n c 这一形式主要为一些大的c n c 控制器制造黼所采用。其豚因有两个方藤： 一是诲多臻户对宅髓懿产品攫熟瑟，氇习溪霞躅；二是这些大控稍器翻逶裔不 可能也不愿意在短时间内放弃他们镗统的专用c n c 技术。因此，才出现了这种 折中方案。其做法就是在传统的c n c 中提供p c 翦端接口，使其具有p c 化的 人巍爨甏，能够集成癞躅疆彦、蹋络攘窭等。嚣然，这穆系统瓣n c 内核傺簿 了原有的掰闭性，敬只能实现系绕入辊接口的歼放。 ( 2 ) n c 板嵌入p c 机 这种形式就是将逡动控制板或熬个c n c 单元( 雹括集成的p l c ) 插入到个 大毒卡算飘豹扩震穰孛。p c 筑 睾为葵实嚣疑理，实对控裁国c n c 单元或运动控 制板来承担。这种方法能够方便地寐现人机界谳的开放化和个性化。在此熬础 上，借助于所插入n c 板的可编稷能力，能部分实现系统核心结构的开放，如 基于p m a c 运动控裁卡鹣裁熬c n c 系统静属戴黉。 ( 3 ) 软件数控 软件数控是一种新型的开放式数控。软件数控是指c n c 系统的各项功能， 如编译、解器、插补秘p l c 等，均囊软件模块来实域。这类蓉绞蘑助现蠢豹操 乍系统平台，在应愆软 牟的支持下，遥过对c n c 软件的适当缀织、划分、攘范 4 第一章概论 定义和丌发，可望实现系统体系结构的开放。这种控制模式的硬件成本是最经 济的，但软件开发是最复杂的，开发的重点是系统软件和设备驱动程序。这种 方式能够迅速吸收计算机技术的最新成果，具有良好的灵活性和可扩展性，可 方便地采用新的控制算法，也易于实现物理设各和操作系统的更新换代。 由于处理机技术进步的摩尔效应，使得以硬件方式出现的运动控制器部件， 在可预见的时间内，完全可以用应用软件的方式来实现。随着处理机性能的曰 新月异和操作系统技术的不断进步，这种“硬件功能软件化”不仅不会导致任 何系统性能损失，而且软件实现的灵活性和硬件平台无关性将有利于系统实现 更深入的开放性和系统性能的快速增长，这也正是“软件数控”的基本思想， 同时也是数控系统完全开放的实现基础。全软件数控的主要特征l 。0 1 是： 系统的表现形式和目前常见的c a d c a m 等系统一样，完全只是种主 流操作系统( 实时扩展) 上的应用软件( 设备驱动软件) 。 完整的机床控制器功能( m m c 、p c 、m c 、a c 、p l c ) 。 外围连接采用标推规范。伺服和离散i o 信号通过一种信号转接器连接 到运行软件数控的计算机。伺服、离散i o 和信号转接器的连接可以是 光纤、屏蔽双绞线等，可采用s e r c o s 等开放性协议规范。信号转接器 和计算机的连接可以是网络、i e e e l 3 9 4 、u s b 、r s 4 8 5 、s c s l 等，采用 m m s ( m a n u f a c t u r i n gm e s s a g es p e c i f i c a t i o n ) 等协议规范和软件c n c 通 信。 核心开放体系结构。支持系统界面和运动控制算法的用户定制，对采用 智能控制策略有充分的考虑 支持c o m 或c o b r a 等软件技术规范。可与c a d c a m 软件无缝集成。 加工单元代理( a g e n t ) 功能。支持f m s 、c i m s 、虚拟制造等先进制造 的上层应用。 1 3 软件数控研究现状 目前己有国外厂商推出了基于p c 的软数控产品，例如：s o f ts e r v os y s t e m s 公司的s e r v o w o r k s ，a u t o m a t i o ni n t e l l i g e n c e 公司的产品a m l ，m d s i 公司的 o p e n c n c 等1 引。这些产品都是以运行于p c 机上的数控软件替代了运动控制 器和p l c 控制器的功能。 | 銎； 圳大擎赣圭学位论文 圈内电有一些硪究毒凡构对软数控系统的避孳亍了硬究 1 h l 叫9 1 。文蘸 1 4 1 论述了 一种新的开放式数控系统一w l o n c s ( w i n d o w sn ta n dl i n u xb a s e do p e n n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ) 。wl o n g s 挺数控系绞豹功能实现攒蒙为一系尉功 能模块、把操作系统的任务实现表示为一组任务框架。w l o n c s 的任务模块怒 可独立运芎亍的实璃菜静控稍功熊的程序模块，它楚通过程任务稽架中檠成菜黪 功能模块的功能磷得到的一组根关的任务模块组台在一起可以构成个具体的 数控系统。w l o n c s 可以产生蘩于w i n d o w s n t + r t x 的数控系统和基于l i n u x + r t “n 1 1 x 的数控系统。 文献 1 5 1 提出在r t l i n u x 上实现具有开放性、模块化、动态可重构的c n c 系绕戆较停框絮及其缰戚，给瓣了缝成该系统基本模块( 任务模决) 瀚定义凝 任务模块之问的关系。 文献【i 6 】对其有代表性的操作系统( 稳括专商实时操作系统、l i n u x 、 w i n d o w s 及基于w i n d o w s 的实时扩展操作系统) 的实辩性与开放性进行了研突 与比较，并分析了s e r c o s 总线的性髓与发展过程，指出蒸于w i n d o w s 的实时 扩震搽传系绞霹s e r c o s 撂准懿实藏楚实瑷舞款式软数控系统黪嚣个羹要技零 基础，并给出了一个基于w i n d o w s 实时扩展和s e r c o s 总线技术的丌放式软数 控系统设计实橱。 文献f 1 7 1 给出了一种可重构、可扩充的开放式软c n c 的实现机制。该系统 萋予w i n n t + r t x 实时扩展系统，软件设计聚用了新的三层结构，面向最终用 户，体系结构完全开放。系统掰整钵黧掏，蠖予势缀。雳户通过编制维l 牛对象 模型程序和实时动态链接库程序，可以方便地扩充用户专用指令。 孥荸副遗，华玺大学黪吴寒，雾罾酶等( 文献f l 羽饔文献 1 9 】) 鞍详缎缝给爨 了一种在l i n u x ar t l i n u x 平台上构建歼放式软数控系统的的实现方法与设计原 理。 本课题也正致力于这方面的研究与探索，期望建立一个软数控系统的原型， 作为谦题组后续研究的基础。 6 第一章概论 1 4 本课题的研究目标与研究内容 1 4 1 研究目标 本课题作为“丌放式软件数控系统开发与应用”项目的子项目，旨在构建 一个l i n u x 平台下的数控系统。l i n u x 本身只是一个通用分时操作系统，其软实 时特性不适合直接作为数控系统的开发平台，如何方便的实现l i n u x 的实时性 是课题研究的首要问题。其次，l i n u x 平台是一个相对陌生的环境，如何选择台 适的开发语言和开发工具，又是一个难题。经过前期研究，本课题决定采用 f s m l a b s 公司的r t l i n u x 作为l i n u x 的实时扩展来确保系统的实时性，选用c 语言作为主要开发语言，系统的图形界面独立编写，采用简单易用的t c l t k 脚本语言。本课题的研究目标是，在既定的平台之下实现数控系统这么一个相 对复杂的实时应用的原型系统。 1 4 2 研究内容 根据本课题的研究目标，本人完成了以下研究工作： 研究了数控系统工作原理以及系统工作过程中数据流的变化细节。 研究了课题组先前项目的各种资料，包括软件产品，项目文档，原始代 码等。 研究阅读了几个国外同类项目的原代码及部分文档。 研究学习了l i n u x 环境下的各种编程技术，包括工具软件的使用。 研究学习了r t l i n u x 的系统原理和编程技术。 逐步完成软数控系统的原型开发，系统具有一个比较友好的图形界面， 用户可以在图形界面进行基本数控操作，如g 代码编辑，对刀，自动 加工等。系统实现了译码，线性加减速，直线插补，圆弧插补，位置控 制、i o 控制等基本内部功能。 为软数控原型系统搭建实验平台，验证系统的实时性和机床运行效果。 四川大学硕：卜学位论文 第二章系统总体设计 由于数控系统是本身是一个复杂的多任务并发的实时应用系统，而软数控 系统把原本由硬件控制器完成的功能整合到软件中，因此软数控系统的软件部 分是相当复杂的。丌发者一方面要确保多个任务( 实时或非实时) 之间的协调 与通信的正确性，另一方面要考虑软件整体结构的合理性。本课题所实现的软 数控系统只能说是一个简陋的原型系统，本章以及下一章试图对这个原型系统 的设计开发过程与实现方法作比较详细的介绍。 2 1 数控系统功畿分析 数控系统功能很多，但其核心功能是解释执行数控代码，按代码规定的加 工要求，自动完成对零件的加工。这自动加工过程中，数控系统完成了两个 方面的控制，一方面是对刀具运动轨迹的控制，另一方面是对诸如冷却液开关、 刀具松开夹紧等开关量的逻辑控制。有关数控系统逻辑控制已有课题组其他成 员专门从事这方面的研究，因此本课题主要针对数控系统中的运动控制，对数 控系统作功能分析时也只限于对运动控制的讨论。 2 1 1 译码功能 数控加工时，数控系统首先对g 代码文件译码。译码过程可看作是一个数 据过滤的过程。译码器的输入是一个按一定准则编写数控代码文件，或者说是 一个字符串序列。译码嚣的输出一个个译码结果，一个译码结果代表一个轨迹 段( 直线或者圆弧) 以及一些附加信息( 如进给速度、刀补数掘等) ，这些轨迹 段首尾相接，形成机床刀具的运动轨迹。译码器数据过滤作用如图2 1 所示： 与编程的准则相一致，对一个程序段进行译码与数据处理时也要规定一些 处理准则，主要准则有4 条【2 。l ： 刀具上一段的终点是下一段的起点 刀具在运动中只能是连续运动，不会发生跳跃，所以在编制零件程序时， 每一个程序段中只有运动终点的信息，而没有起点的信息，那么上一段的终点 将是下一段的起点。根据这一准则，译码时就可以完整地知道一条曲线的全部 信息。一个零件程序的第一段在译码时则把刀具当前的位嚣作为程序段的起点， 菲二章幕统巷体设计 所以在f 式加工时，循环启动前要进行准确的对刀。 控制点的选择 c n c 是撼刀具作为一个动点来翻良控蠲熬，毽乃其是有凡俺形拣躲国体， 而且还存在一个安装位罱问题，所以露选择一个控制点，而c n c 就是要控制遮 点的运动。在铣床的控制中，主平丽( x y ) 常以刀具的中心为控制点，z 方 巍鄹嘉为刃具的最静强。嚣车疼剐有联不阉，经鬻遮撵数控裁患为安装刃其豹 刀架中心，这就造成车床掇翩始终要裔刀具半径补馁和刀具长度补偿。如果铣 床z 方向的控制点是刀具锥柄端，则也需要刀具长殿补偿。 按机床坐标系译弼与诗算 每台橇窳都有它豹豳霄坐标系，这个坐标系称洚税床坐拣系，聿凡瘴静控制， 即译码、数掘处理、位鬣控制都以机床艇标系为鏊猴的。 模态代码的处理 搂态代磷一量摆定，篮续疆彦段孛魏莱没有鑫瑷嚣组( g 我璃) 菇嗣类( m 代码) 的代弼，或者没有敬变指令值( x 、y 、z 、s 、f 等代码) ，则该代码一 直有效，其对应的译码信息一直保持不变，亦即下穗寄段是在继承上一程序 段模态信息豹f 提下进行译码的。同缎鹣摸态o 代戳妇果一个也没有指定，则 潋缺省僮作为指定僮。 文奉文孛 躐 字符串彦碰 0 厂 | 译羁嚣l l j o 博_ i ；萼结果 ( ) ) 豳2 - 1 译鹤器示意图 9 p q 川天学硕士学位论文 2 1 2 _ 7 】舆补偿功能 鼗臻系统瑙乃其豹整裁是良刃黎参考点为蘩漆的，零 譬加工程序绘国零搏 轮廓轨谶，如不作处理，则数控系统仅能控制刀架的参考点，但实际上是耍用 刀具的尖点实现加工，这样需要在刀架的参考点与加工刀具的刀尖之间避行位 置镳置，卸刀具 偿。刀具 偿由鼹部分组成：刃昊长度羚楼秘刃其半径 偿。 不霜类毯的枫床与刀艇，需要考虑瓣刃补参数也不同。 刀鼎补偿功能在译码得到的轨诲段序列的撼础上作修改年 添加，得到个 新的轨迹段序列，可糟作是译码功能的扩展。刀具 偿功能霸标明确，但县体 霎法还麓骞一定戆复杂往，本潆遴竣诗熬爨鳖蓉统不其各刃爨 嫠功爱。 2 1 3 加减速功能 在数控系统中为了保证机床在怒动、停止或速度突变时不产生冲击、失步、 超翟或羧荡，必矮对瀵蓟璃鼹毫瓣豹迸给频率躐电压避行控制。在税床趟动及 进给速度大幅度上升时，控制加强伺服电机上的脉冲频率或电压逐渐增大：而 当机床停止或进给速度大幅度下降辩，控制加程伺服电机上的脉冲频率或电压 逐濒减小。 在c n c 装髯中，宓疆减速控制多用软件实现。这种用软件实现的加减滤控制 可以放在插补胁进行，称插补前加减速，也可以放在插补后谶行，称插补后加 减速。攒 压加城遴洳予对各坐橡辘分别进行控傣4 ，在翔减速过程中各坐标辘 的实际合藏孰迹就可麓偏离缡程瀵论轨迹，谴鬻精度受到影锏，这释影确只有 在系统处于匀速状态时才不存在。所以要想获褥不影响位置精度的插补输出， 最好采用插 前加减遮度控制。 2 。1 。4 摇褥功麓 零件程序经过详硒、刀补、加减速处理后，紧接着就是擂补和位控。播补 和位控怒c n c 中的轨迹控制策略，它们要解决的阀题就是要用萃【 简单羧遮的 算法诗冀出当前瘸麓刃具鹊运动信意。藏嚣蓠警涟应霜静播於舞法两言，可分 为如下两大类【“j 。 ( 1 ) 脉冲增量插补 辣净臻量捶 逢稼孑亍程蠡耋鬟斡。捶毒 戆终暴是产生蕈令行程趱登，以一 个个脉冲的方式输出给步进电机。脉冲增量插补输出的速率主蒙受捅补程序所 0 第二章系统总体设计 用时间的限制，它仅仅适用于中等精度和中等速度，以步进电机为驱动元件的 c n c 。 ( 2 ) 数据采样插补 数据采样插补也称时问分割插补，适用于闭环和半闭环以直流或交流电机 为执行机构的位置采样控制系统。插补程序的调用周期可以和系统的位置采样 周期相同，也可以是采样周期的整数倍。在前一种情况下，插补程序是在每一 个采样周期中被调用一次，算出坐标轴在一个周期中的增长段，进而得到坐标 轴相应的指令位置，与采样获得的坐标轴现时实际位置相比较，求得跟随误差。 位控程序将根据当前的跟随误差算出适当的坐标轴进给速度指令，输出给伺服 单元。 有时，数据采样插补分两步完成。第一步为粗插补，它是在给定起点和终 点的曲线之间插入若干个点，即用若干条微小童线来逼近给定曲线，每一微小 直线段的长度与进给速度和插补周期有关。粗插补的特点为是把给定的一条曲 线用一组直线段来逼近，即算出每个插补周期的坐标位置增量值。第二步为精 插补，它是在粗插补算出的每一条微小直线段上再做“数据点密化”工作。 2 1 5 位置控制功能 数控系统的位置控制接1 ：3 根据所使用伺服单元的不同而有所不同：当伺服 单元为模拟式交流直流伺服单元时，位置单元接口则用位嚣环板；当伺服单元 为数字式交流伺服单元时，位置单元接口可采用标准串口f 2 2 】。 采用模拟式交直流伺服单元的数控系统硬件组成如图2 2 所示。其中，光 电隔离输入板和光电隔离输出板用作机床开关量及操作面板与计算机的接口， 位置环板用作位置控制回路与计算机的接口，多功能板用作主轴控制单元、手 动脉冲发生器与计算机的接口。 位置检测装置将机床坐标轴的实际位置通过位置环板送入控制计算机，计 算机的控制指令通过位嚣环板输出给模拟式交直流伺服单元，由伺服单元驱动 伺服电机工作。 由于模拟式交流厂直流伺服单元内部只含有速度控制环而不含位置控制 环，所以位置控制任务必须在数控系统控制软件中完成。控制软件将算出的每 个采样周期的位移增量( 理论值) 与检测装置的位置反馈值( 实际值) 进行比 心川大学硕：l 学位论文 较，求褥麓值( 此即位景控制过程) 并形成速度指令后彳能通过位嚣环板送到 稳应的镧鞭单元。溪羧式按照蕈元褥套动竞减遮滚豹控裁。位霉反溃信惑遴过 位置环投送回计算机，不仅用于显示坐标轴当前位置、跟随谡差等，而且更重 要的是参与位置控制的计算，并求出位置环的输出速度。 i p c 刨 圆 圆 蜜2 - 2 蘩瓣模掇式交瀚赢滚锈癃簟跫瓣c n c 体系旗棱 ! l p c 光电粥舶 图2 - 3 采用数字式交流饲糖单元的c n c 体系结构 采用数字式交流侗服单元的数控系统硬件组成如图2 - 3 所示。其中，串口 圈圉匾 意 蠹一 n 倒 第二章系统总体设计 板用作位置控制回路与计算机的接口，其它板卡的使用与采用模拟式伺服单元 的系统相同。由于数字式交流伺服单元内部含有位置控制环和速度控制坪，所 以在数控系统控制软件中只需算出每个采样周期的位移增量并通过串口板送到 数字式交流伺服单元即可完成位置控制与速度控制。位置反馈信息亦通过串口 板送回计算机，用于显示坐标轴当前位置、跟随误差等。 2 2 数控系统开发平台分析 2 2 1 基于d o s 平台的数控系统 d o s 是一个单任务操作系统。d o s 中的应用程序在运行时是过程式的，即： 它顺序执行自己的代码，直到运行完毕后才放弃c p u ，在此期间其它应用程序 都不能运行。而数控系统的工作是一个多任务并发的过程，同时对任务运行的 优先等级和实时性有严格要求。所以，基于d o s 开发数控系统软件必须首先实 现多任务环境，同时要保证任务调度的合理性和实时性。 定时计数器芯片( 在p c 中就是8 2 5 3 8 2 5 4 ) 是计算机操作系统实现多任务 功能的硬件基础。系统定时器的定时周期由操作系统在系统初始化时设定，d o s 将其设置为大约5 5 毫秒【2 ”，这对于实时控制来说精度太低。但是由于d o s 结 构简单，允许应用程序直接访问硬件和修改中断向量，因此在d o s 中可以直接 对定时器重新编程而获得更高频率的定时中断( 这是获得高精度定时的基础) ， 并在此基础上实现一个简单的多任务环境【2 4 l ，这个环境就是数控系统软件的基 本环境。为了保证任务调度的实时性，必须采用基于优先级的抢占式调度算法。 但是这种由应用程序建立的多任务环境只是应用程序内部的多任务环境，d o s 本身仍然是一个单任务环境。 实践证明，用这种方法实现的数控系统基本环境在多任务能力和实时性方 面都是相当好的。多年来，我国的研究开发工作者在基于d o s 平台的数控系统 软件开发方面积累了丰富的经验，因此我国当前大部分数控系统软件都是基于 d o s 操作系统开发的。 采用d o s 作为数控系统的软件平台，有很大的局限性。首先，由于d o s 是单任务操作系统，数控系统开发者自行实现多任务环境，丌发周期长，而开 放性、通用性和可靠性降低，往往调度代码和功能代码难以形成清晰的层次。 埔川大学鞭士学链论文 其次，d o s 提供的系统接口过于简单，可剥月的软l 牛资源很少。纂于d o s 的数 控系统软件丌发，低水平重复开发现象严重，代码复用率低，人机界面等非梭 心功缝的野发茳往占蠲了大量豹时阕。d o s 运行予c p u 实模式下，d 涎麓警疆 6 4 0 k 内存，对系统性能造成了严重限制。d o s 的开发商美国微软公司早己停止 对d o s 蘸继续开发， 擘为一个已经“成为历史”静操 睾系统，d o s 对阁络、数 据库镰现代先进数控系统功能的支持郄非常弱。因此，基于d o s 玎发数控系统， 很难跟上技术发袋的潮流。 总之，纂于d o s 开发数控系绞，不箍台敬 孛工程学的科学琢剩。蒸于一个