為構(gòu)建一種精簡(jiǎn)的低成本經(jīng)濟(jì)型五軸機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，采用了基于實(shí)時(shí)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺(tái)以及工業(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)PC—104為硬件平臺(tái)，采用并口作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制接口，并利用軟件編程的方法完成步進(jìn)電機(jī)位置控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該數(shù)控系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)控制。 以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)為特征的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有價(jià)格便宜、精度中等、功能針對(duì)性強(qiáng)等特點(diǎn)。針對(duì)我國(guó)主要存在的中低檔機(jī)床，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當(dāng)大的市場(chǎng)潛力。在研制經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)過(guò)程中，考慮提高系統(tǒng)性能同時(shí)，如何盡可能多地減少硬件設(shè)計(jì)，降低成本，提高可靠性，是始終追求的目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)，本文研究一種基于實(shí)時(shí)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺(tái)以及通用工業(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)PC—104模塊為硬件平臺(tái)的基于并口驅(qū)動(dòng)的五軸數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)。 1 系統(tǒng)硬件組成 數(shù)控系統(tǒng)采用了基于PC-104的硬件結(jié)構(gòu)。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 為滿足系統(tǒng)性能的要求，采用了低功耗的Pentiam-Ⅲ處理器作為主CPU單元，其硬件中斷延遲小于25μs。系統(tǒng)中常規(guī)的位置控制模塊由主CPU依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。同時(shí)采用DOC或CF卡的方式保存系統(tǒng)程序和應(yīng)用程序及加工代碼。系統(tǒng)采用并口輸出的方法實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的接口。圖2為標(biāo)準(zhǔn)并口結(jié)構(gòu)圖。標(biāo)準(zhǔn)并口具有12個(gè)輸出位（D0-D7、C0-C3），5個(gè)輸入位（S3－S7）。由于每路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要2個(gè)數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用10個(gè)數(shù)字輸出位。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器放大并口輸出的脈沖和方向信號(hào)，使之驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。其它2個(gè)數(shù)字輸出位分別用于控制冷卻液開關(guān)、潤(rùn)滑液開關(guān)。主軸開關(guān)及轉(zhuǎn)速通過(guò)主軸變頻器上的按鍵控制。并口的輸入位用來(lái)檢測(cè)回零開關(guān)信號(hào)、限位開關(guān)信號(hào)以及急停輸入信號(hào)。由于輸入位資源有限，采用將5個(gè)軸電機(jī)的正限位、負(fù)限位和回零信號(hào)分別并聯(lián)的方法，每個(gè)并聯(lián)位各占用一個(gè)并口輸入位，共占用三位。急停開關(guān)輸入信號(hào)占用一個(gè)并口輸入位。具體信號(hào)管腳安排如表1所示。 2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)的理想軟件平臺(tái)應(yīng)該是既具有多任務(wù)調(diào)度能力，又有很好的實(shí)時(shí)性的操作系統(tǒng)，即實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。文中采用Rtlinux作為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。Rtlinux是由美國(guó)新墨西哥州的FSM實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的面向?qū)崟r(shí)和嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)。Rtlinux是在Linux之上實(shí)現(xiàn)的一個(gè)小巧的實(shí)時(shí)內(nèi)核。它將Linux內(nèi)核作為新內(nèi)核的一個(gè)具有最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行，可以被其它的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)搶占處理機(jī)。因?yàn)橥耆珦屨糒inux內(nèi)核任務(wù)，使得它的響應(yīng)速度特別快。在一臺(tái)386機(jī)器上，Rtlinux的中斷響應(yīng)時(shí)間不會(huì)超過(guò)25μs，因此能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求。 CNC系統(tǒng)中管理任務(wù)和控制任務(wù)必須同時(shí)并行處理，這是由CNC裝置的工作特點(diǎn)決定的。即在一個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)必須完成控制策略的計(jì)算，還要留出一定的時(shí)間去做其它的事情，如用戶圖形界面的交互處理。在單微處理器的CNC裝置中，主要采用資源分時(shí)共享來(lái)解決多任務(wù)的并行運(yùn)行。同時(shí)利用Rtlinux和Linux相結(jié)合，按照實(shí)時(shí)性需求共同處理CNC系統(tǒng)中的任務(wù)。圖3為數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，圖中整個(gè)數(shù)控軟件是由4個(gè)主要部分組成:圖形用戶界面（GUl）、任務(wù)指派器（TASK）、動(dòng)作控制器（MOT）、輸入輸出控制器（I0）。該圖顯示了系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)控制的。其中，機(jī)械代碼被解釋成規(guī)范的命令后，再由任務(wù)分配程序（TASK）發(fā)到動(dòng)作控制器（MOT）和輸入輸出控制器（I0）執(zhí)行。 其中，GUI采用TcL/Tk語(yǔ)言進(jìn)行編程，在Linux用戶空間運(yùn)行，界面更新時(shí)間為0.2s。用來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)、MDI三種工作模式的設(shè)定、加工代碼文件的輸入與編輯、系統(tǒng)參數(shù)和用戶參數(shù)的設(shè)置、加工過(guò)程的位置和圖形顯示及系統(tǒng)的報(bào)警診斷信息等。 TASK接受來(lái)自圖形用戶界面或其它外部程序的C和M系列機(jī)械代碼，解釋成規(guī)范的命令，按順序邏輯向動(dòng)作控制器和輸入輸出控制器發(fā)出命令。任務(wù)分配程序工作在Linux用戶空間，每10ms任務(wù)分配程序被喚醒一次。任務(wù)分配程序與GUI、MOT和IO之間通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行通訊。 動(dòng)作控制器是數(shù)控軟件中最重要的組成部分。它肩負(fù)起4個(gè)主要的實(shí)時(shí)任務(wù)： （1）位置采樣。對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用計(jì)數(shù)器累計(jì)出電機(jī)的當(dāng)前位置。 （2）粗插補(bǔ)。計(jì)算運(yùn)動(dòng)軌跡上的下一個(gè)點(diǎn)。 （3）精插補(bǔ)。在現(xiàn)在所在點(diǎn)和下一個(gè)軌跡點(diǎn)之間進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。 （4）計(jì)算電機(jī)的控制輸出。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)控制算法計(jì)算采樣周期內(nèi)每個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要輸出的脈沖方向、頻率和個(gè)數(shù)。 動(dòng)作控制器的實(shí)時(shí)性能要求它工作在Rtlinux的內(nèi)核空間，由實(shí)時(shí)內(nèi)核保證實(shí)時(shí)任務(wù)每0.5ms更新一次。 輸入輸出控制器主要負(fù)責(zé)主軸控制、冷卻液開關(guān)、潤(rùn)滑液開關(guān)控制以及其它輔助功能的操作與控制。它工作在Linux用戶空間，每l00ms任務(wù)更新一次。 3 位置控制算法的軟件實(shí)現(xiàn) 為充分利用電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中基于PID的閉環(huán)反饋控制響應(yīng)速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，文中對(duì)步進(jìn)電機(jī)采用了一種近似的閉環(huán)控制方法。其控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。 圖中：Ri為當(dāng)前采樣周期機(jī)床運(yùn)動(dòng)指令位置；Yi與 Yi-1分別為當(dāng)前采樣周期與上一采樣周期機(jī)床運(yùn)動(dòng)期望輸出位置；D（z）為PID控制器；Out putScale為輸出轉(zhuǎn)換比，其值為電子齒輪比除以絲杠螺距，電機(jī)運(yùn)動(dòng)速度ui與輸出轉(zhuǎn)換比之積為電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fi；InputScale為輸入轉(zhuǎn)換比，其值與OutputScale相同；1/（1-z-1）為數(shù)字積分環(huán)節(jié)，Si為當(dāng)前采樣周期電機(jī)期望輸出脈沖個(gè)數(shù)；z-1為1個(gè)采樣周期的延遲環(huán)節(jié)；SFD為軟件分頻器，其作用將電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fi轉(zhuǎn)化為控制電機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的脈沖、方向信號(hào)，Y為電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)角輸出。定義位置誤差ei=Ri-Yi-1，則D（z）的表達(dá)形式為： 式中：P、I、D分別為比例、積分、微分控制系數(shù)。圖4中，對(duì)于輸入Ri和輸出Si而言，該系統(tǒng)為一典型的被控對(duì)象為一個(gè)周期延遲的積分環(huán)節(jié)，通過(guò)調(diào)整合適的P、I、D系數(shù)，可以使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。在得到電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)頻率fi 后，下面具體介紹軟件分頻器的設(shè)計(jì)步驟： （1）在Rtlinux的內(nèi)核空間建立一個(gè)實(shí)時(shí)線程，該線程執(zhí)行周期PULSE_PERID=50000ns，該線程在軟件分頻器中充當(dāng)軟晶振的作用。 pthread_create（&freqTask，&attr，freqfunc，（void＊）1）； pthread_setfp_np（freqTask，1）； pthread_make_periodic_np（freqTask，gethrtime（）+PULSE_ERIOD，PULSE_PERIOD）； （2）計(jì)算分頻系數(shù)pdmuh，采用晶振頻率除以電機(jī)計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。 pdmuh=HRTICKS_PER_SEC/（abs（fi ）＊PULSE_PERIOD） 其中，HRTICKS_PER_SEC為每秒代表的ns數(shù)。 （3）實(shí)時(shí)周期函數(shù)fnqTask中定義兩個(gè)減計(jì)數(shù)器upcount和dwcount，計(jì)數(shù)周期為PULSE_PERID，也就是說(shuō)freqTask每隔PULSE_PERID時(shí)間被執(zhí)行一次，此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值減1，upcount和dwcount的初值分別為pdmult/2，pulse_bitO代表并口上相應(yīng)的脈沖控制位。圖5為軟分頻器的工作流程圖。圖中可以看出輸出的脈沖控制位每隔pdmuh/2＊PULSE PERID的時(shí)間電平跳變一次，從而保證輸出脈沖頻率為。 （4）freqTask中通過(guò)判斷的正負(fù)確定并口上的方向控制位direction_bit0的電平，fi>0時(shí)，direction-bit0=0；fi<0時(shí)，direction_bitO=1，方向控制位在dwcount=0時(shí)輸出。 4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 在自行研制的一臺(tái)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式五軸機(jī)床上進(jìn)行實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)，采用Suffcam軟件繪制一個(gè)在圓球上刻有字母τ的工件，τ為實(shí)際加工時(shí)走刀路徑，圓球半徑15mm。經(jīng)后處理得到的實(shí)際加工C代碼，利用所研制的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際加工，圖6為實(shí)際加工過(guò)程及所加工的工件。從圖6的加工結(jié)果可看出，文中的基于PCI04并口驅(qū)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)加工。 5 結(jié)論 本文介紹一種采用實(shí)時(shí)嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺(tái)以及工業(yè)嵌入式計(jì)算機(jī)PC104為硬件平臺(tái)的可實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)控制的數(shù)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)PCI04的井口位進(jìn)行軟件編程的方法完成步進(jìn)電機(jī)位置控制。并通過(guò)實(shí)際加工工件證明了該數(shù)控系統(tǒng)具有五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)加工能力。該數(shù)控系統(tǒng)可最大程度地利用系統(tǒng)軟件資源，減少硬件設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)中通過(guò)軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)所有功能，為系統(tǒng)的修改及擴(kuò)充增加了更大的柔性。 第二屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集 第三屆伺服與運(yùn)動(dòng)控制論壇論文集