為構(gòu)建一種精簡的低成本經(jīng)濟(jì)型五軸機床數(shù)控系統(tǒng)，采用了基于實時嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺以及工業(yè)嵌入式計算機PC—104為硬件平臺，采用并口作為步進(jìn)電機驅(qū)動控制接口，并利用軟件編程的方法完成步進(jìn)電機位置控制。實驗結(jié)果證明該數(shù)控系統(tǒng)可有效實現(xiàn)五軸機床聯(lián)動控制。 以步進(jìn)電機驅(qū)動為特征的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)具有價格便宜、精度中等、功能針對性強等特點。針對我國主要存在的中低檔機床，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍具有相當(dāng)大的市場潛力。在研制經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)過程中，考慮提高系統(tǒng)性能同時，如何盡可能多地減少硬件設(shè)計，降低成本，提高可靠性，是始終追求的目標(biāo)。為實現(xiàn)該目標(biāo)，本文研究一種基于實時嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺以及通用工業(yè)嵌入式計算機PC—104模塊為硬件平臺的基于并口驅(qū)動的五軸數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計。 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個輸出位（D0-D7、C0-C3），5個輸入位（S3－S7）。由于每路步進(jìn)電機驅(qū)動器需要2個數(shù)字位（脈沖、方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用10個數(shù)字輸出位。通過步進(jìn)電機驅(qū)動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅(qū)動步進(jìn)電機。其它2個數(shù)字輸出位分別用于控制冷卻液開關(guān)、潤滑液開關(guān)。主軸開關(guān)及轉(zhuǎn)速通過主軸變頻器上的按鍵控制。并口的輸入位用來檢測回零開關(guān)信號、限位開關(guān)信號以及急停輸入信號。由于輸入位資源有限，采用將5個軸電機的正限位、負(fù)限位和回零信號分別并聯(lián)的方法，每個并聯(lián)位各占用一個并口輸入位，共占用三位。急停開關(guān)輸入信號占用一個并口輸入位。具體信號管腳安排如表1所示。 2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)的理想軟件平臺應(yīng)該是既具有多任務(wù)調(diào)度能力，又有很好的實時性的操作系統(tǒng)，即實時多任務(wù)操作系統(tǒng)。文中采用Rtlinux作為數(shù)控系統(tǒng)的軟件平臺。Rtlinux是由美國新墨西哥州的FSM實驗室開發(fā)的面向?qū)崟r和嵌入式應(yīng)用的操作系統(tǒng)。Rtlinux是在Linux之上實現(xiàn)的一個小巧的實時內(nèi)核。它將Linux內(nèi)核作為新內(nèi)核的一個具有最低優(yōu)先級的任務(wù)運行，可以被其它的高優(yōu)先級任務(wù)搶占處理機。因為完全搶占Linux內(nèi)核任務(wù)，使得它的響應(yīng)速度特別快。在一臺386機器上，Rtlinux的中斷響應(yīng)時間不會超過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)必須同時并行處理，這是由CNC裝置的工作特點決定的。即在一個插補周期內(nèi)必須完成控制策略的計算，還要留出一定的時間去做其它的事情，如用戶圖形界面的交互處理。在單微處理器的CNC裝置中，主要采用資源分時共享來解決多任務(wù)的并行運行。同時利用Rtlinux和Linux相結(jié)合，按照實時性需求共同處理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)，圖中整個數(shù)控軟件是由4個主要部分組成:圖形用戶界面（GUl）、任務(wù)指派器（TASK）、動作控制器（MOT）、輸入輸出控制器（I0）。該圖顯示了系統(tǒng)是如何實現(xiàn)對設(shè)備的實時控制的。其中，機械代碼被解釋成規(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語言進(jìn)行編程，在Linux用戶空間運行，界面更新時間為0.2s。用來實現(xiàn)手動、自動、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、加工過程的位置和圖形顯示及系統(tǒng)的報警診斷信息等。 TASK接受來自圖形用戶界面或其它外部程序的C和M系列機械代碼，解釋成規(guī)范的命令，按順序邏輯向動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之間通過共享內(nèi)存進(jìn)行通訊。 動作控制器是數(shù)控軟件中最重要的組成部分。它肩負(fù)起4個主要的實時任務(wù)： （1）位置采樣。對步進(jìn)電機采用計數(shù)器累計出電機的當(dāng)前位置。 （2）粗插補。計算運動軌跡上的下一個點。 （3）精插補。在現(xiàn)在所在點和下一個軌跡點之間進(jìn)行插補運算。 （4）計算電機的控制輸出。對于步進(jìn)電機，通過控制算法計算采樣周期內(nèi)每個步進(jìn)電機需要輸出的脈沖方向、頻率和個數(shù)。 動作控制器的實時性能要求它工作在Rtlinux的內(nèi)核空間，由實時內(nèi)核保證實時任務(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現(xiàn) 為充分利用電機調(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，文中對步進(jìn)電機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)前采樣周期機床運動指令位置；Yi與 Yi-1分別為當(dāng)前采樣周期與上一采樣周期機床運動期望輸出位置；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，電機運動速度ui與輸出轉(zhuǎn)換比之積為電機計算轉(zhuǎn)動頻率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)前采樣周期電機期望輸出脈沖個數(shù)；z-1為1個采樣周期的延遲環(huán)節(jié)；SFD為軟件分頻器，其作用將電機計算轉(zhuǎn)動頻率fi轉(zhuǎn)化為控制電機實際運動的脈沖、方向信號，Y為電機實際轉(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，對于輸入Ri和輸出Si而言，該系統(tǒng)為一典型的被控對象為一個周期延遲的積分環(huán)節(jié)，通過調(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)和動態(tài)性能。在得到電機計算轉(zhuǎn)動頻率fi 后，下面具體介紹軟件分頻器的設(shè)計步驟： （1）在Rtlinux的內(nèi)核空間建立一個實時線程，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）計算分頻系數(shù)pdmuh，采用晶振頻率除以電機計算轉(zhuǎn)動頻率。 pdmuh=HRTICKS_PER_SEC/（abs（fi ）＊PULSE_PERIOD） 其中，HRTICKS_PER_SEC為每秒代表的ns數(shù)。 （3）實時周期函數(shù)fnqTask中定義兩個減計數(shù)器upcount和dwcount，計數(shù)周期為PULSE_PERID，也就是說freqTask每隔PULSE_PERID時間被執(zhí)行一次，此時計數(shù)器的計數(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的時間電平跳變一次，從而保證輸出脈沖頻率為。 （4）freqTask中通過判斷的正負(fù)確定并口上的方向控制位direction_bit0的電平，fi>0時，direction-bit0=0；fi<0時，direction_bitO=1，方向控制位在dwcount=0時輸出。 4 實驗結(jié)果 在自行研制的一臺采用步進(jìn)電機驅(qū)動的擺頭轉(zhuǎn)臺式五軸機床上進(jìn)行實際加工實驗，采用Suffcam軟件繪制一個在圓球上刻有字母τ的工件，τ為實際加工時走刀路徑，圓球半徑15mm。經(jīng)后處理得到的實際加工C代碼，利用所研制的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實際加工，圖6為實際加工過程及所加工的工件。從圖6的加工結(jié)果可看出，文中的基于PCI04并口驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)可有效實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型五軸數(shù)控機床的聯(lián)動加工。 5 結(jié)論 本文介紹一種采用實時嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)RTLinux作為軟件平臺以及工業(yè)嵌入式計算機PC104為硬件平臺的可實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型五軸機床聯(lián)動控制的數(shù)控系統(tǒng)軟硬件設(shè)計。通過對PCI04的井口位進(jìn)行軟件編程的方法完成步進(jìn)電機位置控制。并通過實際加工工件證明了該數(shù)控系統(tǒng)具有五軸機床聯(lián)動加工能力。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。數(shù)控系統(tǒng)中通過軟件編程的方法實現(xiàn)所有功能，為系統(tǒng)的修改及擴(kuò)充增加了更大的柔性。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集