基于數控流水線技術的開放式數控系統研究
2018-3-14 來源：昆明冶金高等專科學校機械工程學院 作者：鄧宇翔
【關鍵詞】數控系統 數控流水線
【摘要】為了使數控流水線技術的開放式數控系統設計不依附于特定的硬件和軟件平臺,因此設計了一種通過數控主控流水線線程以及驅動程序和數控微代碼實時執行單元組成的數控流水線系統。
這種數控系統定義了開放的數控微代碼數據接口與開放的數控規范指令程序,一方面確保了數控模塊的交互性,另一方面也使數控流水線的重構成為可能。數控流水線線程封裝了從數據指令譯碼到生成數控微代碼的主要控制,進一步使用現代軟件開發技術與標準編程接口保證數控代碼的可移植性。通過可重構的開放式硬件對數控微代碼的實時執行模塊進行實時操控,由緩沖區隔離了數控流水線的非實時部分和實時部分。
開放式數控微代碼 可重構數控流水線技術的開放式數控系統通過計算機操作系統進行程序構建。即使主流型的計算機操控系統可以更加便捷地實現信息的存儲管理、人機交互功能以及網絡通訊功能,但是難以實現數控系統中的強實時功能l[]。因為,在通常情況下,通用的計算機操作系統只是立足于整體運算性能的優化而影響了實時響應功能的正常發揮。
1、數控系統的流水線處理技術
為了使數控操作系統中的強實時功能的發揮成為可能,可以通過兩種不同的操作方案來對其實時功能進行優化,一種方案就是著眼于實時數控操作系統進行優化的軟件數控系統,通過不同優先級的任務劃分,RTOS基于不同的優先級進行任務快速調度,從而有效確保了較高優先級任務能夠實時響應。最直接的案例就是NIST[2]美國國家標準和技術研究所主持的增強型運動控制器EMC程序,這種操作項目是通過iLn二計算機操控系統實時建立的基于數控流水線技術的開放式數控系統。但這種數控操作系統也存在一定的技術缺陷,由于該系統的內核在臨界區執行織孔命令時無法響應實時的操作程序事件,因此就會導致數據實時響應具有很大的不確定性;另一方面,數據操控以及計算機系統任務切換會消耗數控系統本身的額外資源,所以數控操作系統在這種高負荷的實時運行環境下就會影響數控系統的整體性能發揮。
在日常實踐中,技術人員通過對iLnux實時計算機操作系統進行數據運行測試,由于該系統的外部中斷頻率為83.15kHz,所以外部中斷頻率就會影響該系統的實時響應,在數控操作系統中就會形成巨大的誤差,所以這種誤差在實際的數控系統運行過程中是不允許出現的。當前信息化技術時代,數控系統中電機的脈沖頻率可以高達IMHz,在Real一Timeopearti雌system操控系統下,如果以單一的軟件操控管理電機中的脈沖頻率很難達到IMHz以上。究其原因,當前的Rael一iTmeopearitgnSystem操控系統還缺乏一套標準的編程方案,用戶需要掌握專業的編程技術和數控操作系統的任務調度機制才能對計算機軟件進行開發,這樣不但不利于數控操作系統的實時開放,同時也增加了計算機軟件的技術開發難度。
此外,另一種方案就是通過把所有強實時功能的操作系統集成到一種專用的運動控制器上面,形成多CPU操作系統的數控結構,這種系統結構要以高性能的cPu為核心,例如DsP數字信號處理器。例如,DeltaaTu公司采用的PMAC可編程多軸運動控制器就是一種基于DSP的運動控制卡設備,此時用戶可以通過人機交互、網絡通信、軌跡規劃以及圖形仿真等功能在上位機內進行相應功能的應用開發。但需要注意的是,如果用戶開發的是PMAC[3]可編程的多軸運動控制器的內部算法,此時用戶需要采用專門的數據語言來進行編程,這種操控方案無疑增加了數控系統的開發難度,同時也大大降低了系統的開放性。此外,這種程序設計還需要通過高性能的專用CPU來進行程序開發,增加了用戶系統開發的技術成本和經濟成本,更大的弊端是浪費了上位機CPU內部的潛在數據運算資源。
從上面的論述中可以看出,前后兩種的不同操作方案都各有利弊,因此本文結合上述分析設計了一種全新的基于數控流水線技術的開放式數控結構,這種開放式數控結構通過對系統硬件和軟件性能的綜合平衡,發揮了當前微電子計算機時代通用數據平臺的計算優勢,從而大大優化了流水線開放式數控系統的整體性能。這種基于數控流水線技術的開放式數控結構的設計理念就是盡可能通過采用先進的計算機開發技術來降低用戶的程序開發難度。通過實踐表明,基于數控流水線技術的開放式數控結構具有十分廣泛的應用性,它可以支持當前所有主流的操作系統的軟件和硬件技術平臺的數據操作。
2、當前我國數控系統的流水線開放式數控系統處理技術
通常的數控系統內部功能可以分為常見的兩種類型,一種是基于數控系統內部功能的弱實時功能,另一種是基于數控技術內部功能的強實時功能。如下表所示,數控系統功能的重要核心基礎就是數控內部的強實時功能,它們與數控機床的加工過程緊密相關,因此對數控操作系統的實時性功能有很高的技術要求,不能出現任何的加工技術失誤。此外,從下表中可以看出,每一個強實時模塊對于數控操作系統的實時性要求是有所差別的。同強實時功能不同,數控操作系統的弱實時功能主要是通過對程序信息進行管理和人機交互、機床低速的通用1/0等幾種不同的職能對數控操作系統的實時性要求相對較低。如果由于操作技術失誤或者信息延遲導致有關的程序運行未能夠有效及時進行指令,一般情況下也不會影響到具體的數控加工過程。所以這些弱實時功能可以通過當前的的用戶操作系統就可以便捷實現。
表1數控系統主要不同任務的優先級
表2數控系統主要不同任務的優先級
通過對數控操作系統中的強實時功能進一步分析可以發現,數控系統的的強實時功能具有自身的某些技術特征,各個強實時功能之間存在一種“后向驅動關系”,所謂的后驅動功能是指后一級的較強實時功能驅動著前一階段的較強實時功能的系統運行,通過雙方的后驅動關系來為用戶操作程序提供實時數據,驅動功能使數控操作系統中的某些強實時功能串聯成為可能,通過雙方的后向驅動關系為數控操作系統的穩定運行提供良好的運行基礎。除此之外,數控操作系統中的急停、限位等一些1/0專用功能需要對其操作數據進行實時的反饋,但大部分操控功能對下一級功能的開環控制則不需要對其進行迅速反饋。所以針對此類應用控制程序可以將數控操作系統中的強實時功能預先展開批量的數據運行技術處理。
實際上,數控系統中的某些強實時功能實施性的強弱與數控系統運行程序的算法復雜程度呈反比例關系,與數控系統運行程序算法的數據運行能力以及算法的調用頻率變化情況呈正比關系。這種算法功能采用簡單的擴展硬件方法保證了部分軟件強實時任務操作執行的便捷性,而且算法簡便、數控程序運行數據吞吐量大、且調運頻率很高。不同的功能之間可以對機床的具體位置和數控程序的模塊信息進行數據監測,使用戶可以對數控系統加工程序進行實時監控,但唯一的不足就是數控程序操作信息更新速度相對較慢。
3、數控流水線技術的開放式數控系統結構
基于數控系統用戶信息更新速度較慢的原因考慮,該研究主要針對上述問題通過提供一種數控流水線技術的開放式數控系統結構來對此類問題采取相關方案進行解決。通常的數控流水線結構困ciPpehne)主要包括了數控微代碼執行單元、數控主控流水線線程和數控控制驅動層三大重要的組成部分,具體結構如下文論述,僅供參考:
3.1數控主控流水線線程
數控流水線線程5[]是一個獨立的運行線程,它可以通過計算機內部操作系統中的計算機數字控制裝置cNc(computerNumiercalContorl)軟件來充分發揮通用計算機的程序運算優勢,并將詳細的運算指令按照后向驅動關系設計成一種獨立的任務或線程,這種設計方法的依據是通過計算機指令的多軸插補功能和計算機指令操控譯碼等一些具體的功能來實現。這種設計方法減少了計算機功能切換時的重啟頻率,所以有效提高了整個數控操作系統的整體效率。在日常的數控流水線程中主要分為機床動作規劃和數控指令兩部分,因此使數控系統內部的邏輯算法和控制算法實現了指令切換。
3.2指令轉換部分
數控操作系統的指令轉換功能主要是通過用戶的編程指令轉化成NCCC指令。NumeircalControlCanonicalCommand指令是一種與CNC的控制算法以及用戶數據編程語言毫無關聯的標準化應用程序數據接口端,它的主要功能就是保證CNC指令與Nccc指令兩者之間不能直接進行禍合,也保證了數據結構與算法之間相分離。在所有的操作運算模塊中,數據指令譯碼是數控操作系統中指令轉化的重要部分,用戶只要輸人各種加工的源程序數據代碼,數控操作系統就可以通過相應的指令規則經過語法分析,生成具體的加工策略,再經過刀具補償和坐標轉化管理,最后就可以執行NCCC指令,并將種處理后的計算機指令傳輸到數控流水線的下一級程序。
3.3機床動作規劃部分
數控系統機床動作規劃部分的主要生成指令是通過不同操作系統間的程序控制來生成數控操作機床的具體位置和NCCC指令,再經過程序運算,根據機床數控生成的新的數控NCM微代碼。NCM微代碼是一種標準化的描述指令集,主要用于NcMP指令執行,NcM微代碼與機床動作規劃和微代碼執行單元開放標準無關。機床動作規劃部分主要包括了數控專用1/0控制裝置和數控系統指令規范緩沖單元、數控指令控制單元與雜項控制部分。緩沖區主要用來緩沖不同規則的NCCC指令;速度規劃部分主要通過參數控制裝置對緩沖區緩沖數據的運動參數和運動路徑規劃,并根據具體的規劃內容,依照算法規劃出一條速度曲線,之后可以通過多插補程序速度曲線生成軸插補數據;專用1/0數控裝置可以將數控程序中的NCCC指令經過算法運算再生成相應的運算代碼。
3.4控制驅動層
控制驅動層是數控系統中的唯一運動程序模塊,在現代化的信息操作系統中,數控驅動程序屬于內核部分,與用戶操作程序相比,具有很高的操作運算特權,還可以直接通過數控硬件系統對計算機硬件進行數據訪問。在數控流水線控制程序中,數控驅動程序十分簡單,易于用戶操作,可以在不同的運算系統中進行切換,一方面可以減少數控系統中的程序數據運算量,另一方面也可以提高數控操作系統的開放程度。
4、結語
綜上所述,與一般的數控開放式系統方案比較,基于數控流水線技術的開放式數控系統可以降低特定的數控硬件或軟件操作環境要求,因此可以提高數控技術的操作性,也能使數控技術廣泛適應于各種結構體系。基于數控流水線技術的開放式數控系統流水線線程不需要實時計算機操作系統的支持就可以通過算法規則進行內部的數據運算。這種數據運算程序只需要通過數據編程就可以構建具體的運算程序,因此充分展示了通用計算機操作系統的運算特點。除此之外,使開放的標準化接口與不同流水線模塊之間的頻繁切換成為現實。NCMP指令通過簡單化的結構設計和運算操作,采用了低成本的設計方法,使操作運算系統的數據傳輸更加可靠、實時、安全、便捷。因此,NCM微代碼的數據執行由計算機硬件邏輯指令操作,這種代碼的控制邏輯具有較強的開放性和實時性,而且數據邏輯可以重構。最后的研究表明,該論述基于數控流水線技術的開放式數控系統研究中提出的數控系統方案是具有理論技術依據的,并且數控流水線占用的實際資源較少,為數控操作系統今后的進一步拓展留有一定的空間。
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