五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的開放化設(shè)計(jì)

介紹了一種基于工控機(jī)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)其系統(tǒng)構(gòu)成，硬件軟件開放化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了探討。從開發(fā)過(guò)程及使用效果來(lái)看，開放化設(shè)計(jì)可有效地縮短開發(fā)周期，提高數(shù)控系統(tǒng)軟硬件的質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：開放化系統(tǒng)；ISA總線；CNC

1 概述

從MIT開發(fā)出第一臺(tái)三軸銑床數(shù)控系統(tǒng)到現(xiàn)在的四十多年中，數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法經(jīng)歷了巨大的變化。特別是近十年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)到詳細(xì)設(shè)計(jì)，從軟件設(shè)計(jì)到硬件設(shè)計(jì)，都與早期的數(shù)控系統(tǒng)有了很大不同。早期的數(shù)控系統(tǒng)出于效率的考慮，許多功能采用硬件電路實(shí)現(xiàn)，專用性很強(qiáng)，可維護(hù)性、可擴(kuò)展性比較差。另一方面，通用計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度隨時(shí)間以指數(shù)規(guī)律不斷提高，現(xiàn)在一臺(tái)微機(jī)的運(yùn)算能力已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)了早期的小型機(jī)，而且，通用型微機(jī)應(yīng)用廣泛，有完善和開放的標(biāo)準(zhǔn)，有眾多外圍硬件設(shè)備和豐富的軟件資源的支持。借助微機(jī)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以達(dá)到事半功倍的效果，因此成為目前數(shù)控領(lǐng)域的國(guó)際趨勢(shì)。

五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)軸數(shù)比較多，同時(shí)又涉及到兩個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，插補(bǔ)算法復(fù)雜，而且其各組成部分，如伺服驅(qū)動(dòng)單元、位置反饋單元、誤差補(bǔ)償、電氣控制、機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)等在不同的應(yīng)用場(chǎng)合有不同的特點(diǎn)，在系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)此應(yīng)有充分的考慮。目前，多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)不能滿足這種多樣性的需要，對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合，就得選用不同型號(hào)的數(shù)控系統(tǒng)，這勢(shì)必增加開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用。研究開放式數(shù)控系統(tǒng)及其功能部件，就可以根據(jù)用戶需要，比較容易地對(duì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行重新組合，以提高系統(tǒng)的可移植性、可伸縮性、可維護(hù)性和兼容性。

2 數(shù)控系統(tǒng)硬件的開放化設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)的一般原則

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)流派：采用專用芯片的大板結(jié)構(gòu)與總線式體系結(jié)構(gòu)。大板結(jié)構(gòu)對(duì)用戶而言是一個(gè)封閉的系統(tǒng)，功能的擴(kuò)展與系統(tǒng)維護(hù)都受到限制?？偩€式結(jié)構(gòu)有一定的靈活性，但由于這種總線由生產(chǎn)廠自己確定，缺乏共同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，不同廠商的產(chǎn)品之間不具備互換性，所以，這種設(shè)計(jì)方法已不適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的需要。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)的速度與十幾年前相比是天壤之別。在這種形勢(shì)下的軟硬件設(shè)計(jì)中，人們關(guān)注的重點(diǎn)出現(xiàn)了由效率向互換性、可維護(hù)性轉(zhuǎn)移。受其影響，在數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)程中，由大板結(jié)構(gòu)或?qū)Ｓ每偩€向標(biāo)準(zhǔn)總線、可重組的單元模塊發(fā)展成為國(guó)際趨勢(shì)。

硬件設(shè)計(jì)的開放化主要體現(xiàn)在總線標(biāo)準(zhǔn)上。開放化的數(shù)控系統(tǒng)是由多種模塊構(gòu)成的，模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的總線連成一個(gè)整體?？偩€的選擇應(yīng)當(dāng)滿足三個(gè)要求：①在技術(shù)上有一定的先進(jìn)性，能夠滿足數(shù)控系統(tǒng)各種功能模塊對(duì)信息交互的需要。②總線標(biāo)準(zhǔn)完全開放，且在國(guó)際上得到廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，而不是由某個(gè)廠商自己定義使用的某種特殊總線標(biāo)準(zhǔn)。③具有高度的可靠性。

選擇了合適的總線標(biāo)準(zhǔn)后，才能進(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì)。在數(shù)控系統(tǒng)中，主要的功能模塊有：運(yùn)動(dòng)軸位置控制模塊、電氣控制模塊、機(jī)床操作面板及數(shù)控面板接口模塊、通訊模塊、顯示模塊等。功能模塊應(yīng)當(dāng)能夠重新配置，以免不同模塊I/O端口地址及中斷類型發(fā)生沖突。

2.2五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，我們選擇工控機(jī)作為設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。工控機(jī)本身符合多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種開放化的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與常用的微機(jī)有良好的兼容性，有大量的軟硬件的支持。目前工控機(jī)底板插槽總線類型主要有兩種：ISA總線(工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線)和PCI總線(外圍設(shè)備接口)。ISA總線的數(shù)據(jù)傳輸速率比較低，但已能滿足數(shù)控系統(tǒng)的需要。同時(shí)，高總線速率會(huì)對(duì)各功能模塊的硬件提出更高的要求。因此，我們選用ISA總線作為所有模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

由于五軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)算法復(fù)雜，有大量浮點(diǎn)運(yùn)算，對(duì)實(shí)時(shí)性要求又較高，我們選用Pentium 166 CPU完成插補(bǔ)運(yùn)算。另外，系統(tǒng)中各個(gè)坐標(biāo)軸還需具備位置控制功能，位置控制實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，且控制軸數(shù)比較多，該任務(wù)與插補(bǔ)共用一個(gè)CPU會(huì)導(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)負(fù)擔(dān)太重，實(shí)時(shí)性不易保證，而且故障風(fēng)險(xiǎn)過(guò)于集中，較好做法是每根軸采用一個(gè)獨(dú)立的CPU進(jìn)行控制，采用層次式體系結(jié)構(gòu)構(gòu)成系統(tǒng)。根據(jù)位置控制CPU與主機(jī)交互信息方法的不同，分為兩種結(jié)構(gòu)(見圖1)。第一種結(jié)構(gòu)把位置控制板直接插到工控機(jī)底板的ISA插槽中，在這種情況下，主機(jī)與多個(gè)位控板之間直接進(jìn)行信息傳輸，由于位控板CPU速度低，數(shù)據(jù)通訊階段會(huì)浪費(fèi)主機(jī)CPU資源，控制軸數(shù)越多，主機(jī)CPU的效率就越低。此外，主機(jī)還需采取措施來(lái)保證多個(gè)位控板在時(shí)間上的準(zhǔn)確同步。因此，我們選擇了第二種結(jié)構(gòu)。第二種結(jié)構(gòu)采用單獨(dú)的通訊機(jī)完成主機(jī)與位控板之間的信息傳遞。通訊機(jī)一方面通過(guò)雙口存儲(chǔ)器與主機(jī)之間進(jìn)行信息交換，另一方面通過(guò)自建的局部總線與位控板進(jìn)行信息交換。雙口存儲(chǔ)器容量為2kb，它同時(shí)也起數(shù)據(jù)緩沖器的作用。這種方案大大減少了主機(jī)用于信息交換的CPU時(shí)間。

圖1 分布式多CPU數(shù)控系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)

通訊機(jī)在系統(tǒng)中起著承上啟下的作用。它接收Pentium 166插補(bǔ)得出的各坐標(biāo)軸位置指令，通過(guò)并行口把這些指令分發(fā)給位控板。另外，通訊機(jī)還提供對(duì)數(shù)控面板按鍵及指示燈的管理功能。通訊機(jī)的設(shè)計(jì)見圖2。圖中的仿ISA總線，提供了通訊機(jī)與位控板之間傳輸信息的通道。這時(shí)的“仿ISA總線”是根據(jù)位控板及常用控制插卡的需要而設(shè)計(jì)的，它重建了標(biāo)準(zhǔn)ISA總線的部分信號(hào)，包括：I/O操作所需的各種信號(hào)線、中斷信號(hào)線、就緒控制、電源線等。按照“仿ISA總線”設(shè)計(jì)的位控板與標(biāo)準(zhǔn)的ISA總線完全兼容。這樣做有兩個(gè)好處：①在系統(tǒng)開發(fā)階段，通訊機(jī)與位控板的設(shè)計(jì)和調(diào)試工作可借助微機(jī)各自單獨(dú)完成，兩者之間無(wú)先后依賴關(guān)系；②在控制軸數(shù)較少的系統(tǒng)中，可以采用圖1 中的第一種結(jié)構(gòu)，把位控板直接插到工控機(jī)的底板上，方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的重組。

圖2 通訊機(jī)設(shè)計(jì)原理

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，在通訊機(jī)與位控板之間，我們?cè)捎昧俗远x的專用總線。專用總線效率高，但根據(jù)專用總線設(shè)計(jì)的位控板與工控機(jī)不兼容，互換性較差，開發(fā)、調(diào)試與維護(hù)都比較麻煩。為此，我們對(duì)這一部分進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，走開放化道路，采用“仿 ISA總線”向標(biāo)準(zhǔn)總線靠近，收到了良好的效果。

3 數(shù)控系統(tǒng)軟件的開放化設(shè)計(jì)

開放化數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)首先需要選擇合適的操作系統(tǒng)和軟件開發(fā)工具。目前常用的操作系統(tǒng)如DOS、Windows 3.1、Windows 95、Windows NT等均被應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中。DOS本質(zhì)上是一種單任務(wù)操作系統(tǒng)，在DOS下的多任務(wù)只能通過(guò)中斷技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。數(shù)控系統(tǒng)各軟件功能模塊一般不能同時(shí)執(zhí)行，若要同時(shí)執(zhí)行，需自行解決模塊之間的調(diào)度問(wèn)題。但DOS的規(guī)模很小，人們對(duì)DOS的了解比較多，在DOS上開發(fā)應(yīng)用程度相對(duì)容易。Windows 3.1是一種非搶先多任務(wù)操作系統(tǒng)，可同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。其缺點(diǎn)在于某個(gè)任務(wù)，如任務(wù)A得到CPU資源時(shí)，其它任務(wù)是否能順利執(zhí)行完成取決于A是否能及時(shí)處理完其本次事件，因此實(shí)時(shí)性沒有保證。Windows 95和Windows NT都是性能優(yōu)異的搶先式32位多任務(wù)操作系統(tǒng)，操作介面良好，就功能而言，適合數(shù)控系統(tǒng)的需要。但在工業(yè)場(chǎng)合使用，其穩(wěn)定性有待證實(shí)。綜合考慮的結(jié)果，我們選擇了DOS操作系統(tǒng)。與此相應(yīng)，我們選擇Turbo C＋＋ 3.0作為軟件開發(fā)工具。

軟件設(shè)計(jì)工作分為三個(gè)部分：主機(jī)軟件、通訊機(jī)軟件和位置控制卡軟件。制訂完善的通訊協(xié)議是其首要問(wèn)題。為了保證可靠傳輸數(shù)據(jù)，通訊機(jī)構(gòu)件采用分時(shí)處理的方法分別完成與主機(jī)及位控卡的信息傳輸。其時(shí)間上的同步關(guān)系見圖3。時(shí)間片的劃分及三部分之間的同步關(guān)系由通訊機(jī)進(jìn)行控制。第一時(shí)間片開始時(shí)，通訊機(jī)向主機(jī)及位控卡發(fā)出同步信號(hào)，通知主機(jī)向雙口RAM中寫入新的數(shù)據(jù)，同時(shí)使位控卡開始位置控制運(yùn)算。第二個(gè)時(shí)間片內(nèi)，通訊機(jī)從雙口RAM中取出位置指令，分發(fā)給各個(gè)位控卡，同時(shí)從各位控卡采集實(shí)際位置數(shù)據(jù)，寫入雙口RAM。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)各進(jìn)程之間的關(guān)系

主機(jī)軟件主要由NC程序編輯模塊、手動(dòng)操作、電氣控制模塊、通訊模塊、自動(dòng)加工、機(jī)床參數(shù)調(diào)整、系統(tǒng)定位、螺矩補(bǔ)償?shù)裙δ苣K構(gòu)成。下面以電氣控制模塊為例說(shuō)明軟件模塊的開放化設(shè)計(jì)方法。

電氣控制是所有機(jī)床必不可少的一部分。在數(shù)控機(jī)床中，其實(shí)現(xiàn)方法有三種：外裝式PLC、嵌入式PLC和虛擬PLC。市場(chǎng)上現(xiàn)有的各種PLC一般具有通訊功能，可以通過(guò)通訊接口與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)整體，這種電氣控制方式稱為外裝式PLC；此外，也可以設(shè)計(jì)一個(gè)智能型I/O接口卡，通過(guò)總線直接與數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成一體，卡上帶有CPU，完成開關(guān)邏輯運(yùn)算與控制，這種方式為嵌入式實(shí)現(xiàn)。也可以直接利用數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)CPU周期性地進(jìn)行邏輯運(yùn)算，配合普通的開關(guān)量 I/O卡實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣開關(guān)的控制，這種方式稱為虛擬PLC。

如果采用常規(guī)的程序設(shè)計(jì)方法，對(duì)于以上三種電氣控制方式，就得設(shè)計(jì)不同的軟件接口，數(shù)控系統(tǒng)軟件主體就會(huì)直接涉及到電氣控制的實(shí)現(xiàn)方式及其細(xì)節(jié)，一旦控制方式發(fā)生變化，將不得不對(duì)軟件進(jìn)行大量修改。這樣編寫出的軟件通用性較差，難以適應(yīng)預(yù)料之外的變化。為了增加軟件與硬件之間的相互獨(dú)立性，我們運(yùn)用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了開放化設(shè)計(jì)。

顯然，不論哪一種控制方式，其目標(biāo)都是相同的。經(jīng)認(rèn)真分析，我們找出了三者之間的共同點(diǎn)，由此得出一抽象類CPlc，它提供了數(shù)控機(jī)床電氣控制所有的外部特征，為數(shù)控系統(tǒng)主體軟件提供了完備的消息處理函數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)中其它部分只需向PLC對(duì)象發(fā)送消息(message)就可使電氣開關(guān)做出相應(yīng)的動(dòng)作。該部分不涉及電氣操作過(guò)程中的細(xì)節(jié)。

在抽象類CPlc的基礎(chǔ)上，針對(duì)三種方式分別定義了派生類CExernalPlc、CEmbedPlc和CVirtualPlc,在這些類中，完成消息的解釋及硬件的操作。按照這種設(shè)計(jì)思想得到的電氣控制部分軟件具有圖4所示的結(jié)構(gòu)。由圖中可以看出，這種設(shè)計(jì)方法在數(shù)控系統(tǒng)主體軟件與電氣控制硬件之間加入了抽象類層次，使其相互依賴性減弱，成為相對(duì)獨(dú)立的兩部分。運(yùn)用這種方法得到的數(shù)控系統(tǒng)軟件具有與設(shè)備無(wú)關(guān)的特征。當(dāng)有新的硬件設(shè)備出現(xiàn)時(shí)，只需在原抽象類上派生出新的對(duì)象類，按照共同的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)消息進(jìn)行解釋，操縱硬件做出相應(yīng)的動(dòng)作即可，無(wú)需對(duì)軟件其它部分做任何修改，大大提高了軟件設(shè)計(jì)的效率，實(shí)際上，在對(duì)消息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及其意義做出明確的規(guī)范后，其它任何人都可以參照該規(guī)范設(shè)計(jì)出新的電氣控制硬件及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序，集成入系統(tǒng)中。這也是軟件開放化設(shè)計(jì)的主要目的。

圖4 電氣控制軟件的抽象化設(shè)計(jì)

上面以PLC為例說(shuō)明了數(shù)控系統(tǒng)軟件開放化設(shè)計(jì)的思想。我們按照這種思路完成了數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。雖然在開發(fā)初期反復(fù)做了多次分析討論，但在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定后，軟硬件開發(fā)還是比較順利的。從開發(fā)過(guò)程和聯(lián)機(jī)調(diào)試情況來(lái)看，開放化設(shè)計(jì)可以有效縮短軟件的開發(fā)周期，提高數(shù)控系統(tǒng)軟件的質(zhì)量。