（机械电子工程专业论文）基于ipc分布并行的五座标cnc结构系统设计.pdf

皇兰壁壁查兰堡圭墅壅生兰些堡兰! ! 生 摘要 本文介绍了基于 p c ( 工业控制个人电脑) 分布并行的五座标c n c ( 微机数 控) 系统结构组成及其控制系统软件设计。本系统采用模块化结构与开放式体系， 具有高精度、快速响应、高效率、稳定性好等优点，i 而且采用外部中断实现动态 检测与闭环控制。可运用于其他相关数控领域。 一控制系统采用了一种独特的软件结构，即将一部分插补运算从实对加工阶段 分离出来分放到非实时预处理阶段，形成两个相对独立的模块。非实时插补运 算把数控源程序分离成命令信息与数据信息，并转化成指定格式分别存放在计算 机的内存与数组中。在实时加工过程中，程序意接从内存读出命令信息，按顺序 从数组读出数据信息，再交给智能运动控制卡完成转化为相应的控制信号来控制 加工轨迹。 软、硬件结合，上层软件只完成加工轨迹的格式化分段和数据分类，智能运 动控制卡控制芯片自带的库函数实现底层实时插补。这种方法不仅提高了系统的 实时性，而且更便于速度控制。模块化的设汁也大大简化了系统软件结构、缩短 了软件开发周期、增加了系统的通用性和经济性o y 关键词：i p c ；分布并行；微机数控： 外部中断 皇王型焦点兰堡主墅塞兰生些堡兰 一一! ! 生 a b s t r a c t t h i st h e s i si n t r o d u c e sd e s i g n si nd i s t r i b u t e - a n d p a r a l l e lf i v e - c o o r d i n a t ec o m p u t e r n u m e r i a lc o n t r o ls t r u c t u r a ls y s t e mb a s e do n p c i n c l u d ei t ss y s t e mc o n s t r u c t u r a la n d d e s i g n s i nc o n t r o ls y s t e ms o f t w a r e t h i s s y s t e ma d o p t sm o d u l a r i z e ds t r u c t u r ea n d o p e n r i z e ds y s t e m ，谢t h t h e a d v a n t a g e o fh i g h p r e c i s i o n ，h i 曲- s p e e dr e s p o n s e ，h i g h e f f i c i e n c y , g o o ds t a b i l i t y , b e s i d e sa d o p t se x t e r i o ri n t e r r u p tt or e a l i z ed y n a m i cd e t e c t i o n a n dc l o s el o o pc o n t r 0 1 i tc a nb cu s e df o ro t h e rr e l a t e dc n cf i e l d ， t h ec o n t r o ls y s t e ma d o p t san e w s p e c i a ls o f t w a r es t r u c t r u a lw h i c h s e p a r a t e sp a r t o f i n t e r p o l a t ec a l c u l a t eo u to ft h er e a l - t i m em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，a n dp u ti ti n t on o r e a l - t i m ep r e t r e a t m e n tp h a s e ，b r i n ga b o u tt w or e l a t i v e l y i n d e p e n d e n tm o u l d t h en o r e a l - t i m ei n t e r p o l a t ec a l c u l a t es e p a r a t ec n cs o u c ec o d ei n t oc o m m a n di n f o r m a t i o n a n dd a t ai n f o r m a t i o n ，t h e ni n v e r ti ti n t oa s s i g n e ds t y l ea n dp u tt h e mi n t oc o m p u t e r s m e m o r ya n dd a t ag r o u ps e v a r a t e l y l nr e a l - t i m e m a n u f a c t u r i n g ，t h ep r o g r a m r e a d c o m m a n di n f o r m a t i o nf r o m m e m o r ya n dg e td a t ai n f o r m a t i o nf r o md a t ag r o u pb yt u r n t h e ng i v ei tt ot h ei n t e l l e c t i v em o t i o nc o n t r o lc a r d ( i m c c ) t oi n v e r ti tt oh o m o l o g o u s c o n t r o ls i g r l a lt oc o n t r o lp r o c e s st r a i l t h e s y s t e m c o m b i n e ss o f t w a r ea n d h a r d w a r e t o ps o f t w a r eo n l yc o m p l e t e m a n u f a c t u r i n g t r a i l ss t y l i z es e c t i o na n dd a t ac l a s s i f i e d t h ec o n t r o lc h i po fi m c c h a s s o m ec o r r e l a t ef u n c t i o nl i b ，i tr e a l i z eb o t t o mr e a l t i m ei n t e r p o l a t e t h i sk i n do f m e t h o d n o to n l yr a i s et h es y s t e mr e a l - t i m ec a p a b i l i t yb u ta l s oc o n t r o ls p e e df a c i l i t a t e l y t h e m o u l d l a r i z e d e s i g nm e t h o da l s o p r e d i g e s t s t h es o , w a r es t r u c t u r e ，r e d u c e st h et i m e s p e n do nt h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r ea n dm a k e st h es y s t e mm o l eg e n e r a la n d e c o n o m i c a l k e y w o r d s ：i p c ；d i s t r i b u t e a n d - p a r a l l e l ；c n c ；e x t e r i o ri n t e r r u p t 皇王塑垫查兰堡主墅塞生皇些堕壅 一j i ! ! ! 垒 第一章绪论 ( 一) 概述 微机数控系统是由微型计算机系统承担数控中的命令发生器与控制器的数控 系统。计算机接收到位置运动的指令，将其生成各坐标轴的位置命令并实时输出 给各坐标轴的控制器，控制器按控制策略控制各轴伺服系统，使驱动器驱动执行 机构，带动机器的各坐标轴按给定命令运动。 基于i p c ( 工业控制个人电脑) 分布并行的五座标c n c ( 微机数控) 系统集 计算机控制、高性能伺服驱动和精密技术于一体，拥有强大的生命力和广阔的应 用前景。 目前本系统正运用于“高性能五轴联动c n c 系统关键技术研究”中，并取 得了阶段性的突破。采用的并行分布结构以及用中断对某轴的实时时动态跟踪与 闭环控制，对提高整个系统的精度，快速响应，都起到了显著作用。大幅度提高 了整体效率。软硬件的模块化和开放性设计都为今后运用于其他数控领域奠定了 良好的基础。 ( 二) 选题背景 数控技术发展到今天，对系统的精度、效率、快速响应等性能要求越来越高， 传统的c n c 控制体系已经远远不能达到要求。目前还有些c n c 系统仍旧采用集中 式控制体系，主要依靠主控机和程序的统一仲裁管理，这就造成了资源浪费、c p u 繁忙、消息滞留甚至阻塞等缺点，效率与速度很难致提高。 本系统正是针对该现状提出分布并行思想，印上层 p c 完成交互式用户界面 及宏观控制，底层基于智能运动控制卡，并行实现多轴联动插补与速度控制，上 下层分布、层间通信，充分利用了系统资源、很好的协调了效率与快速响应的矛 盾，系统性能大大提高。另外采用自定义外部中断，可实现对位置的动态检测与 闭环控制。 ( 三) 本文的主要内容 本系统涉及面广、内容多，本文在叙述整个系统构架的同时主要介绍r 一些 比较重要的设计思想。其中最突出的就是“分布并行结构思想”，我们将在行文 中着重阐述，分布并行结构并不仅仅限于硬件，在软件设计上同样达到厂协调一 致。另外还介绍了上、下位机的结构形式及基于r s - 2 3 2 接口的串行通信的设汁、 第1 页捉5 9 页 生盟丝苎兰堡主堕壅竺兰些堡兰量，! ! ! 旦 与实时加工分离的插补方法和扩充内存的使用、中断控制法和升降速度的控制以 及人机界面设计方法等等。 第2 页共5 9 页 皇至壁丝盔兰堡兰堑壅生堂些堡壅塑三皇二墨壅望! 苎! 墨 第二章 系统总体方案 2 1 系统总体结构 图2 1系统总体框图 本系统总体框图如上，采用模块化设计与开放式体系，主要由五大部分组成： i p c 主控机、智能运动控制卡、信号采集卡、功率微步驱动器、步进电机执行器。 p c 主控机型号为r a c k 3 6 0 、p i l 2 3 3 微处理器、6 4 m 内存、1 5 0 硬盘、1 4 4 m 软驱和1 5 英寸标准v g a 显示器。采用m s - d o s 6 2 2 做为操作系统，安装支持 r s 2 3 2 协议的通信软件，t u r b oc 2 0 做为软件平台。 p c 主控机通过串口或者软 驱接收标准数控g 代码文件，解释并执行，主要完成上层人机交互、系统管理、 宏观控制各轴的运动并对底层返回的开关量及位置信号实时做出响应，直接与智 能运动控制卡和信号采集卡进行命令、信息交流。 智能运动控制卡有c p u ，r a m 和控制芯片。从c p u 通过r a m 向上接收c 主控机主c p u 发出的命令、数据，协调并向下分配给各相应控制芯片。控制芯 片完成底层的实时插补运算和速度控制，输出脉冲信号，经由驱动器放大后驱动 电机转动。智能运动控制卡同时具有光电隔离作用。 第3 页共5 9 页 坐至坠丝苎竺婴! 塑茎坐兰些堡苎一一翌。旦壁型型兰翌生 与执行机构返回开关信呼和 节嚣信吁后，m 信号聚集卡收集、预处珲历并按 最优化的队列方式 传给i p c 盘控帆，等候处理a 另外我们臼制中断电路板定时产生外啬| ：中断( 0 1 m s j o m s 可调) ，调尉 ， ，断暇务程序，在小影响其它备轴运动情况下对其中某轴或者巢儿轴实现动态检 测与闭环控制，实时进行误差补偿，大大提高系统精度与响应。 这样：i p c1 ：控帆一 智能运动控制节及各轴微处理器构成分佑结构：智能运 动控制书各轴闻微处理器以及其与信号采集。譬问，为并行结构；尽可能的利用了 系统各部分硬件资源，将任务优化分配到系统各个环节。以主控枫宏观协调为主 体的分布并行体系将整个c h c 系统性能大幅度提高。模块化和开放性设计更使得 本系统脉络清晰，适用面广、便于维护及系统扩展。 2 2 系统实现功能 本系统既拥有一般数控系统的普通功能，又拥有针对“高性能五轴联动c n c 系统关键技术研究”的特殊功能，而这些特殊功能均采取开放性设计，稍加改动 即可应用于其他数控领域。具体实现功能如下： 1 主控机可接受从磁盘或者网络传输来的数控g 代码文件： 控制系统可柔性接受多种方式传输的多种文件格式，自动编译执行。 2 主控机和上位机之间通过消息应答方式实现可靠的数据、信号通信； 本系统中，主控机放在实地工作区域，实现对执行机构的总体运动控制，并 不断接收上位机发来的各种运动命令和不断发出返回 ：位机的各种状态信息，完 成现场信号采集和运动拄制。这样主控机和上位机就必须独立安装支持某种协议 的通讯软件来实现消息应答和数据传输。考虑到r s 2 3 2 的简单性、通用性及 可靠性，本系统使用基于r s 2 3 2 通信协c 义，在w i n d o w s9 8 以及m s d o s 6 、2 2 平 台j 二运行的通信软件。该软件能够满足实时、准确的数据传输。因而本系统在实 际意义l ：实现r 远程控制。 3 系统鼠仃完整意义：的氲线和阙弧插补，可以组合如任意空问曲线、i j 瓶： 4 r 制中断电路板定时产生外部巾断( 0 1 m s 一5 0 m s 可调) ，调用中断服 务程序，纯f ：影响其它各轴运动情况卜对其一f i z - 轴或前某儿轴实现动态检测j 刚 环控制t 蛮时进行洪蔗补偿，大人提岛系统精度与响应； 第4 一万l 5 9 贞 皇兰然叁羔堡圭婴塞生丝堡茎望羔堕塑羔 5 编译插补完成的源程序，生成指定格式的代码放置于内存和数组中t 重 复加工时不需要做重复工作； 6 具有强大的文件管理功能和参数设鬣功能； 7 全汉化的入机界面，界面友好，所有操作过程、状态信息以及出错信息 都以中文对话框形式出现； 9 具有模拟加工和动态显示功能，加工轨迹可在屏幕l 动态显示，以验证 插补数据的正确性： 1 0 系统具有反向传动间隙补偿和系统传动误差补偿的功能，以保证加工精 度。补偿值可动态检测设定： l l 。可实现暂停、紧急中断等功能。 2 3 系统软、硬件平台 我们为什么采用m s d o s 6 2 2 作为主控机的操作系统? m s - d o s 作为单任务操作系统，发展历史长、应用广，技术成熟。其内部 的核心管理机制及结构大部分都已经向用户公开，人们在m s - d o s 系统下可直 接对硬件进行操作，系统实时性、可靠性都比较好。不过由于m s - d o s 是字符 模式的操作系统，对于一般使用者来说不太直观，使用起来不太灵活。对于硬件 资源的管理不如现今流行的w i n d o w s 9 8 桌面操作系统。 w i n d o w s 9 8 作为一种3 2 位多任务的操作系统，它与m s d o s 相比，具有如 下一些优点： 1 同时运行多道程序，执行多项任务。各程序和各任务之间既能很容易地 转换，又可以方便的交换信息。利用d d e ( 动态数据交换) 和o l e ( 对象的连 接与嵌入) ，使得信息交换自动完成，在一个程序中对数据的修改，立即在另一 个程序中反映出来。实现了操作环境的集成和自动化。 2 与标准的m s - d o s 相比，w i n d o w s 9 8 能更充分地利用内存。w i n d o w 9 8 提供了标准模式和3 8 6 增强模式两种运行方式，整个系统是在c p u 的保护方式 f 运行的，应用程序都可以突破6 4 0 k 的内存限制，可以利用计算机的所有内存， 还可以用硬艋来作为虚拟存储器，并且不需要专门的硬件和驱动程序。 3 w i n d o w s 9 8 开发环境及各种支持软件日益成熟。几乎所有的主要p c 软 件部有支持w i n d o w s 的版本。各种程序开发语言也纷纷支持w i n d o w s 9 8 ，使得 j j ，。能方便地开发出具有w i n d o w s 9 9 窗口特点和功能的应用程序。陶丽软件开 第5 页共5 9 顷 皇至壁丝盔兰堡生竺窒生! 些堕兰! l 奠生墨竺垫堡：! 羔 发工作也越来越方便。创造y - - ) i - 友好的应用界面。 但是w i n d o w s 9 8 是基于一种叫做“消息队列”的思想来对运行程序进行管 理。它虽然可以同时管理多项任务，但对于来自各项任务及硬件的请求信息 w i n d o w s 9 8 只是将其经过处理后转换成相应的消息放到消息队列中等待处理， 因此与实时单任务的d o s 来说，其实时控制能力较低。 对于数控系统来说，系统响应的实时性恰恰是最重要的指标之一。系统的实 时性不仅会影晌加工效率，还会影响到加工质量。而且另外w i n d o w s 9 8 不提倡 用户直接对硬件进行操作，系统完全接管了各种硬件资源，不允许用户鼠接控制 中断( 以便于其统一管理软、硬件资源) ，程序员只能编写v x d ( 虚拟设备) 驱 动程序或通过各种a p i ( 应用程序接口) 函数来同硬件打交道。这样使得要在 w i n d o w s 环境下利用中断编写数控控制程序变得复杂且不可靠。所有这一切都 是将数控程序转到w i n d o w s 环境下的一大障碍。 在综合分析了系统的结构以及对d o s 内部一些未公开的内幕技术以后，我 们发现基于系统设计的模块化，实现不同功能的模块可以容易的分割开来安装于 主控机和上位机。而且无论是w i n d o w s 9 8 还是m s - d o s 都可以容易的实现基于 r s 2 3 2 协议的通信。所以最终决定在上位机选用w i n d o w s 9 8 操作系统做为软件 平台，安装图形采集软件以及通信软件。而实时控制模块安装在以m s d o s 操 作系统为平台的主控机，运用t u r b oc 开发。 与软件平台相符合并综合考虑现代微机的性价比、i p c 实时控制要求可靠性 高等特点在主控机硬件上我们选择如此配置： p 1 1 2 3 3 微处理器 6 4 m 内存 1 5 g 硬盘 1 5 英寸标准平面v g a 显示器 1 4 4 m 软盘驱动器 2 4 系统特点 基于先前所述的本系统总体结构与功能，与一般的数控系统相比，本系统具 有如f 特点： 第6 页搀5 q 氟 皇至壁垒苎堂堡圭墅壅生生些婆塞一坠羔l 墨苎璺苎! ! 生 1 控制系统采用“分布并行结构思想”， 尽可能的利用了系统各部分硬件 资源，将任务优化分配到系统各个环节： 2 自制中断电路板定时产生外部中断( o 1 m s 5 0 m s 可调) ，调用中断服 务程序，在不影响其它各轴运动情况下对其中某轴或者某几轴实现动态检测与闭 环控制，实时进行误差补偿，大大提高系统精度与响应： 3 模块化和开放性设计更使得本系统脉络清晰，适用面广、便于维护及系 统扩展； 4 软、硬件结合，上层软件只完成加工轨迹的格式化分段和数据分类，智 能运动控制卡控制芯片自带的库函数实现底层实时插补。这种方法不仅提高了系 统的实时性，而且更便于速度控制； 5 主控机和上位机阃通过通信接口进行数据传输和消息应答，实现了真正 意义上的远程控制。 6 模块化的设计也大大简化了系统软件结构、缩短了软件开发周期、增加 了系统的通用性和经济性。 7 程序运行可视化。还特别提供交互式操作，操作者可随意暂停和中断加 工，以便按需要修改数据或者切换成手动工作模式。 8 具有文件管理、系统初使化、参数设置、回零控制、模拟显示、动态运 行、动态跟踪等功能。 9 整个控制系统采用c 语言编写，全部采用模块化结构，可移植性好，人 机界面和胁i 使用图形方式下的汉字显示技术，仿g i n d o w s 窗口，命令执行可通 过下拉菜单或者自定义热键。 第7 页托5 9 页 皇至型丝查兰竺茎生堡些堡茎 一苎三垦箜堕至竺璺竺羔坠l 第三章控制系统总体设计 在各种数控系统中控制系统都是最关键最核心的部分，它接收数控源程序并 进行插补运算，转换成相应的数据格式储存到微机内存或者数组中，然后顺序编 译执行命令，输出弱电控制信号到功率放大驱动电源，控制执行机构的运动。本 控制系统中主要包括编译模块、插补模块和实时控制模块，另外还有文件管理、 系统初始化、参数设置、回零控制、图形预览、动态显示、动态跟踪等模块。 3 1 编译模块的设计 我们将通过比较不同的编译方式来说明本系统所采用的基于分布并行思想的 编译模式有什么优点。 3 1 1 传统设计方法 对于编译模块，传统的微机数控系统一般采用“顺序解释控制法”或者“预 处理控制法”两种处理方法。 ( 一) 顺序解释控制法 顾名思义，这种方法的控制流程为：解释模块顺序取得数控程序并解释，然 后将解释结果交给插补模块进行插补运算并控制执行机构运动。接着又解释下一 段数控程序，解释并再交给插补模块，周而复始，进而完成所有的动作。 流程图如下： 启动中断 图3 - i 顺序解释控制法加工过程流程圈 此方法的优点在于单线流程、脉络清晰，容易实现。它只要求系统的硬件具 有中断管理和处理功能，不需要专门的支撑软件，对内存要求量小。缺点足各个 第8 页共5 9 页 皇至型竺盔兰婴塞竺堂些堡墨一! l 宝翌_ 芏塑生型茎璺翌：! ! 蔓 模块间的粹制是顺序的，串行的，根据排队论原理其加工效率低，插补过程耗 时增大，系统的实时性能降低。 ( 二) 预处理控制法 其控制流程为：在实时多任务环境f ，预解释模块和插补模块同时运行t 预 解释模块负责对数控程序语法扫描并解释，将解释结果存放入缓冲区。插补模块 从缓冲区中取出预解释数据并根据系统当前的状态进行插补。这两个模块同时并 行。对于单c p u 结构，可利用多任务操作系统实现两个任务分时共享c p u 。对 于多c p u 结构，两个任务完全并发，利用操作系统进行合理的任务调度。 这种方法的优点在于：预解释模块对数控程序的预解释处理可以提高加工效 率。缓冲区大小的设置可根据内存大小而定，因而对内存容量要求不高。这种方 法的实质是把解释控制法的预处理任务移出实时环节，交给另外一个任务。或另 外一个c p u 单独处理。 圈3 - 2 预处理控制法加工过程流程图 但这种方法要求有实时多任务的操作系统支持。而这种系统大多结构庞大， 与应用广泛的d o s 相比，不利于推广。其次整个系统的软硬件结构复杂，开发 与维护相对困难。另外对硬件的要求也较高，一般采用多c p u 结构形式，增加 了系统成本。 3 1 2 本系统基于分布并行思想的编译方法 倘若仔细分析前面所介绍的两种方法，我们不难发现预处理控制法其实时性 能显然比顺序解释控制法要好，其根本原因在于它把实时环节中某些任务分离出 来形成了相对独立的模块，减轻了实时环节的负担。 根据这种思想，本系统的基于分布并行思想的编译方法，进一步将实对环辂 中更多的任务分离出来，尽可能降低实时环节的负衙，这样就使本系统的实时性、 第9 页共5 9 贞 ! ! 至型壁查竺竺笪生堡些垒薹一星三兰壁型墨鉴璺苎! ! 生 快速响应性等大大提曲。 流程图如f ： 图3 - 3 编译控制法加工过程流程图 实时阶段 实时阶段 如上图所示，我们将数控程序的读入、程序的编译、插补运算、数据格式转 换等模块分离综合到非实时阶段。而实时阶段只保留实时控制模块和动态跟踪检 测模块。这样使得实时控制环节有足够的能力实时处理控制任务。 在非实时阶段，控制系统通过文件管理模块读入需要运行的数控源程序，然 后调用编译模块把数控源程序分离成命令信息与数据信息，插补运算模块再将命 令信息和数据信息转化成指定格式分别存放在计算机的内存与数组中。并宏观记 录每一段的起始位置信息和进给速度信息，供以后运行控制中随时检测使用。 在实时阶段，运行模块直接从内存中读出命令信息，并按顺序从数组中读出 数据信息。再交给智能运动控制卡完成转化为相应的控制信号来控制执行机构的 运动轨迹。其间通过自定义的中断电路，产生中断，执行中断服务程序，从而实 现动态跟踪与闭环控制。 本系统分布并行思想不仅仅体现在硬件上，软件上也同样实现分布并行结 构，程序j 二下分布，层次分明，上层软件只完成加工轨迹的格式化分段和数据分 类，智能运动控制卡控制芯片自带的库函数实现底层实时插补。这种方法不仅提 高了系统的实时性，而且更便于速度控制。模块化的设计也大大简化了系统软件 结构、缩短了软件歼发周期、增加了系统的通用性和经济性。 本系统编译流程框图如卜： 第1 0 页苁5 9 页 垒至翌矍查兰壁塞生生罂堡塞墼呈羔垫壁墨篷整! ! 墼l 蹦3 4 编蹲溅程壤蹦 第i l 煎兵5 9 蔼 坐兰! ：! 丝盔兰堕茎竺兰些堕茎 一堡三翌堕塑竺塑塑! ! ! 生 本系统编译模块提供一个g 代码辑式的数控源程序数据文件接口a n 于义件 编译模块的开放性，实际一卜可应用于符类数控源程序乃至于自定义的义件格式n 只要放到内存中的命令信息格式和放到数组中的数据信息格式统一，那么都可以 实现其后的牺补运舞。 本系统的控制方法具有以下一些优点： i 编译、插补各自独立，前期编译过程不占用控制时间，可以进行完成复 杂的预处理工作，实际运行过程中只处理插补好的数据和反馈回来的位置信号， 系统响应速大大提高。 2 在运行控制过程中，系统蓖接调用内存命令和数组数据。这时除了少数 的辅助模块在工作外，主要是进行位置伺服控制。由于不受其它操作的影响，位 置伺服可以有很高精度。 3 c p u 与内存数据交换速度比它与硬锰数据交换速度快若干倍，因此我们 前面将插补命令存入内存不仅仅是使结构优化，而且大大提高r 系统实时性。d o s 系统只能管理l m 以内的内存空间，所以我们还编写r “扩充内存管理模块”，对 1 m 以上的内存空间分页管理。 4 程序结构简单明了，具有结构化、模块化的特点。软件开发、调试方便 可应用于各种格式的数控源程序。 5 随着硬件技术的不断发展，出现了许多性价比比较好的智能芯片，它们 将以往需要冗长的程序段才能实现的功能集成起来，本系统采用的智能运动控制 母就集成了环行分配功能和速度控制功能，使整个系统的性能提高到一个新的档 次。 ， 3 2 插补模块的设计 数控系统，无论是单轴还是多轴系统，都要求这些轴必须沿着精确定义的路 径咖调运动，才能完由汁算机程序控制的制造任务。因此，c n c 命令的生成。j 插补控制功能是制造系统的一个重要组成部分。 数控系统要形成几何轨迹或轮廓控制，必须使各个坐标的行程信息的指令遄 给脉冲用适当的方法分配，从而合成出所需的运动轨迹，这就是插补算法。插补 算法中最常用的是逐点比较法。考虑到与智能控制 的搭配，本系统中对于两坐 标的随线、圆弧捅补均使月j 逐点比较法。而n 本系统的插补足非实时性的插补。 与传统的插补不同，每次插补后并不足立即向驱动电源送控制信号，而是一次性 第1 2 甄接5 9 恒 皇至壁垒查兰堑塞生生些堡苎 墅三堡丝型墨竺璺苎! ! l 的将攫个数控源程序进行插补，插补结果按一定的数据格式存放于内存中，为下 一步加工控制做准备。 3 2 1 结合智能运动控制卡的分层插补思想 在一般的数控系统中，插补运算通常要么由软件模块实现、要么由硬件芯片 实现。当用软件模块实现的时候，软件模块要完成g 代码到内存数据的格式化转 换、插补运算、环分、速度控制等，虽然比较灵活但占用系统资源较多，系统负 荷重，实时控制性能提高有限。当用硬件芯片实现的时候，虽然减轻了系统负荷， 但芯片中集成的插孙模块是固化的，也难以让系统性能达到最优。 为了解决这个矛盾，本系统在结合智能运动控制卡的基础上运用了分层插补 思想。插补模块分为上、下两层，也可以理解为宏观插补和微观插补，上层插补 模块在非实时阶段读入数控文件后按一定格式将任意加工轨迹( 即任意曲、直线、 圆、弧等) 分离成大小不一的若干直线、圆弧段并且将各段新产生的命令信息、 数据信息分类存放到计算机内存和数组中。在实时控制阶段，系统根据各新生段 信息调用智能运动控制卡控制芯片自带的相应库函数实现底层实时插补。 下面我们用一段顺圆弧的插补过程来举例说明分层插补的优越性： jl x e , y e | 厂。 l y ox o 。r o 一， 1 v o i dr e a d f i l e ( v o i d ) 函数用来预处理g 代码文件，当读到g 功能代码段时， 转而执行g 代码处理函数g c o d c _ d o ( ) 。 z g c o d c d “) 函数代码如下： v o i d g c o d e d o ( v o i d ) i 眦g f u n ； f s c a n f ( i n f p , 2 d f ，g f u n ) ； s w i t c h ( g u n ) c a s e0 0 ： l i n e m o v ed o o ； 第1 3 炙共5 9 员 生型壁查兰竺茎生生些堡苎 銎j 里丝型墨堡鱼堡! ! 生 b r e a k ； c a s e01 ：* l i n ei n t e r l o a t i o n + l i n e c o d e _ d o o ； b r e a k ； c a s e0 2 ：l s h u n y u a n 1 n s = o ： y u a n c o d e _ d 0 0 ； b r e a k ； c a s e 0 3 ：净n iy u a n i n s = l ： y u a n c o d e _ d o o ； b r e a k ； d e f a u l t ： b r e a k ； ) l 此函数用来分类不同的g 代码，在此例中，顺圆代码是g 0 2 。在c a 8 e0 2 中 首先把全局变量n s 置0 ，标明顺圆，然后调用圆弧处理函数y u a n e o d e _ _ d o o 。 3 y u a n c o d e _ d o ( ) i 甬数代码： v o i d y u a n e o d e _ _ d o ( v o i d ) i m t e m p _ c o d e ； i n tx s t r , y s t r , x e n d ，y e n d ，x o ，y o ，r r ； d o f t e m pc o d e = f g e t c ( i n 印) ： s w i t c h ( t e m pc o d e ) c a s e0 x o a ：i h u a n h a n gl f l b r e a k ； c a s e0 x o d ：严e n t e rc r + b r e a k ； 第1 4 页搀5 9 页 坚王壁墼叁兰墅墨：! 兰些垒茎 一l 生兰坠羔翌生墨竺璺! ! ! ! 生 c a s e 。 7 + s p a c e 7 b r e a k ； c a s ee o f ： b r e a k ； 净e n do ff i l e c a s e x ： f s c a n f ( i n f p ，”d ，& x s t r ) ； f s c a n f ( i n f p , d & x e n d ) ； b r e a k ； c a s e y ： f s c a n f ( i n f p , d ”& y s t r ) ； f s c a n f ( i n f p , d & y e n d ) ； b r e a k ； c a s e i ： f s c a n f ( i n f g , x o ) ； f s c a n f ( i n f p , d ”，y o ) b r e a k ； c a s e r ： f s c a n f ( i n f p , d 1 ，& i r ) ； b r e a k ； c a s e f ： f c o d e _ d o o ； b r e a k ； d e f a u l t ： p r i n t f ( ”t b n n a te r r o r ”) ； b r e a k ； ) ) w h i l e ( ( t e m p _ c o d e1 2 e o f ) & & ( t e m pc o d e ! = o x o a ) & & ( ：t e m p _ c o d e ! 。o x o d ) ) ： c c i r c l e ( x s t r , y s t r , x e n d , y e n d ，x o ，y o ，r r , n s ) ； ； 此函数记录f 圆弧起始点坐标、圆坐标、半径，进而调用圆弧上层插补函数 第1 5 页共5 9 氟 皇至坠堕查兰塑茎生! 些堕塞 一立生塑l 墼型墨竺堕! ! ! ! l c c i r c l e ( x s t r , y s t r , x e n d ，y e n d ，x 0 ，y 0 ，r r , n s ) 。 4 c c i r c l e ( x s t r , y s t r , x e n d ，y e n d , x 0 ，y 0 ，几n s ) 函数。 此函数用来将圆弧分段，处理各种圆弧跨越一个或者多个象限的插补问题a 按照此例，圆弧起点在第四象限、终点在第一象限，其跨越了三个象限。因此被 分为四段。 c c i r c l e ( x s t r , y s t r , x e n d ，y e n d ，x 0 ，y 0 ，r r , n s ) ( i f ( n s = = 0 ) + s h u ny u a n 7 ( i f ( x s t r x 0 & & y s t r x 0 & & y e n d 0 ) c c i r c l e 4 ( x s t r , y s t r , x 0 ，y 0 - r r , x o ，y o n s x c c i r e l e 3 ( x 0 ，y o 盯 x o - r r ，y o ，x o ，y o ，n s ) ； e c i r c l e 2 ( x o m y o ，x o ，y o + m x o ，y o ，n s ) ； c c i r e l c l ( x 0 ，y 0 + r r , x e n d ，y c n d ，x o , y o ，n s ) ) 】 其中c c i r c i e l ( ) c c i r c l e 4 ( ) 分别是每个象限内的圆弧处理函数。 5 c c i r c l e l ( ) c c i r c l e 4 ( ) 每个圆弧处理函数思路相同，我们以c c i r c l e 4 ( ) 即第四象限函数来说明： 酋先是顺、逆判别，通过全局变量n s 来判断。这里n s = 0 为逆圆搔补。 第1 6 页共5 9 页 垒王丛堕盔竺墅壅兰! 些堡墨一翌二翌j ! 型墨竺堕! 兰! ! 蔓 接着是坐标边界的比较、记录，便于刚形预览时的显示l ：域缩放、平移： i f ( x m i n = = o & & x m a x o & & y m i n 2 ：= o & & y m a x 。o 、 f x m i n = x e n d ；x m a x = x s t r - y m i n 鼍 e n d , y m a x = y s t r ；x s t r 0 2 x s t r ：y s t r o 。y s t r ； ； e l s e i f ( x s t r = x m a x ) x m a x 。x s t r ； i f ( x e n d = y m a x ) y m a x 2 y s t r ； i f ( y e n d = y m i n ) y m i n 2 y e n d ； 然后是数据格式的转换，命令信息放入内存，数据信息放入数组： m e m = 0 x 0 2 ；内存数据0 x 0 2 表示g 0 2 ，如果是逆圆g 0 3 则为o x 0 3 e m m b a s e e m m b y t e n u m 2 m e r e ； m e r e - - o ； e m m b y t e n u m + + ； i f ( e m m b y t e n u m 一0 x 4 0 0 0 ) e m m p a g e s + + ； e n l l n m a p ( e m m h a n d l e ，e m m p a g e s ，o x e m m b y t e n t i r e = o ： j c d a t a 【d i 】p o i n t _ x s t r = x s t ； c d a t a d i p o i n t _ x e n d = x e n ； c d a t a d i p o i n t - y s t r = y s t c d a t a d i p o i n t _ y e n d 2 y e n ： 至此，上述卜5 ，即为分层插补中的上层插补( 宏观插补) ，这些繁复的t ： 作都是在文件预处理阶段( 非实时阶段) 完成的，不占用系统实时控制时的资源。 在实时控制阶段，程序依次从内存中读取命令信息，蹼剑0 x 0 2 ，卸j 二顾 我们将g 0 2 转化成的数据后，变进入j 该圆弧的实时插补( 下层插补) ： 第1 7 甄妓5 9 幔 里三型垫茎兰塑壅兰兰些丝塞 一蔓兰里j 型堕墨丝璺旦兰! 坠 i f f v i l c w = = o x 0 2 v i rc w 2 = o x 0 3 ) m s t = c d a t a d i p o i n l x s t r , m e d = c d a t a d i p o i n t _ x e n d ； n s t = c d a t a d i 】p o i n t j s t r ； n e d = c d a t a d i p o i n t _ y e n d ； d i + + ： i f ( v i rc w o x 0 2 ) p c la r c ( c h l 2 ，c w , m s t ，n s t , m e 止n e d ) ； e l s e p c l _ a r c ( c h l 2 ，c c w ：m s t ，n s t , m e d ，n e d ) ； ) 这里p c la r c ( 1 函数是智能运动控制卡提供的底层圆弧插补函数，它根据上 层插补函数传递的圆弧坐标、方向等信息，自动完成该段圆弧的环分并向驱动器 送出脉冲信号，从而使执行机构按程序轨迹要求运动。并在运动的过程中结合智 能运动控制卡上的速度控制芯片，根据轨迹和要求的进给速度控制优化完成运动 速度控制。 由此看出，上层插补程序完成了大量繁复的预处理工作，在实时控制时系统 只需调用智能运动控制卡的底层插补函数，因而大大减轻了实时控制阶段的负 荷提高了整个系统的实时性。结合智能运动控制卡的分层插补思想同时使程序 的结构化、模块化更为突出，程序层层分类、层层递进，当需要针对现场调整程 序的时候，我们仅需要改动少量环节贝| i 可立即编译应用，拓宽了系统的应用范围， 增强了系统生命力。 底层库函数只提供了一象限直线和标准四分之一圆弧插补代码，正因为我们 采取了分层插补思想，所以才能够在上下层插补中间增添了补充插补模块，从而 实现了任意象限真线、任意大小圆弧的插补，并解决了插补轨迹要跨度任意象限 的问题。使系统具有了良好的实时性和通用性。 3 2 2 逐点比较法的直线插补 逐点比较法的插补原理： 计算机在控制加工轨迹过程中，逐点计算和判别加工偏差以控制坐标进给方 第1 8 丽共5 9 页 皇型望盔兰曼茎竺堡些堡苎 墨三堡整型墨竺些! 兰竖盐 向。这种插补方法特点在于每控制机床坐标走一步都要完成四个工作节拍，即： 1 偏差判别。判别加工点对规定几何轨迹的偏离位置，然后决定各个坐标 走向： 2 进给。控制某坐标进给一步，象舰定的轨迹靠拢，缩小偏差： 3 偏差计算。计算新的加工点对规定轨迹的偏差，作为下一步判别走向的 依据； 4 终点判断。判断是否到达程序规定的加工终点? 若到达终点，则停止插 补，否则再回到第一拍。如此不断的重复上述循环过程。 第一象限的宜线插补规则： y x 初始令f = 0 ，我们通过偏差判别递推公式来确定下一步的进给方向。 当f 0 时，向工正方向走一步： x = x 十l f t “j2 f u y 。 当f 0 时，向y 正方向走一步： y 2 y + l 川= + t 终点判别可用总步数月爿 + i y 。l ，每走一步疗减i ，直到月= o 。 第一象限直线插补运算流程图如下： 第1 9 页共”页 坚! 型苎盔兰堕茎：! 生些堡墨一! i 蔓l 丝型至堡望! ! ! 坚l 图3 - 6 第一象限直线插补流程图 在实际插补运算过程中，首先上层插补模块判断直线所处的象限，然后将信 息写入内存及数组中，供接下来的底层直线插补函数引用。判断的