（机械电子工程专业论文）三维四轴pcb板铣床数控系统.pdf

中文摘要 摘要 随着全球信息化程度的加深，微电子技术的更广泛应用，我国集成电路产量 快速增长，使得印刷电路板( p c b ) 加工行业的市场规模迅速扩大，并且对p c b 板加工的生产效率和生产质量提出了更高要求。而我国用于p c b 板加工的关键设 备之一的p c b 板数控铣床相对落后，国外同类产品价格昂贵。因此，开发价格适 中的高性能p c b 板数控铣床有客观的市场需求。 本文对p c b 板铣床数控系统的硬件平台和软件平台作了分析，确定以“运动 控制卡+ p c 机”体系结构和w i n d o w s9 8 操作系统作为三维四轴p c b 板铣床数控 系统的系统平台。 根据p c b 板加工数据在系统中处理流程和所处的状态，建立了包含三大数据 形式( p c b 板源文件、刀具运动轨迹和运动控制指令) 和三大系统模块( 数据处 理系统、加工控制系统和伺服驱动系统硬件系统) 的系统总体结构。 本文采用系统集成的方法，以保证系统的高精度、快速度、高稳定性和可靠 性为前提，开发三维四轴p c b 板数控铣床的硬件系统；在深入分析p c b 板源文件 数据格式的基础上，建立加工数据接口模型，并利用m f c 动态链接库技术实现接 口模型；通过开发一个二维图形软件系统，实现对p c b 板加工数据的编辑处理； 基于刀具半径补偿原理、刀具半径补偿方向的判断法则和最小包围矩形算法，实 现p c b 板轮廓线数据的提取和刀具中心轨迹的生成；在“运动控制卡+ p c 机”的 数控体系结构下，实现p c b 板铣床数控系统的加工控制系统。 本文还研究了实现w i n d o w s9 8 环境下实时控制的技术，并用v x d 程序处理 硬件中断事件的方式解决了本文数控系统的实时性问题。 本文通过对进给伺服系统进行动静态特性分析，得出以下结论：数控机床的 进给伺服系统应当在过阻尼的情况下运行，位置控制器的增益必须小于某一固定 值，进给伺服系统才不发生振荡；伺服系统的跟随误差与位置控制器增益成反比， 与位置指令的一阶导数成正比；若仅采用比例型的位置控制，跟随误差无法完全 消除，速度前馈控制是消除跟随误差的有效手段：为了减少冲击，应尽量使用有 加速度控制的位置指令函数。 本文利用v c + + 6 0 m f c 实现了三维四轴p c b 板铣床数控系统。 关键词：印刷电路板、铣床、动态链接库、v x d 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h em o r ed e v e l o p m e n to fg l o b a li n f o r m a t i o na n dt h em o r ea p p l i c a t i o no f m i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , i c p r o d u c ti no u rc o u n t r yi sd r a m a t i c a l l yi n c r e a s i n g ，w h i c h e n l a r g e st h em a r k e t o fp c b ( p r i n tc i r c u i tb o a r d ) p r o d u c t i o na n dd e m a n dt h eh i i g h e rr a t e a n dq u a l i t yo fp c bp r o d u c t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，i ti s r e l a t i v e l yl a g g i n go fp c b m i l l i n gm a c h i n e a so n eo fb a s i l i c ad e v i c et op r o d u c ep c bi nc h i n a ，b u tt h ep r i c eo ft h e c o u n t e r p a r ti no v e r s e ai st o oe x p e n s i v ef o rc h i n e s ec o m p a n yt op r o d u c ep c b s oi ti s m a r k e td e m a n dt od e v e l o pt h en u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n gm a c h i n ef o rp c bw i t hp r o p e r p r i c ea n dh i g hp e r f o r m a n c e o nt h eb a s i so fa n a l y s et oh a r d w a r ea n ds o f t w a r e s y s t e mp l a t f o r m ，“m o t i o n c o n t r o l l e r c a r d + p c s y s t e ma r c h i t e c t u r e a n dw i n d o w s9 8o p e r a t i o n s y s t e m a r e e m p l o y e da st h es y s t e mp l a t f o r mo ft h ec n cs y s t e mo ft h e3 a - 4 s ( 3a x i s e sa n d4 s p i n d l e s ) m i l l i n gm a c h i n e f o rp c b a c c o r d i n ga st h ep r o c e d u r eo fd e a l i n gw i t hp c bd a t aa n ds t a t eo fp c bd a t a ，t h e s y s t e mt o t a ls t r u c t r u ew a sc o n s t r u c t e dt h a tc o m p r i s e st h r e ed a t am o d e l s ( p c bs o u r c e f i l e ，t o o ls t r a c ka n dm o t i o ni n s t r u c t i o n ) a n dt h r e es y s t e mm o d u l e s ( h a n d l i n gd a t as y s t e m ， w o r k i n gs y s t e ma n d s e r v os y s t e m ) t h eh a r d w a r es y s t e mo ft h ec n c s y s t e mo ft h e3 a - 4 sm i l l i n gm a c h i n ef o rp c b w a s d e s i g n e db yt h es y s t e mi n t e g r a t i o nm e t h o da n du n d e rt h ec o n d i t i o no fi n s u r i n gh i g h a c c u r a t e ，f a s tc u t t i n gs p e e d ，h i g hs t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y e x t r a c t i n gt h ed a t af r o mt h e s o u r c ef i l eo fp c bd e p e n d so nt h em f c d l l ( d y n a m i c l i n kl i b r a r y ) t e c h n o l o g ya f t e r t h er e s e a r c hi n t ot h ef o r m a to fp c bs o u r c ef i l e t h ep c bd a t ai se d i t e d b yt h e2 d g r a p h i cs o f t w a r es y s t e m e x t r a c t i o no fp c b c o n t o u rl i n ea n dg e n e r a t i o no fc u t t i n gt o o l c e n t e rp a t ha r ee s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h et o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o np r i n c i p l e ，t h e r e g u l a t i o no fj u d g i n gt h ed i r e c t i o nf o rt o o tr a d i u sc o m p e n s a t i o na n dt h em i n i m u m s u r r o u n dr e c t a n g l ea r i t h m e t i c t h ep r o d u c tc o n t r o ls y s t e mo ft h em i l l i n gw a sb a s e do n t h ea r c h i t e c t u r eo f “m o t i o nc o n t r o l l e rc a r d + p c ” i tw a sa l s os t u d i e di nt h ep a p e rh o wt or e a l i z et h er e a lt i m ec o n t r o li nt h ew i n d o w s 9 8 o p e r a t i o ns y s t e m t h ep r o b l e mo f t h es y s t e mr e a l t i m ec o n t r o li nt h e p a p e rh a sb e e n s e t t l e db yt h ev x d ( v i r t u a ld r i v e r d e v i c e ) p r o g r a m t oh a n d l eh a r d w a r e i n t e r r u p te v e n t t h ep a p e ra n a l y z e dt h ed y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a t e r i s t i c so ff e e ds e r v o s y s t e m ，a n d d r a w st h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s ：t h ef e e ds e r v os y s t e mo fc n c m a c h i n eh a st or u n u n d e rt h eo v e r d a m pc o n d i t i o n ，a l s ot os a y , t h ep o s i t i o n a l p l u so fp o s i t i o n a lc o n t r o l l e r i n 重庆大学硕士沦文 h a st ob el e s st h a naf i x e dv a l u ej fi tn e e dt or i mw i t h o u tv i b r a t i o n ；t h ef o l l o w i n ge r r o r o fs e r v os y s t e mi sd i r e c tp r o p o r t i o nw i t ht h ep o s i t i o n a lp l u sa n di si n v e r s ep r o p o r t i o n w i t ht h eo n c ed e r i v a t i v eo fp o s i t i o n a l i n s t r u c t i o n ；t h ef o l l o w i n ge r r o rc a n n o tb e r e m o v e de n t i r e l yi fp o s i t i o n a lc o n t r o l l e ra d o p t st h ec o n t r o lm e t h o dw i t h p r o p o r t i o n m o d e l t h ef o r e w a r df e e ds p e e dc o n t r o li sav a l i dm e t h o di n r e m o v i n gt h ef o l l o w i n g e r r o r ；p o s i t i o n a ii n s t r u c t i o np r o v i d e dw i t ha c c e l e r a t i o nc o n t r o ls h o u l db ea d v o c a t e dt o r e d u c et h em a c h i n e i m p a c t t h ew h o l ec n c s y s t e mo f3 a _ 4 sm i l l i n gm a c h i n ef o rp c bh a sb e e nd e v e l o p e d t h e d e v e l o p i n g t 0 0 1j sv c + + 6 0 m f c k e y w o r d s ：p c b ，m i l l i n gm a c h i n e ，d l l , v x d i v ：! 堕堡 1 绪论 1 1 课题研究背景 1 ，1 1 数控技术的发展历史 自从1 9 5 2 年，世界上第一台数控铣床在荚国麻省理工学院实验室诞生以来， 数控系统已经经历了五个阶段的发展1 1 1 1 2 。 1 1 普通数控系统( n c ) 2 1 计算机数控系统( c n c ) 3 1 微机数控系统( m n c ) 4 ) 高速高精度c n c 系统 5 ) 基于p c 的开放式c n c 系统 特别自九十年代以来，由于开放式数控系统的优越性，世界各国以及世界著 名数控厂商纷纷展开了积极的研究。具有代表意义且反映了国际研究现状的有： 美国的n g c 计划和o m a c 计划；欧共体的o s a c a 计划；日本的o s e c 计划。 1 ) 美国的n g c 计划 3 4 和o m a c 计划 5 下一代工作站机床控制器n g c ( t h en e x tg e n e r a t i o nw o r k s t a t i o n m a c h i n e c o n t r o l l e r ) 计划的目的是制定一套新一代开放式控制系统的规范，开发符合下 一代控制器( n g c ) 规范的产品，提供n g c 标准化的成果。n g c 的体系结构，是在 虚拟机械基础上把子系统和模块链接到计算机平台上。n g c 计划已于1 9 9 4 年完成 了原型研究，并转向工业上的开发应用。与此同时，美国的三大汽车公司( 通用、 福特、克勒斯勒) 为解决自身发展中碰到的问题，在n g c 计划指导下，联合提出 了“开放式模块化体系结构控制器”，即o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r e c o n t r o l l e r ) 的开发计划，由政府支持实施。该计划的目标是降低控制系统的投 资成本和维护费用，缩短产品开发周期，提高机床利用率，提供软硬件模块的“即 插即用”和高效的控制器重构机制，简化新技术与原有系统的集成。其主要动机 是向供应商和技术开发团体公布控制器用户，尤其是汽车制造业的需要，以期他 们明白并更好地理解用户的需求，从而能在市场上购买到满足其需求的产品。由 于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发商，这就决定了其性质和目的，从而也 就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。 2 ) 欧盟的0 s a c a 计划 6 7 8 欧盟的o s a c a 刮划定义的开放式数控系统：一个开放系统包括一组逻辑上分 离的部件，部件之间、部件和应用平台之间有良好的界面定义。从不同供应商处 得到的部件组成一个可以运行于多种平台之卜的完整的控制系统。而且，对用户 重庆大学硕0 。论文 和其它系统的界面是统一的。 自动化系统中开放式体系结构o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r e f o r c o n t r o l w 【l h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 计划的目标是开发的开放式c n c 系统应允许机床j 对系统作修改、扩充、扩展、裁减来适应不同用户的需要。 用软件层 作系统层 件层 图i io s a c a 系统平台结构 f i g u r e1 1s y s t e mp l a t f o r ma r c h i t e c t u r eo fo s a c a o s a c a 参照开放式系统及其互连模型提出了一个“分层的系统平台+ 结构化的 功能单元”的体系结构，保证各种应用系统与操作平台的无关性及相互问的互操 作性。开放性是十分明确的，并明确规定 了不同的开放层次：应用开放、核心层开 放( 与o s h c h 部分兼容) 和全部开放( 与 o s a c a 全部兼容) ，见图1 1 。 o s a c a 的软件结构中有3 个主要组成 部分：通信系统( c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、 参考系统结构模型( r e f e r e n c e a r c h i t e c t u r em o d u l a r ) 和配置系统 ( c o n f j g u r a t i o ns y s t e m ) ，是基于信息通 信平台建立的，见图1 2 。 3 ) 只本的o s e c 计划 9 1 0 图1 2o s c a 通信系统结构 f i g u r e1 2c o m m u n i c a t i o ns y s t e m a r c h it e c t u r eo fo s c a 日本的o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n t r o ll e r ) 计划，其目的是 丌发基于p c 机平台的、具有高性能价格比的丌放式体系结构的新一代数控系统， 以适应迅速变化的市场需求。在硬件方面，o s e c 计划采用“p c + 控制卡”( 将n c 专 用卡插到p c 机中) 的结构，有利于层次化、模块化、灵活配置的实现。在系统方 面，o s e c 认为存m b c p ( m e s s a g eb a s e dc o m m u n ic ：a l i o np i u t f o r m ) 和f l ( f u n c t i o ( 1 t 2 ：! 笙堡一 l a y e r s ) 两种开放式平台中，前者定义虽然理想，但后者已在过去的工作中经过 了长期的完善，所咀，o s e c 选择了以f l 为基础的开放式平台，见图l 。3 。 图1 3o s e c 开放系统体系结构 f i g u r e1 3o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r eo fo s e c 1 。1 ，2 p c f l 板数控铣床国内外现状 我国的p c b 板数控铣床的开发应用，从上世纪九十年代得到了一定的发展。 p c b 板数控铣床主要为开环步进系统，由于开环步进系统自身的局限性，加工精度 和加工速度( 1 0 米分钟左右) 低；铣削出的边平滑性差；数控软件是基于d o s 平台丌发的，相对现行的w i n d o w s 平台，其操作复杂，对企业操作工人的知识水 平要求高。本世纪以来，p c b 板数控铣床的控制系统，逐步转向半闭环伺服系统和 带光栅尺的全闭环系统，突破了开环步进系统的局限，大幅度提高了数控铣床的 稳定性、可靠性、加工精度和加工速度( 铣削速度达到2 米分钟左右) ；数控软 件改以w i n d o w s 平台为主，由于w i n d o w s 系统强大的图形界面，数控铣床的操作 变得简单，受到用户广泛欢迎。目前国内生产p c b 板数控铣床的企业所采用w i n d o w s 平台下的铣床数控软件多数来自海外，且加工数据编辑功能不强。 发达国家p c b 板数控铣床的控制系统，从九卜年代中后期7 f ：始转向w i n d o w s 平台的软件系统，铣削速度达到3 5 米分钊- ，其定位精度不低于0 0 0 5 毫米。 h 阿，我国p c b 板数控铣床与发达国家的差距，既有控制系统软硬件上的筹 重庆大学硕十论文 距，也有机床本体机械部件上的差距。随着我国改革开放的深化和世界经济全球 化的进一步的发展，各种性能优越的电子器部件和机械器部件的价格不断降低， 以及我国企业的经济承受力不断增强和p c b 板市场不断扩大，为开发性能优越的 p c b 板数控铣床奠定了经济基础。 1 2 课题研究的目的和内容 1 2 1 课题研究的目的 随着全球信息化程度的加深，微电子技术得到更广泛应用，我国集成电路产 量以4 2 3 8 的速度快速增长【1 2 】，p c b 板加工的市场规模相应迅速扩大。特别是 近几年，海外p c b 板的加工进一步向大陆转移，在生产效率和生产质量上对我国 p c b 板加工企业提出了更高要求。p c b 板数控铣床作为p c b 板加工的关键设备之 一，其性能的完善和提高势在必行。同时由于我国p c b 板加工企业起步晚、经济 实力弱的现实，研究和开发一种功能完善又经济实用的p c b 板数控铣床已是当务 之急。数控技术从上世纪五十年代诞生以来，对制造业产生了深刻影响。以机械 制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感技术、信息处理技术、 网络通信技术、液压气动技术、光电技术等一体化为特征的现代数控技术，在世 界制造业乃至整个世界经济中发挥了巨大作用，受到各个国家高度重视1 1 1 】。本课 题的研究将有助于增强国产p c b 板数控铣床自主开发的能力。 1 2 2 课题研究的内容 1 ) 三维四轴p c b 板数控系统的主要技术指标： 进给轴数：3 根； 主轴数：4 根； 最大计算定位精度：l h m ； 最大定位速度：3 0 m m i n ； 最大进给速度：2 3 m m i n ： 主轴转速范围：o 6 0 0 0 0 r m in 。 2 ) 本论文的章节安排如下： 第一章绪论 第二章系统平台分析和系统总体结构设计 第三章硬件系统设计与分析 第四章数据处理系统 第五章加t 控制系统 第六章三维四轴p c b 板铣床数控系统实现 第七章纬论与展望 ! 墨竺兰鱼坌塑翌! 墨丝璺堡笙塑堡生一 2 系统平台分析和系统总体结构设计 2 1 系统平台分析 2 1 1 数控系统的体系结构 就系统结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为4 种类型【1 3 1 4 ： 1 ) 传统数控系统 如f a n u c0 系统、m i t s u b i s h im 5 0 系统、s i e m e n s8 1 0 系统等。这是一种专 用的封闭体系结构的数控系统。尽管也可以由用户做人机界面，但必须使用专门 的开发工具( 如s i e m e n sw s 8 0 0 a ) 耗费较多的人力，而对它的功能扩展、改变和维 修，都必须求助于系统供应商。目前，这类系统还是占领了制造业的大部分市场。 但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场正受到挑战，已逐渐 减小。 2 ) “p c 嵌入n c ”结构的开放式数控系统 如f a n u c l 8 i 、1 6 i 系统、s i e m e n s8 4 0 d 系统、n u m l 0 6 0 系统、a b9 3 6 0 等数 控系统。这是由于一些数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控软件技术，又 想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。然而，尽管它也具有一定的开放性， 但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。因此用户 无法介入数控系统的核心。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。 3 ) “n c 嵌入p c ”结构的开放式数控系统 它由开放体系结构“运动控制卡+ p c 机”构成。这种运动控制卡通常选用高速 d s p 作为c p u ，具有很强的运动控制和p l c 控制能力。它本身就是一个数控系统， 可以单独使用。它开放的函数库可供用户在w i n d o w s 平台下自行开发构造所需的 控制系统。因而这种开放结构的运动控制卡被广泛应用于制造业自动化控制各个 领域。如美国d e l t at a u 公司用p 姒c 多轴运动控制卡构造的p m a c n c 数控系统、 日本m a z a k 公司用三菱电机的m e l d a s m a g i c6 4 构造的m a z a t r o l6 4 0c n c 等。 4 ) s o f 、型开放式数控系统 这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性。 它的c n c 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机和伺服驱动与外部i 0 之间的标准化通用接口。用户可以在w i n d o w s 平台上，利用开放的c n c 内核，开 发所需的各种功能，构成各种类型的高性能数控系统，与前几种数控系统相比， s o f t 璀开放式数控系统具有最高的性能价格比因而最有生命力。其典型产品有 美国m d s l 公司的o p e nc n c 、德国p o w e ra u t o m a t i o n 公司的p a 8 0 0 0m 等。 重庆人学硕士论文 2 1 2 硬件系统平台 办公自动化技术以其庞大的市场规模为背景飞速发展和进步，极大地推动了 作为办公自动化主体的p c 机硬件和软件技术的快速超前发展 1 5 1 6 。p c 机的性 能，特别是其运算速度、存储容量、i o 接口能力、可靠性等方面显著提高。在运 算速度方面，由于微处理器技术的迅猛发展，其运算速度已能与七八十年代的大 型机相比，甚至更好。现在常用的p e n t i u mc p u ，计算速度可达到4 6 亿次每秒。 p c 机的大规模生产带来了其更便宜的价格。p c 机以极其丰富的软硬件资源、价格 便宜、体系结构开放等优势，在各个领域得到广泛应用，并进入了越来越多的家 庭。 数控领域提出的数控系统开放性问题的实质是要利用p c 机的开放体系结构， 而实现自身的体系结构开放。工业p c 机( i n d u s t r i a lp c i p c ) ，又名工业控制 计算机，简称工控机，它实际是体系结构与p c 机兼容，针对工业控制设计的计算 机。因其采用工业级芯片和在抗干扰等方面采取了措施，质量更可靠、稳定性更 高，而且价格较普通p c 机相差不大，因此选用i p c 作为p c b 板铣床数控系统的硬 件平台，将给数控系统开发带来极大灵活性，同时有利于降低数控铣床的成本和 进一步扩展数控系统的功能。 2 1 3 软件系统平台 选取p c b 板数控铣床数控系统的软件系统平台操作系统，主要考虑三方 面的因素：实时性、图形功能和通用性。 1 ) 实时性和实时操作系统 1 7 1 8 1 9 在控制领域对操作系统的一个基本要求是必须保证实时性，所谓实时指的是 对各种外部、异步事件能在规定的极短的时间内做出迅速和正确的响应。实时性 的实现不仅取决于计算的结果，而且取决于计算的时间。实时分为两种：硬实时 ( h a r dr e a l - t i m e ) 和软实时( s o f tr e a l t i m e ) 。硬实时指时间是非常关键的，必须在 指定的时间内完成所有的处理工作：软实时指系统是以某种速率来处理事务的， 但并不一定要在特定的时间内完成处理工作。对于实时操作系统，p o s i x1 0 0 3 1 是这样定义的：实时操作系统必须有能在边界时间内提供所需级剐服务的能力。 实时操作系统具有实时特性，能支持实时的控制任务，一般采用模块化结构，出 多个系统模块组成。实时操作系统必须能够明确说明它的每一个系统服务运行所 需的最长时间，运行在它上面的任务的行为都必须是可预测的。正是由于这个特 点使得实时操作系统在计算机应用的许多重要领域( 例如国防、通信、航空航天、 工业控制等) 起着不可替代的作用。这些领域对每个关键任务所用的最长时间都 有着严格的要求，只有采用实时操作系统爿能够保汪关键任务能在舰定的时间内 完成。与硬实时和软实时相对应，实时操作系统也分为硬实时操作系统和软实州 2 系统平台分析和系统总体结构设计 操作系统两种。软实时操作系统的时间要求是统训定义的，如视频会议系统要求 连续播放帧，但偶尔丢失帧是可以容忍的。而硬实时操作系n q u m t l u 要求则必须 保证，虫h2 i 星发射、核反应堆的实时控制。操作系统为了达到硬实时的要求必须 满足两个条件：可预测性和低延迟。可预测性指的是系统完成某个任务的时间是 可以预测的，例如在非实时操作系统中，系统可以在临界区内屏蔽中断，这样任 务完成的时间就是不可预测的，因此也就不具备可预测性。实时操作系统应该具 有小型、快捷、可预测性特点。可预测性和低延迟是实时操作系统的最主要的要 求。实时操作系统一般有如下基本特征：支持多线程和可抢先调度；有线程 优先级的概念；有一个可预测的线程同步机制；具有优先级继承机制；操 作系统的行为应该被用户了解和掌握。目前市场上有许多实时操作系统，如q n x 、 v x w o r k s 和w i n d o w sc g 等都是被广泛采用的商业化通用实时操作系统。 2 ) 图形功能 图形功能就是操作系统处理图形的能力，即图形用户接口( g u i ) 。操作系统 如果不具备图形界面开发能力或者图形界面开发能力不够强大，则不仅给数控系 统的人机接口开发带来困难，而且将极大地增加用于数据处理的二维图形系统的 开发工作量。 3 ) 通用性 通用性指的是操作系统是否被广泛使用，操作系统被使用得越广泛其通用性 越好。通用性好的操作系统，可以减少机床厂商对用户的培训时间甚至不需培训， 减少机床厂商对设备的保养和维护次数。这对于面向市场的产品具有重要的现实 意义。 目前中国市场上，在p c 机上广泛使用的操作系统是m i c r o s o f t 公司的w i m o w s 系列产品和l i n u x 产品，而且也具有强大的图形用户接口。w i n d o w s 在操作界面和 易用性等方面具有其它操作系统所无法比拟的优点，已成为全球范围内，不管是 个人用户还是企业用户首选的操作系统。l i n u x 作为和w i n d o w s 相竞争的系统。以 其源代码开放和与w i n d o w s 不相上下的性能，在世界范围内受到政府和业界的广 泛支持，也受到中国政府和程序员的大力支持，如联想集团已宣布在其p c 品牌机 中预装“红旗l if l u x ”。但这些操作系统最初的设计都不是针对实时处理的，直 接使用这些操作系统无法满足数控系统的实时性要求。q n x 、v x w o r k s 和w i n d o w sc e 等实时操作系统具有良好的实时处理性能，但图形处理功能和通用性较差。面对 这种矛盾，许多第三方软件商针对w i n d o w s 和k i n u x 开发了相应的实时扩展。这 样可以兼得实时性、通用性和强大的图形用户接 j 。许多软件型开放式数控系统 的丌发者就是基于这种“通用操作系统+ 实时扩展”系统柬构造数控系统运动内核 的。例如“w l n d o w sn t + 实时扩展”、“l if i i i x + 实时扩展”等c 2 0 2 1 。l i f l u x 和实 7 时l i n u x 扩展( r t l i n u x ) 是源代码丌放的自由软件，其价格优势是很明显的，但 l i n u x 不支持w i n d o w s 、d o s 应用程序，这和通用p c b 设计软件是w i n d o w s 、d o s 应 用程序相矛盾。同时，这种软件型开放式数控系统的商业化程度还很低或者产品 还不够成熟。 根据上述分析，p c b 板铣床数控系统选择了“运动控制卡+ p c 机”体系结构， 这样主要的实时任务( 插补任务) 转移到运动控制卡来完成，p c 机和操作系统主 要负责数据处理和任务调度管理。由于仍然还有部分实时任务( 如急停等逻辑控 制任务) 需要p c 机和操作系统来处理，因此选取的操作系统应该满足或经过部分 改造后能满足处理实时任务的能力。本课题选用w i n d o w s9 8 操作系统。选用 w i n d o w s9 8 操作系统而不选用w i n d o w sn t 操作系统，主要是考虑w i n d o w s9 8 操 作系统良好的开放性，它没有屏蔽一些i 0 端口指令 2 2 ，通过这些i o 端口指 令，不必编写设备驱动程序就可对一些i o 端口进行操作。但要实现实时任务， 必须编写相应的专门处理程序。 2 1 4 基于w i n d o w s9 8 实时控制的实现 在p c 机上，基于w i n d o w s9 8 实现定时控制主要有三种途径：利用w i n d o w s 时钟消。gw i，利用多媒体定时器和编写程序。 2 2 2 3 _ t i m e r w i n d o w sv x d 2 4 2 5 2 6 1 ) 利用w i n d o w s 时钟消息w m _ t i m e r 开发w i n 3 2 应用程序时，常用w i n d o w s 时钟消息w mt i m e r 作定时控制，激活 程序执行任务。w mt i m e r 消息源于计算机内部的定时计数器8 2 5 3 。计算机开机 后，r o mb i o s 对8 2 5 3 计数器0 进行初始化编程。置为方式3 ( 方波发生器) ，二 进制计数，初值为0 ( 相当于2 1 6 = 6 5 5 3 6 ) ，时钟信号由8 2 8 4 a 时钟发生器产生，经 7 4 l s l 2 5 二分频后，形成1 1 9 3 1 8 m h z ( 约0 8 3 8 n s ) 的脉冲信号。8 2 5 3 就每隔 5 4 9 2 5 5 m s ( 0 8 3 8 “s 6 5 5 3 6 ) 产生一个i n t0 8 h 的硬时钟中断。w i n d o w s 接管中断 并对计数器计数值进行减法运算，当计数值减为零时，发一条w mt i m e r 消息。 w m j i m e r 消息在消息队列中优先级别很低，且连续发生的w m j i m e r 消息常被合并 成一条消息，造成实时处理不稳定。所以，用w mt i m e r 消息定时，只能用于非实 时性控制系统，不适合实时控制系统。 2 ) 利用w i n d o w s 多媒体定时器 另外还可以通过w i n d o w s 多媒体定时器来实现定时控制。通过设置定时中断 的回调函数能实现最高i m s 的定时精度。因为回调函数作为中断服务程序直接调 用，定时优先级也很高。w i n d o w s 多媒体定时器能满足一般的实时性控制要求。但 这种定时方式是以牺牲i p c 系统的软硬件资源为代价的。i p c 的数据处理、任务管 理、实刚监控等优势得不剑充分发挥，与p c b 板铣床数控系统的岛精度、快速度 2 系统平台分析和系统总体结构设计 要求还有定的距离。 3 ) 编写v x d 程序 编写v x d 程序是w i n d o w s9 8 环境下实现高精度定时的有效途径，可达微秒级 定时精度。v x d ( v i r t u a l d e v i c ed r i v e r ) 是m i c r o s o f t 公司提倡的一种设备驱动程序模 式。v x d 运行于w i n d o w s3 1 9 5 9 8 m e 系统平台上。v x d 和v m m ( 虚拟机管理 器、一起构成了w i n d o w s 系统内核，运行于r i n 9 0 级。v m m 是在系统级核心运行 的3 2 位保护模式操作系统。v x d 是用来扩展w i n d o w s 操作系统功能的一类程序。 开发v x d 需要专门的开发工具。目前广泛应用的工具主要有两大类：w i n d o w s 的 d d k ( d e v i c e d r i v e rr a t ) 和v i d e os o f t w a r e 的v t o o l s d 。 背景知识 i n t e l 的8 0 x 8 6 c p u 系列处理器可工作于三种模式：实模式、保护模式和v 8 6 模式。 实模式下，可寻址的内存空间为1 m b ，内存访问通过“段地址：偏移地址” 来实现。没有提供任何内存保护机制，应用程序可以直接访问硬件。它是m sd o s 的运行环境。 保护模式下，1 6 位保护模式的段地址被限定在6 4 k b ，可寻址空间为1 6 m b 。 3 2 位保护模式的段地址为4 g b ，可用虚拟地址空间为6 4 t b 。寻址方案采用查询描 述表的描述符的方式，并对访问权限划分为4 个级别r i n 9 0 ，r i n g l ，r i n 9 2 ，r i n 9 3 。 r i n g o 级的级别最高，运行在r i n 9 0 级的程序可以执行所有的指令，并可直接对硬 件、中断和文件系统进行物理访问。r i n 9 3 的程序能执行的指令有限，对硬件的很 多直接操作被限制。 v 8 6 模式的存在仅仅是为了仿真实模式，采取了必要的保护机制。v 8 6 模式 下的程序运行于r i n 9 3 级。 w i n d o w s9 8 只利用了两种模式：保护模式和v 8 6 模式。其寻址方案完全以偏 移值为基础，把一个独立的段用于整个操作系统。这样可寻址空间为4 g b ，看不 见段地址。w i n d o w s 操作系统运行于r i n g o 级，w i n d o w s 应用程序运行于r i n 9 3 级。为了使自己的应用程序也能处理硬件，需要编写专门的v x d 程序。 实时控制的实现 需要实现实时控制的任务是急停等逻辑控制任务，这些任务是随机性任务， 因此实时控制采用硬件中断方式实现。从上面的分析可以看出，如果对8 2 5 3 重新 初始化，重写计数器o 初值，呵达微秒级定时精度。由于w i n d o w s9 8 应用程序运 行在r i n 9 3 层，无法直接处理硬件中断事件，因此处理硬件中断事件必须借助于 v x d 来实现。 肖一个硬件中断发生时，处理器切换到r i n g o 层的保护模式。接着处理器在 9 重庆人学硕士论文 i d t ( 中断描述表) 巾找到中断处理器的地址，并开始运行它。这不是w i n d o w s 的规 定，而只是8 0 x 8 6 处理器的工作方法。然而，如图2 1 所示，w i n d o w s 不使用i d t 查找中断处理器，而是将所有的i d t 出口指向v m m 的一个例程。由v m m 例程来确 定它是作为异常事件的结果，还是作为中断的结果而被调用。v m m 自己管理异常事 件，而所有的硬件中断交给v p i c d ( v i r t u a lp r o g r a m m a b l ei n t e r r u p tc o n t r o l l e r d e v i c e ) 的v x d 处理。如果一个v x d 为中断进行了注册，v p i c d 就将这个中断交给 i d t v m m 异常处理 v p i c d 硬件中断7 页异常 7_ 硬件中断7 一一【，一 圈2 1w i n d o w s 环境f 对硬中断的处理方式 f i g u r e2 1 m o d e lo fh a n d l i n gh a r di n t e r r u p ti nw i n d o w s 它处理，否则，v p i c d 将中断交给v m ( v i r t u a lm a c h i n e ，虚拟机) 处理。v x d 通过调 用v p i c d 的服务v p i c d _ v i r t u a l i z e i r q 0 来为硬件中断注册，并将回调例程的地 址交给v p i c d 。一旦v x d 进行了注册，它就可以作为一个实在的中断处理器自己处 理硬件中断。 v t o o l s d 提供了两种硬件中断处理类：v h a r d w a r e i n t 类和v s h a r e d h a r d w a r e i n t 类。它们用来实现对某个i r q 端口的虚拟化，并处理该i r q 端口上硬件中断，对 其进行实时处理。以v h a r d w a r e i n t 类为例进行编程说明。 类v h a r d w a r e i n t 的主要成员函数如下： 夺v h a r d w a r e i n t ：v h a r d w a r e i n t( i n t i r q ，d w o r df l a g ，d w o r d t i m e o u t ，p v o i dr e f d a t a ) 对某一i r q 虚拟化，即获得对该i