（航空宇航制造工程专业论文）塑性成形设备开放式数控系统及其关键技术研究.pdf

西北t业人学硕 l 学位论文 摘要 摘要 塑性成形设备广泛应用于各种行业，但目前多数塑性成形设备仍停留在传 统的继电器制的水平上，这种专用的数控系统不仅不能满足现代产品的质量要 求而目开放性差。开放式数控系统具有良好的通用性和配置性，是实现塑性成 形设备数控化的有效途径 本文以塑性成形设备为研究对象，对其控制特点进行了分析，提出以软件 数控技术实现塑性成形设备的数控化，讨论了软件数控技术的研究内容和技术 特点。提出了一种层式结构系统参考模型，针对该模型设计 一 了一种软总线方式 的系统通讯机制以及相应的系统动态配置方案。 本文对软件数控系统的一系列关键技术做了详细讨论，参考 g代码设计了 针对塑性成形过程控制的n c指令集， 在此基础 卜 提出了一种基于中间目 标文件 的n c译码方式;给出了缓存指令的监控执行模式;针对 wi n d o w s 特点，本文 提出了一种宏观调度和微观调度相结合的多任务调度策略。 最后本文介绍了采用微软组件技术在 wi n d o w s 2 0 0 0下开发的软件系统原 型。 本文提出的层式开放系统模型、基于中间日标文件的译码方法、宏观调度 和微观调度相结合的多任务调度策略在系统中起到了良好的效果。 关键词:塑性成形设备 数控系统 开放结构 参考模型 c n c ah s t , . , t ab s t r a c t p l a s t i c f o r m i n g e q u i p m e n t s a r e w i d e l y u s e d i n m a n u f a c t u r i n g . h o w e v e r . t h e c o n t r o l s y s t e m o f m o s t o f e q u i p m e n t s s t a y s a t t h e l e v e l o f e l e c t r i c a l r e l a y . t h i s k i n d o f s p e c i a l s y s t e m c a n n o t m e e t t h e n e e d o f h i g h q u a l i t y r e q u ir e m e n t o f p r o d u c t s . i n a d d i t i o n , t h e s y s t e m h a s a c l o s e d s t r u c tu r e . o p e n a r c h it e c t u r e c n c s y s t e m , w h i c h h a s t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m m o n a l i t y a n d c o n f i g u r a b i l i t y , i s a n e f f e c t i v e s t r a t e g y i n d e v e l o p i n g t h e c n c s y s t e m f o r p l a s t i c f o r m i n g e q u ip m e n t s . t h e p a p e r s t u d ie s t h e c o n t r o l c h a r a c t e r i s t i c s o f p l a s t i c f o r m i n g e q u ip m e n t s a n d t h i n k s t h a t s o f t w a r e - o r i e n t e d c n c s y s t e m i s a n e ff e c t i v e s t r a t e g y i n d e v e l o p i n g t h e c n c s y s t e m f o r p l a s t i c f o r m i n g e q u i p m e n t s . a l s o t h e m a i n r e s e a r c h c o n t e n t a n d t e c h n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s a r e d i s c u s s e d i n d e t a i l . a n e w l a me l l a r r e f e r e n c e mo d e l i s d e s i g n e d i n t h e p a p e r , a n d t h e c o r r e s p o n d i n g c o m m u n i c a t i o n s y s te m a n d c o n f i g u r e s y s t e m i s d e s i g n e d . a s e r i e s o f k e y t e c h n o l o g i e s o n s o ft w a r e - o r i e n t e d c n c s y s t e m i s s t u d ie d i n t h e p a p e r . t h e n c i n s t r u c t i o n s e t f o r p l a s t i c f o r m i n g e q u i p m e n t s i s d e s i g n e d b y r e f e r r i n g t o g c o d e . b a s e d o n t h i s , a n e w n c c o d e e x p l a i n i n g s t r a t e g y b a s e d o n i n t e r m e d i a t e f i l e i s p u t f o r w a r d . i n t h e p a p e r , t h e e x e c u t i o n p a t t e rn o f b u ff e r i n s t ru c t i o n s i s p r e s e n t e d . m u l t i t a s k s c h e d u l i n g s t r a t e g y i s d e s i g n e d w h i c h i n c l u d e s m a c r o s c o p i c a l l y s c h e d u l i n g a n d m i c r o c o s m i c a l l y s c h e d u l in g i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f wi n d o w s o p e r a t o r s y s t e m. i n t h e e n d , t h e s o f t w a r e p r o t o t y p i n g s y s t e m w h i c h i s b a s e d c o m a n d i s d e v e l o p e d i n win d o w s 2 0 0 0 i s i n t r o d u c e d . t h e l a m e l l a r r e f e r e n c e m o d e l , n c c o d e e x p l a i n i n g s t r a t e g y b a s e d o n i n t e r m e d i a t e f i l e a n d m u l t i t a s k s c h e d u l i n g s t r a t e g y p r o v e d w i t h g o o d e ff e c t i n t h e s y s t e m. k e y w o r d s : p l a s t i c f o r m i n g e q u i p m e n t , c n c s y s t e m, o p e n a r c h i t e c t u r e , r e f e r e n c e m o d e l , c n c i i 西北工业大学硕 卜 学位论义第 一 章 绪论 第1 章绪论 1 . 1研究意义 计算机是本世纪最重要的技术发展项目之一，工业控制计算机的性能价格 比和可靠性的不断提高，使得实现整个工业生产过程的综合自 动化具有可能性 和现实性。计算机控制技术除了在机加类机床的数控中发挥了重要作用，在各 类成形设备中数控也越来越普遍。由于成形设备种类较多，本文以塑性成形设 备为主要研究对象。 塑性成形是指固态金属或非金属毛坏在外界压力作用下，借助于模具通过 材 料的塑性变形来获 得具有 所需 形状和 尺寸的 产品 或制品 【 ， - n ， 在工业生 产中占 有极其重要的地位，广泛应用于各类部门，是现代工业必不可少的生产手段之 近年来，随着计算机技术、电子技术及控制技术的发展，有关研究单位采 用数控 ( n c )和计算机数控 ( c n c )技术，配以专用伺服系统开发了针对特定 成形设备的数控系统，但其硬件和软件开发费用较高、周期长，这种数控系统 是专用的、封闭的，难以实现开放性，不同厂家的数控系统之间无法实现互换， 其应用范围受到极大的限制，致使大量塑性成形设备仍停留在传统的继电器控 制的水平上。具体表现在以下儿个方面: 1 )成形精度差: 手动操作无法对机床进给量精确控制， 而是完全依赖于操 作者的经验水平; 2 )加工效率低: 由于无法实现加工过程自 动化， 在大批量加工中加工效率 很低，完全依赖于操作者的熟练程度: 3 )废品率高: 手动控制无法保证加工过程的高 度重复性， 导致废品率极高， 而且成形件的质量重复性很差，校形工作量大; 4 )生产安全性差: 手动控制 使得操 作者无法远离 机床设备， 加上 成形加 工 的工况环境本来就危险，因此成型加工中造成的工伤事故屡见不鲜; 5 )加工柔性差: 成形加工过程无法实现数字量的传递， 仍然是落后的工艺 卡片的传涕， 相比之下， 切削类机床早已实现了c a d / c a p p / c a m的集 西北工业大学硕 卜 学位论义第 一 章 绪论 第1 章绪论 1 . 1研究意义 计算机是本世纪最重要的技术发展项目之一，工业控制计算机的性能价格 比和可靠性的不断提高，使得实现整个工业生产过程的综合自 动化具有可能性 和现实性。计算机控制技术除了在机加类机床的数控中发挥了重要作用，在各 类成形设备中数控也越来越普遍。由于成形设备种类较多，本文以塑性成形设 备为主要研究对象。 塑性成形是指固态金属或非金属毛坏在外界压力作用下，借助于模具通过 材 料的塑性变形来获 得具有 所需 形状和 尺寸的 产品 或制品 【 ， - n ， 在工业生 产中占 有极其重要的地位，广泛应用于各类部门，是现代工业必不可少的生产手段之 近年来，随着计算机技术、电子技术及控制技术的发展，有关研究单位采 用数控 ( n c )和计算机数控 ( c n c )技术，配以专用伺服系统开发了针对特定 成形设备的数控系统，但其硬件和软件开发费用较高、周期长，这种数控系统 是专用的、封闭的，难以实现开放性，不同厂家的数控系统之间无法实现互换， 其应用范围受到极大的限制，致使大量塑性成形设备仍停留在传统的继电器控 制的水平上。具体表现在以下儿个方面: 1 )成形精度差: 手动操作无法对机床进给量精确控制， 而是完全依赖于操 作者的经验水平; 2 )加工效率低: 由于无法实现加工过程自 动化， 在大批量加工中加工效率 很低，完全依赖于操作者的熟练程度: 3 )废品率高: 手动控制无法保证加工过程的高 度重复性， 导致废品率极高， 而且成形件的质量重复性很差，校形工作量大; 4 )生产安全性差: 手动控制 使得操 作者无法远离 机床设备， 加上 成形加 工 的工况环境本来就危险，因此成型加工中造成的工伤事故屡见不鲜; 5 )加工柔性差: 成形加工过程无法实现数字量的传递， 仍然是落后的工艺 卡片的传涕， 相比之下， 切削类机床早已实现了c a d / c a p p / c a m的集 西北工业大学硕上 学位论文 第一章 绪论 成制造; 6 )智能化程度低: 从工艺参数的 选取到加工控制基本由 人工完成， 无法应 用现代智能数控技术; 开放式数控系统是在2 0 世纪9 0 年代初提出，开放式系统有更好的通用性、 柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向加快发展。自开放式数控理 念提出后，有关单位和学者己作了不少研究，但只是针对标准切削类的机床， 而对于适合于塑性成形设备所需的非标数控系统的研究不能适应现代数控成形 设备发展的需求，其技术水平远远落后于数控机床。 因此，传统的控制方式己不能满足现代塑性成形设备数字化控制的需求， 严重制约着制造业技术水平的提高。开展塑性成形设备开放式数控关键技术的 研究，提高设备数控系统的开放性，使其具有通用性、柔性、适应性、扩展性， 并向智能化、网络化方向发展，降低塑性成形设备数控系统的成本，提高成形 的控制精度、生产效率、成形质量，对制造业的发展有重要现实意义和广阔的 应用前景。 1 . 2课题背景 本论文是在 8 6 3 / 机器人主题资助课题:数控拉弯机开发与研制 ( 2 0 0 1 a a 4 2 1 1 3 0 )项目的基础上作进一步的研究。 1 .3开放式数控系统的概念 开放式数控系统是计算机软、硬件技术、 信息技术、控制技术的融入数控 技术的产物，欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等方 面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统 朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞 争能力。 按i e e e定义: “ 开放型控制系统应提供这样的能力:来自 不同 卖主的 种种 平台上的应用都能够在系统上完全实现，并能和其它系统应用互操作，且具有 一 致性的 用户界面r 3 。 由 此定 义可知， 开 放型数 控系 统是一个模块化的 体 系结 构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点如下: 西北工业大学硕上 学位论文 第一章 绪论 成制造; 6 )智能化程度低: 从工艺参数的 选取到加工控制基本由 人工完成， 无法应 用现代智能数控技术; 开放式数控系统是在2 0 世纪9 0 年代初提出，开放式系统有更好的通用性、 柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向加快发展。自开放式数控理 念提出后，有关单位和学者己作了不少研究，但只是针对标准切削类的机床， 而对于适合于塑性成形设备所需的非标数控系统的研究不能适应现代数控成形 设备发展的需求，其技术水平远远落后于数控机床。 因此，传统的控制方式己不能满足现代塑性成形设备数字化控制的需求， 严重制约着制造业技术水平的提高。开展塑性成形设备开放式数控关键技术的 研究，提高设备数控系统的开放性，使其具有通用性、柔性、适应性、扩展性， 并向智能化、网络化方向发展，降低塑性成形设备数控系统的成本，提高成形 的控制精度、生产效率、成形质量，对制造业的发展有重要现实意义和广阔的 应用前景。 1 . 2课题背景 本论文是在 8 6 3 / 机器人主题资助课题:数控拉弯机开发与研制 ( 2 0 0 1 a a 4 2 1 1 3 0 )项目的基础上作进一步的研究。 1 .3开放式数控系统的概念 开放式数控系统是计算机软、硬件技术、 信息技术、控制技术的融入数控 技术的产物，欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等方 面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统 朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞 争能力。 按i e e e定义: “ 开放型控制系统应提供这样的能力:来自 不同 卖主的 种种 平台上的应用都能够在系统上完全实现，并能和其它系统应用互操作，且具有 一 致性的 用户界面r 3 。 由 此定 义可知， 开 放型数 控系 统是一个模块化的 体 系结 构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点如下: 西北工业大学硕上 学位论文 第一章 绪论 成制造; 6 )智能化程度低: 从工艺参数的 选取到加工控制基本由 人工完成， 无法应 用现代智能数控技术; 开放式数控系统是在2 0 世纪9 0 年代初提出，开放式系统有更好的通用性、 柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向加快发展。自开放式数控理 念提出后，有关单位和学者己作了不少研究，但只是针对标准切削类的机床， 而对于适合于塑性成形设备所需的非标数控系统的研究不能适应现代数控成形 设备发展的需求，其技术水平远远落后于数控机床。 因此，传统的控制方式己不能满足现代塑性成形设备数字化控制的需求， 严重制约着制造业技术水平的提高。开展塑性成形设备开放式数控关键技术的 研究，提高设备数控系统的开放性，使其具有通用性、柔性、适应性、扩展性， 并向智能化、网络化方向发展，降低塑性成形设备数控系统的成本，提高成形 的控制精度、生产效率、成形质量，对制造业的发展有重要现实意义和广阔的 应用前景。 1 . 2课题背景 本论文是在 8 6 3 / 机器人主题资助课题:数控拉弯机开发与研制 ( 2 0 0 1 a a 4 2 1 1 3 0 )项目的基础上作进一步的研究。 1 .3开放式数控系统的概念 开放式数控系统是计算机软、硬件技术、 信息技术、控制技术的融入数控 技术的产物，欧美各国为了适应机床制造业在技术、市场和生产组织结构等方 面的新的变化而提出的，其目的是建立一种崭新的控制系统设计框架，使系统 朝模块化、平台化、标准化和系列化方向发展，在联合的前提下提高产品的竞 争能力。 按i e e e定义: “ 开放型控制系统应提供这样的能力:来自 不同 卖主的 种种 平台上的应用都能够在系统上完全实现，并能和其它系统应用互操作，且具有 一 致性的 用户界面r 3 。 由 此定 义可知， 开 放型数 控系 统是一个模块化的 体 系结 构，由系统平台和面向应用的功能模块所构成，其特点如下: 西北丁业大学硕士学位论文第一章 绪论 1 )开放性 建立开放结构控制平台， 使控制系统具有硬件无关性， 用户可 根据需求选用通用的p c机，利用 p c机上的操作系统环境构建良 好的 用户功能界面。 2 )移植性 用户可随意增加或减少控制功能， 配置不同的伺服轴数和 p l c 点数，并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 3 )扩展性 通过开放结构控制器平台，可任意添加应用模块。 4 )网络化 开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通 信接口 ( 同轴电缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 1 . 4国内外研究现状 目前，国内外对开放式数控系统的研究较多，针对切削类机床己经有了一 些优秀的原型系统，针对成形设备的开放式数控系统的研究较少。 数控系统的发展大致经历了如下四个阶段: 1 ) 1 9 5 2 年一1 9 7 4 年，专用硬件n c的时代; 2 ) 1 9 7 5 年一1 9 8 9 年，专用计算机数控时代，即 微处理器n c的时代; 3 ) 1 9 9 0 年一1 9 9 5 年， b a s i c p c的c n c时代; 4 ) 1 9 9 6 年至今，p c开 放式智能化数控新阶段。 国外许多国家和企业在开放式数控技术的研究方面做了大量工作，技术上 表现为平台技术和面向应用功能单元的参考结构，提出了一系列开发式体系结 构。比较重要的参考模型如下: o ma c计划:美国的汽车工业于1 9 9 4 年开始了一项名为“ 开放式、 模块化 体系结构控制器 ( o ma c ) ” 的计划。 o m a c没有定义一个固定的参考模型结构， 也没有提供有关系统软、硬件平台信息，但它构造了一整套开放子模块，通过 这些子模块可以搭建不同用途的控制器，应用一种支持接口定义的语一言i d l定 义模块间的界面， i d l的语法规范保证了系统的平台无关性， 支持大部分面向对 象的语言。 o m a c被认为是最符合开放标准的控制系统， 但因其巨大的复杂性、 要求的苛刻性发展极其缓慢14 - 5 1 o s a c a计划:1 9 9 0 年由欧共体国家控制器开发商、 机床生产商、 控制系统 集成商和科研机构联合发起的。整个计划包含两大部分: 1 )应用编程接口层 西北丁业大学硕士学位论文第一章 绪论 1 )开放性 建立开放结构控制平台， 使控制系统具有硬件无关性， 用户可 根据需求选用通用的p c机，利用 p c机上的操作系统环境构建良 好的 用户功能界面。 2 )移植性 用户可随意增加或减少控制功能， 配置不同的伺服轴数和 p l c 点数，并能配置不同开发商生产的标准软件或自己开发的软件。 3 )扩展性 通过开放结构控制器平台，可任意添加应用模块。 4 )网络化 开放式数控系统与机床各驱动部分之间有多种国际标准数字通 信接口 ( 同轴电缆或光缆) 和通信协议，用于高速通信和网络互连。 1 . 4国内外研究现状 目前，国内外对开放式数控系统的研究较多，针对切削类机床己经有了一 些优秀的原型系统，针对成形设备的开放式数控系统的研究较少。 数控系统的发展大致经历了如下四个阶段: 1 ) 1 9 5 2 年一1 9 7 4 年，专用硬件n c的时代; 2 ) 1 9 7 5 年一1 9 8 9 年，专用计算机数控时代，即 微处理器n c的时代; 3 ) 1 9 9 0 年一1 9 9 5 年， b a s i c p c的c n c时代; 4 ) 1 9 9 6 年至今，p c开 放式智能化数控新阶段。 国外许多国家和企业在开放式数控技术的研究方面做了大量工作，技术上 表现为平台技术和面向应用功能单元的参考结构，提出了一系列开发式体系结 构。比较重要的参考模型如下: o ma c计划:美国的汽车工业于1 9 9 4 年开始了一项名为“ 开放式、 模块化 体系结构控制器 ( o ma c ) ” 的计划。 o m a c没有定义一个固定的参考模型结构， 也没有提供有关系统软、硬件平台信息，但它构造了一整套开放子模块，通过 这些子模块可以搭建不同用途的控制器，应用一种支持接口定义的语一言i d l定 义模块间的界面， i d l的语法规范保证了系统的平台无关性， 支持大部分面向对 象的语言。 o m a c被认为是最符合开放标准的控制系统， 但因其巨大的复杂性、 要求的苛刻性发展极其缓慢14 - 5 1 o s a c a计划:1 9 9 0 年由欧共体国家控制器开发商、 机床生产商、 控制系统 集成商和科研机构联合发起的。整个计划包含两大部分: 图 4 - 5 缓存指令监控执行流程 3 6 西北t业大学顾 卜 学位论文 第四章 软件数控系统设计 4 . 4实时多任务调度 4 . 4 . 1 基本概念 多任务调度是指在满足 c n c加工的实时性、正确性的前提下，协调各任务 间的制约关系，实现任务ib由于按某种顺序执行所需的同步和共享设备、数据 等资源而产生的互斥。多任务调度是实时系统的核心部分，调度方法的优劣直 接影响系统的实时性能。本文所设计的开放式数控系统是基于 wi n d o w s 操作系 统， wi n d o w s属于弱实时操作系统，设计一种较好的调度算法或调度策略，在 保证任务并发执行机制的前提下，如何充分利用系统资源，提高系统的实时性 是任务调度要解决的主要问题。 c n c对n c程序进行导入，实时采集加工过程数据，并在一定的时间内 对 执行机构输出控制量，以控制机床各部分动作。 控制系统的各模块相互协调、 并发执行共同完成系统的 控制任务， 因而c n c 系统任务有两个最重要的特点12 3 1 . 1 )实 时 性， 系统中 某些处理任务必 须 在规 定的时间内 执行， 闭 环控制中 为 了保证控制量的平稳连续， 系统必须在规定的时间内获取控制目 标、 及 时采集设备传感器反馈信息， 并计算输出以控制被控对象， 对一些用户 随机输入、对系统的各种突发性事件必须给予及时的处理。 2 )并发性， 所谓并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两 种或两种以上的操作任务。 并行处理的显著优点是提高了运算速度和计 算机资源的利用率。单 c p u计算机系统的并行处理并非真正意义上的 并发而是分时占用 c p u，但在宏观上表现了并发执行的现象。c n c系 统中的处理任务的运行是并发的，而非单道顺序执行。例如:n c程序 的解释、 预处理、闭 环控制计算必须高度并发， 为了 保证被控量连续控 制， 对n c指令处理时闭环控制必须每隔一个时间片定时计算输出。 在 后台 进行各种控制任务的时候，为了 使操作人员 能及时地了解c n c装 置的工作状态系统必须及时为反馈显示各种数据信息。 4 .4 .2 任务划分 为了完成控制功能，控制系统必须进行一系列的计算任务和逻辑判断操作， 根据这些操作的功能内聚、运算繁重程度以及各功能在加工过程中的地位和作 西北t业大学顾 卜 学位论文 第四章 软件数控系统设计 4 . 4实时多任务调度 4 . 4 . 1 基本概念 多任务调度是指在满足 c n c加工的实时性、正确性的前提下，协调各任务 间的制约关系，实现任务ib由于按某种顺序执行所需的同步和共享设备、数据 等资源而产生的互斥。多任务调度是实时系统的核心部分，调度方法的优劣直 接影响系统的实时性能。本文所设计的开放式数控系统是基于 wi n d o w s 操作系 统， wi n d o w s属于弱实时操作系统，设计一种较好的调度算法或调度策略，在 保证任务并发执行机制的前提下，如何充分利用系统资源，提高系统的实时性 是任务调度要解决的主要问题。 c n c对n c程序进行导入，实时采集加工过程数据，并在一定的时间内 对 执行机构输出控制量，以控制机床各部分动作。 控制系统的各模块相互协调、 并发执行共同完成系统的 控制任务， 因而c n c 系统任务有两个最重要的特点12 3 1 . 1 )实 时 性， 系统中 某些处理任务必 须 在规 定的时间内 执行， 闭 环控制中 为 了保证控制量的平稳连续， 系统必须在规定的时间内获取控制目 标、 及 时采集设备传感器反馈信息， 并计算输出以控制被控对象， 对一些用户 随机输入、对系统的各种突发性事件必须给予及时的处理。 2 )并发性， 所谓并行处理是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内完成两 种或两种以上的操作任务。 并行处理的显著优点是提高了运算速度和计 算机资源的利用率。单 c p u计算机系统的并行处理并非真正意义上的 并发而是分时占用 c p u，但在宏观上表现了并发执行的现象。c n c系 统中的处理任务的运行是并发的，而非单道顺序执行。例如:n c程序 的解释、 预处理、闭 环控制计算必须高度并发， 为了 保证被控量连续控 制， 对n c指令处理时闭环控制必须每隔一个时间片定时计算输出。 在 后台 进行各种控制任务的时候，为了 使操作人员 能及时地了解c n c装 置的工作状态系统必须及时为反馈显示各种数据信息。 4 .4 .2 任务划分 为了完成控制功能，控制系统必须进行一系列的计算任务和逻辑判断操作， 根据这些操作的功能内聚、运算繁重程度以及各功能在加工过程中的地位和作 西北工业大学硕 卜 学位论文 第四章 软件数控系统设计 用，可将其任务分为以下4 类: 1 )实时周期性任务: 这类任务是数控加工中的 关键任务， 必须保证其优先 处理。 它们的周期是由硬件时钟产生的定时中断来实现， 其执行过程一 般不允许被其它任务中断。典型的实时周期性任务如:实时采样任务， 指令预处理任务， 力、 位移、 温度控制等单个控制变量的闭环伺服控制， 多控制变量随动、联动伺服控制等任务。 2 )实时非周期性任务: 又称突发性任务， 这类任务由 用户随机产生或者由 一些突发故障引起， 这类任务一旦发生，无条件优先执行。典型的实时 非周期性任务如开关量控制， 控制系统中的各类u o任务;机床紧急停 止等故障处理任务。 3 )非实时任务: 如加工程序解释、 指令监控执行等， 它们虽不像实时周期 任务那样不允许中断，但对加工过程的及时正确完成也是必不可少的， 也应保证其及时执行。 4 )辅助性任务:包括人机交互、动态显示等， 它们的作用是增加c n c系 统运行的易操作性。 这类任务的执行并无严格的时间要求， 如控制对象 的位置坐标显示功能， 控制量的动态显示、 其显示刷新的时间间隔对系 统的控制性能并无影响。 典型的辅助性任务如: 非实时采样任务， 与实 时控制无关的数据采集; 数据反馈， 负责把一部分需要及时显示的数据 反馈到控制界面;历史纪录任务等。 另外，按照任务的产生方式亦可将任务划分为两类: 1 )根据控制指令动态建立的 任务; 2 )在系统启动时就被创建 并 驻留 在系 统任务队列中， 直到系统退出 才被 撤 销的任务。 4 . 4 .3 调度策略 4 .4 .3 . 1 基本思想 在分时共享并行处理的计算机系统中，任务调度所要解决的主要问题是 c p u时间在各任务之间的分配原则，即解决两个问题:i )任务何时占用c p u ; 2 )允许任务占用c p u的时间长短。传统的解决方法一般采用基于d o s的多级 西北工业大学硕 卜 学位论文 第四章 软件数控系统设计 用，可将其任务分为以下4 类: 1 )实时周期性任务: 这类任务是数控加工中的 关键任务， 必须保证其优先 处理。 它们的周期是由硬件时钟产生的定时中断来实现， 其执行过程一 般不允许被其它任务中断。典型的实时周期性任务如:实时采样任务， 指令预处理任务， 力、 位移、 温度控制等单个控制变量的闭环伺服控制， 多控制变量随动、联动伺服控制等任务。 2 )实时非周期性任务: 又称突发性任务， 这类任务由 用户随机产生或者由 一些突发故障引起， 这类任务一旦发生，无条件优先执行。典型的实时 非周期性任务如开关量控制， 控制系统中的各类u o任务;机床紧急停 止等故障处理任务。 3 )非实时任务: 如加工程序解释、 指令监控执行等， 它们虽不像实时周期 任务那样不允许中断，但对加工过程的及时正确完成也是必不可少的， 也应保证其及时执行。 4 )辅助性任务:包括人机交互、动态显示等， 它们的作用是增加c n c系 统运行的易操作性。 这类任务的执行并无严格的时间要求， 如控制对象 的位置坐标显示功能， 控制量的动态显示、 其显示刷新的时间间隔对系 统的控制性能并无影响。 典型的辅助性任务如: 非实时采样任务， 与实 时控制无关的数据采集; 数据反馈， 负责把一部分需要及时显示的数据 反馈到控制界面;历史纪录任务等。 另外，按照任务的产生方式亦可将任务划分为两类: 1 )根据控制指令动态建立的 任务; 2 )在系统启动时就被创建 并 驻留 在系 统任务队列中， 直到系统退出 才被 撤 销的任务。 4 . 4 .3 调度策略 4 .4 .3 . 1 基本思想 在分时共享并行处理的计算机系统中，任务调度所要解决的主要问题是 c p u时间在各任务之间的分配原则，即解决两个问题:i )任务何时占用c p u ; 2 )允许任务占用c p u的时间长短。传统的解决方法一般采用基于d o s的多级 西北工业大学硕 卜 学位论文第v t i 章 软件数控系统设计 中断方法实现多任务调度，这种方法不仅使程序结构复杂，而且没有充分发挥 3 2 位p c机数据保护、多任务处理能力。 本文基于通用多任务操作系统wi n d o w s 2 0 0 0 实现c n c的多任务， 其仟务调 度是通过充分利用操作系统本身所具有的多任务调度功能实现的，不但简化了 任务调度算法，减少了任务切换时间。采用顺序调度与基于优先级的抢占式调 度相结合的方式实现 c n c系统的多任务调度。 式调度， 级调度: 对相同优先级的任务采用顺序调度。 即对不同优先级的任务采用抢占 整个系统的任务调度可以分为两 宏观调度和微观调度，宏观调度负责协调四类任务的总体优先级，而 微观调度负责各类任务自身的调度执行。如图4 - 6 所示。 f 1151 习 11- i 丙 p 微观调度 命令消息 触发、时 钟消息周 期性触发 宏观调度 应用层线程 操作系统多任务调度机 晰一一一曰曰口|川川 l n o r m a ll 1 过 程 控 制 线 程 a b o v e n o rm a l 一 多 媒 f* z - ifi4 u h ig h e s t 巴 川|川川川 按照任务 产生先后 次序优先 处理 任务调度线程 a b o v e n o rm a l ia b o v e n o r m a l 或t i me c r i tica li 一 图 4 - 6 多任务调度设计 西北工业人学硕 : 学位论文第四章 软件数控系统设计 4 . 4 .3 .2 宏观调度 系统中的四类任务:实时周期性任务、突发性任务、非实时任务、辅助性 任务，这四种类型的任务对控制系统的影响性质不同决定了其优先级顺序。突 发性任务的优先级最高，实时周期性任务次之，非实时任务又次之，辅助性任 务优先级最低。 宏观调度的基本思想是把四 类任务分别由四个不同优先等级的线程完成， 直接利用了wi d o w s 操作系统对线程的调度能力实现了四类任务的总体调度。 四 个线程分别是:任务调度线程、多媒体定时器、过程控制线程、应用层线程， 其优先级依次从高到低。 值得指出的是任务调度线程在没有突发性任务产生时，负责指令接受、任 务控制块维护、多媒体定时器的建立与撤销等任务，这时候其优先级较低，但 是当有突发性任务发生时，系统就动态调整其线程优先级为最高，执行突发性 任务，任务完成后恢复线程原优先级。这样做主要考虑到突发性任务属于偶然 事件，产生比较少但执行优先级最高，如果为此设定优先级很高的线程无疑对 系统的资源是一种极大的浪费，因此采用动态调整优先级的方法，只有在任务 产生时才动态调整优先级为最高。 4 .4 .3 . 3 微观调度 微观调度负责各类任务自 身的调度执行。下面分别说明四类任务的微观调 度方法。 实时周期任务的调度，这类任务创建以 后，经过固定的时间间隔循环执行。 它们在系统中的优先级低于实时突发任务，而高于其它任务。本文设计的控制 系统充分利用 wi n d o w s自身的定时中断机制多媒体定时器实现了实时周期任务 的调度，各实时周期任务按照控制逻辑或者任务产生的先后依次执行。 突发任务的调度，突发任务在系统中的优先级高于其它任务。系统被通知 有突发任务产生后并占 用c p u之后，动态改变自 身的优先级。 执行完成以 后， 恢复被中断任务，将自身优先级恢复到原始状态，多个突发性任务按照先到先 执行的原则。 非实时仟务的调度，非实时任务在系统中的优先级低于实时周期任务而高 西北t业大学硕士学位论文第四章 软件数控系统设计 于辅助性任务。如 n c译码、插补预处理、指令监控执行、工艺计算等这些非实 时任务。非实时任务对执行周期没有严格的要求，所以可以借助系统对线程的 调度， 通过设定线程优先级以 及设定运行周期， 借助s l e e p 延时函数可以 进一步 控制线程的优先权。利用 w i n d o w s 系统自 身的多任务调度能力。这样既减小了 开发难度也提高了系统的稳健性。该类任务主要在优先级稍低的过程控制线程 执行。 辅助性任务的调度，这类任务在系统中的优先级最低，主要依靠 w i n d o w s 对各种消息的优先级调度。这样保证c p u的时n j 优先满足关键任务的执行。该 类任务在优先级较低的应用层线程。 4 . 4 .4 资源共享与任务的互斥 c n c系统中的以上各种任务之间存在着各种制约关系，其中主要的有以 下 两种: 1 )任务间由于共享、 竞争硬件设备和数据源而存在的制约关系。 对于某一 数据源来讲，某一时刻只能有一个任务对其进行读写操作。 2 )任务间由于功能要求而存在的同步关系。 一些功能必须按照一定的先后 次序顺序执行。 如对一个数据程序而言， 必须按照译码、 预处理、 插补、 位置控制的顺序执行各任务。 对任务间由于共享系统资源和数据而引起的互斥，采用同步类实现。对某 一时刻至多允许一个任务访问的资源或数据，采用临界区实现。对某一时刻允 许至多n 个任务访问的资源，采用信号量实现。 4 . 5系统定时 在控制系统中，有许多需要定时完成的操作，如:定时显示当前时间，定 时刷新屏幕上数据曲 线图、执行进度条等，上位机定时向下位机发送命令和传 送数据等。 特别是在对控制实时性能要求较高时， 就更需要精确定时操作。 wi n d o w s是基于消息机制的系统，任何事件的执行都是通过发送和接收消 息来完成的。这样就带来了一些问题，如一旦计算机的c p u被某个进程占用， 或系统资源紧张时，发送到消息队列中的消息就暂时被挂起，得不到实时处理。 因此，不能简单地通过 wi n d o w s 消息引发一个对定时要求严格的事件。另外， 西北t业大学硕士学位论文第四章 软件数控系统设计 于辅助性任务。如 n c译码、插补预处理、指令监控执行、工艺计算等这些非实 时任务。非实时任务对执行周期没有严格的要求，所以可以借助系统对线程的 调度， 通过设定线程优先级以 及设定运行周期， 借助s l e e p 延时函数可以 进一步 控制线程的优先权。利用 w i n d o w s 系统自 身的多任务调度能力。这样既减小了 开发难度也提高了系统的稳健性。该类任务主要在优先级稍低的过程控制线程 执行。 辅助性任务的调度，这类任务在系统中的优先级最低，主要依靠 w i n d o w s 对各种消息的优先级调度。这样保证c p u的时n j 优先满足关键任务的执行。该 类任务在优先级较低的应用层线程。 4 . 4 .4 资源共享与任务的互斥 c n c系统中的以上各种任务之间存在着各种制约关系，其中主要的有以 下 两种: 1 )任务间由于共享、 竞争硬件设备和数据源而存在的制约关系。 对于某一 数据源来讲，某一时刻只能有一个任务对其进行读写操作。 2 )任务间由于功能要求而存在的同步关系。 一些功能必须按照一定的先后 次序顺序执行。 如对一个数据程序而言， 必须按照译码、 预处理、 插补、 位置控制的顺序执行各任务。 对任务间由于共享系统资源和数据而引起的互斥，采用同步类实现。对某 一时刻至多允许一个任务访问的资源或数据，采用临界区实现。对某一时刻允 许至多n 个任务访问的资源，采用信号量实现。 4 . 5系统定时 在控制系统中，有许多需要定时完成的操作，如:定时显示当前时间，定 时刷新屏幕上数据曲 线图、执行进度条等，上位机定时向下位机发送命令和传 送数据等。 特别是在对控制实时性能要求较高时， 就更需要精确定时操作。 wi n d o w s是基于消息机制的系统，任何事件的执行都是通过发送和接收消 息来完成的。这样就带来了一些问题，如一旦计算机的c p u被某个进程占用， 或系统资源紧张时，发送到消息队列中的消息就暂时被挂起，得不到实时处理。 因此，不能简单地通过 wi n d o w s 消息引发一个对定时要求严格的事件。另外， 西北t业大学硕士学位论文第四章 软件数控系统设计 于辅助性任务。如 n c译码、插补预处理、指令监控执行、工艺计算等这些非实 时任务。非实时任务对执行周期没有严格的要求，所以可以借助系统对线程的 调度， 通过设定线程优先级以 及设定运行周期， 借助s l e e p 延时函数可以 进一步 控制线程的优先权。利用 w i n d o w s 系统自 身的多任务调度能力。这样既减小了 开发难度也提高了系统的稳健性。该类任务主要在优先级稍低的过程控制线程 执行。 辅助性任务的调度，这类任务在系统中的优先级最低，主要依靠 w i n d o w s 对各种消息的优先级调度。这样保证c p u的时n j 优先满足关键任务的执行。该 类任务在优先级较低的应用层线程。 4 . 4 .4 资源共享与任务的互斥 c n c系统中的以上各种任务之间存在着各种制约关系，其中主要的有以 下 两种: 1 )任务间由于共享、 竞争硬件设备和数据源而存在的制约关系。 对于某一 数据源来讲，某一时刻只能有一个任务对其进行读写操作。 2 )任务间由于功能要求而存在的同步关系。 一些功能必须按照一定的先后 次序顺序执行。 如对一个数据程序而言， 必须按照译码、 预处理、 插补、 位置控制的顺序执行各任务。 对任务间由于共享系统资源和数据而引起的互斥，采用同步类实现。对某 一时刻至多允许一个任务访问的资源或数据，采用临界区实现。对某一时刻允 许至多n 个任务访问的资源，采用信号量实现。 4 . 5系统定时 在控制系统中，有许多需要定时完成的操作，如:定时显示当前时间，定 时刷新屏幕上数据曲 线图、执行进度条等，上位机定时向下位机发送命令和传 送数据等。 特别是在对控制实时性能要求较高时， 就更需要精确定时操作。 wi n d o w s是基于消息机制的系统，任何事件的执行都是通过发送和接收消 息来完成的。这样就带来了一些问题，如一旦计算机的