（计算机软件与理论专业论文）面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现.pdf

摘要 并联机床完全打破了传统机床结构的概念，采用了多杆并联机构驱动，即机 床的主轴与机座之间为多杆并联连接，从而大大提高了机床的刚度，使加工精度 和加工质量都有较大的改进。另外，其进给速度的提高，也使高速加工更容易实 现。它克服了传统机床刀具只能沿固定导轨进给，刀具作业自由度偏低等固有缺 陷。并联机床数控系统基于开放式数控系统体系结构，增加了软件的可重用性， 方便用户进行二次开发。 本文针对并联机床坐标空间的运动是关节空间伺服轴运动的非线性映射的特 点，根据东北大学设计的新型三杆五自由度并联机床的特殊结构，在分析传统机 床数控系统运动控制器的体系结构的基础上，提出了一种适应其并联机床运动特 性的新型数控系统运动控制器的设计。采用p c 机平台的全软件控制系统，给出运 动控制器的整体框架，并在r t l i n u x 系统平台上加以实现。 本文通过对运动控制器原理以及运动轨迹规划算法的研究，完成对并联机床 数控系统运动控制器的功能设计，以及运动控制器的软件模块的设计，实现了符 合并联机床运动要求的运动控制器。并重点对并联机床运动控制中存在的相关问 题提出了解决方法，并在仿真试验中进行了简单的验证。 【关键字】开放式数控系统并联机床运动控制器全软件控制运动轨迹规划 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 a b s t r a c t r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no fm o v e m o n t c o n t r o l l e ro fc n c s y s t e mo f p a r a l l e l m a c h i n e1 0 0 i h at a o ( c o m p u t e rs o f t w a r ea n dt h e o r y ) d i r e c t e db yp r o f e s s o ry a n g d o n g s h e n ga n dl i uy i n z h o n g p a r a l l e lm a c h i n et o o l ( p m t ) w h o s ep r i n c i p a la x i si sc o n n e c t e dw i t hm a c h i n eb a s e a d o p t sm u l t i p o l e sp a r a l l e ls t r u c t u r e ，w h i c hb r e a k st r a d i t i o n a lc o n c e p t t h u s ，t h er i g i d i t y o fm a c h i n et o o l ，t h ep r e c i s i o na n dq u a l i t yo fp r o c e s sa r ei m p r o v e d m o r e o v e r , t h e l l i g h - s p e e dp r o c e s sc a l lb ed o n ee a s i l y i tc o n q u e r sm a n ys h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a l m a c h i n et o o l ，s u c ha st o o lp r o c e s s i n go n l ya l o n gf i x e dp a t h , t h el o w e rd e g r e eo f f r e e d o mo ft o o l - t a s ka n ds oo n ，c n cs y s t e mo fp m ti sb a s e do nt h eo p e na r c h i t e c t u r e , w h i c hm a k e st h es o r w a r eu s e d r e p e a t e d l y a n ds e c o n d a r y d e v e l o p m e n tm o r e c o n v e n i e n t a i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i ct h a tt h em o v e m e n ti nc o o r d i n a t es p a c ei sn o n - l i n e a r i t ym a po f s e r v oa x i sm o v e m e n ti nt h ej o i n ts p a c ea n db a s e do nt h es p e c i a ls t r u c t u r eo ft h en e w t r i p o l e - f i v e a x e sp m td e s i g n e db yn o r t h e a s tu n i v e r s i t y , ak i n do fd e s i g nt h a ti sf i tf o r t h em o v e m e n t c h a r a c t e r i s t i co fp m ti sb r o u g h tb ya n a l y z e dt h ea r c h i t e c t u r eo fm o t i o n c o n t r o l l e ro ft h et r a d i t i o n a lc n cs y s t e m n ew h o l ef r a m eo ft h em o t i o nc o n t r o l l e ri s i n t r o d u c e di np a p e rb a s e do nt h ep u r e - s o f t w a r ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fp cp l a t f o r m ，a n d t h a ti sc a r r i e do u to nr t l i n u xp l a t f o r m n l ep a p e rc o m p l e t e st h ef u n c t i o nd e s i g na n ds o f t w a r em o d u l ed e s i g no fm o t i o n c o n t r o l l e rf o rc n cs y s t e mo fp m tb yt h er e s e a r c ho nt h e o r yo fm o t i o nc o n t r o l l e r m o t i o nt r a c kl a y o u ta c c o r d i n g 、析t ht h er e q u e s to fm o v e m e n tf o rp m ti si m p l e m e n t e d o nt h ea l g o r i t h mo f m o t i o nt r a c kl a y o u t m o r e o v e r ，t h ee x i s t i n gp r o b l e mo nm o t i o n e o n t r o lo fp m ti sr e s o l v e di nt h ep a p e r k e y w o r d slo p e nn u m e r i c a c o n t r o l p a r a l l e lm a c h i n et o o lm o v e m o n tc o n t r o l l e r p u r e - s o r w a r ec o n t r o l m o t i o n t r a j e c t o r yp l a n n e r h 引言 引言 并联机床又称并联运动学机器人、虚拟轴机床，是基于空间并联机构的新型 数控加工设备。它是基于空间并联机构动平台原理设计的，是并联机器人结构与 机床结合的产物，是空间机构学、机械制造、数控技术、计算机软件技术和 c a d c a m 技术高度结合的高科技产品。它克服了传统机床串联机构刀具只能沿固 定导轨进给、刀具作业自由度偏低、加工灵活性和机动性不够等固有缺陷，可实 现多坐标联动数控加工、装配和测量多种功能，更能满足复杂特种零件的加工。 国内外学术界和工程界对研究和开发并联机床都非常重视，1 9 9 4 年在芝加哥 国际机床博览会上，美国的g i d d i n g s & l e w i s 公司和g e o d e t i e s 公司分别推出了各 自的并联机床，在机床行业引起了轰动。此后各主要工业国家都投入了大量的人 力和物力进行并联机床的研究与开发。如美国i n g e r s o l lm i l l i n g 公司、 g i d d i n g s & l e w i s 公司和h e x a l 公司，英国g e o d e t i ct c c h o n l o g y 公司等相继研制出 不同结构形式的基于并联机构的制造设备。并联机床所涉及的基本理论问题同样 引起了许多研究单位的重视，1 9 9 8 年在意大利召开了第一届国际并联运动学机器 专题研讨会，2 0 0 0 年在美国召开了第二届国际并联运动学机器专题研讨会。 目前，国内有许多公司和研究单位在研究并联机床。我国的并联机床研究起 步较晚，但成果显著。其中清华大学是国内最早开始进行虚拟轴机床研究的单位 之一，对虚拟轴机床以及多个相关领域进行了深入研究，并于1 9 9 7 年1 2 月2 5 日 与天津大学合作，共同开发出我国第一台大型捏铣类虚拟轴机床原型样机 - v a m t iy 。在虚拟轴机床设计理论与样机建造等关键技术方面达到了国际先进水 平，其中部分理论成果属国际首创。 随着科学技术的进步和经济的发展，对机床加工工艺的要求，尤其是对加工 速度和精度要求越来越高。并联机床以其高精度、高柔性、高效率和轻质量等诸 多优点现已成为新一代数控机床的发展方向，研究开发具有自主知识产权的并联 数控机床，对我国的装备制造业和国防工业的发展具有十分重要的意义。而作为 并联数控机床重要组成部分的数控系统的研制开发也就相当必要了。在数控系统 中，最主要的功能就是对机床的运动控制，为适应当代数控技术的不断发展，使 机床能更快、更精准的加工零件，需要研究适合并联机床特殊运动特性的运动控 制器。 本文所研究的课题，以新型三杆五自由度并联机床数控系统研发项目为背景， 该项目是东北大学的三杆五自由度并联机床的设计这一课题的子课题，是国家 “8 6 3 高技术项目( 8 6 3 5 1 2 3 0 - 0 7 ) 、国家自然科学基金( 5 9 8 7 5 0 1 2 ) 资助项目。 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 主要研究内容是针对东北大学所设计的新型三杆五自由度并联机床的特殊结构及 运动特点，设计出符合其运动特性的数控系统运动控制器。采用p c 机平台的全软 件控制系统，基于实时多任务操作系统r t l i n u x 的标准化平台的软件开发，设计 出具有可移植性、模块化、可扩展性的开放式数控系统的运动控制器。 本文首先简要介绍了并联机床、开放式数控系统、并联机床数控系统以及数 控系统运动控制器的基本概念；对并联机床数控系统的软硬件平台，以及作为应 用软件的数控系统的体系结构作了详细的说明；第三章通过对数控系统运动控制 器的深入研究，根据并联机床的运动特性，设计并实现了并联机床数控系统运动 控制器；第四章主要是对并联机床运动控制研究中产生的几个关键问题的解决； 最后一章对运动控制器进行了仿真和测试。 由于并联机床并未完全搭建起来，运动控制器的实际性能还无法验证，加之 作者的水平和学识有限，难免还存在错误和纰漏之处，恳请批评指正。 2 第一章绪论 第一章绪论 本章作为全文的前绪，将简要介绍一下并联机床、开放式数控系统和运动控 制器的基本概念，以及本文的研究背景和研究工作的主要内容。 1 1 并联机床数控系统概述 1 1 1 并联机床 并联机床( 又称虚拟轴机床) 实质上是机器人技术、机床结构技术、数控技 术等多学科交叉结合的产物。这种新型机床完全打破了传统机床结构的概念，采 用了多杆并联机构驱动，机床的主轴( 动平台) 与机座( 静平台) 之间为多杆并 联联接，称为并联结构，从而大大提高了机床的刚度，使加工精度和加工质量都 有较大的改进，另外，其进给速度的提高，也使高速加工更容易实现。因此，并 联机床是上世纪机床设计的最具革命性的突破，它是解决传统机床问题最有效的 途径，被誉为“机床结构的重大革命”，代表t 2 1 世纪机床发展的方向1 1 2 j 。 从机床运动学的观点看，并联机床与传统机床的本质区别在于动平台在笛卡 尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性映射( 又称虚实映射) 。因此，在进 行运动控制时，必须通过位置正解模型，将事先给定的刀具位姿及速度信息变换 为伺服系统的的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。由于结构和尺 度参数不同，导致不同的并联机床虚实映射的方法也不同，因此采用开放式体系 结构建造数控系统是提高系统实用性的理想途径。与传统机床相比，并联机床主 要有以下几个优点：( 1 ) 结构简单，功能强大；( 2 ) 结构刚度高：( 3 ) 加工速度 高、惯性低；( 4 ) 加工精度高；( 5 ) 灵活性强；( 6 ) 使用寿命长；( 7 ) 动平台适 和模块化生产；( 8 ) 变换坐标系方便。 1 1 2 开放式数控系统 传统的c n c 系统大多是采用封闭式结构，用户很难对数控系统的功能进行扩 展，以满足自己的特殊需求。随着制造技术不断发展，用户加工要求的不断提高， c n c 系统朝着高精度、高速度、高效率和柔性化方向发展。基于这样的技术发展 趋势，算法固定的封闭式数控系统已无法满足用户的需求。为此，近年来系统的 开放已成为现代数控系统的发展趋势。人们希望能够自由地选择c n c 装置、驱动 装置、伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并能够采用规范的、简 便的方法将这些构成要素组合起来。而开放式数控系统被作为一个概念提起也是 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 在上个世纪9 0 年代，开放式数控系统为并联机床的发展提供了支持。 从实现方法上，基于p c 的数控系统是目前比较现实的n c 开放化的途径。随 着p c 技术的发展，为了适应数控系统开放性要求，数控系统中越来越多的任务包 括开环和闭环控制、运动控制等已经加入到典型的p c 任务( 数据处理和人机界面) 的范围内。数控系统可以充分利用p c 处理器的强大处理功能，发挥p c 在处理速 度、内存容量和易于扩展等方面的优势，完成复杂快速的控制算法，解决一些传 统的控制算法无法或难以解决的问题。 为了适应数控系统的开放要求，近年来世界上一些研究机构和生产厂商，先 后开展了开放式数控系统的研究与开发。欧洲、美国、日本各自成立了开放式数 控系统的研究机构，相应的研究计划分别为o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o r c o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o n ) 、o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 、0 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 l l e r ) 。这3 个计划目前已经取得了阶段性的 进展，并且公布了部分研究成果1 3 j 。 o s a c a 、o m a c 、o s e c 对于开放式数控系统都做出了自己的定义，我国目 前在开放式数控系统的具体定义上还存在争论。但是，根据我国在开放式数控系 统方面的研究，可以总结出开放式数控系统具有以下的特点f 4 】【5 】： 由一系列逻辑上独立的构成要素组成，采用分布式控制原理，用以系统、 子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的； 提供系统各个构成要素与系统之间接口的完善的规范和标准，来自不同厂 商的符合规范的构成要素能够构成一个完整的数控系统，以便实现多种用途； 能够动态改变系统的拓扑结构： 能够实现与其它自动化系统或软件模块的互操作； 能够提供一致性好的人机界面( 酬i ) 。 为了适应数控技术的发展趋势，中国科学院沈阳计算技术研究所高档数控国 家工程中心开展开放式数控系统的研究与开发工作，产品采用基于p c 的技术路线， 这样可以最大限度地利用p c 软硬件技术、模块化、动态配置系统和可扩展性。 1 1 3 并联机床数控系统的特点 并联机床兼具有传统数控机床与并联机器入的特点。目前并联机床的数控系 统无一例外地继承了传统数控的标准和协议。几乎所有并联机床都使用了与传统 数控机床相一致的操作界面风格、数控代码格式、坐标定义和相关术语，并且具 备同标准c a d 接口的能力。但是并联机床的数控系统还兼具有与传统机床数控系 统所不同的特点： 第一，传统机床加工对象的图样或模型、数控加工程序的编制以及传统机床 4 第一章绪论 的加工轨迹等控制概念都是建立在笛卡尔坐标系中的，是以直线运动和某一坐标 上的微小增量( a x 、a y 、z ) 来逼近曲线和曲面以实现实体模型。但是并联运 动机床的轨迹控制是由若干杆件空间运动综合的，它在操作空间用来描述运动平 台位姿的运动轴x 、y 、z 、a 、b 、c ( a 、b 、c 为绕x 、y 、z 轴的转动) 并不真 实存在( 虚轴) ，不能对其进行直接控制，而直接可控的为关节空间的各关节轴， 包括伸缩杆的长度和旋转动平台( 实轴) 。若使动平台上主轴部件的刀头点实现所 需要的运动，最关键的问题是要解决如何通过对实轴的控制来实现对虚轴的联动 控制，即必须通过两者之间的坐标转换来实现刀具所需要的运动轨迹，如图1 1 所 示。即并联运动机床动平台在笛卡尔空间中的运动是关节空间伺服运动的非线性 映射。因此，在进行运动控制时，必须通过位置逆解模型，将事先给定的刀具位 姿及速度信息变换为伺服系统的控制指令，并驱动并联机构实现刀具的期望运动。 i 虚实映射 i 操作空间笛卡尔坐标增量一并联机构驱动杆伸缩量 i - 图1 1 并联机床控制特点 第二，由于并联运动机床结构和配置形式的多样性，导致不同并联机床虚实 映射的结构和参数不尽相同，使其很难有一种控制系统能够适合所有并联运动机 床的要求，只能有一种控制平台，由机床开发者自行配置硬件和软件。因此，并 联机床的控制系统采用开放式结构最为合适。 第三，由于并联运动机床的数控系统结构及诸多算法尚处于试验和探索阶段， 采用开放式数控系统结构可以增添系统的模块化和可重构性，降低再次开发的困 难。因此采用开放式体系结构建造并联机床的数控系统是提高系统适用性的理想 途径。 并联机床数控系统兼具传统数控机床与并联机器人的特点，这个特点主要体 现在数控系统上。并联机床结构简单，但数控系统部分复杂，其软件计算量要远 5 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 多于传统机床，开发一套完善的数控系统是并联机床实用化的关键。而数控系统 的模块化是软件开放性的关键，也是数控系统向用户化、个性化发展的关键。基 于模块和组件的系统构建策略更能体现产品设计制造过程中的人性化思想，每一 个模块都具备一个有针对性应用领域的技术产品形式，是该领域技术原理、应用 方案和实现形式的综合体现，是其在数控加工环境下的具体应用，其设计理念和 性能指标都体现了数控加工技术的要求和市场应用的需求，这些充分体现设计者 个性化的产品组件通过开放的标准接口形式有机的结合，组成了功能丰富性能完 善的数控装备产品。 根据模块化的设计思想和并联机床数控系统的特殊要求，数控系统的基本模 块通常被划分为以下几个【6 】【7 】【8 】，如图1 2 所示： 入机接口模块：由于大多数操作者已习惯于传统数控机床操作面板、相关术 语及指令系统，因此设置人机接口模块，可以给用户提供所需要处理的信息，如 操作面板的显示、数控程序代码和坐标定义等。数控系统的人机接口是数控系统 与机床操作者之间的信息交互的窗口，友好的系统界面有助于操作者使用机床。 程序解释模块：主要用于对输入的加工信息进行预处理，包括将g 代码转换 成系统内部的数据格式，对程序段进行坐标平移计算，对加工程序中的子程序和 固定循环进行预处理等。 插补模块：在加工信息解释的基础上，调用运动学算法模块，将动平台在操 作空间的运动转变为关节空间的伺服运动，实时生成刀具的运动轨迹，并将各伺 服轴的移动指令送给伺服模块。 伺服驱动模块：将插补运算的结果实时的发送给轴控制器，并由轴控制器完 成对各伺服轴的高精度位置控制。 运动学算法模块：运动学算法模块是并联机构数控系统的特有模块。由于刀 具的运动与伺服轴运动之间是非线性的映射关系，因此要实现刀具给定的空间运 动，必须经过运动学逆解，将给定的刀具运动信息转化为伺服轴的控制信号。因 此，运动学算法模块为伺服驱动提供逆解、速度映射算法，为加工状态的实时仿 真及精度补偿提供正解算法。 刀补模块：对输入的刀位轨迹信息进行长度补偿和半径补偿的计算。 p l c 接口模块：控制机床的逻辑运动顺序，并对系统中的开关量进行控制， 如：主轴起停、冷却系统、行程保护等环节的运行。 运动仿真模块：运动仿真是对数控系统和数控加工在更高层次上的抽象，它 可以在虚拟环境中进行机床运动和切削加工。由于并联机床的刀具运动与伺服轴 运动存在非线性映射关系，故为了更直观和清晰地了解并联机构和刀具的运动情 况，在并联机床数控系统中开发了运动仿真模块，用于完成干涉校验、刀具轨迹 6 第一章绪论 仿真、加工等功能。 图1 2 并联机床数控系统基本功能模块 机床调整模块：因为并联机床与传统机床的结构完全不同，它是由几根并联 的杆及角装置来支撑动平台和静平台的，因此其调整也与传统机床的调整完全不 同，它分为单杆调整、整体调整和姿态调整。 7 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 实时多任务调节模块：此模块用于监控各任务的状态，决定任务获得c p u 的 优先权，并根据任务的调度策略改变任务的状态，或让其运行，或让其挂起等待。 除了以上这些主要模块以外，还有网络通信模块。基于网络的控制技术是2 1 世纪世界控制技术的主流，因此网络模块可以实现c n c 与伺服装置之间的通信联 系、与上一级计算机间的通信联络以及与不同车间现场设备和通过因特网进行通 信的网络互联。在有些并联机床数控系统中还设计运动控剖、监控模块、自动运 行模块、手动测量模块、测量模块、程序设计模块和刀库控制模块等。 国内的并联机床数控系统主要是“p c + 运动控制卡”为基础的开放式数控系统。 这种数控系统是将数控的核心功能插入p c 中，p c 将实现用户接口、文件管理以 及通信等功能，n c 插卡将全面负责机床的运动控制和开关量控制。其中比较具有 代表性的主要有哈尔滨工业大学与哈尔滨量具刃具厂合作开发的b j - 2 并联机床数 控系统，其硬件结构如图1 3 所示，整个数控软件采用模块化设计，操作简单，实 时性好，具有良好的可扩展性及易维护性。该并联机床数控系统以工业p c 机为基 本硬件，基于w i n d o w s 操作系统，利用v c + + 开发了一个开放式的数控系统软件 平台，在标准化与多样化的基础上设计软硬件模块，通过加减配置不同的模块来 构造数控系统，实现系统“积木式”的集成，具有友好的用户界面，实现实时多 任务控制【9 】。 主控计算机模块 ( 工业控制计算机) i s a 总线 串行总线 可编程逻辑控制器 ( p l c ) 电气线路 控制面板 数字量输入 禽出 3 2 d “o 多轴联动控制模块 ll 主轴驱动板卡 ( 8 0 c 1 9 6 单片视系统) ff 型( 1 6 d i ) 圉( 1 6 d o ) 国圈圈圈圈陲 示) 。 图1 3b j - 2 并联机床数控系统结构图 变频器 交流主轴电动机 另外，中国科学院沈阳自动化研究所设计的并联机床数控系统( 如图1 4 所 8 第一章绪论 图1 4 自动化所并联机床数控系统原理图 该系统采用主从式的控制方式，其中上位机选用工业p c 机，以完成人机对话， 内部数据处理以及系统资源的管理；下位机则选用以d s p 芯片为核心的p m a c ! 1 3 】 多轴运动控制器，以完成实际运动时的位置、速度、加速度等伺服控制以及其他 辅助i o 控制。底层的p c 机及其上插的p m a c 卡构成了“p c + p m a c 的双c p u 的硬件结构，w h l d o w s 作为操作系统，该系统的开放性就在于c n c 软件可以和其 他应用软件同时使用。 1 2 运动控制器的介绍 运动控制是伺服控制技术的发展，是在复杂条件下将预定的方案、指令转变 为期望的机械运动，运动控制系统使被控制的机械运动实现精确的位置、速度、 加速度、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制【1 0 1 。 运动控制器是通过用电机来驱动的执行机构等设备进行运动控制，以实现预 定运动轨迹目标的装置系统i l l j i l 引。可以说，只要有伺服电机的应用场合就离不开 运动控制器，它以其特有的灵活性和优异的运动轨迹控制能力，使碍许多工业生 产设备焕发出勃勃生机。并且随着自动化技术的进一步发展，运动控制器( 步进、 交流、直流) 的应用已走出机械加工行业，越来越多地应用于其他工业自动化设 备控制，如电子机械、木工机械、纺织机械、印刷机械等诸多行业【1 2 】【1 3 j 。 现今，基于运动控制技术的开放式数控系统主要有三种结构：单片机系统， 即在专有数控系统中简单嵌入p c 技术，结构比较简单，功能有限，属于初步开放 9 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 的数控系统；工业p c + 运动控制卡，由开放体系结构的运动控制器加上工业p c 机 构成，信息处理能力强，运动控制精确，目前比较流行，技术也较为成熟；全软 件数控系统，完全采用以通用p c 机为硬件平台，运动控制器以应用软件的形式实 现。 全软件数控是数控系统的新概念，“包括伺服控制在内的控制决策完全用基 于p c 的软件实现”及“核心控制策略的用户开放性 是全软件数控的两个基本特 征1 1 4 】。这种开放结构不仅支持运动控制策略的定制，完全面向数控系统的智能化 实现，使得数控系统具有更高的性能和更好的系统交互性，而且可以充分借鉴相 关学科的最新成果，从而促进数控技术本身的快速成长。要实现全软件数控，系 统对c p u 的计算能力提出了更高的要求，更高性能的处理机、更优化的实时调度 能力，是软件数控能达到满意控制性能的基础“5 】。本文所研究的内容正是此类型 的数控系统运动控制器。 1 3 本文的研究背景 本课题的背景是中国科学院沈阳计算技术研究所与东北大学先进制造与自动 化技术研究所合作的基于新型三杆五自由度并联机床数控系统研发项目。 该项目的主要研究内容为：并联机床数控系统平台的研究；嵌入式实时控制 系统开发环境的研究开发：构件高速高精度运动控制算法库；加工过程的控制理 论与方法；各接口板、系统硬件样机的研制；软件编码与模块测试；以及加工中 心示范应用等。 该项目的预期目标是：以推动国产高性能数控系统的自主研发为主要目标， 计划用两年时间，研制出具有开放式和智能化特点的可面向产业应用的新型并联 机床数控系统，逐步改变高性能数控系统依赖国外的局面，为提高国产数控系统 的市场占有率做出贡献。 本课题正是以此项目为研究背景，详细论述了在硕士学位论文工作期间，在 基于r t l i n u x 平台的开放式数控系统研究工作领域里所做的研究和实践。在这个 项目中，我的工作主要是对于数控系统运动控制器的研究。在现有数控平台的基 础上，根据新型3 杆五自由度并联机床的运动特性，实现设计出具有可移植性、 模块化、可扩展性的开放式数控系统的运动控制器。 1 4 本文的主要工作 本文针对运动控制器进行分析和讨论，其主要工作包括： ( 1 ) 简要回顾了并联机床和开放式数控系统的发展历程，介绍了并联机床数 1 0 第一章绪论 控系统的特点及国内并联机床数控系统的发展和本文的研究背景 ( 2 ) 介绍了新型并联机床数控系统的软硬件平台，以及新型并联机床数控系 统的软件体系结构，并对数控系统中各部分机构的功能作了简单介绍。 ( 3 ) 从运动控制器的结构原理出发，根据并联机床结构的特殊性，对运动控 制器的功能及软件进行了设计，并通过对控制流程的研究，实现了一个运动控制 器，给出了详细的参数配置。重点对并联机床不同于传统机床的运动学算法所引 发的控制过程复杂的问题进行了深入的讨论。 ( 4 ) 对于并联机床机构特性所产生的几个具体的复杂问题，提出了虚拟九 轴的控制策略，给出了加工方式的转换以及换刀过程的设计，实现了主轴的准 停和在坐标空间的点进点动控制。并通过仿真测试，验证其解决方法的可行性。 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 第二章基于p c 的并联机床数控系统整体结构 数控系统是由软件和硬件组成的，硬件为软件的运行提供了支持环境。由于 硬件和软件在逻辑上是等价的，因此在数控系统中由硬件完成的工作也可以通过 软件来完成。两种方法的主要区别是：硬件处理速度快，但价格高；软件处理速 度较慢，但设计灵活，适应性强u 6 j 。 并联机床是并联机器人和加工中心的结合，其数控系统不同于传统的数控系 统，它同时还兼有并联机器人的特点。并联机床数控系统应该是一套开放式的数 控软件，同时结构上采用模块化设计，要求完成后的数控系统必须具有传统机床 数控系统的功能，操作简单，实时性好，具有良好的可扩展性及易维护性。 随着计算机技术的不断发展，软硬件任务的分配也不断变化。为了适应数控 系统的开放性发展趋势，并联机床数控系统采用基于p c 的技术路线的蓝天数控 平台，以最大限度地利用p c 软硬件技术、模块化、动态配置系统和可扩展性。本 并联机床数控系统通过软件来实现数控系统的大部分功能，而硬件在具体实现上 基于p c 总线。在本章的后面几节中，将详细介绍并联机床数控系统的软硬件平台 及整体结构。 2 1 并联机床数控系统的硬件平台 随着制造技术的发展，数控系统应该能够实现复杂操作并保证高进给速度、 高加工精度，而且能够方便地融入到f m s ，c i m s 等更高层次的系统之中。同时 随着计算机技术和性能的不断发展，以微处理器为基础的微型计算机数控系统逐 渐取代y 4 , 型计算机数控系统。因此采用多处理器结构、3 2 位或6 4 位处理器结构 作为数控系统的硬件平台是数控系统发展的重要趋势。 图2 1l t n c l l 0 的硬件结构 1 2 第二章基于p c 的并联机床数控系统整体结构 蓝天数控系统是中科院沈阳计算所经过多年研发所取得的重要成果，拥有十 余项国家专利，填补了国内高档数控的开发和应用的空白。蓝天系列现已发展到 可提供十几轴联动控制的高档数控系统，其中l t - n c l1 0 数控系统采用工业标准的 高性能的奔腾处理器，运算速度更快，功能更强大。因此并联机床数控系统采用 了n c l l 0 的硬件平台作为硬件平台。其硬件结构如图2 1 。 并联机床数控系统采用l t n c l1 0 的硬件平台，其硬件配置为： p i i l l 0 g , 1 2 8 m r a m 1 0 4 英寸真彩色平面t f t 显示器 e c d a 板：一块四轴控制板，一块两轴控制板 i o 板：4 8 d i ，3 2 d o 电源模板 8 个槽位总线底板 机床操作站 由于采用了较高的配置及面向工业现场设计的机床操作站接口，并联机床数 控系统在硬件上与p c 机保持了很好的兼容性，既可以充分利用p c 机的软件资源， 又能够适应复杂的工业现场环境。 基于p c 总线结构的数控系统具有开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰 富等特点，已成为开放式数控系统硬件结构的主要趋势。在这种结构下，装入不 同的数控软件，就可以构成不同的数控系统，具有较强的通用性【1 7 】。 2 2 并联机床数控系统的软件平台 开放式数控系统的设计首先需要选择合适的操作系统平台。目前常用的操作 系统有d o s 、l i n u x 、w i n d o w s9 8 、w i i l d o w sn t 等。虽然，开放式数控系统要求 不依赖于特定的软硬件平台，但是并不是所有的操作系统都能满足数控系统的需 要。考虑到数控系统的实时多任务要求，选择实时多任务操作系统r t l i n u x 作为 并联机床数控系统的软件平台。 由新墨西哥技术学院的v i c t o r y o d a i k e n 和m i c h a e lb r a b a n o v 共同开发的 r t l i n u x 是能够提供实时功能的l i n u x 操作系统。目前已经广泛的应用于视频编 辑、p b x 、机器人控制器以及机器工具等领域。 r t l i n u x 提供了运行特殊实时任务和终端句柄的能力。在x 8 6 机器上， r t l i n u x 执行终端句柄的延迟不超过1 5 微秒，当调度一个经常性任务时，该任务 将在3 5 微秒内被执行。而标准l i n u x 在终端句柄执行前需要6 0 0 微秒，执行经 常性任务的延迟则达2 万微秒。此外，r t l i n u x 优势还在于它扩展了标准的 u n i x 编程环境，使它可以处理实时任务。下面将简单介绍并联机床数控系统的软 1 3 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 件平台实时多任务操作系统r t l i n u x 的特征、实现原理。 2 2 1r t l i n u x 特征 r t l i n u x 是通过在底层对l i n u x 进行实时改造的产物。r t l i n u x 除了具有出色 的实时性能和稳定性，还具备如下特征： 实肘内核简单r t l i n u x 实现了在l i n u x 内核之下的一个精巧的小实时内 核，将原来的l i n u x 内核作为实时内核下的一个随时可被实时任务抢占的优先级最 低的任务。由于实时内核设计简单，因此它具有不易出错，实时性好的优点。 模块化的设计方案在r t l i n u x 中，用户实时任务的工作是通过l i n u x 的可 导入模块的方式进行的，实时任务的编程也是通过模块编程来实现的。 和l i n u x 内核结合r t l i n u x 的实现方案是双内核系统，即利用l i n u x 的内 核，同时增加一个实时内核，两个内核同时工作，这样可以获得别的实时系统所 不能达到的优势。对于r t l i n u x 应用来看，r t l i n u x 的应用被分为实时空间和非实 时空间。实时空间中的a p i 能满足用户任务的实时要求，同时由于对实时性的要求 限制了实时任务可利用的资源；非实时空间提供的a p i 可以利用整个l i n u x 的资源， 但是任务的实时性不能保证。在两个空间中的任务之间可以通过多种方法进行通 信，如f i f o ，共享内存等。 2 2 2r t l i n u x 实现原理 r t l i n u x 对l i n u x 内核进行改造，将l i n u x 内核工作环境做了一些变化，如图 2 2 所示： 中断控制硬件 jl 1 r “n u x 内核 jl 1r l i n u x 进程 中断控制硬件 今 r t l i n u x 内核 l i n u x 内核 实时任 - r 务 l i n u x 进程 图2 2r t l i n u x 对l i n u x 内核的扩展 1 4 第二章基于p c 的并联机床数控系统整体结构 从图2 2 可以看出，r t l i n u x 在l i n u x 进程和硬件中断之间，加上了一个 r t l i n u x 内核。在r t l i n u x 内核中实现了一个虚拟中断机制，l i n u x 本身永远不能 屏蔽中断，它发出的中断屏蔽信号和打开中断信号都修改成向r t l i n u x 发送一个 信号。r t l i n u x 把所有的中断，分成l i n u x 中断和实时中断两类，如果r t l i n u x 内核收到的中断信号是普通l i n u x 中断，那就设置一个标志位；如果是实时中断， 就继续向硬件发出中断。在r tl i n u x 中将中断打开之后，被设置了标志位的l i n u x 中断才继续执行。这样任务的实时性可以得到保证。 r t l i n u x 设计过程中的原则是：在实时内核模块中的工作尽量少，如果能在 l i n u x 中完成而不影响实时性能的话，就尽量在l i n u x 中完成。因此，r t l i n u x 内 核尽量做的简单，在r t l i n u x 内核中，不应该等待资源，也不需要使用共享旋转 锁( s p i n l o c k ) ，实时任务和l i n u x 进程间的通信也是非阻塞的，从来不用等待进 队列和出队列的数据。 r t l i n u x 将系统和设备的初始化交给了l i n u x 完成，对动态资源的申请和分配 也交给了l i n u x 。r t l i n u x 使用静态分配的内存来完成硬实时任务，因为在没有内 存资源的时候，被阻塞的线程不可能具有硬实时能力。 进行r t l i n u x 编程的通用方法是：将一个任务分为实时部分和非实时部分， 实时部分通过实时模块来实现，在将该实时模块插入内核之后，运行实时任务； 在非实时部分实现对f i f o 设备的读取，完成和实时任务的通信就可以了。程序的 体系结构如下所示： 图2 3 实时程序结构图 2 3 并联机床数控系统的体系结构 c n c 设计首先要考虑的是数控系统的软件结构设计，虽然软件结构也受到硬 件的限制，但相对而言，数控系统的软件结构还是比较独立的，特别对于基于p c 的数控系统，所以一个好的软件结构设计能够用于很多数控系统，也是数控系统 开放性的一个重要方面。虽然并联机床数控系统软件部分的设计比较复杂，但相 对于传统机床数控系统来说，并联机床数控系统的复杂在于其坐标转换程序的设 计以及并联关节( 轴) 同时的运动控制。所以从根本上来说，并联机床数控系统 跟传统数控系统的软件实现原理都是一致的。 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 c n c 是一个实时的计算机数控系统，其数控的基本功能是由各种功能子程序 实现的。例如译码子程序，刀具补偿子程序，插补子程序，伺服控制子程序。不 同数控系统之间的差别在于对这些子程序的顺序安排以及对他们的控制方式。下 文我们以一个数据流在数控系统中的传输来阐述数控系统软件的一般原理以及全 软件的并联机床数控系统软件体系结构。 2 3 1 数控系统的工作原理 c n c 装置的工作是在硬件的支持下，执行软件的全过程。数控系统各不相同， 但数控系统软件的工作流程却大致相同。一般工作流程都包括数据的输入、译码、 刀具补偿、进给速度处理、插补、位置控制、i o 处理、显示和诊断等等。如图所 示，即为一个典型的数控系统的工作流程。 匿譬h 译码h 数据处理h 插补h 伺服控制h 管理程序i 图2 4 数控系统的工作流程图 当零件程序转换成数据段输入系统后，首先开始的就是数据处理。数据处理 的目的就是进行插补运行前的准备，它主要包括译码、运动轨迹的计算及f 值的 计算三个部分。译码程序的功能是将输入工件轮廓轨迹转化为刀具中心的运动轨 迹。而f 值计算( 速度计算) 主要用于确定加工运动的速度。 从数据段的流动来看，位于零件程序缓冲器中的零件程序经过译码程序后进 入译码结果寄存器，经过数据处理程序后进入数据处理结果缓冲器，再送往插补 工作寄存器，然后就可以开始插补程序。图2 5 即为一个数据段经历的过程。 零件程序 译码 译码结果 数据处理。 数据处理 传送。 插补工作 缓冲区寄存器结果缓冲区寄存器 图2 5 数据的流动 2 3 2 数控系统软件结构 并联机床数控系统软件部分是在r t l i n u x 平台下，用c 、c + + 语言编写的， 因此可以很容易的移植到其他平台。并联机床数控系统软件按照模块结构划分可 以分为4 部分。如图2 6 ，这4 部分分别是：人机接口，任务控制器，运动控制器， i ，o 控制器。 人机接口是图形用户界面，基于g t k 开发。操作人员可以在这个用户界面上 1 6 第二章基于p c 的并联机床数控系统整体结构 实现对数控系统的所有操作。任务控制器是一个非实时任务，利用n i s tr c s 软 件库，由c + + 语言编写。该控制器以一些c + + 控制类的层次结构为基础，这些 控制类来自n m l m o d u l e 基类，通过n m l 实现通信。任务控制器负责协调运 动控制器和i o 控制器的动作，这些动作可通过传统数字控制中的“g 代码和m 代码 编程，由任务控制器解释成消息语言并根据系统的当前运动状态传送给运 动控制器或i o 控制器。加工代码解释器的设计与具体的硬件无关，因为它只负责 解释g 代码和m 代码程序，而这些程序代码所代表的动作在不同的机床硬件中基 本上是相同的。 图2 6 蓝天数控系统软件结构图 运动控制器是一个实时进程，在r t l i n u x 平台下，实时进程是内核的一部分， 不能使用常规的进程间通信方法进行运动控制器和任务控制器之间的通信。因此， 运动控制器和任务控制器之间的通信只能使用f i f ob u f f e r 或者共享内存的方 式【i 羽。关于运动控制器将在下节做进一步的讨论。 i o 控制器代码实现方法与任务控制器相似，也是利用n m l m o d u l e 基类 和r c s 软件库。而且i o 控制器的设计依赖于具体的系统硬件设计，不能以i n i 1 7 面向并联机床数控系统运动控制器的研究与实现 文件的方法来通用性地定制。为了满足数控系统的开放要求，我们需要在i o 控制 器与外部程序之间设计一个应用编程接口( a p i ) ，使得具体的硬件信息都集成到 接口部分中。当硬件