（机械制造及其自动化专业论文）基于rtlinux的pcb钻床开放式数控系统的研究与开发.pdf

中文摘要 摘要：印刷电路板( p c b ) 制造技术是电子信息制造业的重要基础和组成部分。印刷 电路板制造所用的数控钻床是印刷电路板精密孔位加工的关键设备。数控系统是 数控机床的核心。丌发具有自主知识产权的p c b 数控钻床的数控系统对于提高我 国电子制造工艺装备水平具有重要的现实意义。 本文在充分分析和研究了数控系统软件平台特点的情况下，分别对d o s 、 w i n d o w s 和r t l i n u x 这几种操作系统作为数控系统软件平台的优劣进行了比较， 并在此基础上，研究了基于r t l i n u x 的p c b 钻床开放式数控系统。 本文首先对r t l i n u x 的特点进行了深入的分析和研究，在理论上r t l i n u x 完 全可以满足数控系统所特有的实时性和多任务处理的要求。同时，本文着重介绍 了基于r t l i n u x 的软件开发方法及关键技术随后，本文在深入研究了数控系统 功能需求的前提下，并根据r t l i n u x 的特点，构建了数控系统的体系结构。详细 定义了各个功能模块，并讨论了各个模块之间的数据传递方式，以及系统的调度 机制。最后，采用q t c + + c 编程实现了各个功能模块。 在p c b 加工过程中，加工路径的选择是影响加工效率的主要因素。本文采用 遗传算法( g a ) 针对p c b 加工过程中的路径优化问题进行了深入的研究。在建立了 加工路径数学模型的基础上，采用遗传算法较好的解决了路径优化问题。同时， 对算法中变异算子的设计，以及变异概率的选取对优化结果的影响进行了更深入 的讨论，提高了算法的效率。 关键词：p c b ；数控钻床；r t l i n u x ；开放式数控系统：路径优化；遗传算法 分类号：t g 6 5 9 ；t p 3 0 6 北愿至盟厶堂亟士堂位纶童 垦! g i a b s t r a c t a b s t r a c t ：t h et e c h n o l o g yo fp r i n t e dc i r c u i tb o a r df p c b ) m a n u f a c t u r i n gi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n t p a r t s o fe l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y t h e n c d r i l l i n gm a c h i n eu s e di np c bp r o c e s s i n gi st h ek e ye q u i p m e n tw h e np e r f o r mt h e p r e c i s ep c bm a n u f a c t u r i n g c u r r e n t l y , t oa t t a i nt h eh i g hs p e e d ，h i 出p r e c i s ep c b n c - d r i l l i n gm a c h i n ew i t hi n t d l e c t u a lp r o p e r t yr i g h ti st h em a j o rr e s t r i c t i o no ft h e d e v e l o p m e n to f t h en a t i o n se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y a st h ec n c s y s t e mi st h eg o r eo fn cm a c h i n e , t h ed e v e l o p i n go f c n c s y s t e mo fp c bn c d r i l l i n g m a c h i n ew i t hs e l f - o w n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h th a sag r e a ts i g n i f i c a n c ef u rt h e d e v e l o p m e n to f t h en a t i o n se l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y n o w a d a y s , t h ep c - b a s e do p e n - a r c h i t e c t u r ec n cs y s t e mi sa l li n e v i t a b l et r e n di n n cd e v e l o p m e n t d o s0 1 w i n d o w so p e r a t i n gs y s t e m 肿u s u a l l yu s e da st h e d e v e l o p m e n tp l a t f o r m b u ta st h e s eo s 啪n o tw e l lm l 笼* tt h er e a l - t i m er e q u i r e m e n t t h e ya l en o tt h ei d e a lp l a t f o r mf u rd e v e l o p i n gc n cs y s t e m u n d e rt h i ss i t u a t i o n ，t h i s p a p e rd o e st h er e s e a r c hi nd e v e l o p i n gt h eo p e na l c m t e e t u r ec n cs y s t e mf u rp c b n c - d r i l l i n gm a c h i n eu n d e rr t l i n u xp l a t f o r m 。 r t l i n u xi sar e a l - t i m eo sw h i c hi sa c h i e v e db ym o d i f y i n gt h es t a n d a r dl i n u x k e r n e l w i t ht h eh e l po fr t l i n u x sm u l t i - t a s k sp r o p e r t ya n dp r e e m p t i v es c h e d u l i n g b a s e do np r i o d t y , r t l i n u xi st h ei d e a ld e v e l o p i n gp l a t f o r mf u rc n cs y s t e m 1 1 l i sp a p e r d e s c r i b e st h es t r u c t u r eo fc n c s y s t e ms o f t w a r ea n dd e f i n e st h ef u n c t i o nm o d u l e si n d e t a i l s t h ed i s c u s s i o no ft h er e l a t i o n s h i pa n dc o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s mb e t w e e n m o d u l e si sa l s oi n v o l v e d t h ec o d i n gl a n g u a g ei sq tl i bu s i n gc ( 斗+ d u r i n gt h ep r o c e d u r eo f p c bp r o c e s s i n g , t h es e l e c t i o no f d r i l l i n gp a t hw i l lg r e a t l y a f f e c tt h em a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e n e t i ca l g o r i t h mi n t o t h eo p t i m i z i n gd r i l l i n gp a t hi s s u ef o rp c bp r o c e s s i n g a f t e re s t a b l i s h i n gt h em a t h m o d u l eo fd r i l l i n gp a t h ，t h i sp a p e rw e l lf o u n dt h en e a r l yb e s to p t i m i z i n gs o l u t i o n a l s o i m p m “n gt h ee f f i c i e n c yo ft h ea l g o r i t h mb yr e d e s i g n i n gt h em u t a t i o na p p m a c ha n d c h o o s i n gb e t t e rm u t a t i o nr a t ei sa l s oc o n c e r n e d k e y w o r d s ：p c b ；n c d r i l l i n gm a c h i n e ；r t l i n u x ；o v e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e m ； p a t ho p t i m i z i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n 0 ：t g 6 5 9 ：t p 3 0 6 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保整、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 亚葳 ， l 导师签名： 签字日期：z “7 年月i r 日签字日期：叼年，明帅 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特另l j 掇以标注和致澎之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 卫咸 签字日期： 抽7 年工月灯日 致谢 本论文的工作是在我的导师李建勇教授的悉心指导下完成的，李老师严谨的 治学态度、渊博的学识、对学生的慈爱，以及敬业的工作精神使我深受感动和启 迪。从尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了许多做 人的道理。所有这些，都将令我终生受用，在此我要向导师致以最衷心的感谢和 深深的敬意。 在此，还要感谢实验室的王恒老师和温伟刚老师对我的课题研究给予的支持 和帮助。两位老师严谨的科研作风、扎实的理论知识功底，以及丰富的开发调试 经验使我受益匪浅。同时，也要感谢他们在出差时期给予我生活上的关心与照顾。 与他们在一起工作，使我感到非常快乐，再次感谢他们给予我的这些关心与帮助。 在实验窒工作及撰写论文期间，王珂、杨绍华、刘淼等同学对我论文中研究 工作给予了热情帮助，在此也向他们表达我的感激之情。 作者深深的感谢父母和女友，他们的爱始终是作者学习和前进的精神支柱和 动力。我将用一生的时间来报答他们对我的理解和支持。 1 绪论 现代数控系统是基于计算机的数控系统，是计算机技术( 硬件和软件) 、自动 控制技术、电力电子技术、通讯技术和机械制造技术等集成的产物。为适应现代 生产系统进步和发展的要求，克服封闭式数控系统所暴露出来的弊端，数控系统 的开放化已经成为数控技术发展的一个重要的趋势。虽然世界上各大数控系统制 造商的封闭式数控系统仍然占据着大部分市场，但是随着计算机技术不断进步， 通用计算机软、硬件的优势越加明显，并且由于p c 已经成为微型计算机的事实标 准，其开放的体系结构和丰富的软件、硬件资源构成了现代开放式数控系统发展 的重要基础。 1 1选题背景及意义 当今加工装备和制造系统正朝着网络化、高柔性、可重构、多功能、有特色 的方向发展，制造装备和系统的控制器也势必要跟上这一发展步伐。这就要求数 控系统能够重新配置、重新生成、在线扩充、远程修改、充分利用第三方软件实 现c a d c a m 集成，甚至需要能够融入用户的独特经验和要求。完成这一任务的 有效途径就是走“开放式”的道路。封闭式数控系统的用户由于系统软、硬件的 封闭性，很难对其进行功能扩展、系统维护以及升级换代的工作。为了解决封闭 式数控系统日益明显的弊端，以适应系统进步和发展的要求，西方各工业发达国 家相继提出了规范化、标准化的发展方向，并采用开放式体系结构设计数控系统， 如美国的n g c 计划、0 m a c 计划以及欧洲的o s a c a 计划等。面对开放式数控系 统的潮流，我国也要准确把握其发展趋势，通过对开放式数控系统的研究和开发 增强我国数控产品在国际市场上的竞争力m 。 由于p c 的硬件平台本身就是开放的，其软件平台也具有良好的开放型基础。 并且，p c 的硬件平台和软件平台是完全通用的。这些特点使得基于p c 的数控系 统具有独特的优势。软件系统是p c 数控系统的核心，而p c 数控软件系统属于运 行于操作系统平台上的实时型软件。其实时功能的实现直接受操作系统和硬件系 统的制约。一个高性能的p c 数控软件系统必须能够与操作系统紧密结合，可实现 对c p u 内部硬件和p c 主板硬件的直接操作。目前，基于p c 的数控系统多选用 d o s 或w i n d o w s 操作系统作为其软件平台t 2 1 。采用d o s 开发数控系统比较经济， 但是由于d o s 系统是单任务的，图形功能较弱，且其提供的资源也非常有限，所 以在其上运行具有实时多任务功能的p c 数控系统并不合适。w i n d o w s 是多任务系 统，且具有良好的图形界面和网络功能，但是其定时精度最高只能达到1 0 m s ，且 其协作试的调度机制并不符合数控系统实时性的要求，所以w i n d o w s 并不适合作 为数控系统的软件平台。而通过购买经过实时性改造后的w i n d o w s 系统又非常的 昂贵，并不适合我国的研究环境。近年来，随着l i n u x 操作系统的迅猛发展，它的 许多优秀特性逐渐得到体现。例如，l i n u x 系统支持广泛的硬件平台，能真j 下实现 多任务、多用户的环境，支持高达2 g b 的虚拟内存，采用模块机制使得内核非常 灵活。并且l i n u x 的另一大优点是其源代码完全开放，所有人都可以自行对内核代 码进行修改和裁减，这样全世界的软件开发人员都可以对l i n u x 系统的发展和完善 并做出自己的贡献，使l i n u x 具有不可比拟的稳定性优势。通过对源代码开放的 l i n u x 内核进行修改便可以使其成为一个实时操作系统，例如美国新墨西哥工学院 开发的r t l i n u x 就是一种非常适合p c 数控系统的实时操作系统。r t l i n u x 具有常 规l i n u x 的基本功能，如图形化界面和丰富的编程资源，为快速开发基于p c 的数 控系统提供了便利；而且r t l i n u x 具有的实时性也满足了数控系统的实时性要求。 同时由于其开源的思想，使数控系统的开发成本大大降低1 3 3 0 目前，我国电子信息产业发展迅速，其中p c b 加工制造业尤为引入关注。但 是，国内现在使用的p c b 数控钻床多来自于进口设备，加上我国数控系统软件平 台根基相对薄弱，使我们在核心技术上长期受制于人。长远来看，这不利于我国 电子信息产业的发展。因此，基于r t l i n u x 的p c b 数控钻床开放式数控系统具有 一定的理论与实践意义。将r t l i n u x 作为开放式数控系统的软件平台是我们开发 拥有自主知识产权、高性能、低成本的数控系统，并赶超世界先进水平的一条捷 径| 4 | | 5 1 0 另一方面，当前所广泛应用的p c b 钻床数控系统的走刀路径优化功能普遍比 较薄弱。在大批量加工过程中，钻床刀具的走刀路径对生产效率有重要的影响。 当前的p c b 钻床数控系统通常采用c a d c a m 软件生成的路径进行加工，但是由 c a d ，c a m 软件生成的路径并不是最优路径，从而直接降低了加工效率。因此，为 了提高生产效率，节约生产成本，对p c b 数控钻床走刀路径进行优化是必不可少 的6 | 。 1 2开放式数控系统的优点及国内外研究情况 开放体系结构数控系统的本质特征是开放性，其含义是数控系统的开发可以 在统一的平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或裁减功能模块， 形成系列化，并可将用户的特殊应用集成到控制系统中，实现不同品种、不同档 次的开放式数控系统。开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性及可互换 2 性等一系列特点。与传统封闭式数控系统相比，主要具有以下优点7 引1 9 1 。 ( 1 ) 面向未来开放开放式数控系统的软、硬件接口遵循公认标准，扩展或 升级的软、硬件资源很容易被现有系统所采纳、吸收和兼容，使系统性能得以持 续改善，可靠性不断提高，产品生命周期可大大延长。 ( 2 ) 应用软件移植性好开放式数控系统的应用软件与底层软、硬件支撑无 关，便于软件开发人员针对相同的被控对象，在不同的丌发环境下并行的开发应 用软件，并实现软件的模块化和复用，从而有效的解决数控系统应用软件的产业 化，并加快开发速度。 ( 3 ) 编程语言标准化开放式数控系统采用统一的、标准化的数控加工编程 语言，可以从根本上解决封闭式数控系统编程指令不统一的问题，可极大的减少 编程劳动量。 ( 4 ) 系统灵活性强开放式数控系统允许用户根据实际需要扩展和裁减系统， 用户可以从低级控制器开始，逐步扩充系统的功能，提高系统的性能。用户也可 便捷的在系统中融入自己的技术诀窍，创造出具有自己特色的产品。 ( 5 ) 网络集成便捷开放式数控系统采用标准总线和通信网络协议，可接入 计算机网络，作为网络加工中的加工设备和通信站点，便于制造网络集成。 目前基于p c 的开放式数控系统主要有三种体系结构，n c + p c 的复合式结构、 p c + n c 的递阶式结构以及全软件式c n c 结构。 n c + p c 的复合式结构是指将传统数控专用模扳嵌入通用p c 所构成的数控系 统，其优点是在不改变原有数控系统基本结构的基础上，能够充分利用p c 丰富的 软硬件资源，获得理想的人机界面。这种体系结构很受老牌数控厂商青睐。但是， n c + p c 的体系结构最大的缺点是开放性有限，其开放性仅限于p c 人机交互部分， 专用数控部分仍然处于封闭状态，并且开发和生产成本较高、技术升级换代较慢。 在p c + n c 的递阶式式结构中，p c 作为数控系统的软硬件平台，并通过在其 扩展槽中插入专用的运动控制卡的方式构成数控系统。在这种体系结构中，带有 开放式函数库的，用于运动控制和逻辑控制的运动控制卡是数控系统的核心。采 用这种方式的开发数控系统具有开发周期短、可靠性高、软件通用性强、系统性 能好等优点，因此这种数控系统广泛应用于制造业自动化控制的各个领域。但这 类系统也存在一些缺点，最突出的就是系统的组成单元和模块较多，各单元和模 块间的信息交换往往成为阻碍系统性能提高的瓶颈，并且由于作为核心的运动控 制卡技术仍然是封闭的，其开放性仍然有限，故此类系统无法达到获得完全自主 知识产权的目的。 为了解决传统数控系统和数控系统产业化生产所面临的问题，世界上许多数 控系统生产厂家和科研单位纷纷开发、研制全软件式数控系统。这种模式下的数 控系统，c n c 部分全部以p c 为平台开发，硬件部分为插在p c 扩展槽中的i o 接 口板，提供给用户最大的灵活性。全软件式的数控系统具有很好的适应性，可以 在不同的平台上应用，其软硬件资源和总线协议都是对外开放的，便于数控系统 制造商进行系统集成，也为用户的二次丌发带来了极大的便利。全软件数控系统 可以按照用户的需求，对系统的功能和规模进行裁减和扩展，构成各种专用的数 控系统，并可以将用户的特殊应用和技术诀窍方便的集成到系统当中。与i j 两种 开放式数控系统体系结构相比，全软件式数控系统由于其更好的通用性、灵活性 和扩展性，可以方便进行集成和重构，同时进一步向智能化、网络化发展，因此 最具有生命力，也是数控系统发展的必然趋势1 1 0 1 0 总之，基于开放式体系结构进行数控系统的开发，可以大大缩短数控系统的 开发周期，而且易于满足客户的不同需求。对于用户而言，则可以获得功能强大、 价格低廉、便于升级和集成的数控系统。因此开放式数控系统一直是发达国家数 控领域的研究重点其中，美国、欧洲及日本进行了相关的研究工作。 ( 1 ) 美国的o m a c ( o p e n m o d u l a r a r c h i t e c t u r e c o n t r 0 1 ) 计划川1 2 l 3 o m a c 是由美国克莱斯勒、福特和通用三大汽车公司在n g c ( n e x tg e n e r a t i o n c o n t r o l l e r ) 的基础上联合提出的。由于o m a c 的成员是控制器的用户而不是开发 商，从而也就决定了它产品化、实用化步伐不可能很快。事实上美国工业界认为 o m a c 是一种设计理念，而不是一种控制器的具体标准，其宗旨是“b u y a n y w h e r e ， u s e a n y w h e r e ”。应用o m a c 所定义的标准a p i 可以实现“p l u g & p l a y ”的功能， 只须设计其具体的实现方法即可。从o m a c 提出的整体式结构分析可知，虽然其 灵活性较高，可是由于其过分注重功能的分类而非资源的整合，导致其系统独立 性下降，而且维护较困难。 ( 2 ) 欧洲的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 rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o n s y s t e m ) 计划 o s a c a 计划由欧盟于1 9 9 2 年提出，o s a c a 的目标之一，是使自己成为自动 化领域的通用国际标准，故一开始它就将研究范围涵盖了整个自动化领域。o s a c a 借鉴i s o 的o s i 参考模型，通过对控制系统的详细分析，提出分层平台+ 结构 功能单元的架构。在这种结构中，开放式控制系统以一个系统平台为基础，由一 组逻辑的离散的组件组成，控制系统本身不带有平台的任何信息在组件与平台之 间定义标准接口，不同供应商的组件可以据此协调工作，正确工作的控制器可运 行于不同的系统平台之上，系统平台由系统硬件和系统软件组成，系统软件包括 操作系统、通讯系统和可选的应用程序。如数据库、图形系统等充分保证了开放 系统的各个特征，即可移植性、可互操作性等。 该标准有利于实现计算机硬件的独立性和与操作系统的无关性，可是对于数 4 控中大量存在的机电设备的独立性的解决并不彻底。同时，由于该计划过于庞大， 对参与者的要求过高，一直发展较慢。 ( 3 ) 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 r c o n t r o l l e r ) 计划 o s e c 计划是由只本东芝机器公司、丰用机器厂和m a z a k 公司三家机床制造 商和只本i b m 、三菱电子及s m l 信息系统公司于1 9 9 4 年共同提出的。其目的是 开发基于p c 机平台的、具有高性能价格比的歼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 采用p c + 控制卡的结构，有利 于层次化、模块化、灵活配置的实现，并可以充分利用现有p c 机资源，从而有力 地缩短产品的研发周期，具有较强的可操作性。可以说，o s e c 采用的是一种较现 实和折中的方式，所以它的系统结构只是局限于数控系统的直接描述，适应性不 够强。 相对于西方国家的企业来说，我国企业关于数控方面的研究起步较晚，尽管 目前国内已拥有开放性数控系统华中i 型、中华i 型、航天i 型和蓝天i 型，但 大多是建立在d o s 操作系统平台上或w i n d o w s 操作平台，以及其他一些自行开发 的专用实时操作系统之上，从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放式数 控系统的本质特征。各系统所采用的体系结构并不一致，仍是自成体系，相互之 间缺乏兼容性和互换性，各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。 1 3p c b 数控钻床发展现状及存在的主要问题 据有关资料记载，世界上第一台c n c 机床是1 9 5 2 年在芝加哥机床博览会上面 世的，专门用于p c b 工业的c n c 钻机，约比用于金属切削用c n c 机床晚1 0 年， 是6 0 年代初才面世的，从此开辟了p c b 工业c n c 钻铣技术发展的新局面( 1 4 1 a 数控钻床的发展已有近4 0 年的历史，概括起来大概分为三个阶段。从2 0 世 纪6 0 年代初至7 0 年代中是用于p c b 工业c n c 钻铣技术发展的初始阶段。这个 时期的c n c 钻铣床许多地方还基本上没有脱离开金属切削机床的模式，是一种数 字控制( n c ) 或硬件c n c 装置。硬件c n c 是一种布线编程的数字控制装置，主要 是由硬件来实现c n c 功能的，其装置是用各种电子元器件、逻辑元件、记忆元件 布线组成随机逻辑电路，在各元器件之间以固定的硬线联接，从而搭成专门用来 完成某个特定c n c 功能的装置。7 0 年代中期到8 0 年代后期期间基本上是同一生 产厂家生产的c n c 钻铣床，同6 0 年代相比，是两种完全不一样的产品，看不到 太多的继承性，给人以脱胎换骨的全新感觉。这个时期的c n c 钻铣床，布线程序 控制器被可编程序存储控制器取代，人们以小型或微型计算机作为核心装置的数 5 字控制系统被称之为c n c 装置或软件c n c 。8 0 年代后和9 0 年代以来，科技工作 者在实践中摸索出了许多将软件功能硬件化，硬件功能软件化的方法与途径，较 好地实现了软硬件功能的高度兼容与互补，使得用于p c b 工业的c n c 钻铣床又 有了很大进步。如今的c n c 系统大部分都装有p l c 。硬件结构一般可分为单微处 理机结构和多微处理机结构。多微处理机结构的c n c 系统不断地随着现代制造技 术的发展而发展，使之能适应更高更广泛c n c 功能的需要。 p c b 数控钻床系统功能要求与普通数控钻铣床相比有所不同。速度和精度对 p c b 数控钻床来说是两个最重要的指标，它们直接关系到加工效率和产品质量。 p c b 数控钻床要求其数控系统具有高速的运算能力，其驱动系统和执行机构能够 快速的做出反应，在极短的行程内达到高速度，并在高速度情况下保持非常高的 定位精度和加工精度。另外，p c b 数控钻床的可靠性一直是用户关心的一个主要 技术指标。可以通过硬件功能软件化，以适应各种控制功能的要求，同时采用机 床硬件本体的模块化、标准化和通用化，使得既能够提高生产批量，又有利于质 量把关。另外，需要利用自动运行诊断、在线诊断和离线诊断等多种诊断程序， 实现对系统内硬件、软件和各种外围设备进行故障诊断和报警，从而提高系统的 可靠性。同时，由于p c b 数控钻床属于点位控制机床，其加工对象为p c b ，而p c b 上加工孔数量多、加工量大，走刀路径的选取对生产效率有非常大的影响。所以 p c b 数控需要具备一定的加工路径优化功能，通过路径优化减少空行程时间，从 而提高生产效率t 1 5 1 0 目前，国外用于p c b 加工的数控钻床普遍采用经过精密研磨加工的花岗岩作 为工作台，其热膨胀率小可使加工精度提高。瑞士p o s a l u x 公司的u l t r a s p , e e d 系列 的钻机甚至采用了铸钢作为工作台，使工作台质量更轻、刚性更好。钻床钻头数 最多可达八个，极大的提高了生产效率。主轴电机方面，国外p c b 钻床普遍采用 液冷气浮主轴主轴转速最高可达2 5 0 0 0 0 r p m 。在进给轴驱动方面，国外产品已广 泛使用直线电机和数字伺服控制系统，实现了更高的进给速度和精度，并且减少 了伺服驱动系统的维护时间。此外，国外p c b 加工用数控钻床广泛采用激光技术 检测电主轴中的钻具长度、直径及动态径向偏移，从而使机床的主轴具有高度的 稳定性和精度。在数控系统软件配置方面，主要的国外p c b 钻床制造商都配备自 己开发的数控系统。这些p c b 钻床数控系统广泛采用p c 作为系统的硬件平台， 软件开发平台多为w i n d o w s 2 0 0 0 、w i n d o w s x p 操作系统。由于国外p c b 钻床数控 系统有多年的研发经验，其技术比较成熟，数控软件普遍采用模块化设计。具有 良好的开放性和可扩展性，其提供的各种功能也相当完善，包括在线精度检查、 实时断刀检测、接触式快钻功能，以及丰富的现场总线网络接口功能等，在加工 方面不仅能够处理钻孔加工代码，还提供丰富的平面轨迹加工和三维轨迹加工功 6 能。国外p c b 钻床数控系统软件均提供多种语言版本。表l l 所示为国外主要 p c b 数控钻机的性能参数。 表i - i 国外p c b 数控钻机性能参数 t a b 1 1p e r f o r m a n c eo f o v e r s e a sp c bn c - d r i l l i n gm a c h i n e 数控系统软件 钻孔直径范围 主轴类型、转速 钻孔精度 定位精度 重复定位精度 工作台材质 e x c e l l o nc n c 7p c 0 1 m m 一6 5 7 9 m m 气浮主轴1 8 0 岫i o 9 m i l s 如0 0 5 r a m i - 0 0 0 2 5 m m 花岗岩 s mc n c8 4 0 0 0 1 n m 一6 ，3 5 m m 气浮主轴2 0 0 k q , m 0 7 1 m i l s o 。0 0 5 r a m o 0 0 4 m m 花岗岩 p o l u xc n c3 0 0 0 0 1 m m 一6 ，3 5 m m 气浮主轴2 5 0 1 q , r m i - o 7 8 m i l s i - 0 ，0 0 5 m m o 0 0 2 m m 铸钢 近几年我国p c b 数控钻床的整体技术水平有所提高，但是与国际先进水平仍 有一定的差距。目前，国产p c b 数控钻床的钻孔精度已达i m i l s ，主轴多采用气 浮主轴，主轴最高转速有的已达1 2 0 0 0 0 r m i n 。加工钻孔直径在0 1 i 砌“0 r a m 之 间，系统分辨率在0 0 0 1m f f l 左右，传动方式普遍采用了较先进的滚珠丝杠。在进 给伺服驱动方面，国产p c b 钻机仍然采用数字交流伺服驱动系统，而国外先进厂 商的产品已经广泛采用直线电机替代原有同步、异步交流电机。在p c b 钻床数控 系统软件方面，进口数控系统占据国内高端市场。在我国华南地区的p c b 数控钻 床厂家中，德国s i e b & m e y e r 公司的数控系统在高端市场占有相当的市场份额。近 年来，一些企业和科研单位也开发出了自己的p c b 钻床数控系统，例如重庆高科 集团s k z 系列和s k x 系列、香港天马公司的t d m 系列的数控钻床都可以选配自 主研发的数控系统，实现了初步的商品化。但是，这些自主研发的p c b 钻铣床数 控系统与国外产品相比仍然存在很大的差距，在系统架构方面，国内数控系统产 品大部分还在采用p c + n c 的递阶式架构方式，软件平台均为m i c r o s o rw i n d o w s 系列操作。下位机多采用p m a c 、固高等运动控制器，虽然开发难度相对较低。 但是系统开放性有限，无法获得完全自主知识产权，且产品的成本较高。在数控 系统性能方面，国内产品的稳定性、可靠性和实用性方面仍有待提高。由于经验 和技术上的不成熟，国内开发的p c b 钻床数控系统故障率较高，在价格方面虽然 比进口产品有一定的优势，但是高故障率直接导致生产效率的下降，因此产品得 不到客户的信任。所以，开发成熟的、拥有自主知识产权的p c b 钻床数控系统是 加速我国p c b 行业发展的重要任务 1 6 1 t 1 7 。 7 1 4开放式数控系统软件平台的比较 数控系统是一个实时性多任务系统，用户对系统的要求主要有：高速度、高 精度、灵活性、适应性、可扩展性、网络化、智能化和低成本。数控系统的体系 结构对数控系统的具体特征( 如性能、成本、可扩展性等) 起着决定性的作用。数控 系统软件一般不直接基于硬件进行开发，而是基于一种软件平台( 即操作系统) 进行 开发，软件平台的选择决定了数控系统软件的组织和结构。因此在何种平台上开 发数控系统软件是关系到数控系统开发成功与否的关键。 1 4 1d o s d o s 是一个单任务操作系统。这意味着d o s 中的应用程序在运行完毕后才会 放弃对c p u 的占用，在此期间其他应用程序并不能运行。而数控系统软件要求多 任务的系统环境，所以如果采用d o s 平台开发数控系统软件则需要对d o s 进行 修改使其满足多任务的要求，并同时保证任务调度的合理性和实时性。由于计算 机实现多任务功能的硬件基础是定时器计数器芯片。操作系统通过对定时器中断 信号的技术来实现各种时钟机制和定时机制。同时d o s 允许应用程序直接访问硬 件和修改中断向量。所以在d o s 中可以直接对定时器直接编程以获得更高频率的 定时中断。这样就可以实现一个简单的多任务环境作为数控系统的基本环境。同 时为了保证任务调度的实时性，可采用基于优先级的抢占式的调度算法“8 1 t 1 9 | 。 实践证明，采用这种方式来实现的数控系统软件平台在多任务能力和实时性 方面都非常好。我国目前大多数数控系统软件也都是基于d o s 开发的。但是，采 用d o s 作为数控系统的软件平台有许多局限性。由于d o s 是单任务操作系统， 由开发者自行实现的多任务环境降低了平台的开放性、通用型和可靠性。并且d o s 提供的接口过于简单，可利用的资源非常有限。而且，d o s 对网络、数据库等现 代数控功能支持性不佳，故基于d o s 开发数控系统很难跟上技术的发展潮流。从 整个产业的角度来说，各个厂商分别基于d o s 开发自己的多任务环境，具有相当 的封闭性，这也意味着软件的低水平重复开发，根本无法适应现在开放式数控系 统的要求。 1 4 2w i n d o w s w i n d o w s 作为p c 平台上最通用的操作系统，其强大的资源管理能力、丰富的 软件资源和友好的人机界面，使许多开发者选择w i n d o w s 作为数控系统的软件平 8 台。但是w i n d o w s 并不是实时操作系统，其内核是分时的。w i n d o w s 要作为数控 系统这样一个实时多任务的软件平台，并不能满足高实时性的要求。因此，若采 用w i n d o w s 作为数控系统的软件平台，也需要对系统进行改进。为了获得较高频 率的定时任务，可以利用w i n d o w s a p i 的多媒体扩展库( m m s y s t e m ，l i b ) 提供的多 媒体定时函数，或者采用虚拟设备驱动技术( v x d ) 。但是，由于w i n d o w s 内核的非 实时性本质，采用上述方法获得的定时精度最高只能达到1 0 m s ，并不能满足数控 系统的运动控制精度和任务调度效率。所以，完全基于w i n d o w s 开发数控系统是 不适合的。于是，出现了“p c + n c ”的递阶式体系结构用于解决w i n d o w s 内核实 时性不足的问题。这种结构的特点是，下位机采用d s p 或者单片机控制器完成插 补、位置控制等实时任务，w i n d o w s 作为上位机处理图形显示、网络通信、译码 预处理等非实时任务。采用“p c + n c ”体系结构的一个典型例子是美国d e l t at a u 公司出品的p m a c 。下位机的引入虽然解决了w i n d o w s 实时性的问题，但是浪费 了p c 中c p u 上百兆甚至上千兆的运算能力，造成了极大的资源浪费，提高了开 发成本，并且开放性也很有限啪“2 。 1 4 3 l i n u x r 1 1 ，i n u x 数控系统的理想软件开发平台应该是既具备多任务调度能力，又有很好的实 时性的操作系统，即实时多任务操作系统。能在一个低成本的平台上，开发出具 有高速度、商精度、高开放性的数控系统是开发者的追求。r t l i n u x 是由美国 f s m l a b s 公司开发的一种具有硬实时能力的操作系统。r t l i n u x 对标准l i n u x 进 行了实时性的改造，具体做法是在l i n u x 标准内核进程和硬件中断层之间加入了一 个r t l i n u x 内核的控制。这样借助r t l i m i x 的多进程、多线程以及基于优先级抢 占式多任务调度机制和强实时性，可以很容易实现实时多任务控制功能，从而满 足数控系统控制精度和实时性方面的要求。同时，又可以充分利用标准l i n u x 所拥 有的强大的非实时服务资源。这样，数控系统的开发者可以很方便地实现多线程、 图形和网络通信地功能，把更多的时间和精力用于加减速控制、动态误差补偿等 数控核心技术的开发中2 2 2 3 1 州。 采用r t l i n u x 作为数控系统的软件开发平台的另一个优势是r t l i n u x 的开源 特点。首先，由于r t l i n u x 的源代码完全开放，选择r t l i n u x 作为开发平台，可 以从根本上掌握核心技术，获得自主知识产权，打破国外的技术垄断。其次，世 界上有许多软件开发工作者和爱好者都在不停的完善l i n u x 系统，提高系统的稳定 性，丰富系统的功能，他们形成了一个具有良好氛围的开发社区。在大量开发工 作者不断的努力下，支持l i n u x 系统的应用软件层出不穷，并且大多数都是开源的 9 软件，这使得开发过程变的更加便利。由于r t l i n u x 良好的开放性和优秀的实时 多任务能力，使r t l i n u x 非常适合作为数控系统的软件开发平台。 1 5本课题的主要内容 本课题研究丌发的是基于r t l i n u x 的p c b 钻床的开放式数控系统。本课题的 主要研究内容有： ( 1 ) 在对d o s 、w i n d o w s 和r t l i n u x 作为数控系统软件开发平台的优劣进行 了深入的分析和比较的基础上，对r t l i n u x 的实现原理进行了进一步的研究，阐 述了r t l i n u x 的任务调度策略以及调度过程。同时，就在r t l i n u x 环境下进行软 件开发所应用到的一些关键技术进行了进一步的分析与研究。 ( 2 ) 基于r t l i n u x 的p c b 钻床数控系统软件结构框架的搭建。根据r t l i n u x 的特点，针对p c b 数控钻床的工作特性对数控系统的软件结构进行规划。其中， 包括系统各个模块的划分，模块之间通信方式的确定，制定系统整体工作时序等 问题。 ( 3 ) 系统各模块功能的实现。在r t l i n u x 平台下，采用c 语言实现系统各实 时模块，如速度规划、插补等。在l i n u x 平台下，采用c + + 语言和q t q w t 库实 现系统各非实时模块，包括文件管理、译码、图形显示、路径优化模块。 ( 4 ) 为了提高钻床的加工效率，针对p c b 加工特性，建立了钻床刀具加工路 径数学模型，并采用遗传算法对钻头走刀路径进行了优化。并对算法中变异算子 和变异概率对优化结果的影响进行了进一步讨论。 ( 5 ) 通过加工实例进一步说明了本数控系统的各项功能模块，并给出了系统 应用的各项配置及性能参数。 1 0 2r t l i n u x 特征及软件开发关键技术 实时性和多任务处理能力是数控系统要求操作系统的两个基本特征。在实时 系统中，仅仅得到正确的输出是不够的，系统的输出还要被严格的限制在一定的 时间间隔内。比如，数控系统中的插补、位置控制等任务模块需要不停的周期性 调用，并严格遵守各自的运行周期。所以，一个实时系统是可以预知的，各个任 务模块必须满足自己的调用周期。非实时系统所采用的一些技术会严重的影响实 时性，例如虚拟内存、屏蔽中断等。而r t l i n u x 则很好的解决了这些问题，并能 保证充分利用c p u 的资源。 2 1r t l i n u x 的实现原理 r t l i n u x 并没有去修改标准l i n u x 内核代码使其具有实时性，而是在硬件层与 标准l i n u x 内核之问创建了一个独立于标准l i n u x 内核的，带有调度功能的 r t l i n u x 实时内核。标准内核作为后台任务与其他实时任务共同分享c p u 的资源， 换句话说，只有当实时任务不运行的时候，c p u 才会分配给标准l i n u x 内核。像 许多其他操作系统一样，为了获得同步的操作l i n u x 有