多轴联动电火花加工数控系统开发

第16卷第2阶段计算机集成制造系统第16卷第22010年2月计算机集成制造系统2010年2月货号33361006-5911 (-0372-08)接收日期：修订日期：2009年2月6日收到；2009年接受20J杂志。国家863计划(2009年)资助项目：重点项目。国家高技术支持项目：研发项目，中国2不适用(编号2009AA)作者简介：黄海鹏(1981-，男，黑龙江省哈尔滨市人，哈尔滨工业大学机电工程学院博士生，主要从事多轴联动电火花数控技术的研究。E 2mail :haipengh .多轴联动电火花加工数控系统的开发黄海鹏1名，池莉1名，1名，2名，陈继伦2名，2名(1)黑龙江省哈尔滨市哈尔滨工业大学机电工程学院；2.首都航空航天机械公司，北京文摘：为加工复杂几何结构或难加工材料的零件，开发了多轴联动电火花加工数控系统。为了提高系统的实时性、稳定性和可靠性，采用了2Linux技术，并提出了双核结构的概念来分别处理实时任务和非实时任务。建立的数控系统由实时控制模块、驱动模块、用户管理模块和模块间通信组成。提出线程承载方法解决实时任务间的协调控制问题，提出循环选择方法解决任务调度问题。提出了一种平面两轴联动插补推导方法，构建了一种适用于电火花加工机床的多轴联动插补控制算法；提出了一种内存映射方法，构建硬件实时驱动模式，提高系统驱动的实时性；提出了一种线程处理器模式，构建用户管理模块，使复杂的管理任务清晰易管理；选择了最佳的通信模式，提高了数控系统的实时性。开发了五轴联动电火花加工数控系统，并利用该系统进行了整体涡轮盘的加工实验。实验结果表明，该系统实时性强，稳定性好，可靠性高。关键词：多轴联动；电火花加工；数控系统；图分类号：T G 661文件标识码：A多轴电火花加工数控系统的开发华南海2鹏1关2合1西九龙镇2龙1风扇2英寸2米C H EN J i 2l un 2郑汉坤2(1。哈尔滨工业大学机电工程学院，哈尔滨，中国；2.中国北京首都航空航天机械公司文摘：为加工几何形状复杂或硬材料零件，开发了一种新型多轴电火花加工计算机数控系统。为了增强系统的实时性、稳定性和可靠性，基于2Linux，提出了双核结构，分别实现实时任务和分时任务。数控系统由实时控制模块、驱动模块、数控用户模块和模块间通信组成。为了解决实时任务的协同控制问题，提出了线程2排序法。提出了循环二次选择法来解决调度问题，提出了二次规划推导法来构造多轴插值算法。为了增强驾驶员的实时性，提出了记忆2应用方法。为了简化管理任务，线程2pro 2cessor模式得到了改进。为了增强系统的实时性，采用了最佳的通信方式。开发了五轴电火花加工数控系统，并进行了涡轮叶盘加工实验，验证了该系统的性能。实验结果表明，该系统稳定可靠，实时性好。K ey w ords :multi 2axis电火花加工；计算机数控系统；2Linux技术黄海鹏等：多轴联动电火花数控系统二期开发介绍随着电火花加工技术的发展，多轴联动电火花加工已成为加工复杂几何结构或材料难以加工的零件的主要方法，广泛应用于军事、航空、航天等领域1。特别是在航空航天发动机涡轮盘的加工中，多轴联动电火花加工已成为国内唯一可靠的加工方法。然而，由于多轴联动电火花机床的特殊用途，国外一直对中国采取禁运措施，而由于生产的需要，中国一直从第三国间接进口。这不仅增加了成本，而且极大地限制了购买自由、软件升级、售后服务和关键技术。自主研发多轴联动电火花数控系统，对于打破国外垄断，促进我国航天和国防工业的发展具有重要意义。目前，我国还没有开发出能够真正应用于生产实践和生产的四轴以上联动电火花数控系统。多轴联动电火花加工数控系统的开发应遵循实时性、稳定性和可靠性三个基本原则223，其中系统的实时性是主要部分。数控系统需要在第一时间向外部设备发送控制命令，驱动设备执行指定的操作，在第一时间接收外部中断信息，采集外部加工状态，调整机床的运行，保证加工的稳定。实时性强的系统可以保证加工的正确、高效、高质量和高成功率。实时性差的系统经常会导致放电状态不稳定，如短路和电弧放电，从而降低放电效率，影响加工质量，甚至损坏工件或电极。电火花加工是一个非常耗时的过程，要求系统具有长期稳定加工的能力，并能始终保证加工的一致性和准确性。在整个加工过程中，系统应始终保证可靠的加工，不会因自身缺陷而影响加工。Linux因其源代码的开放性、健壮性和稳定性而得到业界的认可，并在业界得到了广泛的应用。Linux是自由软件，源代码是完全开放的。在Linux平台上开发数控系统对于开发具有自主版权的数控系统更具实用性。作为Linux的实时扩展4，T2 Linux具有稳定且近乎完美的实时性能，支持多线程操作，具有硬实时性能，中断频率几乎可以达到硬件极限5。它已经应用于许多对实时性能要求非常严格的场合，例如美国阿拉巴马大学的无人驾驶飞行器。清华大学的VACS(虚拟轴控制系统)、华中科技大学、北京航空航天大学和华南理工大学也提出了基于T2Linux的开放式软件数控系统模型6。在多轴联动电火花数控系统开发中应用R T2Linux技术可以很好地解决系统的实时性问题，提高系统的实时性，增强系统的稳定性和可靠性。用Linux和T2Linux开发数控系统既便宜又有竞争力7。通过文献综述，目前国外还没有将R T2Linux技术应用于多轴联动电火花加工数控系统开发的相关报道。1基于RT2Linux的多轴联动电火花加工数控系统双核结构111 RT2Linux简介T2Linux是Linux系统的硬实时扩展。其操作机制是在Linux内核和外部硬件之间添加一个虚拟层，以构建一个小的、可预测的、时间分离的实时内核，即R T2Linux内核，如图1所示。T2Linux内核直接控制硬件，而原来处于主要控制位置的Linux内核成为T2Linux内核的控制对象，即它是实时内核下优先级最低的进程，可以在任何时候被实时进程抢占8。T2Linux内核将Linux内核和硬件中断的直接联系分开，在Linux内核之前拦截硬件中断，因此Linux内核不能真正禁止硬件中断，也不能延长实时系统的中断响应时间。当T2Linux内核接收到与实时处理相关的硬中断时，立即执行相应的实时中断服务程序；另一方面，当接收到与实时处理无关的中断时，相应的信息被保存，直到T2Linux内核空闲，并通过软中断传输到Linux内核进行处理。这确保了实时任务可以被系统响应，然后在第一时间被处理，并且不受其他非实时任务的干扰。112数控系统的双核结构数控系统需要处理大量复杂的任务。如何协调各种任务的处理顺序，使它们不相互干扰是一个问题。373计算机集成制造系统第16卷通常难以解决的问题。该系统将所有任务分为实时任务和非实时任务，并提出双核结构的概念来处理这两类任务。数控系统的双核结构如图2所示，其体系结构从宏观上分为实时部分和非实时部分。实时部分包括实时控制模块和驱动模块。这两个模块以软件包的形式加载到r2linux内核中，并由r2linux内核控制。非实时部分是由Linux内核控制的用户管理模块。这三个模块通过通讯和控制结合在一起，形成一个有机的整体来控制电火花机床的运行。实时控制模块由实时任务、任务调度和多轴联动插补控制算法组成，对实时性要求很高。它以软件的形式实现了数控控制器的功能，可以实现电火花机床的运动控制。驱动模块相当于设备的驱动层，由电火花加工机床的各种专用硬件驱动组成。为了实现机床的功能，增加了电火花机床专用硬件，包括伺服控制卡、脉冲电源等。用户管理模块以图形用户界面的形式面向用户，主要用于人机交互。界面，用户可以通过界面上提供的各种功能模块完成人机交互。当系统运行时，当用户管理模块发送任务命令时，数控系统首先判断该任务是实时内核任务还是非实时任务。如果是实时任务，系统会将其转移到实时控制模块，该模块调用自己的实时线程对其进行处理。如果任务需要与外部硬件交互，实时控制模块与驱动模块通信。如果任务不是实时任务，系统将把它交给Linux内核进行处理。实时任务的优先级高于任何非实时任务。当一个实时任务到达时，所有正在运行的非实时任务必须移交使用处理器的权利，而处理器反过来处理实时任务任务。当实时任务完成时，处理器接着处理被中断的非实时任务。2数控系统模块的构建与通信实时控制模块、驱动模块、用户管理模块以及三个模块之间的通信构成了整个多轴联动电火花加工数控系统。211实时控制模块实时控制模块包括实时任务、任务调度和多轴联动插补控制算法。21111实时任务实时控制模块包括十个实时任务。为了解决任务间的协调控制问题，提出了一种线程承载方法来执行这些任务。根据实时任务各自的属性和功能，许多任务被分成三类，每一类都创建一个实时线程作为执行的载体(如图3所示)。用户命令响应线程(单任务线程执行用户命令接收任务；执行线程(多任务线程，即在这三个线程中，执行线程具有最高优先级，检测线程具有第二优先级，用户命令响应线程具有最低优先级。三个线程共享一个时间片，每个线程在运行过程中的特定时刻会休眠一段时间，释放该时间片供其他线程运行，从而保证执行线程在运行过程中不会受到其他线程的干扰，并能在需要获取所需信息时及时与其他线程通信；监控线程可以实时监控外部硬件的输入状态，并实时保存和更新，供其他线程读取。用户命令响应线程可以实时响应用户管理模块发送给实时控制模块的信息473黄海鹏等：多轴联动电火花加工数控系统第二阶段开发任务命令，保存命令信息供执行线程读取。21112任务调度由于执行线程负责多个实时任务的执行，为了保证实时任务命令能够快速唤醒相应的实时任务，并且任务在工作过程中不受其他任务的干扰，提出了一种任务调度的循环选择方法，如图4所示。执行线程首先执行命令读取任务