0 引言

　　為了提高對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的適應(yīng)性，滿(mǎn)足快速多變的市場(chǎng)需求，近年來(lái)全球機(jī)床制造業(yè)都在積極探索和研制新型的制造設(shè)備與系統(tǒng)，其中在結(jié)構(gòu)技術(shù)上的突破性進(jìn)展當(dāng)屬20世紀(jì)90年代問(wèn)世的并聯(lián)機(jī)床。由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有模塊化程度高、剛度質(zhì)量比大、速度快、造價(jià)低、功能多元化等優(yōu)點(diǎn)，在誕生之際即被業(yè)界譽(yù)為“21 世紀(jì)的新一代數(shù)控加工設(shè)備”。并聯(lián)數(shù)控裝備的最大特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而控制復(fù)雜，而且不同構(gòu)型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)逆解方程和結(jié)構(gòu)參數(shù)不盡相同，這對(duì)控制系統(tǒng)的靈活性和開(kāi)放性提出了極高要求。由于在控制原理上存在較大差異，基于傳統(tǒng)串聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)無(wú)法直接應(yīng)用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)這類(lèi)獨(dú)特的場(chǎng)合，因而研制高性能、開(kāi)放式的并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，對(duì)進(jìn)一步促進(jìn)這類(lèi)新型數(shù)控裝備的實(shí)用化具有十分重要的意義。

　　本文針對(duì)并聯(lián)機(jī)床的控制要求和特點(diǎn)，提出采用全數(shù)控軟件化集成式的數(shù)控結(jié)構(gòu)來(lái)建造并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)?；谶@一設(shè)計(jì)思想，搭建了“IPC+通用接口板”的開(kāi)放式硬件平臺(tái)，選擇RTLinux 系統(tǒng)作為底層實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了全數(shù)控軟件數(shù)控系統(tǒng)。

1 數(shù)控軟件

　　目前，基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)模式可概括為以下四種結(jié)構(gòu)：數(shù)控加PC 前端的衍生式、PC 加實(shí)時(shí)控制單元的嵌入式、數(shù)字化分布式以及數(shù)控軟件化集成式。隨著計(jì)算機(jī)工業(yè)的飛速發(fā)展，速度更快，更穩(wěn)定，功能更強(qiáng)大的軟硬平臺(tái)相繼出現(xiàn)，為開(kāi)放式數(shù)控提供了更為廣闊的發(fā)展空間，由此集成式數(shù)控軟件數(shù)控這一全新的數(shù)控概念應(yīng)運(yùn)而生。所謂全數(shù)控軟件數(shù)控，是指數(shù)控系統(tǒng)的所有功能如系統(tǒng)管理、實(shí)時(shí)插補(bǔ)、伺服控制、電源控制以及機(jī)床邏輯控制等全部集中于PC機(jī)以數(shù)控軟件的形式完成，通過(guò)非常簡(jiǎn)單的外圍接口實(shí)施控制。這類(lèi)系統(tǒng)已完全可以看作通用計(jì)算機(jī)主流操作系統(tǒng)之上的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用數(shù)控軟件(設(shè)備的數(shù)控結(jié)構(gòu)可以最大限度地利用PC 豐富的軟硬件資源，并徹底消除了系統(tǒng)各組成單元和模塊間的通訊瓶頸，并且所有的底層核心全面開(kāi)放，屬于真正意義上的開(kāi)放。由于實(shí)現(xiàn)了NC 內(nèi)核的全面開(kāi)放，用戶(hù)可根據(jù)各種并聯(lián)構(gòu)型特點(diǎn)定制相應(yīng)的核心控制策略，從而能夠給予系統(tǒng)更大的性能空間，使并聯(lián)數(shù)控裝備在速度和精度上的優(yōu)勢(shì)潛力得以充分發(fā)揮。

2 RTLinux操作系統(tǒng)

　　全數(shù)控軟件數(shù)控系統(tǒng)可以看作是運(yùn)行于通用操作系統(tǒng)之上的一種應(yīng)用數(shù)控軟件，與其它應(yīng)用數(shù)控軟件的不同特點(diǎn)在于它是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)多任務(wù)控制系統(tǒng)，因而對(duì)數(shù)控軟件平臺(tái)有嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)的通用操作系統(tǒng)平臺(tái)如DOS/Windows/ Windows NT 等本身的開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性和功能有限，大大限制了數(shù)控系統(tǒng)的功能和靈活性。近年來(lái)，Linux系統(tǒng)由于源代碼完全開(kāi)放，內(nèi)存不受限制、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的關(guān)注。RTLinux是基于Linux系統(tǒng)并可運(yùn)行于多種硬件平臺(tái)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它以通用操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，在同一操作系統(tǒng)中既提供嚴(yán)格意義上的實(shí)時(shí)服務(wù)，又提供標(biāo)準(zhǔn)的POSIX(可移植的操作系統(tǒng)接口)服務(wù)。通過(guò)修改Linux 內(nèi)核的硬件層，采用中斷仿真技術(shù)，在內(nèi)核和硬件之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小而高效的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上形成了小型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而Linux 內(nèi)核僅作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行，因此系統(tǒng)擁有出色的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，為開(kāi)發(fā)高性能的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)提供了理想的系統(tǒng)平臺(tái)。

3 軌跡插補(bǔ)

　　對(duì)于傳統(tǒng)機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，被插補(bǔ)曲線(xiàn)的離散點(diǎn)序與伺服電機(jī)的控制量之間有著簡(jiǎn)單直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。而并聯(lián)機(jī)床刀具在操作空間的運(yùn)動(dòng)與關(guān)節(jié)空間伺服電機(jī)控制量之間存在非線(xiàn)性的映射關(guān)系。因此需要調(diào)用逆解模型，將CAM 模型提供的操作空間運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)，才能驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)床實(shí)現(xiàn)期望運(yùn)動(dòng)。由于這一特點(diǎn)，并聯(lián)機(jī)床采用的插補(bǔ)策略與傳統(tǒng)機(jī)床有重大區(qū)別。

　　在以“PC+ 多軸運(yùn)動(dòng)控制器”為硬件平臺(tái)的并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中采用的是二次插補(bǔ)策略，即粗插補(bǔ)和細(xì)插補(bǔ)分開(kāi)進(jìn)行，由主機(jī)將操作空間中的軌跡段在時(shí)間軸上進(jìn)行離散，然后調(diào)用位置、姿態(tài)和速度逆解模型，對(duì)操作空間中的離散點(diǎn)序進(jìn)行反演，生成各關(guān)節(jié)空間中的離散點(diǎn)，最后送入多軸運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行細(xì)插補(bǔ)。由于運(yùn)動(dòng)控制器提供的插補(bǔ)周期一般都在10ms左右，為了保證加工精度，必須對(duì)進(jìn)給速度進(jìn)行限制，導(dǎo)致機(jī)床只能在中低速場(chǎng)合下運(yùn)行。

在全數(shù)控軟件數(shù)控系統(tǒng)中，利用數(shù)控軟件控制的靈活性實(shí)現(xiàn)粗精插補(bǔ)合一，即采取直接插補(bǔ)的策略，將插補(bǔ)周期大大縮短(1至2ms)，從而顯著提高進(jìn)給速度和加工精度。其具體步驟如下：

　　● 首先根據(jù)插補(bǔ)周期，將操作空間中的軌跡段在時(shí)間軸上進(jìn)行細(xì)化，并根據(jù)系統(tǒng)加速度要求，插入若干速度過(guò)渡段，一次性完成插補(bǔ)工作。

　　● 調(diào)用位置、姿態(tài)和速度逆解模型，對(duì)操作空間中的離散點(diǎn)序進(jìn)行反演，生成各關(guān)節(jié)空間中的微小進(jìn)給段。

　　● 將計(jì)算結(jié)果輸送至位置控制模塊，通過(guò)伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)走出希望軌跡。

4 基于RTLinux的數(shù)控軟件數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　RTLinux 系統(tǒng)提供了搶占式多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，并將系統(tǒng)分為實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域兩部分，實(shí)時(shí)性要求較低的任務(wù)可置于非實(shí)時(shí)域中運(yùn)行，實(shí)時(shí)性要求較高的任務(wù)置于實(shí)時(shí)域中運(yùn)行。而RTLinux 實(shí)現(xiàn)多任務(wù)調(diào)度主要通過(guò)兩種方式：多進(jìn)程和多線(xiàn)程。進(jìn)程擁有自己獨(dú)立的運(yùn)行環(huán)境(寄存器和地址空間等)，而線(xiàn)程是一個(gè)進(jìn)程中的一個(gè)執(zhí)行分支，各線(xiàn)程從屬于同一進(jìn)程，共享同一地址空間。RTLinux 系統(tǒng)允許多個(gè)線(xiàn)程并行執(zhí)行，并采用CPU 的時(shí)間分片和基于優(yōu)先級(jí)的調(diào)度策略實(shí)現(xiàn)多線(xiàn)程調(diào)度，因而大大提高了系統(tǒng)和程序的運(yùn)行性能。

　　在本系統(tǒng)中，利用RTLinux提供的多線(xiàn)程技術(shù)，通過(guò)為數(shù)控系統(tǒng)每個(gè)任務(wù)創(chuàng)建一個(gè)線(xiàn)程，由系統(tǒng)對(duì)各線(xiàn)程的運(yùn)行進(jìn)行協(xié)調(diào)切換，很好地解決了系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度問(wèn)題。按實(shí)時(shí)性要求將數(shù)控系統(tǒng)的操作任務(wù)進(jìn)行了劃分。

　　(1) 總體控制任務(wù)：作為系統(tǒng)調(diào)度的核心，對(duì)各任務(wù)模塊進(jìn)行統(tǒng)一的管理，協(xié)調(diào)各任務(wù)的高效運(yùn)行。該任務(wù)放在RTLinux 系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)域內(nèi)運(yùn)行。

　　(2) 人機(jī)界面管理任務(wù):根據(jù)用戶(hù)的操作或總體控制任務(wù)發(fā)來(lái)的信息在屏幕上完成相應(yīng)的坐標(biāo)顯示、狀態(tài)顯示、軌跡仿真、菜單和對(duì)話(huà)框顯示、程序編輯、參數(shù)設(shè)定、文件管理等子任務(wù)。這些任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求不高，將這些功能模塊放在RTLinux 系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)域內(nèi)運(yùn)行。

　　(3) 軌跡規(guī)劃任務(wù):接收到系統(tǒng)發(fā)出的運(yùn)行指令后，對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，包括代碼解釋、刀具補(bǔ)償、速度過(guò)渡、虛實(shí)變換等子任務(wù)。這些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，因此將這些功能模塊放在RTLinux系統(tǒng)的非實(shí)時(shí)域內(nèi)運(yùn)行，并將其優(yōu)先級(jí)設(shè)為最高。

　　(4) 運(yùn)動(dòng)控制任務(wù): 系統(tǒng)完成底層控制的核心單元。包括軌跡插補(bǔ)、主軸控制、實(shí)軸伺服控制、I/O控制、狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集幾項(xiàng)子任務(wù)。這些任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求最高，因而將這些功能模塊放在RTLinux 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)域內(nèi)運(yùn)行。

圖2 系統(tǒng)數(shù)控軟件結(jié)構(gòu)圖

　　在數(shù)控軟件設(shè)計(jì)中，數(shù)控系統(tǒng)以上四個(gè)主要任務(wù)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的四個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程中又由不同線(xiàn)程以實(shí)現(xiàn)不同的子任務(wù)。系統(tǒng)運(yùn)行期間，上述四個(gè)進(jìn)程始終處于并行運(yùn)行狀態(tài)，人機(jī)界面管理、軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)程由總體控制進(jìn)程統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)度，通過(guò)消息觸發(fā)與總體控制進(jìn)程實(shí)現(xiàn)交互，并根據(jù)系統(tǒng)的操作需求在進(jìn)程內(nèi)部創(chuàng)建和終止相應(yīng)的線(xiàn)程(子任務(wù))。圖2示出了實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度的數(shù)控軟件結(jié)構(gòu)圖。

　　在這種體系結(jié)構(gòu)中，各功能模塊間已不是傳統(tǒng)的調(diào)用與被調(diào)用的關(guān)系，每一模塊都是獨(dú)立的線(xiàn)程，一經(jīng)創(chuàng)建，便獨(dú)立運(yùn)行于系統(tǒng)中，各線(xiàn)程具有不同的狀態(tài)屬性以及對(duì)不同時(shí)間、事件的響應(yīng)策略。這樣，系統(tǒng)的四個(gè)進(jìn)程以及進(jìn)程內(nèi)部各線(xiàn)程既獨(dú)立并行運(yùn)行，又相互協(xié)調(diào)配合，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。

5 結(jié)論

　　由于并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軌跡控制與傳統(tǒng)機(jī)床不同，因此要解決其系統(tǒng)開(kāi)放性的問(wèn)題，必須采用NC 內(nèi)核的開(kāi)放，全數(shù)控軟件數(shù)控則是實(shí)現(xiàn)NC 內(nèi)核開(kāi)放的最為有效的途徑。本文研究了全數(shù)控軟件數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)造的理論和方法，以高性能PC 為硬件平臺(tái)，基于RTLinux 操作系統(tǒng)和C 語(yǔ)言為數(shù)控軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了全數(shù)控軟件化的并聯(lián)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。