0 引言

　　隨著世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的全球化，制造業(yè)市場競爭日益加劇，新產(chǎn)品上市周期大為縮短，用戶需求也趨于多樣化、個性化，對計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)(CNC)提出了必須向開放式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化趨勢。自20世紀(jì)90年代開始，美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家或地區(qū)已開始了開放式結(jié)構(gòu)控制器的研究，并分別提出了OMAC(Open Modular Architecture Controller)、OSACA(OpenSystem Architecture for Control within Automation)、OSEC(Open System Environment for Controller)幾個標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。我國從2003年開始實施oNC《開放式數(shù)控系統(tǒng)總則》國家標(biāo)準(zhǔn)。開放式CNC大多采用基于通用PC機(jī)(或工控機(jī))和數(shù)控(NC：NumericalContr01)專用模塊的主從式結(jié)構(gòu)㈣。NC模塊采用通用微處理器或數(shù)字信號處理器(DSP：Digital SignalProcessor)實現(xiàn)，主要運行以坐標(biāo)軸運動為主的強(qiáng)實時控制，而上位機(jī)主要運行弱實時性及非實時性任務(wù)。隨著高性能嵌入式計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了面向32位及以上的嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS：RealTime Operating System)，為實現(xiàn)高可靠性、低成本的開放式數(shù)控系統(tǒng)提供了條件。目前CNC正在從基于PC的開放式控制系統(tǒng)向32位及以上的高性能實時嵌入式控制系統(tǒng)方向發(fā)展，基于uC／OS、RTLinux、Windows CE等實時操作系統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)越來越受到相關(guān)公司和科研院所的重視。Windows CE并不是Windows桌面操作系統(tǒng)的縮減版本，是微軟全新設(shè)計的針對嵌入式系統(tǒng)市場的部分源代碼開放的、模塊化的、搶先式多任務(wù)32位嵌入式操作系統(tǒng)。相對于DOS，Windows CE是運行于保護(hù)模式的多線程操作系統(tǒng)，其內(nèi)存保護(hù)功能滿足了數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相對于Windows桌面操作系統(tǒng)Windows CE是嵌入式實時操作系統(tǒng)，能夠快速響應(yīng)和調(diào)度外部中斷，可以滿足數(shù)控系統(tǒng)的弱實時任務(wù)以及非實時任務(wù)。

　　伴隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，運動控制硬件方面也已經(jīng)從以單片機(jī)和微處理器作為核心處理器及專用芯片(ASIC：Application Specific IntegratedCircuits)作為協(xié)處理器發(fā)展到采用基于計算機(jī)總線的以DSP(Digital Signal Processor)和FPGA(FieldProgrammable Gate Array)技術(shù)來研發(fā)運動控制設(shè)備。

　　本文采用嵌入式計算機(jī)+運動控制設(shè)備的上下位機(jī)方式來構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)，上位機(jī)采用Windows CE嵌入式系統(tǒng)來進(jìn)行系統(tǒng)的管理、弱實時任務(wù)的調(diào)度，下位機(jī)采用自行開發(fā)的基于DSP&FPGA的運動控制器來調(diào)度運動控制為主的強(qiáng)實時控制任務(wù)．研究并實現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件搭建以及數(shù)控軟件系統(tǒng)開發(fā)的核心問題，包括數(shù)控代碼智能解釋器的原理與實現(xiàn)，數(shù)控代碼二三維仿真的原理與實現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)實時調(diào)度的分析。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

　　按照我國國家標(biāo)準(zhǔn)《開放式數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)》的要求：系統(tǒng)平臺必須支持ONC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性：互換性、伸縮性、互操作性和可移植性，把數(shù)控系統(tǒng)劃分為三個層次：管理顯示層，數(shù)據(jù)控制層，支撐設(shè)備層。管理顯示層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的顯示(如實時坐標(biāo)更新顯示、刀補(bǔ)數(shù)據(jù)顯示、工藝參數(shù)顯示、I／O狀態(tài)的顯示)以及故障診斷；數(shù)據(jù)控制層負(fù)責(zé)整個數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，如數(shù)控代碼的編輯及編譯、數(shù)控代碼的二維及三維仿真、刀具的長度及半徑補(bǔ)償、直線和圓弧插補(bǔ)的計算、主軸啟動和終止、冷卻液和潤滑液的開啟和關(guān)閉等，并且根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級別進(jìn)行實時的調(diào)控，以滿足數(shù)控系統(tǒng)實時性的要求；支撐設(shè)備層主要針對于物理設(shè)備，如自行開發(fā)設(shè)計的I／O硬件、自行開發(fā)設(shè)計的可重構(gòu)的運動控制硬件、嵌入式式計算機(jī)以及相關(guān)的外設(shè)、板卡及接口等。整個系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

　　圖2是自行設(shè)計的三軸數(shù)控實驗平臺。三個運動軸由伺服電機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿實現(xiàn)直線位移，模擬主軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動工作方式。CNC采用通過PC 104總線在嵌入式單板計算機(jī)(SBC)上堆插DSP運動控制卡和10卡的主從式結(jié)構(gòu)。DSP運動控制卡負(fù)責(zé)計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的實時運動控制，I／O卡負(fù)責(zé)數(shù)控系統(tǒng)的輔助設(shè)備控制和手輪脈沖計數(shù)等功能。嵌入式單板計算機(jī)運行Windows CE RTOS(使用電子盤方式)，該測試平臺配以所開發(fā)出的可重配置數(shù)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)對獨立運動軸／主軸的控制、二軸聯(lián)動、三軸聯(lián)動數(shù)控車床、銑床等種多數(shù)控機(jī)床或運動控制平臺的模擬測試。

圖2 CNC硬件平臺

2 數(shù)控代碼智能編譯及仿真

　　數(shù)控系統(tǒng)以代碼為依據(jù)進(jìn)行數(shù)控加工，數(shù)控代碼是數(shù)控系統(tǒng)中的主要信息流，代碼編譯是把數(shù)控代碼最終轉(zhuǎn)化為數(shù)控系統(tǒng)能正確識別的信息，如脈沖量等。為了更好的驗證數(shù)控代碼的準(zhǔn)確性，確保在加工過程中不會出現(xiàn)誤切、干涉等現(xiàn)象，在實際加工前針對數(shù)控代碼進(jìn)行仿真，查看加工過程中的刀具軌跡位置點是否正確，查看加工后的效果圖是否和零件圖一致。因此數(shù)控系統(tǒng)中數(shù)控代碼的編譯和仿真是極為重要的功能模塊，也成為數(shù)控領(lǐng)域的研究熱點。文獻(xiàn)闡述了借助于LEX&YACC詞法語法分析工具來開發(fā)基于Windows的數(shù)控代碼編譯器，張承瑞等提出一個Linux下自主開發(fā)數(shù)控代碼解釋器的方案。數(shù)控代碼的仿真主要有兩種形式：幾何仿真和物理仿真，幾何仿真不考慮切削參數(shù)、切削力以及其它物理因素的影響，只仿真刀具與工件幾何體的運動，以驗證NC程序的正確性。而力學(xué)仿真屬于物理仿真范疇，它通過仿真切削過程的動態(tài)力學(xué)特性來預(yù)測刀具破損、刀具振動、控制切削參數(shù)，從而達(dá)到優(yōu)化切削過程的目的。在Windows桌面系統(tǒng)中，應(yīng)用OpenGL技術(shù)路線實現(xiàn)數(shù)控代碼三維幾何仿真在文獻(xiàn)中都有闡述。

　　由于Windows CE采用了Unicode字符等原因，LEX&YACC等工具在Windows CE平臺下不能使用。本文所開發(fā)的數(shù)控車床系統(tǒng)，采取了基于編譯原理技術(shù)開發(fā)NC代碼編譯器。編譯器包含了詞法分析、語法分析、查錯處理、代碼轉(zhuǎn)換等功能模塊。建立好NC代碼的詞法規(guī)則，即可對代碼第一次掃描時進(jìn)行詞法分析，無誤后，再進(jìn)行語法分析。語法分析是整個代碼編譯的核心模塊，首先根據(jù)正規(guī)文法((3型文法)來制定NC代碼的EBNF表示形式。如：<準(zhǔn)備功能>：：=G<1&mdash;2位數(shù)字>，<輔助功能>：：=M<1-2位數(shù)字>，<進(jìn)給速度>：：=F<數(shù)字>，<主軸功能>：：=S<1&mdash;4位數(shù)字>，<刀具功能>：：=T<1&mdash;2位數(shù)字>。在詞法和語法分析的過程中，一旦發(fā)現(xiàn)有錯誤或者異常，編譯器能及時提示，甚至能智能的提醒用戶如何更正錯誤的代碼。編譯器由于是自主研發(fā)，具備了高效率、方便擴(kuò)展的要求，符合數(shù)控系統(tǒng)實時、開放的標(biāo)準(zhǔn)。例在數(shù)控車床系統(tǒng)中復(fù)合固定循環(huán)是用戶使用最多的編程方式，如G71軸向粗車復(fù)合循環(huán)中，通過N(ns)和N(ne)來指定循環(huán)的起始和結(jié)束程序段的順序號，在G70精加工循環(huán)指令中，G70P(ns)Q(nf)通過ns和nf來指定欲精加工的程序段。圖3說明了本系統(tǒng)中對于G71、G70復(fù)合循環(huán)指令程序段指定不一致時的報錯提示。

圖3數(shù)控代碼編譯報錯圖

　　本文的數(shù)控代碼仿真是采用幾何仿真，具備二維刀具軌跡仿真和三維加工后效果仿真功能。對于數(shù)控車床的復(fù)合固定循環(huán)，在代碼編譯階段通過獲取循環(huán)的起始行號和終止行號來確定整個循環(huán)體，再根據(jù)進(jìn)刀量、退刀量、零件圖尺寸等參數(shù)根據(jù)自行設(shè)計的算法把整個循環(huán)加工的刀具軌跡點計算出來。二維刀具軌跡仿真采用Bresenham算法生成直線和圓弧，來仿真直線插補(bǔ)和圓弧的插補(bǔ)過程，圖4為二維刀具軌跡圖。三維效果仿真是采用Directx3D作為編程的接口，Directx3D是Microsoft公司為其在Windows系統(tǒng)上運行交互式三維圖形程序而開發(fā)的一組編程接口，它是連接硬件、程序員和軟件用戶的橋梁。每個Directx3D部件都是用戶可調(diào)用的API總和，通過它應(yīng)用程序可以直接訪問計算機(jī)的硬件。在Windows CE操作系統(tǒng)定制時，把Directx3D部分定制進(jìn)入操作系統(tǒng)內(nèi)核NK，并生成相應(yīng)硬件的SDK，然后應(yīng)用eMbedded Visual C++4.0開發(fā)工具進(jìn)行3D等應(yīng)用程序開發(fā)。本論文的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用Windows CE作為嵌入式操作系統(tǒng)，因此應(yīng)用Directx3D技術(shù)作為支撐來實現(xiàn)零件的三維效果幾何仿真比較方便。

圖4二維刀具軌跡圖

　　三維仿真前，首先把編譯后沒有錯誤的數(shù)控代碼保存在一個特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中(如鏈表或數(shù)組)，然后根據(jù)數(shù)控代碼提取出的零件圖形信息建立零件的幾何模型。在數(shù)控車中，零件的基本形狀主要由圓柱體、圓臺以及圓錐等基本三維圖元體組合構(gòu)成。在實體建模的過程中，會用到世界變換、視角變換和投影變換等矩陣運算。根據(jù)真實感圖形的需要，建模好后的實體可以添加燈光、顏色等效果，甚至可以貼上表面紋理。整個開發(fā)流程如圖5所示。圖6為零件加工效果圖。

圖5 Directx3D開發(fā)流程

圖6三維零件效果圖

3 CNC實時可調(diào)度性分析

　　實時系統(tǒng)是指一個能夠在事先指定或在運行時確定的時間內(nèi)完成系統(tǒng)功能和對外部或內(nèi)部、同步或異步事件、時間做出響應(yīng)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的正確性不僅僅依賴于計算的邏輯結(jié)果，而且還依賴于計算結(jié)果產(chǎn)生的時間。數(shù)控系統(tǒng)作為實時系統(tǒng)，對其任務(wù)進(jìn)行調(diào)度的目的就是得到一個多任務(wù)的最佳執(zhí)行順序，當(dāng)它們按照此順序執(zhí)行時能滿足它們各自的時間約束條件，使得每個任務(wù)(硬實時任務(wù))能夠在其期限內(nèi)完成數(shù)控系統(tǒng)中根據(jù)不同的任務(wù)實時性一般分為：實時突發(fā)任務(wù)(如急停)，硬實時周期性任務(wù)(如數(shù)值插補(bǔ)、加減速控制)，軟實時周期性任務(wù)(如數(shù)控代碼編譯、運行)，非實時任務(wù)等(如數(shù)控代碼編輯)。本文所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)采用的是主從式結(jié)構(gòu)，數(shù)控系統(tǒng)操作面板操作由C51單片機(jī)產(chǎn)生，通過RS232串口通訊協(xié)議傳送至面板輸入任務(wù)處理模塊，數(shù)值插補(bǔ)、加減速、伺服閉環(huán)控制器等硬實時任務(wù)由基于DSP&FPGA的運動控制卡完成。在32位嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE中，數(shù)控系統(tǒng)的弱實時任務(wù)對應(yīng)于操作系統(tǒng)的線程，可以直接采用操作系統(tǒng)的調(diào)度器(Scheduler)，或者白行設(shè)計相應(yīng)的調(diào)度算法程序。圖7中平行四邊形(陰影部分)是所開發(fā)的CNC運行在Windows CE實時操作系統(tǒng)環(huán)境下的任務(wù)模塊，圖中省略了輔助設(shè)備控制任務(wù)模塊及其相應(yīng)的硬件I／O卡。

圖7 CNC任務(wù)模塊結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)論

　　Windows CE具備強(qiáng)大的通訊功能，是有搶占式多任務(wù)的32位嵌入式實時操作系統(tǒng)，基于WindowsCE開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)將能縮短開發(fā)周期，增加數(shù)控系統(tǒng)的開放性、穩(wěn)定性，提高系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、可移植。本文闡述了基于Windows CE的數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)原理以及實現(xiàn)，如數(shù)控系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)、數(shù)控代碼編譯器、二維刀具軌跡仿真以及基于Directx3D技術(shù)的三維仿真、數(shù)控系統(tǒng)實時調(diào)度劃等。實踐證明，基于Windows CE&DSP平臺的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)是數(shù)控產(chǎn)業(yè)的一個新的可行的、快捷的技術(shù)路線。