1 前言
虛構(gòu)軸機床又稱并聯(lián)機床, 是用并聯(lián)機構(gòu)作為傳動進(jìn)給機構(gòu)的新型數(shù)控加工設(shè)施, 因為在應(yīng)用中表示出剛度份量比大、模塊化水平高、可重構(gòu)等方面的優(yōu)勢, 機床手輪一直受到國內(nèi)學(xué)術(shù)界和工程界的高度存眷。從機構(gòu)流動學(xué)的觀點上看, 并聯(lián)機構(gòu)動平臺在壟斷空間中的流動是關(guān)節(jié)空間伺服流動的非線性照射( 又稱真假照耀) , 是以保守數(shù)控瑣細(xì)不克不及直接應(yīng)用于編造軸機床的牽制, 必需開荒設(shè)計切當(dāng)于編造軸機床特性的管制零碎。無論是何種數(shù)控機床, 手輪功能都是完成刀具微動、工件對刀等不行或缺的功能。古板數(shù)控機床一樣平常只需經(jīng)由可編程控制器( PLC) 發(fā)送相應(yīng)的指令脈沖控制單軸機電就能完成, 而在虛構(gòu)軸機床中, 由于加工所需的刀具進(jìn)給軸X 、Y、Z 實際實在不具有, 必需將沿笛卡爾坐標(biāo)系的虛軸流動經(jīng)由逆解運算轉(zhuǎn)換為關(guān)節(jié)空間各伺服軸( 實軸) 的聯(lián)合流動, 因而虛擬軸機床的手輪功能不克不及純摯依托PLC, 而是須要經(jīng)由PLC 與上位機一路融洽管教, 實際上現(xiàn)方式與傳統(tǒng)數(shù)控機床有著實質(zhì)的一致, 同時為了保障對內(nèi)部手輪隨靈敏作的疾速響應(yīng)和實時措置, 要求細(xì)碎實時性強, 使程序設(shè)計更加艱巨和蕪雜, 于是手輪功能的開辟一直是困擾偽造軸機床數(shù)控零碎斥地者的難點之一。本文結(jié)合虛擬軸機床數(shù)控瑣細(xì)的開荒實踐, 引見了基于/ PC+ 多軸運動控制器機床手輪的硬件結(jié)構(gòu), 在DOS 行使系統(tǒng)下用C 說話開辟適用于編造軸機床的手輪功能的法子。
2 硬件接口設(shè)計
編造軸機床數(shù)控細(xì)碎的硬件平臺是機床手輪接納尺度的PC 總線構(gòu)造, 以/ PC+ 多軸運動管教器0 為焦點搭建的。此中PC 作為體系的主處置器, 首要完成瑣屑希圖、流動學(xué)較量爭論等任務(wù)。多軸流動管教卡選用美國Delta Tau 公司的PMAC 卡, 該卡可直接插在工控機的ISA 總線前途行流動管制, 同時它具有內(nèi)置PLC 功能,能夠在背景同時運轉(zhuǎn)32 個異步PLC 程序。PMAC 供應(yīng)了職位接口板ACC- 8P 與I/ O 接口板ACC34。ACC- 8P 按能驅(qū)動的伺服軸數(shù)量分為四個通道, 每路都包羅仿照量輸出、光電脈沖發(fā)生器( 簡稱碼盤) 反應(yīng)輸入以及伺服電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)超程限位輸入。數(shù)字量輸入/ 輸入口ACC34 具有帶光電斷絕的輸入輸出點48in/ 48out , 用以完成機床管束面板的開關(guān)量管束以及鍵盤輸入功能。在對硬件布局進(jìn)行充裕分析的基礎(chǔ)上, 我們留心到接口板ACC- 8P 的四個碼盤反饋通道中獨一三個被占用于領(lǐng)受進(jìn)給機電脈沖編碼器的反饋, 于是可將電子手輪接入余下的第四路碼盤反饋輸入通道, 從而匱乏利用了現(xiàn)有硬件資源, 既節(jié)流經(jīng)濟利潤, 又預(yù)防了另行開辟高速數(shù)據(jù)采集通道所帶來的少量硬件設(shè)計工作。
3 主從CPU 間的高速數(shù)據(jù)換取
通訊標(biāo)題問題是影響多CPU 組織零碎實時性的樞紐。PMAC 與主機之間需求進(jìn)行少量的數(shù)據(jù)交互: 一方面,PMAC 內(nèi)置PLC 以靠山循環(huán)掃描的方式, 對伺服電機地位信息和電子手輪碼盤信號等進(jìn)行高速采集, 此后將數(shù)據(jù)通報到主機; 另外一方面, 主述說將實時管制指令快捷發(fā)送給PMAC。但PMAC 與主機CPU 之間采取串行端口或總線進(jìn)行的通信數(shù)據(jù)傳輸效率不高, 難以滿足數(shù)控瑣細(xì)的實時性要求, 為解決這個標(biāo)題問題, 咱們采納雙端口存儲器( DPRAM) 作為主從CPU 之間通訊的橋梁, 為二者提供一個可以同享的高速內(nèi)存緩沖區(qū), 使兩個CPU 互不攪擾地別離從分歧端口存取數(shù)據(jù), 機床手輪這樣主機與PMAC 之間可以進(jìn)行高速、可一再、不需/ 握手0的數(shù)據(jù)互換, 從而消除了通信瓶頸, 完成了主從CPU 間的緊耦合通訊。實驗結(jié)果表白, 主機從DPRAM 讀取一次手輪形狀所占用的遲誤時間僅為Ls 級, 保證了系統(tǒng)敵手輪行動的快速響應(yīng)。
4 軟件設(shè)計
機床手輪功能是指顛末遷移轉(zhuǎn)變電子手輪, 機床手輪牽制動平臺沿選定的軸向移動。在機床手輪功能模塊的進(jìn)途程序設(shè)計時, 應(yīng)主要思慮并解決以下幾個問題:
(1) 電機應(yīng)能扈從手輪的強項即時發(fā)動或終了,以保證壟斷的靈活和安然性;
(2) 手輪的轉(zhuǎn)動量抉擇動平臺在行使空間的挪動隔絕距離; 動平臺的移動速度取決于手輪不亂的偏向、快慢以及進(jìn)給倍率, 于是必需按照手輪的動作實時總計動平臺的進(jìn)給位移和速度;
(3) 思忖到編造軸機床非線性照射的流動管教本性, 必需將動平臺在哄騙空間的職位、速度進(jìn)行賣弄轉(zhuǎn)換, 解算為關(guān)節(jié)空間內(nèi)各電機的伺服位置與進(jìn)給速度,管教各電機協(xié)同運動, 從而使刀具走出冀望的軌跡;
(4) 供應(yīng)朋儕的用戶界面, 實時靜態(tài)顯示刀具的理論身分坐標(biāo), 并對瑣細(xì)形狀發(fā)展監(jiān)測, 在用戶越限壟斷或瑣細(xì)發(fā)生故障時, 實時報警和作響應(yīng)處理。
4.1 零碎結(jié)構(gòu)
為有效實現(xiàn)上述手輪功能, 零碎接納主從CPU 多任務(wù)并行處置結(jié)構(gòu), 按所完成的不合功能對子任務(wù)模塊發(fā)展了劃分。PMAC 執(zhí)行的任務(wù)有:
( 1) 插補算計與伺服驅(qū)動承受主機的管教指令, 進(jìn)行實時插補算計與伺服更新, 管教機電的流動;
( 2) 布景PLC 程序?qū)λ欧姍C和電子手輪碼盤發(fā)展輪回掃描, 并將數(shù)據(jù)自動寫入DPRAM; 同時完成其它開關(guān)量和機床邏輯順序管教。
主機執(zhí)行的任務(wù)有:
( 1) 手輪狀態(tài)檢測
上位機循環(huán)讀取DPRAM 中的存儲值, 得到手輪碼盤讀數(shù)。經(jīng)由對一致時分碼盤讀數(shù)的對照, 剖斷手輪的運動形狀;
( 2) 軌跡共計及流動學(xué)更改
根據(jù)手輪運動形態(tài)總計動平臺在哄騙空間的軌跡位移與進(jìn)給速度, 針對捏造軸機床非線性照射的流動管制共性, 向PMAC 下達(dá)正確的管教指令此前, 先在哄騙空間與關(guān)節(jié)空間之間進(jìn)行位置、速度虛實轉(zhuǎn)變, 天生樞紐關(guān)頭空間各實軸的管制信息;
( 3) 實時通信
與PMAC 發(fā)展實時信息交互, 將矯飾轉(zhuǎn)變后的軌跡算計終究轉(zhuǎn)換為管制指令發(fā)送給PMAC;
( 4) 地位正解及坐標(biāo)新聞顯示
為了使用戶在機床運轉(zhuǎn)進(jìn)程中能實時監(jiān)測刀具位子, 主機每隔一段年華從DPRAM 讀取各電機確當(dāng)前職位信息, 利用位置正解模型解算出刀具在壟斷空間的身分坐標(biāo), 并在屏幕上靜態(tài)刷新顯示;
( 5) 陰礙監(jiān)控處置
當(dāng)用戶超程行使或零碎泛起無比情況時, 當(dāng)即發(fā)展阻截措置并提示出錯信息。
4.2 實時多任務(wù)調(diào)度的完成為能夠?qū)崟r響應(yīng)手輪的行動, 系統(tǒng)在每一個實時周期內(nèi)都要完成數(shù)據(jù)采集、軌跡規(guī)劃、虛實更動、插補較量爭論和伺服更新等多個任務(wù), 其他還要執(zhí)行屏幕顯示、妨礙監(jiān)測等任務(wù), 是一個實時性多任務(wù)細(xì)碎, 但DOS 性質(zhì)上是一個單任務(wù)操縱細(xì)碎, 是以若何實現(xiàn)多任務(wù)間的實時調(diào)劑成為體系啟示的焦點與癥結(jié)技能, 作者接納中斷技術(shù)手段結(jié)合實時多任務(wù)調(diào)度策略來解決多任務(wù)調(diào)度標(biāo)題問題:
( 1) 中斷手藝的運用
捏造軸機床的軌跡牽制必須由主從CPU 并行處理來完成, 由于主從CPU 執(zhí)行各任務(wù)的運行速度不一致, 可能造成PMAC 已處置懲罰完一段軌跡, 等待接管下一指令, 而主機尚無完成真假變化運算, 導(dǎo)致機電行動呈現(xiàn)間歇, 速度不連續(xù), 刀具時走時停; 概略主機已發(fā)送出管制指令, 而PMAC 仍在對上一軌跡段進(jìn)行措置, 使電矯捷作滯后, 以至招致手輪曾經(jīng)停轉(zhuǎn), 而機電卻不克不及立即終止, 動平臺仍要走一段不肯定的位移, 這兩種狀況在理論加工中但凡不應(yīng)允的。為保證零碎牽制的實時性, PMAC 與主機之間采用中斷為握手方式進(jìn)行總線通信, 利用主機8259 芯片上的IRQ5 端子作為中斷信號輸入端, 以PMAC 的緩沖區(qū)哀求旌旗燈號作為中斷輸入信號, 當(dāng)緩沖區(qū)滿時, PMAC 讀取緩沖區(qū)中指令信息, 進(jìn)行插補計算和伺服管教, 當(dāng)緩沖區(qū)空時, 向主機收回中斷申請; 主機領(lǐng)受到中斷信號, 則起源新一次的計較, 并將運算終究發(fā)送到PMAC 緩沖區(qū)。這樣, 利用PMAC 打造生的中斷, PMAC 與主機每隔10ms 經(jīng)由進(jìn)程雙端口RAM 進(jìn)行一次管制信息的交換, 從而有用協(xié)調(diào)兩者的工作, 完成對機電的連氣兒牽制。
( 2) 多任務(wù)調(diào)度策
略多任務(wù)調(diào)劑是指在滿足實時性的條件下, 協(xié)調(diào)各任務(wù)間的限制關(guān)連, 完成任務(wù)間由于按某種順序執(zhí)行所需的同步以及同享設(shè)備、數(shù)據(jù)等資源而發(fā)作的互斥。多任務(wù)調(diào)度的基本門徑是將全數(shù)子任務(wù)構(gòu)成一個輪回行列, 采納基于優(yōu)先級的搶占式調(diào)度與輪回調(diào)度相結(jié)合的方式在各任務(wù)間進(jìn)行切換。實時要求最高的任務(wù)被授予最高優(yōu)先級, 對CPU 執(zhí)行優(yōu)先搶占, 非實時的周期性任務(wù)則采取輪回調(diào)劑。PMAC 優(yōu)先級最高的任務(wù)為伺服更新, 每三次伺服更新運轉(zhuǎn)一次伺服中斷, 合計下一周期流動軌跡的插補參數(shù), 其余光陰則用來運行配景PLC 程序。主機實時性最強的任務(wù)為向PMAC 發(fā)送牽制指令, 該任務(wù)優(yōu)先級最高, 由PMAC 中斷信號提議; 當(dāng)該任務(wù)讓出CPU 后, 實時性次強的任務(wù)如手輪外形檢測、瑣屑陰礙監(jiān)測等, 在每個周期內(nèi)都被順序挪用; 人機界面、坐標(biāo)顯示等任務(wù)實時性要求最低, 每隔多少周期執(zhí)行一次。
4.3 主機的軌跡管束對刀具的流動軌跡進(jìn)行管束是主機的焦點任務(wù),包括軌跡較量爭論、虛實變動和PMAC 指令生成三個步伐。在手輪方式下, 刀具不是按預(yù)定的路徑流動, 這要求主機經(jīng)過更多的實時運算, 對運動軌跡發(fā)展直接管教。針對這種狀況, PMAC 供應(yīng)了地位) 速度) 時日( PVT)運動形式, 該形式下須要由主機給定伺服機電在t 時辰地點位子P 與速度v , 從而直接管制運動的每一段軌跡的完結(jié)位置、速度和光陰。為敵手輪的步履及時作出響應(yīng), 主機對手輪發(fā)展循環(huán)檢測, 并根據(jù)其形狀實時確定下一段軌跡的絕頂身分和速度, 每隔10ms 向PMAC 發(fā)送一次PVT 指令,由PMAC 對上位機給定的一系列說合點發(fā)展速度過渡和精插補。
具體執(zhí)行進(jìn)程以下:
(1) 當(dāng)上位機獲知手輪由固定外形起源滾動后,封閉PMAC 中斷, 檢測并挪用正解求得機電的初始職位。
(2) 每隔10ms 由PMAC 向主機收回中斷要求, 主機接收到中斷旌旗燈號后, 按照當(dāng)前手輪的動彈量和速率大小較量爭論出下一段軌跡的期望位移與速度, 今后調(diào)用地位和速度逆解模型, 轉(zhuǎn)換為樞紐關(guān)頭空間各機電的伺服位子p 和速度v, 向PMAC 緩沖區(qū)發(fā)送PVT 花式指令,只需手輪不終了轉(zhuǎn)折, 輪回執(zhí)行此任務(wù)。
( 3) 當(dāng)上位機檢測到手輪停轉(zhuǎn)時, 先貽誤檢測一段光陰, 以擔(dān)保軟件和硬件速度相婚配, 當(dāng)確認(rèn)手輪已中止動作, 平息PMAC 中斷, 休止機電的運動。
5 完結(jié)
語本文探討的以/ PC+ 多軸運動管束器0 為硬件核心, 利用DPRAM 與中斷武藝, 結(jié)合實時多任務(wù)調(diào)度戰(zhàn)略實現(xiàn)虛擬軸機床手輪功能的法子, 已告捷運用于天津大學(xué)啟示的虛擬軸機床數(shù)控瑣屑。其壟斷方式與激進(jìn)數(shù)控機床沒有區(qū)別, 理論運行造詣良好。該手藝對促進(jìn)偽造軸機床的商品化、實用化起到了主動感召。