多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)

1、第16卷第2期計算機集成制造系統(tǒng)Computer Integrated Manufacturing SystemsFeb.2010文章編號:1006-5911(201002-0372-08收稿日期:2009202206;修訂日期:2009206220。Received 06Feb.2009;accepted 20J une 2009.基金項目:國家863計劃重點資助項目(2009AA044201。Found ation item :Project supported by t he National High 2Tech.R &D Program ,Chi 2na (No.2009AA0442

2、01.作者簡介:黃海鵬(1981-,男,黑龍江哈爾濱人,哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院博士研究生,主要從事多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控技術(shù)的研究。E 2mail :haipengh 。多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)黃海鵬1,遲關(guān)心1,王振龍1,孟凡新2,陳濟輪2,張昆2(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.首都航天機械公司,北京100076摘要:為加工具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)或者材料較難加工的零件,開發(fā)了多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。為了增強系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性和可靠性,采用R T 2Linux 技術(shù),提出雙核結(jié)構(gòu)概念來分別處理實時任務(wù)和非實時任務(wù)。確立數(shù)控系統(tǒng)由實時控制模塊、驅(qū)動模塊、

3、用戶管理模塊和模塊間的通信所組成。提出了線程承載法解決實時任務(wù)間協(xié)調(diào)控制問題,以及循環(huán)選擇法解決任務(wù)調(diào)度問題。給出了平面二軸聯(lián)動插補派生法構(gòu)建適合電火花加工機床的多軸聯(lián)動插補控制算法,提出內(nèi)存映射法構(gòu)建硬件實時驅(qū)動方式以增強系統(tǒng)驅(qū)動的實時性,提出線程-處理器模式構(gòu)建用戶管理模塊,以使復(fù)雜的管理任務(wù)清晰化和易于管理,選擇最優(yōu)的通信方式來增強數(shù)控系統(tǒng)的實時性能。開發(fā)出了五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng),并運用該系統(tǒng)進行了帶冠整體式渦輪盤的加工實驗。實驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)具有實時性強、穩(wěn)定性好和可靠性高等特點。關(guān)鍵詞:多軸聯(lián)動;電火花加工;數(shù)控系統(tǒng);R T 2Linux 技術(shù)中圖分類號:T G 661文獻標(biāo)

4、識碼:ADevelopment of multi 2axis electro 2discharge machining CNC SystemHUA N G Hai 2peng 1,C H I Guan 2x in 1,W A N G Zhen 2long 1,M EN G Fan 2xin 2,C H EN J i 2l un 2,Z HA N G Kun2(1.School of Mechatronics Engineering ,Harbin Institute of Technology ,Harbin 150001,China ;2.Capital Aerospace Machiner

5、y Company ,Beijing 100076,China Abstract :To process geometrically complex or hard material parts ,a new kind of multi 2axis Electro 2Discharge Ma 2chining (EDM Computer Numerical Control (CNC system was developed.To strengthen the real 2time perform 2ance ,stability and reliability of the system ,b

6、ased on R T 2Linux ,dual 2kernel structure was proposed to realize real 2time task and time 2sharing task separately.CNC system was composed of real 2time control module ,drive module ,CNC user module and communications among modules.Thread 2carrying method was put forward to solve collabora 2tive c

7、ontrol of real 2time tasks.Circulation 2selection method was presented to solve scheduling problem ,and plan in 2terpolation deriving method was proposed to construct multi 2axis interpolation algorithm.To strengthen the real 2time performance of drivers ,memory 2mapping method was advanced.To simpl

8、ify management tasks ,thread 2pro 2cessor mode was advanced.To strengthen real 2time performance of the system ,the optimal communication methods were adopted.Five 2axis EDM CNC system was developed and turbine blisk processing experiment was carried out to validate the performance.Experimental resu

9、lts indicated that the system was stable and reliable with good real 2time performance.K ey w ords :multi 2axis ;electro 2discharge machining ;computer numerical control system ;R T 2Linux technology第2期黃海鵬等:多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)0引言隨著電火花加工技術(shù)的發(fā)展,多軸聯(lián)動電火花加工已經(jīng)成為加工具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)或材料較難加工的零件的主要方法,并廣泛應(yīng)用于軍事、航空、航天等領(lǐng)域1,尤其在加

10、工航天飛行器發(fā)動機的渦輪盤上,多軸聯(lián)動電火花加工在國內(nèi)已經(jīng)成為唯一可靠的加工方法。但是由于多軸聯(lián)動電火花加工機床的用途非常特殊,國外對我國一直采取禁運措施,又由于生產(chǎn)的必需性,我國一直從第三方國家間接進口。這樣不但增加了成本,而且在購買自由性、軟件升級、售后服務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)等方面受到很大的限制。自主研發(fā)多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)對于打破國外壟斷、推動我國航空航天事業(yè)和國防事業(yè)的發(fā)展具有非常重要的意義。目前,國內(nèi)尚未開發(fā)出真正應(yīng)用于生產(chǎn)實踐和產(chǎn)品化的四軸以上聯(lián)動的電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)要遵循實時性、穩(wěn)定性和可靠性三個基本原則223,其中系統(tǒng)的實時性能是主要部分。數(shù)控系

11、統(tǒng)需要把控制命令第一時間傳遞給外部設(shè)備,驅(qū)動設(shè)備進行指定操作,并且在第一時間接收外部中斷信息,采集外部加工狀態(tài),對機床的運行進行調(diào)整,保證加工能夠穩(wěn)定地進行。實時性強的系統(tǒng)能夠保證加工的正確、高效、高質(zhì)量和高成功率,實時性較差的系統(tǒng)會頻繁地造成放電狀態(tài)的不穩(wěn)定,如短路和拉弧,從而降低放電效率,影響加工質(zhì)量,甚至毀壞工件或電極。電火花加工是一個非常耗時的過程,要求系統(tǒng)具有長時間穩(wěn)定加工的能力,能夠始終保證加工的一致與準(zhǔn)確。在整個加工過程中,系統(tǒng)要始終保證能夠可靠地加工,不會因自身的缺陷而影響加工。Linux以其源代碼的開放性、健壯性和穩(wěn)定性得到業(yè)界的認(rèn)可,并在工業(yè)界得到越來越廣泛的應(yīng)用。Linu

12、x是自由軟件,源代碼完全開放,在Linux 上開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)對于開發(fā)自主版權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)更具有現(xiàn)實意義。作為Linux的實時性擴展4,R T2 Linux具有穩(wěn)定和近乎完美的實時性,它支持多線程操作并具有硬實時性,中斷頻率幾乎可以達到硬件極限5,已經(jīng)被應(yīng)用于許多對實時性能要求非常嚴(yán)格的場合,如美國Alabama大學(xué)的無人駕駛飛行器,清華大學(xué)的VACS(virt ual axes cont rol system系統(tǒng),華中科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)和華南理工大學(xué)也分別提出了基于R T2Linux的開放式軟件數(shù)控系統(tǒng)模型6。將R T2Linux技術(shù)應(yīng)用于多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā),能夠很好地解決系

13、統(tǒng)在實時技術(shù)方面的問題,提高系統(tǒng)的實時性,增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。采用Linux和R T2Linux開發(fā)數(shù)控系統(tǒng),耗資低,競爭性強7。通過文獻查閱,目前國外尚未有將R T2Linux技術(shù)應(yīng)用于多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)的相關(guān)報道。1基于RT2Linux的多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)雙核結(jié)構(gòu)111RT2Linux簡介R T2Linux是Linux系統(tǒng)的硬實時擴展,其運行機制是在Linux內(nèi)核和外部硬件之間加入一個虛擬層,構(gòu)筑一個小的、時間上可預(yù)測的、與Linux內(nèi)核分開的實時內(nèi)核,即R T2Linux內(nèi)核,如圖1所示 。R T2Linux內(nèi)核直接對硬件進行控制,而原來處于主控地位的Linux

14、內(nèi)核則成為R T2Linux內(nèi)核的控制對象,即作為實時內(nèi)核下的一個隨時可被實時進程搶占的優(yōu)先級最低的進程8。R T2Linux內(nèi)核分割Linux內(nèi)核與硬件中斷之間的直接聯(lián)系,先于Linux內(nèi)核攔截硬件中斷,這樣Linux內(nèi)核就不能真正禁止硬件中斷,亦不能延長實時系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間。當(dāng)R T2Linux內(nèi)核收到與實時處理有關(guān)的硬中斷時,立即執(zhí)行相應(yīng)的實時中斷服務(wù)程序;而收到與實時處理無關(guān)的中斷時,保存相應(yīng)的信息,直到R T2Linux內(nèi)核空閑時通過軟中斷傳遞給Linux 內(nèi)核處理。這就保證了實時任務(wù)能在第一時間被系統(tǒng)所響應(yīng)進而得到處理,并且不被其他非實時任務(wù)所干擾。112數(shù)控系統(tǒng)雙核結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)

15、需要處理的任務(wù)紛繁復(fù)雜,如何協(xié)調(diào)好各任務(wù)的處理時序,使其互相不被干擾,是一個非373計算機集成制造系統(tǒng)第16卷常難解決的問題。本系統(tǒng)將所有任務(wù)分為實時任務(wù)與非實時任務(wù)兩類,提出了雙核結(jié)構(gòu)概念來處理兩類任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)雙核結(jié)構(gòu)如圖2所示,其體系結(jié)構(gòu)宏觀上分為實時部分和非實時部分。實時部分包括實時控制模塊和驅(qū)動模塊,兩個模塊以軟件包的形式裝載入R T 2Linux 內(nèi)核,由R T 2Linux 內(nèi)核進行控制;非實時部分為用戶管理模塊,由Linux 內(nèi)核進行控制。這三個模塊通過彼此間的通信和控制結(jié)合起來,形成有機的整體,控制電火花加工機床運行。 實時控制模塊由對實時性要求比較苛刻的實時任務(wù)、任務(wù)調(diào)度和

16、多軸聯(lián)動插補控制算法組成,以軟件形式實現(xiàn)了數(shù)控控制器的功能,能夠?qū)崿F(xiàn)對電火花加工機床的運動控制;驅(qū)動模塊相當(dāng)于設(shè)備驅(qū)動層,由電火花加工機床的各種專用硬件的驅(qū)動程序組成;電火花加工機床專用硬件是為實現(xiàn)機床的功能而添加的硬件,包括伺服控制卡、脈沖電源等;用戶管理模塊以圖形用戶界面(Grap hical U ser Inter 2face ,GU I 的形式面向用戶,主要為人機交互提供接口,用戶可以通過界面上所提供的各個功能模塊來完成人機交互。系統(tǒng)在運行時,當(dāng)用戶管理模塊發(fā)送一個任務(wù)命令時,數(shù)控系統(tǒng)首先判斷該任務(wù)是實時內(nèi)核任務(wù)還是非實時任務(wù)。如果是實時任務(wù),系統(tǒng)則將其傳遞給實時控制模塊,實時控制模塊

17、調(diào)用自身的實時線程來處理;若該任務(wù)需要和外部硬件進行交互,則由實時控制模塊與驅(qū)動模塊進行通信來完成。如果該任務(wù)是非實時任務(wù),系統(tǒng)將其交與Linux 內(nèi)核進行處理。實時任務(wù)的優(yōu)先級大于任何非實時任務(wù)。當(dāng)一個實時任務(wù)到達時,所有運行中的非實時任務(wù)必須交出處理器的使用權(quán),處理器轉(zhuǎn)而處理該實時任務(wù)。等到實時任務(wù)處理完畢后,處理器接著處理中斷的非實時任務(wù)。2數(shù)控系統(tǒng)模塊的構(gòu)建與通信實時控制模塊、驅(qū)動模塊、用戶管理模塊以及三個模塊間的通信構(gòu)成了整個多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)。211實時控制模塊實時控制模塊包括實時任務(wù)、任務(wù)調(diào)度和多軸聯(lián)動插補控制算法。21111實時任務(wù)實時控制模塊共包括十個實時任務(wù),為解決

18、任務(wù)間協(xié)調(diào)控制的問題,提出了采用線程承載法執(zhí)行這些任務(wù)。根據(jù)實時任務(wù)各自的性質(zhì)和所完成的功能,將眾多任務(wù)劃分為三類,每類創(chuàng)建一個實時線程作為載體來執(zhí)行(如圖3。用戶命令響應(yīng)線程(單任務(wù)線程執(zhí)行用戶命令接收任務(wù);執(zhí)行線程(多任務(wù)線程即整個實時控制模塊的主線程執(zhí)行命令讀取任務(wù)、加工任務(wù)、原軌跡回退任務(wù)、快速移動任務(wù)、接觸感知任務(wù)、極限移動任務(wù)、機床回零任務(wù)和手控盒處理任務(wù);監(jiān)測線程(單任務(wù)線程執(zhí)行監(jiān)測任務(wù)。三個線程中,執(zhí)行線程的優(yōu)先級最高,檢測線程的優(yōu)先級次之,用戶命令響應(yīng)線程的優(yōu)先級最低。三個線程共享時間片,每個線程在運行過程中都會在特定的時刻進行一段時間的休眠,將時間片讓出以供其他線程運行,保

19、證了執(zhí)行線程在運行過程中不會被其他線程干擾,并且在需要的時候能夠及時地與其他線程通信,獲取所需要的信息;監(jiān)測線程能夠?qū)崟r地監(jiān)測到外部硬件的輸入狀態(tài),保存并進行實時更新以供其他線程讀取;用戶命令響應(yīng)線程能夠?qū)崟r地響應(yīng)用戶管理模塊向?qū)崟r控制模塊傳遞的473第2期黃海鵬等:多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)任務(wù)命令,并保存命令信息以供執(zhí)行線程讀取。21112任務(wù)調(diào)度由于執(zhí)行線程負(fù)責(zé)多個實時任務(wù)的執(zhí)行,為了保證實時任務(wù)命令能夠迅速地喚醒相應(yīng)的實時任務(wù),并且該任務(wù)在工作過程中不受其他任務(wù)干擾,提出了循環(huán)選擇法進行任務(wù)調(diào)度,如圖4所示 。執(zhí)行線程首先執(zhí)行命令讀取任務(wù),如果沒有實時任務(wù)命令到來,則執(zhí)行手控盒處理

20、任務(wù),該任務(wù)執(zhí)行完畢后,返回繼續(xù)執(zhí)行命令讀取任務(wù),循環(huán)往復(fù),直到接收到實時任務(wù)命令。此時,線程依次判斷該命令是否為加工命令、原軌跡回退命令、快速移動命令、接觸感知命令、極限移動命令或機床回零命令。如果是其中之一,則執(zhí)行相應(yīng)的實時任務(wù),該任務(wù)執(zhí)行完畢后,直接返回開始處重新執(zhí)行命令讀取任務(wù);如果均不是,則視該命令為無效命令,返回開始處重新執(zhí)行命令讀取任務(wù)。每個任務(wù)在執(zhí)行完畢之前,線程不會去執(zhí)行其他任務(wù),不會造成多任務(wù)共同存在,彼此相互干擾而影響每個任務(wù)的實時性。每個任務(wù)在被執(zhí)行完畢之前,執(zhí)行線程不會去執(zhí)行其他任務(wù),這樣就不會造成多任務(wù)共同存在而影響彼此的實時性。在每個任務(wù)被執(zhí)行完畢后,執(zhí)行線程會馬

21、上返回循環(huán)開始處重新執(zhí)行命令讀取任務(wù),如果還有其他任務(wù)命令,其他命令會被立刻讀取并由線程選擇執(zhí)行相應(yīng)的實時任務(wù),從而保證了實時任務(wù)命令能夠得到實時的執(zhí)行。21113多軸聯(lián)動插補控制算法為了加工出具有復(fù)雜幾何形狀的工件,多軸聯(lián)動電火花加工機床的所有工作軸必須嚴(yán)格按照工件的幾何形狀以一個特定的規(guī)則進行聯(lián)動,該規(guī)則就是多軸聯(lián)動插補控制算法。多軸聯(lián)動插補控制算法的構(gòu)建難點在于空間各軸的協(xié)調(diào),尤其是在有旋轉(zhuǎn)軸的情況下。根據(jù)電火花加工機床的自身特點,本文提出采用平面二軸聯(lián)動插補派生法構(gòu)建多軸聯(lián)動插補控制算法。電火花加工機床各軸均由脈沖驅(qū)動的伺服電機進行控制,每個電機具有一定的分辨率,若分辨率為01001,

22、則每個脈沖驅(qū)動下直線軸運行01001mm ,旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動01001,這樣每個長度或角度都可以最終統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為脈沖數(shù)。另外機床運行采用G 代碼控制,目標(biāo)工件的具體空間結(jié)構(gòu)最終都要轉(zhuǎn)化為一組G 代碼提供給數(shù)控系統(tǒng),系統(tǒng)只要能正確地從G 代碼中提取各軸的運行數(shù)據(jù)和運行方式來驅(qū)動機床運行,就能正確地加工出目標(biāo)工件。若機床包含直線軸X ,Y ,Z 和旋轉(zhuǎn)軸A ,B ,C 六根軸,當(dāng)前G 代碼為G 01X 1010Y 510Z 7.0A 8.0B 2.0C 1.0,則X 軸電機需要發(fā)10000個脈沖,Y 軸電機需要發(fā)5000個脈沖,Z 軸電機需要發(fā)7000個脈沖,A 軸電機需要發(fā)8000個脈沖,B 軸電機需要

23、發(fā)2000個脈沖,C 軸電機需要發(fā)1000個脈沖。這樣確定了脈沖數(shù)后,旋轉(zhuǎn)軸和直線軸的運行便以脈沖形式得到了統(tǒng)一并易于協(xié)調(diào),多軸聯(lián)動插補也可以以平面二軸聯(lián)動插補為基礎(chǔ)派生得到。平面二軸聯(lián)動插補派生法可以簡單地理解為:四軸X Y ZA 聯(lián)動插補視為由兩個二軸聯(lián)動插補X Y 和ZA 組成,X Y 和ZA 視為兩個軸運用平面二軸聯(lián)動插補方法進行插補,便可以得到四軸聯(lián)動插補。同理六軸聯(lián)動可以視為由一個二軸聯(lián)動和一個四軸聯(lián)動組成,八軸聯(lián)動可以視為由兩個四軸聯(lián)動組成,依此類推,可以靈活地得到任意偶數(shù)個軸的聯(lián)動插補算法。當(dāng)軸數(shù)為奇數(shù)個時,可以增加一個軸,并將其插補距離視為零,然后運用偶數(shù)個軸的插補算法進行聯(lián)

24、動插補。平面二軸插補算法采用基準(zhǔn)脈沖法,其中直線插補采用逐點比較法,圓弧插補采用單步追蹤法。圖5所示為六軸聯(lián)動插補控制算法流程。573計算機集成制造系統(tǒng)第16卷 212驅(qū)動模塊構(gòu)建驅(qū)動模塊實際上就是構(gòu)建電火花加工機床專用硬件的實時驅(qū)動方式。驅(qū)動模塊需要把專用硬件狀態(tài)信息(如進給信號、回退信號、抬刀信號、限位狀態(tài)和熱保護狀態(tài)等實時地輸入給實時控制模塊,同時還需要把實時控制模塊的驅(qū)動信息實時地輸出給專用硬件,如軸號、運行方向和脈沖信號等。為了保證和增強數(shù)控系統(tǒng)的實時性,應(yīng)選擇一個最為合理的實時驅(qū)動方式,使輸入和輸出信息能以最快的速度輸送到指定目標(biāo)。外部硬件都有自己固定的物理內(nèi)存地址,無論輸入還是輸

25、出都需要通過該物理內(nèi)存地址進行傳輸,因此提出了內(nèi)存映射法,以在驅(qū)動模塊中構(gòu)建硬件實時驅(qū)動方式。內(nèi)存映射法就是在內(nèi)存中按照外部硬件物理內(nèi)存的大小開辟一塊緩存區(qū),并將緩存區(qū)和外部硬件物理內(nèi)存建立起一一對應(yīng)的映射關(guān)系,這樣對緩存區(qū)的輸入和輸出操作就相當(dāng)于對外部硬件物理內(nèi)存進行直接操作。在內(nèi)存中開辟一塊交換緩存區(qū),將專用硬件的物理地址全部映射到該緩存區(qū)上,這樣對該緩存區(qū)進行的輸入和輸出操作實際上就是對專用硬件進行輸入輸出操作。實時控制模塊向交換緩存區(qū)發(fā)送驅(qū)動信息以驅(qū)動專用硬件,專用硬件向交換緩存區(qū)發(fā)送狀態(tài)信息以供實時控制模塊讀取,保證了整個數(shù)控系統(tǒng)和專用硬件的交互具有非常強的實時性。驅(qū)動模塊的驅(qū)動方式

26、如圖6所示。213用戶管理模塊用戶管理模塊為用戶提供GU I 來完成人機交互。GU I 包含許多功能模塊,用戶可以利用這些功能模塊對電火花加工機床進行操作。GU I 應(yīng)用Linux 下著名的開發(fā)工具Qt 和Kdevelop 共同開發(fā)完成。圖7所示為開發(fā)完成的五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)GU I 主界面。21311圖形用戶界面GU I 主界面包含三大模塊,即信息顯示模塊、電參數(shù)顯示及調(diào)整模塊和功能按鍵模塊。信息顯示模塊包含坐標(biāo)信息顯示、程序顯示和輔助信息顯示,用戶可以通過這些信息來了解當(dāng)前機床的運行信息和加工信息,并根據(jù)這些信息在必要的時刻做出調(diào)整。電參數(shù)顯示及調(diào)整模塊包含參數(shù)功能按鍵及參數(shù)值顯示

27、兩部分,在加工過程中用戶可通過該模塊快速地調(diào)整某些電參數(shù)值來調(diào)節(jié)加工狀態(tài)。功能按鍵模塊包含如下一些功能按鍵:開始加工、停止加工、暫停加工、恢復(fù)加工、軌跡回退、坐標(biāo)移動、定位、手動加工、文件加工、加工履歷、機床參數(shù)、加工條件和系統(tǒng)退出。其中坐標(biāo)移動、定位、手動加工和加工履歷等功能是真正應(yīng)用于生產(chǎn)實踐和產(chǎn)品化的數(shù)控系統(tǒng)所特有的,是實驗性質(zhì)的數(shù)控系統(tǒng)所不具備的。21312用戶管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用線程處理器模式構(gòu)建用戶管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu),能夠?qū)?fù)雜的管理任務(wù)歸類,使其清晰且易于管理。內(nèi)部結(jié)構(gòu)核心部分為控制線程,它是一個非實時線程,負(fù)責(zé)執(zhí)行用戶命令和收集實時控制模塊發(fā)送的控制狀態(tài)。處理器包括刀具半徑補償器

28、、解673第2期 黃海鵬 等 : 多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā) 377 釋器 、 實時命令處理器和非實時命令處理器 。刀具 半徑補償器負(fù)責(zé)執(zhí)行刀具半徑補償 ; 解釋器負(fù)責(zé)從 NC 文件中分離出 G 代碼并將其轉(zhuǎn)換成 NC 命令 ; 實時命令處理器負(fù)責(zé)處理實時命令 ; 非實時命令處 理器是若干個非實時命令處理器的統(tǒng)稱 , 負(fù)責(zé)處理 非實時命令 。 當(dāng)一個用戶命令到達時 , 控制線程首先調(diào)用刀 具半徑補償器 , 刀具半徑補償器調(diào)用解釋器從 NC 文件中獲取 NC 命令 。如果有需要進行刀具半徑補 償?shù)?NC 命令 ,則刀具半徑補償器進行刀具半徑補 償 。補償完畢后 ,解釋器逐一對每個命令進行判斷

29、 , 如果命令屬于非實時命令 , 則解釋器調(diào)用相應(yīng)的非 實時命令處理器在用戶管理模塊內(nèi)執(zhí)行該命令 ; 如 果命令屬于實時命令 , 則解釋器調(diào)用實時命令處理 器 ,實時命令處理器通過用戶管理模塊和實時控制 模塊之間的通信將該命令傳遞給實時控制模塊 。圖 8 所示即為用戶管理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 。 控制模塊中的執(zhí)行線程 、 監(jiān)測線程和用戶管理模塊 中的控制線程共同訪問 , 所以采用 R T2Linux 提供 的共享內(nèi)存 ( S Hared Memory , S HM 機制進行通 信 。S HM 是一塊特殊的內(nèi)存區(qū)域 , 該區(qū)域可以被 多個線程映射到自身的地址空間 , 允許多個線程共 制參數(shù)區(qū) 。實時控制

30、模塊中的執(zhí)行線程在運行過程 中 ,從控制參數(shù)區(qū)中讀取控制參數(shù) ,指導(dǎo)其執(zhí)行實時 任務(wù) ,同時將實時控制模塊的狀態(tài)參數(shù)寫入控制狀 態(tài)區(qū) 。實時控制模塊中的監(jiān)測線程在運行過程中實 時地將專用硬件的輸入狀態(tài)參數(shù)保存在硬件狀態(tài) 區(qū) 。用戶管理模塊內(nèi)部的控制線程定時從控制狀態(tài) 區(qū)和硬件狀態(tài)區(qū)讀取參數(shù) ,指導(dǎo)其執(zhí)行非實時任務(wù) 。 由于命令通信是單向的 , 只由用戶管理模塊的 控制線程傳遞入實時控制模塊 , 采用 R T2Linux 提 供的 R T_ FIFO 機制來進行通信 。R T_ FIFO 是一 種基于先進先出 ( Fir st In Fir st Out , FIFO 數(shù)據(jù)結(jié) 構(gòu)的字符設(shè)備 ,

31、FIFO 隊列中的數(shù)據(jù)傳送采用數(shù)據(jù) 流形式 , 具備完善的同步機制 。R T_ FIFO 是一種 點對點的單向通信設(shè)備 , 一般用于兩個線程之間的 通訊 ,不支持單生產(chǎn)者 、 多消費者的使用模式 10 。 用戶管理模塊 、 實時控制模塊和驅(qū)動模塊三者 之間的通信非常重要 , 難點在于如何選定出色的通 信方式 。出色的通信方式能夠增強整個數(shù)控系統(tǒng)的 實時性能 ,進而保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定 、 可靠地運行 。圖 9 所示為三個模塊間的通信方式 。 21 41 1 用戶管理模塊與實時控制模塊間的通信 根據(jù)用戶管理模塊與實時控制模塊之間各個通 信的自身特點 ,將其分為參數(shù)通信和命令通信兩類 。 其中 ,參數(shù)

32、通信是雙向的 ,用戶管理模塊向?qū)崟r控制 模塊傳遞控制參數(shù) , 如高速運行速度 、 加工速度 、 抬 刀速度和軟限位等 ; 實時控制模塊向用戶管理模塊 傳遞狀態(tài)參數(shù) ,如運行狀態(tài) 、 加工效率 、 加工進程和 專用硬件輸入狀態(tài)等 。命令通信是單向的 , 即用戶 管理模塊向?qū)崟r控制模塊傳遞實時任務(wù)命令 。 因為參數(shù)通信是雙向的 , 所傳遞的參數(shù)由實時 21 4 模塊間通信 享 ,適用于大批量數(shù)據(jù)傳遞 , 效率較高 。此外 , 共享 內(nèi)存不是點對點的通信通道 ,可以支持多生產(chǎn)者 、 多 9 消費者的使用模式 , 能夠被多個線程同時訪問 。 共享內(nèi)存劃分為控制參數(shù)區(qū) 、 控制狀態(tài)區(qū)和硬件狀 態(tài)區(qū)三個區(qū)

33、 。用戶管理模塊直接將控制參數(shù)寫入控 378 計算機集成制造系統(tǒng) 第 16 卷 用戶管理模塊將實時內(nèi)核命令以數(shù)據(jù)流的形式輸入 到 R T_ FIFO 中 , 實時控制模塊中的用戶命令響應(yīng) 線程 ,實時地監(jiān)測 FIFO 隊列 ,當(dāng) FIFO 隊列中有命 令數(shù)據(jù)輸入時 ,立刻將數(shù)據(jù)寫入命令緩存區(qū) ,以供執(zhí) 行線程讀取 。命令緩存區(qū)是內(nèi)存區(qū)間內(nèi)開辟的一塊 空間 ,命令以鏈表的數(shù)據(jù)形式保存在其中 。執(zhí)行線 程循環(huán)讀取命令緩存區(qū) , 依照讀到的命令執(zhí)行相應(yīng) 的任務(wù) ,同時將該命令在緩存區(qū)中刪除 。執(zhí)行完該 命令以后 ,執(zhí)行線程繼續(xù)讀取命令緩存區(qū) ,如果緩存 區(qū)中還有命令 ,則執(zhí)行最早進入緩存區(qū)的命令 ;

34、 如果 緩存區(qū)中沒有命令 ,則進行循環(huán)讀取 ,等待下一個命 令的到來 。 21 41 2 實時控制模塊與驅(qū)動模塊間的通信 實時控制模塊與驅(qū)動模塊間的通信是雙向的 。 實時控制模塊通過驅(qū)動模塊獲取專用硬件輸入狀態(tài) 信息 ,并通過驅(qū)動模塊將驅(qū)動信息輸出到專用硬件 , 二者間的通信通過交換緩存區(qū)實現(xiàn) 。 交換緩存區(qū)分為輸入映射緩存區(qū)和輸出映射緩 存區(qū)兩部分 。輸入映射緩存區(qū)是外部硬件物理內(nèi)存 中負(fù)責(zé)輸入的部分在緩存區(qū)中的映射位置 , 輸出映 射緩存區(qū)是外部硬件物理內(nèi)存中負(fù)責(zé)輸出的部分在 緩存區(qū)中的映射位置 。實時控制模塊中的檢測線程 實時讀取輸入映射緩存區(qū) , 即可讀取到外部硬件的 輸入狀態(tài) ,并將

35、其保存在共享內(nèi)存的硬件狀態(tài)區(qū)供 其他線程讀取 。實時控制模塊中的執(zhí)行線程在運行 過程當(dāng)中向外部硬件發(fā)送驅(qū)動信息時 , 只需實時地 將信息輸出到輸出映射緩存區(qū) , 即相當(dāng)于直接驅(qū)動 了外部硬件 。 加工用來去除加工余量 ,精加工用來拷貝葉片形狀 。 整個加工過程狀況非常穩(wěn)定 ,沒有出現(xiàn)拉弧 、 短路和 死機等現(xiàn)象 。圖 10 所示為加工完畢的帶冠整體式 渦輪盤樣件 ,圖 11 所示為樣件上的渦輪盤葉片 。從 圖 10 可以看出 ,整個渦輪盤葉片葉形一致性好 , 形 狀清晰 ,邊緣完整 ,分布均勻 。從圖 11 可以看出 ,葉 片表面細膩光潔 ,無積碳現(xiàn)象 。 3 五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)加工實

36、驗 為了驗證開發(fā)完成的五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控 系統(tǒng)的性能 ,運用該系統(tǒng)在五軸聯(lián)動電火花加工機 床上進行了帶冠整體式渦輪盤的加工實驗 。帶冠整 體式渦輪盤是航天飛行器發(fā)動機的重要部件之一 , 在航天領(lǐng)域具有非常重要的用途和地位 ,其輪轂 、 葉 片和葉冠都在同一塊金屬毛坯上加工而成 , 并且葉 片的形狀具有非常強烈的曲率變化 。通常這種渦輪 盤可以 通 過 數(shù) 控 磨 削 或 者 電 解 加 工 等 方 法 來 加 工 11212 ,但是如果渦輪盤葉片的形狀具有非常強烈 的扭曲變形 ,這些加工方法就不再適用 ?，F(xiàn)今 ,多軸 聯(lián)動電火花加工已經(jīng)成為帶冠整體式渦輪盤的首選 加工方法 。 整個加工過程

37、分為粗加工與精加工兩部分 。粗 整個實驗過程顯示出該五軸聯(lián)動電火花加工數(shù) 控系統(tǒng)具有如下優(yōu)點 : ( 1 實時性強 系統(tǒng)可以實時地監(jiān)測和反饋加 工狀態(tài) ,并根據(jù)加工狀態(tài)實時控制電極進行伺服 。 整個加工過程中沒有出現(xiàn)拉弧 、 短路等現(xiàn)象 。加工 表面質(zhì)量好 ,無積碳現(xiàn)象 。 ( 2 穩(wěn)定性好 所有葉片葉形高度一致 ,形狀清 晰 ,邊緣完整 ,分布均勻 , 表明系統(tǒng)能夠始終準(zhǔn)確地 執(zhí)行數(shù)控程序 ,后續(xù)加工不會對已加工完成部分產(chǎn) 生破壞 。 第2期 黃海鵬 等 : 多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)開發(fā) 379 (3 可靠性高 整個加工過程中進行了若干個長 時間連續(xù)加工實驗 ,系統(tǒng)沒有出現(xiàn)死機、 崩潰等現(xiàn)

38、象。 渦輪盤經(jīng)送應(yīng)用單位質(zhì)檢 , 檢驗結(jié)果 表明 渦 輪葉片全部符合指標(biāo)要求 , 渦輪盤可以投入實際 使用 。該五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)也已運用 在國產(chǎn)五軸電火花加工機床上 , 構(gòu)成我國第一臺 自主研發(fā)的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的五軸聯(lián)動電火花 加工數(shù)控機床 ,真正應(yīng)用于生產(chǎn)實踐 , 并根據(jù)需求 進一步進行產(chǎn)品化 。 4 結(jié)束語 本文基于 R T2Linux 平臺 , 開發(fā)出了一種新型 的五軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng) 。該系統(tǒng)采用雙核 結(jié)構(gòu) , R T2Linux 和 Linux 分別用來處理實時任務(wù) 和非實時任務(wù) 。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)宏觀上分為實時部分 有實時性強 、 穩(wěn)定性好和可靠性高等優(yōu)點 。 參考文

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40、x 的六軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控 論 和非實時部分兩大部分 ,微觀上分為實時控制模塊 、 驅(qū)動模塊和用戶管理模塊三大模塊 。通過互相之間 的通信和控制 ,三個模塊構(gòu)成一個有機的整體 。運 用該系統(tǒng)在五軸聯(lián)動電火花加工機床上進行了帶冠 整體式渦輪盤的加工實驗 ,實驗結(jié)果表明 ,該系統(tǒng)具 系統(tǒng) D . 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學(xué) ,2004. 3 SEAN H , DOU GL AS N. KU R T2Linux support for synchro2 ( 上接第 0364 頁 12 YAO Dongqing , YU E Xiaohang , WAN G Xiaoyin , et al . Th

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