一種開放式并行數(shù)控系統(tǒng)研究*

魏勝利，戴國強(qiáng)

(安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南安陽 455000)

0 引言

經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)由專用封閉的體系結(jié)構(gòu)逐漸向開放化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。開放化是為了滿足市場對產(chǎn)品日益靈活多變的需求，要求數(shù)控系統(tǒng)具備容易配置、調(diào)整、進(jìn)行二次開發(fā)等能力的必然趨勢;并行化是為了滿足人們對數(shù)控系統(tǒng)更高加工精度、更快加工速度和更復(fù)雜加工計(jì)算的要求而充分利用其它閑置的計(jì)算資源的必然措施;網(wǎng)絡(luò)化是為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程故障診斷以及集成制造必然選擇。

為了滿足上述要求，人們研究各種不同的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，開放式數(shù)控系統(tǒng)通常采用主從結(jié)構(gòu)，以PC機(jī)作為上位機(jī)，以微控制器或者微處理器作為下位機(jī)［1］。上位機(jī)主要用于提供友好的人機(jī)界面、進(jìn)行管理、任務(wù)分配、通信等功能;下位機(jī)主要用于插補(bǔ)運(yùn)算與控制。多數(shù)研究采用PC機(jī)加美國Delta Tau公司的PMAC(Programmable Multiple Axes Controller)多軸運(yùn)動控制器來構(gòu)成開放的數(shù)控系統(tǒng)。錢俊晗在他的碩士論文中提出了一種基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法［2］。王春［3］和孟璇［4］提出了基于PMAC的并行雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng)。采用PMAC或者其它專用多軸控制器實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)，技術(shù)成熟，有利于快速構(gòu)建系統(tǒng)，但由于采用的是專用的控制器，在技術(shù)上還是受制于人，開放程度不夠靈活。因此也有人采用PC機(jī)加DSP構(gòu)成的控制器模式。

現(xiàn)在人們對數(shù)控系統(tǒng)的加工速度和加工精度要求越來越高，要加工的工件形狀更加復(fù)雜，這就要求處理器以更快的速度處理數(shù)據(jù)。同時人們也對數(shù)控系統(tǒng)提出了更多的功能要求，如故障診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)等，這些都極大的增加了數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算量。要完成這些計(jì)算，一個CPU的運(yùn)算能力通常是難以勝任的。由此人們開始研究并行數(shù)控系統(tǒng)，利用多個CPU來完成數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算。充分利用數(shù)控系統(tǒng)中或者其它可用的有剩余運(yùn)算能力的CPU就成了構(gòu)建并行數(shù)控系統(tǒng)的首選方法。并行可分多個層次，有粗粒度級的，有細(xì)粒度級的。文獻(xiàn)［3-8］都對并行數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)7提出了一種細(xì)粒度級的并行算法。

1 體系結(jié)構(gòu)

本文所提出的開放式并行數(shù)控系統(tǒng)采用PC機(jī)加高性能微處理器構(gòu)成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)可看成三層結(jié)構(gòu)，上層是PC機(jī)(為了更加穩(wěn)定可靠，常采用工控機(jī))，其次是系統(tǒng)的核心單元——微處理器，由ARM+DSP雙核芯片承擔(dān)，下層是各個運(yùn)動軸的控制伺服單元。PC主要承擔(dān)零件外形輔助設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、預(yù)處理和準(zhǔn)備運(yùn)算，并將需要加工的工藝參數(shù)通過高速局域網(wǎng)傳輸給微處理器。微處理器采用ARM+DSP雙核芯片。ARM主要用來進(jìn)入任務(wù)管理、數(shù)據(jù)傳輸、用戶交互;DSP用來進(jìn)行數(shù)控插補(bǔ)運(yùn)算，計(jì)算出刀具運(yùn)行的位置、速度、加速度等信息。這些信息經(jīng)由ARM通過微處理器的I/O口經(jīng)CAN總線傳松給各個軸的控制單元。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

2 任務(wù)分解

2.1 數(shù)控系統(tǒng)任務(wù)分析

數(shù)控技術(shù)當(dāng)中涉及大量的運(yùn)算，主要有：工件加工形狀設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、加工前的準(zhǔn)備運(yùn)算、干涉估算、精度控制、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)運(yùn)算、輸出控制、錯誤診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)等。工件加工形狀設(shè)計(jì)指的是根據(jù)通過其它途徑獲取的形狀的離散點(diǎn)和約束等要求，利用圖形軟件設(shè)計(jì)出要加工的圖形。要加工的圖形有時需要多次不斷的修正和改善，最終完成形狀設(shè)計(jì)。比如，以NURBS(NON －Uniform Rational B－Spline，非均勻有理B樣條)描述的工件形狀，需要根據(jù)工件曲面的離散的型值點(diǎn)，通過反求工程求出曲面的控制點(diǎn)和權(quán)因子。我們設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)主要基于NURBS曲面直接插補(bǔ)算法的，所以，設(shè)計(jì)好的形狀主要是NURBS的控制點(diǎn)和權(quán)因子?？刂泣c(diǎn)和權(quán)因子是傳遞給插補(bǔ)運(yùn)算器的主要參數(shù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理是根據(jù)工件的形狀進(jìn)行加工區(qū)域的劃分，每個區(qū)域可能是一個NURBS曲面，需要求出每個曲面的控制點(diǎn)和權(quán)因子。當(dāng)采用矩陣方法求解NURBS曲線曲面的時候，需要將該矩陣事先求出來，以減少插補(bǔ)過程中的運(yùn)算量。準(zhǔn)備運(yùn)算是指加工前的模擬加工過程，根據(jù)設(shè)計(jì)的形狀在PC機(jī)上根據(jù)要求進(jìn)行模擬的加工，以確定哪里可能產(chǎn)生干涉，確定合理加工步長和加工行距來保證加工精度。干涉信息、加工步長、加工行距等參數(shù)也需要傳遞給微處理器。這些通過模擬加工獲得的參數(shù)只是初步的估計(jì)，在加工過程中可能需要對這些參數(shù)進(jìn)行一些修正。插補(bǔ)運(yùn)算是數(shù)控系統(tǒng)中的核心運(yùn)算，用來給出下一步刀具要加工的位置、速度、加速度等信息。刀具補(bǔ)償針對刀具的磨損，對刀具的尺寸實(shí)時調(diào)整，以滿足加工精度。錯誤診斷是指根據(jù)加工過程中運(yùn)行情況，判斷是否出現(xiàn)問題，問題出在哪里，如何解決等。加工結(jié)果重現(xiàn)是將加工工件的形狀及時的在電腦上顯示出來，有助于操作者判斷加工效果。在這些運(yùn)算當(dāng)中，插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償屬于實(shí)時性要求比較強(qiáng)的運(yùn)算，必須在一個加工周期中給出結(jié)果。加工周期越小，加工速度就越快。這些實(shí)時性要求強(qiáng)的運(yùn)算在微處理器上進(jìn)行。其它運(yùn)算實(shí)時性要求不強(qiáng)，在PC機(jī)上進(jìn)行運(yùn)算。

2.2 任務(wù)分配

如上所述，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)需要進(jìn)行的運(yùn)算量越來越大，單靠一個CPU進(jìn)行處理已經(jīng)力不從心。同時PC機(jī)則有很強(qiáng)大的運(yùn)算能力，并且PC機(jī)很多情況下處于空閑狀態(tài)，因此可以讓PC機(jī)分擔(dān)一些運(yùn)算，提高數(shù)控的效率，充分利用PC機(jī)的性能。在我們設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，PC機(jī)主要承擔(dān)工件加工形狀設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)預(yù)處理、插補(bǔ)前的準(zhǔn)備運(yùn)算、干涉估算、加工過程重現(xiàn)、進(jìn)行錯誤診斷等數(shù)據(jù)量大而實(shí)時性要求不強(qiáng)的運(yùn)算。微處理器則主要承擔(dān)插補(bǔ)運(yùn)算及控制運(yùn)算等實(shí)時性要求比較強(qiáng)的運(yùn)算。

工件設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和準(zhǔn)備運(yùn)算，這些運(yùn)算前期需要完成。錯誤診斷和加工結(jié)果重現(xiàn)也在PC機(jī)上完成運(yùn)算，但是它們和插補(bǔ)運(yùn)算同步運(yùn)行，處于并行運(yùn)行的狀態(tài)。PC機(jī)和微處理器承擔(dān)的運(yùn)算任務(wù)如圖2所示，由PC機(jī)到微處理器的數(shù)據(jù)傳送如圖中虛箭頭所示，微處理器向PC機(jī)傳送數(shù)據(jù)如圖中實(shí)箭頭所示。

圖2 任務(wù)分配

2.3 任務(wù)并行模式

數(shù)控系統(tǒng)中的并行運(yùn)算分為粗粒度級的和細(xì)粒度級的。粗粒度級指的是上述這些任務(wù)之間的并行，如錯誤診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)和插補(bǔ)運(yùn)算的并行。細(xì)粒度級指的是每個任務(wù)又分為幾個步驟，這些步驟也采用并行運(yùn)算。

(1)粗粒級的并行 加工前的工作準(zhǔn)備完成后，PC機(jī)把加工參數(shù)傳輸給微處理器開始加工。在加工過程中，PC機(jī)和微處理器分別并行的承擔(dān)不同的任務(wù)，微處理器主要承擔(dān)實(shí)時性要求高的插補(bǔ)運(yùn)算和輸出控制，這部分功能主要由微處理器中的DSP核來承擔(dān)，而它的ARM核主要用來進(jìn)行任務(wù)管理、人機(jī)交互和通信。微處理器將插補(bǔ)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，PC機(jī)的通信任務(wù)獲取這些數(shù)據(jù)交給錯誤診斷任務(wù)和加工結(jié)果重現(xiàn)任務(wù)。錯誤診斷任務(wù)根據(jù)發(fā)送過來的插補(bǔ)數(shù)據(jù)分析有沒有加工錯誤，加工結(jié)果重現(xiàn)任務(wù)根據(jù)這些數(shù)據(jù)將加工的過程以圖形的形式動態(tài)的表現(xiàn)出來。

(2)細(xì)粒度級的并行如果數(shù)控系統(tǒng)不需要加工結(jié)果重現(xiàn)和錯誤診斷，在加工期間PC機(jī)經(jīng)常處于空閑狀態(tài)，這是計(jì)算資源的浪費(fèi)，而同時微處理器則要進(jìn)行大量復(fù)雜的運(yùn)算，此時也可以采取措施，讓PC機(jī)承擔(dān)一些計(jì)算工作，減輕微處理器的負(fù)擔(dān)，提高加工效率。通常進(jìn)行曲面加工時，要將曲面分解成曲線，刀具加工每條曲線以完成整個曲面的加工。將曲面分解成曲線有很多種方法，比如切割法、等高線法、固定參數(shù)法等。以NURBS曲面為例，當(dāng)固定一個參數(shù)為常數(shù)，曲面表達(dá)式就成了一條NURBS曲線表達(dá)式［9］。要對曲線進(jìn)行加工，首先要求出這條曲線的控制點(diǎn)和權(quán)因子等信息，還要確定加工的步長、行間距等信息。那么在加工一條曲線的時候，下一條要加工的曲線的控制點(diǎn)、權(quán)因子、加工步長、行間距可以由PC機(jī)來完成。當(dāng)正在加工的曲線加工完成后，下一條要加工的曲線的參數(shù)已經(jīng)由PC機(jī)計(jì)算出來了，可以直接使用，不再需要在插補(bǔ)算法中計(jì)算，從而提高加工速度，實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算。

2.4 軟件開發(fā)方法

微處理器采用ARM+DSP結(jié)構(gòu)，增加了在這上面運(yùn)行的軟件開發(fā)的難度。在該系統(tǒng)中，ARM上面運(yùn)行WinCE6.0操作系統(tǒng)，DSP上運(yùn)行插補(bǔ)運(yùn)算程序，二者之間通過共享存儲區(qū)域的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。在文中提出的系統(tǒng)中，PC機(jī)上運(yùn)行的任務(wù)要求實(shí)時性不高，但為了進(jìn)一步保證數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)時間，可以對PC機(jī)上運(yùn)行的Windows系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時性改造。文獻(xiàn)10給出了一種對Windows進(jìn)行實(shí)時擴(kuò)展的方法。

3 結(jié)論

本文提出了一種開放式并行數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用任務(wù)并行的方式，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的功能，提高數(shù)控系統(tǒng)的加工效率，充分利用閑置的計(jì)算資源。在粗粒度級并行模式下，在保證插補(bǔ)周期的前提下，提供了錯誤診斷、加工結(jié)果重現(xiàn)等功能。在細(xì)粒度級并行模式下，縮短了插補(bǔ)運(yùn)算周期，提高了加工速度。經(jīng)測算，根據(jù)每條曲線插補(bǔ)點(diǎn)數(shù)的不同，提高的效率有所不同，一般在5% ～20%。加工結(jié)果重現(xiàn)如圖3所示。

圖3 加工結(jié)果重現(xiàn)

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