基于Windows+RTX的磨床數(shù)控系統(tǒng)

鄭魁敬，陶征鑫，司金保

(1.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 (燕山大學(xué))，河北秦皇島066004;2.燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

0 前言

目前，數(shù)控技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用推廣大大推動了我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展，人們開始越來越多的研究基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。隨著PC硬件技術(shù)水平的提高和數(shù)控軟件設(shè)計(jì)水平的進(jìn)步，PC+I/O的軟件化結(jié)構(gòu)正逐漸發(fā)展起來，目前已呈現(xiàn)PC+NC的遞階式結(jié)構(gòu)將被PC+I/O的軟件化結(jié)構(gòu)所取代的趨勢。文中采用PC+I/O的軟件化結(jié)構(gòu)，研究基于Windows+RTX軟件平臺的磨床數(shù)控系統(tǒng)，在保證實(shí)時性的同時對MK250數(shù)控凸輪磨床進(jìn)行高精度控制。

1 磨床數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 Windows+RTX軟件平臺

在Windows XP+RTX的軟件平臺上進(jìn)行磨床數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，磨床數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時性不強(qiáng)的任務(wù)由Windows XP來實(shí)現(xiàn)，數(shù)控軟件的底層實(shí)時控制任務(wù)由Windows XP實(shí)施擴(kuò)展平臺RTX來實(shí)現(xiàn)。這樣，完全能滿足數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時性要求，且又能充分發(fā)揮Windows的弱實(shí)時性能。

1.2 磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

磨床數(shù)控系統(tǒng)由PC機(jī)和高速并口CNC接口板組成，主要控制功能全部由PC機(jī)通過軟件算法來實(shí)現(xiàn)，沒有使用其他運(yùn)動控制單元，減小了數(shù)控系統(tǒng)的硬件規(guī)模，充分體現(xiàn)了開放性。驅(qū)動裝置采用松下公司MINAS A系列交流伺服電機(jī)驅(qū)動器及其配套電機(jī)，與高速并口CNC接口板配套使用，數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.3 磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在磨床數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件主要包括非實(shí)時性模塊和實(shí)時性模塊兩部分，磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 系統(tǒng)軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合數(shù)控凸輪磨床的主體結(jié)構(gòu)，在Windows+RTX的軟件平臺上開發(fā)了磨床數(shù)控系統(tǒng)，將全部數(shù)控功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。磨床數(shù)控系統(tǒng)既要完成插補(bǔ)、位置控制、數(shù)據(jù)傳遞、實(shí)時網(wǎng)絡(luò)控制功能等實(shí)時性任務(wù)，又要完成人機(jī)界面、自動編程、譯碼等非實(shí)時性任務(wù)。建立了兩個進(jìn)程:Win32進(jìn)程和RTSS進(jìn)程，并通過共享內(nèi)存來完成數(shù)據(jù)的傳遞，前者進(jìn)行非實(shí)時性任務(wù)，后者進(jìn)行實(shí)時性任務(wù)。

磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)過程如下:

(1)創(chuàng)建Win32進(jìn)程和RTSS進(jìn)程并建立連接。

(2)在Win32進(jìn)程中進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)磨床數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面，采用Windows編程中的分割視技術(shù)將人機(jī)界面分割成坐標(biāo)和系統(tǒng)狀態(tài)顯示、代碼顯示、圖形仿真和控制面板4個子窗口。

(3)在RTSS進(jìn)程中，通過RTX提供的高精度時鐘和定時器來創(chuàng)建插補(bǔ)、位置控制和數(shù)據(jù)傳遞線程等。

(4)建立Win32進(jìn)程和RTSS進(jìn)程之間的通信。

(5)位置控制線程產(chǎn)生的脈沖信號通過RTX提供的I/O端口服務(wù)發(fā)送出去。

(6)通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制磨床數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行時用到了RTX提供的實(shí)時RT-TCP/IP服務(wù)。

2 磨床數(shù)控系統(tǒng)主要功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 凸輪磨床自動編程模塊

結(jié)合Windows+RTX的磨床數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，研究了極坐標(biāo)式凸輪磨床自動編程模塊，可以進(jìn)行直動滾子從動件、擺動滾子從動件、直動平底從動件、擺動平底從動件及非圓工件的自動編程功能。凸輪磨床自動編程流程圖如圖3。

圖3 凸輪磨床自動編程流程圖

將凸輪磨床自動編程模塊集成在磨床數(shù)控系統(tǒng)軟件中，如圖4所示。

圖4 凸輪磨床自動編程界面

凸輪磨床自動編程模塊能夠進(jìn)行直動滾子從動件、擺動滾子從動件、直動平底從動件、擺動平底從動件及非圓工件的自動編程。

2.2 實(shí)時網(wǎng)絡(luò)控制模塊

Windows環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)通信具有延時性和不穩(wěn)定性，本節(jié)在對Windows進(jìn)行實(shí)時性改造的RTX環(huán)境下采用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)行了實(shí)時網(wǎng)絡(luò)通信的開發(fā)，通過使用RT-TCP/IP協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了磨床數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)控制，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時性。

RT-TCP/IP在RTX環(huán)境下具有較好的實(shí)時性能，即增加RTX的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，同時又保證了RTSS子系統(tǒng)下的實(shí)時處理過程。RTSS網(wǎng)絡(luò)通信是完全獨(dú)立于Windows網(wǎng)絡(luò)的，所以RT-TCP/IP應(yīng)用程序在編譯和運(yùn)行之前可用于W32的開發(fā)和調(diào)試，RT-TCP/IP體系結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5 RT-TCP/IP體系結(jié)構(gòu)

3 磨床控制系統(tǒng)插補(bǔ)算法

平面凸輪磨床插補(bǔ)算法是在多軸線性插補(bǔ)算法的基礎(chǔ)上并結(jié)合虛擬合成速度的方法進(jìn)行研究的。其插補(bǔ)原理如圖6所示。

圖6 平面凸輪磨床插補(bǔ)原理示意圖

數(shù)控系統(tǒng)在每次插補(bǔ)周期結(jié)束后，都要進(jìn)行終點(diǎn)判斷。空間直線插補(bǔ)是以終點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)來進(jìn)行判別，而圓弧插補(bǔ)是以起點(diǎn)坐標(biāo)為依據(jù)來進(jìn)行判別。對于數(shù)控凸輪磨床來說，采用的是極坐標(biāo)運(yùn)動系，其在X軸與C軸上是線性插補(bǔ)，可以進(jìn)行終點(diǎn)的判斷。X軸方向終點(diǎn)判斷流程圖如圖7。

圖7 X軸方向終點(diǎn)判斷流程圖

C軸方向通過相同的方法處理，當(dāng)x=xe，c=ce時，到達(dá)終點(diǎn)。

4 實(shí)驗(yàn)

在搭建好的系統(tǒng)平臺上做了兩個實(shí)驗(yàn):一個是在建立的軟硬件平臺上進(jìn)行平面凸輪的模擬加工測試實(shí)驗(yàn)，另一個是在配置好的實(shí)時網(wǎng)絡(luò)平臺上對數(shù)控凸輪磨床進(jìn)行實(shí)時網(wǎng)絡(luò)控制。把設(shè)計(jì)好的平面凸輪基本參數(shù)和工藝參數(shù)輸入到自動編程界面中，選擇刀具半徑，生成加工代碼，通過模擬加工，實(shí)際模擬加工出來的仿真圖形與軟件仿真的形狀一致。以磨床數(shù)控系統(tǒng)為客戶端，將網(wǎng)絡(luò)控制功能作為實(shí)時性任務(wù)添加在RTX環(huán)境下，建立服務(wù)器端，使服務(wù)器端與客戶端能進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)交換，服務(wù)器端如圖8所示。通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時控制數(shù)控凸輪磨床進(jìn)行了平面凸輪的磨削加工，圖9為磨削加工操作現(xiàn)場。

圖8 服務(wù)器端圖

圖9 磨削加工操作現(xiàn)場

5 結(jié)束語

研究了基于Windows+RTX的磨床數(shù)控系統(tǒng)，對Windows操作系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時性改造，基于該軟件平臺，結(jié)合平面凸輪數(shù)控磨削加工，設(shè)計(jì)了軟硬件結(jié)構(gòu)，研究了各模塊功能算法及實(shí)現(xiàn)方法，并進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與分析，表明該數(shù)控系統(tǒng)可以滿足磨床加工需要。

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