機床手輪功能在虛擬軸機床數控系統中的開發

1 前言
虛構軸機床又稱并聯機床, 是用并聯機構作為傳動進給機構的新型數控加工設施, 因為在應用中表示出剛度份量比大、模塊化水平高、可重構等方面的優勢, 機床手輪一直受到國內學術界和工程界的高度存眷。從機構流動學的觀點上看, 并聯機構動平臺在壟斷空間中的流動是關節空間伺服流動的非線性照射( 又稱真假照耀) , 是以保守數控瑣細不克不及直接應用于編造軸機床的牽制, 必需開荒設計切當于編造軸機床特性的管制零碎。無論是何種數控機床, 手輪功能都是完成刀具微動、工件對刀等不行或缺的功能。古板數控機床一樣平常只需經由可編程控制器( PLC) 發送相應的指令脈沖控制單軸機電就能完成, 而在虛構軸機床中, 由于加工所需的刀具進給軸X 、Y、Z 實際實在不具有, 必需將沿笛卡爾坐標系的虛軸流動經由逆解運算轉換為關節空間各伺服軸( 實軸) 的聯合流動, 因而虛擬軸機床的手輪功能不克不及純摯依托PLC, 而是須要經由PLC 與上位機一路融洽管教, 實際上現方式與傳統數控機床有著實質的一致, 同時為了保障對內部手輪隨靈敏作的疾速響應和實時措置, 要求細碎實時性強, 使程序設計更加艱巨和蕪雜, 于是手輪功能的開辟一直是困擾偽造軸機床數控零碎斥地者的難點之一。本文結合虛擬軸機床數控瑣細的開荒實踐, 引見了基于/ PC+ 多軸運動控制器機床手輪的硬件結構, 在DOS 行使系統下用C 說話開辟適用于編造軸機床的手輪功能的法子。
2 硬件接口設計
編造軸機床數控細碎的硬件平臺是機床手輪接納尺度的PC 總線構造, 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、流動學較量爭論等任務。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, 同時它具有內置PLC 功能,能夠在背景同時運轉32 個異步PLC 程序。PMAC 供應了職位接口板ACC- 8P 與I/ O 接口板ACC34。ACC- 8P 按能驅動的伺服軸數量分為四個通道, 每路都包羅仿照量輸出、光電脈沖發生器( 簡稱碼盤) 反應輸入以及伺服電動機正轉和反轉超程限位輸入。數字量輸入/ 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量管束以及鍵盤輸入功能。在對硬件布局進行充裕分析的基礎上, 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受進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, 從而匱乏利用了現有硬件資源, 既節流經濟利潤, 又預防了另行開辟高速數據采集通道所帶來的少量硬件設計工作。
3 主從CPU 間的高速數據換取
通訊標題問題是影響多CPU 組織零碎實時性的樞紐。PMAC 與主機之間需求進行少量的數據交互: 一方面,PMAC 內置PLC 以靠山循環掃描的方式, 對伺服電機地位信息和電子手輪碼盤信號等進行高速采集, 此后將數據通報到主機; 另外一方面, 主述說將實時管制指令快捷發送給PMAC。但PMAC 與主機CPU 之間采取串行端口或總線進行的通信數據傳輸效率不高, 難以滿足數控瑣細的實時性要求, 為解決這個標題問題, 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存緩沖區, 使兩個CPU 互不攪擾地別離從分歧端口存取數據, 機床手輪這樣主機與PMAC 之間可以進行高速、可一再、不需/ 握手0的數據互換, 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, 保證了系統敵手輪行動的快速響應。
4 軟件設計
機床手輪功能是指顛末遷移轉變電子手輪, 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途程序設計時, 應主要思慮并解決以下幾個問題:
(1) 電機應能扈從手輪的強項即時發動或終了,以保證壟斷的靈活和安然性;
(2) 手輪的轉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、快慢以及進給倍率, 于是必需按照手輪的動作實時總計動平臺的進給位移和速度;
(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、速度進行賣弄轉換, 解算為關節空間內各電機的伺服位置與進給速度,管教各電機協同運動, 從而使刀具走出冀望的軌跡;
(4) 供應朋儕的用戶界面, 實時靜態顯示刀具的理論身分坐標, 并對瑣細形狀發展監測, 在用戶越限壟斷或瑣細發生故障時, 實時報警和作響應處理。
4.1 零碎結構
為有效實現上述手輪功能, 零碎接納主從CPU 多任務并行處置結構, 按所完成的不合功能對子任務模塊發展了劃分。PMAC 執行的任務有:
( 1) 插補算計與伺服驅動承受主機的管教指令, 進行實時插補算計與伺服更新, 管教機電的流動;
( 2) 布景PLC 程序對伺服電機和電子手輪碼盤發展輪回掃描, 并將數據自動寫入DPRAM; 同時完成其它開關量和機床邏輯順序管教。
主機執行的任務有:
( 1) 手輪狀態檢測
上位機循環讀取DPRAM 中的存儲值, 得到手輪碼盤讀數。經由對一致時分碼盤讀數的對照, 剖斷手輪的運動形狀;
( 2) 軌跡共計及流動學更改
根據手輪運動形態總計動平臺在哄騙空間的軌跡位移與進給速度, 針對捏造軸機床非線性照射的流動管制共性, 向PMAC 下達正確的管教指令此前, 先在哄騙空間與關節空間之間進行位置、速度虛實轉變, 天生樞紐關頭空間各實軸的管制信息;
( 3) 實時通信
與PMAC 發展實時信息交互, 將矯飾轉變后的軌跡算計終究轉換為管制指令發送給PMAC;
( 4) 地位正解及坐標新聞顯示
為了使用戶在機床運轉進程中能實時監測刀具位子, 主機每隔一段年華從DPRAM 讀取各電機確當前職位信息, 利用位置正解模型解算出刀具在壟斷空間的身分坐標, 并在屏幕上靜態刷新顯示;
( 5) 陰礙監控處置
當用戶超程行使或零碎泛起無比情況時, 當即發展阻截措置并提示出錯信息。
4.2 實時多任務調度的完成為能夠實時響應手輪的行動, 系統在每一個實時周期內都要完成數據采集、軌跡規劃、虛實更動、插補較量爭論和伺服更新等多個任務, 其他還要執行屏幕顯示、妨礙監測等任務, 是一個實時性多任務細碎, 但DOS 性質上是一個單任務操縱細碎, 是以若何實現多任務間的實時調劑成為體系啟示的焦點與癥結技能, 作者接納中斷技術手段結合實時多任務調度策略來解決多任務調度標題問題:
( 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 執行各任務的運行速度不一致, 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, 導致機電行動呈現間歇, 速度不連續, 刀具時走時停; 概略主機已發送出管制指令, 而PMAC 仍在對上一軌跡段進行措置, 使電矯捷作滯后, 以至招致手輪曾經停轉, 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 的緩沖區哀求旌旗燈號作為中斷輸入信號, 當緩沖區滿時, PMAC 讀取緩沖區中指令信息, 進行插補計算和伺服管教, 當緩沖區空時, 向主機收回中斷申請; 主機領受到中斷信號, 則起源新一次的計較, 并將運算終究發送到PMAC 緩沖區。這樣, 利用PMAC 打造生的中斷, PMAC 與主機每隔10ms 經由進程雙端口RAM 進行一次管制信息的交換, 從而有用協調兩者的工作, 完成對機電的連氣兒牽制。
( 2) 多任務調度策
略多任務調劑是指在滿足實時性的條件下, 協調各任務間的限制關連, 完成任務間由于按某種順序執行所需的同步以及同享設備、數據等資源而發作的互斥。多任務調度的基本門徑是將全數子任務構成一個輪回行列, 采納基于優先級的搶占式調度與輪回調度相結合的方式在各任務間進行切換。實時要求最高的任務被授予最高優先級, 對CPU 執行優先搶占, 非實時的周期性任務則采取輪回調劑。PMAC 優先級最高的任務為伺服更新, 每三次伺服更新運轉一次伺服中斷, 合計下一周期流動軌跡的插補參數, 其余光陰則用來運行配景PLC 程序。主機實時性最強的任務為向PMAC 發送牽制指令, 該任務優先級最高, 由PMAC 中斷信號提議; 當該任務讓出CPU 后, 實時性次強的任務如手輪外形檢測、瑣屑陰礙監測等, 在每個周期內都被順序挪用; 人機界面、坐標顯示等任務實時性要求最低, 每隔多少周期執行一次。
4.3 主機的軌跡管束對刀具的流動軌跡進行管束是主機的焦點任務,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, 刀具不是按預定的路徑流動, 這要求主機經過更多的實時運算, 對運動軌跡發展直接管教。針對這種狀況, PMAC 供應了地位) 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位置、速度和光陰。為敵手輪的步履及時作出響應, 主機對手輪發展循環檢測, 并根據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 發送一次PVT 指令,由PMAC 對上位機給定的一系列說合點發展速度過渡和精插補。
具體執行進程以下:
(1) 當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, 今后調用地位和速度逆解模型, 轉換為樞紐關頭空間各機電的伺服位子p 和速度v, 向PMAC 緩沖區發送PVT 花式指令,只需手輪不終了轉折, 輪回執行此任務。
( 3) 當上位機檢測到手輪停轉時, 先貽誤檢測一段光陰, 以擔保軟件和硬件速度相婚配, 當確認手輪已中止動作, 平息PMAC 中斷, 休止機電的運動。
5 完結
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, 結合實時多任務調度戰略實現虛擬軸機床手輪功能的法子, 已告捷運用于天津大學啟示的虛擬軸機床數控瑣屑。其壟斷方式與激進數控機床沒有區別, 理論運行造詣良好。該手藝對促進偽造軸機床的商品化、實用化起到了主動感召。