專利名稱：開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核及刀路曲線的實時控制方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明屬先進控制與先進制造領域，具體涉及開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核以及刀路曲線的一種實時控制方法。
背景技術(shù)：
基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)是以實時操作系統(tǒng)(Real Time Operating System, RTOS)為中心的系統(tǒng)架構(gòu)。實時操作系統(tǒng)中關于內(nèi)外資源的管理機制以及關于內(nèi)外環(huán)境變化的應變機制與插補迭代控制算法的運算規(guī)則緊密耦合在一起構(gòu)成一種普適的數(shù)字控制方法即插補迭代控制方法，實時操作系統(tǒng)從而成為進行實時插補迭代的實時控制中心。插補迭代控制方法貫穿于數(shù)字控制技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)的全部歷史，創(chuàng)建了數(shù)控系統(tǒng)的“插補時代”。在上世紀七十年代以前，計算機基本上只用于科學計算，其應用環(huán)境是多個用戶程序的管理，由此產(chǎn)生了面向多用戶的分時操作系統(tǒng)。八十年代后，計算機廣泛應用于生產(chǎn)過程的實時控制。為了解決操作系統(tǒng)的實時性，在通常的多用戶分時操作系統(tǒng)中嵌入一個實時內(nèi)核，并稱之為實時操作系統(tǒng)。例如，在PC中，WindowsNT+RTX與Linux+RTLinux便廣泛使用實時內(nèi)核RTX與RTLinux。文獻《PC數(shù)控原理、系統(tǒng)及應用》(作者周凱，機械工業(yè)出版社2007年7月第1 版 第2次印刷)指出，在基于PC的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，實時內(nèi)核是數(shù)控軟件系統(tǒng)的核心。數(shù)控軟件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、設計與運行管理所涉及的“以多進程和多線程等方式實現(xiàn)的多任務軟件設計”，“對實時性和可靠性要求相當苛刻的實時軟件設計”，“實時軟件與非實時軟件間的相互協(xié)調(diào)運行和信息交換”等問題均依賴于實時內(nèi)核。IEEE (Institute of Electrical and Electronic s Engineers,電氣電子工禾呈師協(xié)會)關于開放式系統(tǒng)的定義為“符合系統(tǒng)規(guī)范的應用系統(tǒng)可以運行在多個銷售商的不同平臺上，可以與其它系統(tǒng)的應用進行互操作，并且具有一致風格的用戶交互界面?！敝袊鴩覙藴省禛B/T 18759. 1-2002 ·機械電氣設備·開放式數(shù)控系統(tǒng) 第1部分總則》抓住IEEE定義的本質(zhì)并遵循IEEE定義的基本原則，在3. 1款中直截了當將開放性定義為應用軟件的“即插即用”，將開放式數(shù)控系統(tǒng)定義為“指應用軟件構(gòu)筑于遵循公開性、可擴展性、兼容性原則的系統(tǒng)平臺之上的數(shù)控系統(tǒng)，使應用軟件具備可移植性、互操作性和人機界面的一致性。”上述定義表明，在體系結(jié)構(gòu)上，現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)完全被IEEE定義“計算機化”，成為需要配置實時操作系統(tǒng)的通用計算機系統(tǒng)，數(shù)控軟件系統(tǒng)則只是其中的一個專用應用系統(tǒng)。實時性的本質(zhì)為timing predictability，指的是操作系統(tǒng)中所有任務的運行時間是可預見的，也就是說，實時性是指操作系統(tǒng)在可預見的時間內(nèi)響應和處理外部事件的
表1中，時間T被咼散分割為η個區(qū)間Δ、，. . .，Δ tn，X、y、Z、A、B等5個變量在Ati內(nèi)的坐標值增量為ΔΧ” ΔΥ > ΔΖ” ΔΑ” ΔΒ^在基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，At1，...，Atn為實時操作系統(tǒng)的分時周期，是等長的，稱之為插補周期。在實時操作系統(tǒng)的控制下，插補迭代控制算法在插補
能力。因此，所謂實時內(nèi)核，必然涉及操作系統(tǒng)中與進程調(diào)度/線程調(diào)度有關的高精度時鐘管理、多級嵌套中斷管理、任務調(diào)度的通信與同步等依賴低層硬件的基本功能。換言之，現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中的實時內(nèi)核并非是針對數(shù)字控制中的具體實時過程，而是針對操作系統(tǒng)響應和處理內(nèi)外環(huán)境變化的應變機制。事實上，由于工業(yè)應用環(huán)境的復雜性，導致實時過程的具體形態(tài)差異極大。對于種種不同形態(tài)的實時過程采用統(tǒng)一的應變機制違反了具體問題具體分析的原則，必然耗費大量的計算資源并導致事倍功半的效果。對于數(shù)字控制來說，上述實時內(nèi)核作為數(shù)控軟件系統(tǒng)的核心還存在下述問題。實時內(nèi)核中的關鍵技術(shù)是進程調(diào)度/線程調(diào)度。實時性將進程調(diào)度復雜化。并行算法又將進程調(diào)度進一步復雜化。更為麻煩的是線程，與機器指令級流水線的并發(fā)性和處理器級進程的并發(fā)性相比，線程的并發(fā)性所面臨的不確定性極為復雜。進程與線程，再加上并行算法，導致實時操作系統(tǒng)的高度復雜化以及數(shù)控軟件系統(tǒng)的高度復雜化。對于高速高精度的多軸系統(tǒng)，數(shù)控軟件系統(tǒng)勢必成為采用并行算法、涉及多進程/多線程嵌套調(diào)用以及多重實時嵌套中斷的一個龐大而復雜的中斷系統(tǒng)。為了研發(fā)這個龐大而復雜的中斷系統(tǒng)，既要精通數(shù)字控制技術(shù)，又要精通計算機軟硬體系結(jié)構(gòu)，還要精通并行算法與多線程編程。這就意味著，數(shù)控軟件系統(tǒng)成為所謂的專家型系統(tǒng)，即只有精通上述技術(shù)的復合型專家才能研發(fā)的系統(tǒng)，用戶無法進行二次開發(fā)，從而完全喪失了開放性。操作系統(tǒng)是一個極為復雜的系統(tǒng)，可能隱含有幾百上千個潛在的漏洞。問題是，沒有什么人能完全理解一個完整的操作系統(tǒng)。因而，這些漏洞往往需要幾年、十幾年的維護時間來修復，并且也很難徹底消除。統(tǒng)計資料指出，影響計算機系統(tǒng)可靠性的因素，硬件錯誤僅占百分之幾，絕大多數(shù)的錯誤來源于系統(tǒng)的管理。顯然，系統(tǒng)管理的錯誤則基本上來源于操作系統(tǒng)。特別是，因延遲(delay)之永恒性與不確定性而導致流水線/線程/進程等層次產(chǎn)生“干擾”應該是導致系統(tǒng)管理錯誤的主要原因。因此，對于數(shù)控系統(tǒng)的可靠性來說， 實時操作系統(tǒng)猶如達摩克利斯之劍。眾所周知，在機械系統(tǒng)的數(shù)字控制過程中，所謂實時過程就是控制相關坐標軸聯(lián)動以合成刀路曲線(Tool Path)。在一般情況下，設聯(lián)動的坐標軸為X、y、Z、A、B等5軸，刀路曲線為X、y、Z、A、B等 5個變量的函數(shù)。將X、y、Z、A、B等5個伺服驅(qū)動裝置接收的坐標值增量依時序列為表1。表 1
Atn
At1
At2
At1
ΔΧη Ayn ΔΖη △Αη ΔΒη
AX1
Ay1
AZ1
AA1
AB1
X2力Ζ2Α2Β!
ΔΔΔΔΔ
XlylzlAiBI
ΔΔΔΔΔ
4周期Δ、( = 1，...，n)中計算出微線段ΔΙ^(ΔΧ” Ayi, AZi, ΔΑ” ABi)。實時控制的具體過程為，在插補周期AtI中，計算ALJAXp Ay1, AZ1, AA1, AB1),并在通信周期中分配發(fā)送給X、y、Z、A、B等伺服驅(qū)動裝置，在采樣周期中完成Δ&、Ay1, AZ1, AA1, AB1的進給以產(chǎn)生合成位移ALJAX^ Δ Yl> AZ1, AA1, Δ B1)，然后進入插補周期At2，如此周而復始，直到產(chǎn)生合成位移Δ η(ΔΧη、Ayn、Δ Zn, Δ An, Δ Bn)。在這里，實時過程包括三方面，一是實時操作系統(tǒng)在插補周期中計算X、y、Ζ、A、B 等5個坐標軸的坐標值增量；二是現(xiàn)場總線在通信周期中向X、y、Z、A、B等5個伺服驅(qū)動裝置分配發(fā)送這些坐標值增量；三是在采樣周期中X、y、Z、A、B等5個伺服驅(qū)動裝置完成這些坐標值增量的進給。數(shù)據(jù)流關聯(lián)控制將聯(lián)動的坐標軸依時序Ati(i = 1，. . . ,η)接收的坐標值增量稱之為刀路曲線的關聯(lián)數(shù)據(jù)流。X、y、z、A、B等5軸聯(lián)動的關聯(lián)數(shù)據(jù)流為5維關聯(lián)數(shù)據(jù)流。在數(shù)據(jù)流關聯(lián)控制中，Ati(i = 1，...，n)稱之為刀路曲線的T分割，不是等長的。 微線段ALdAXi、Ayi, AZi, AAi, ABi)稱之為刀路曲線的L分割。T分割與L分割取決于該刀路曲線的幾何特征與坐標軸的運動學/動力學特征，與實時操作系統(tǒng)的分時周期無關。PC系統(tǒng)的核心任務是，將壓縮在刀路曲線與進給速度中的數(shù)字控制信息解壓，制造刀路曲線的關聯(lián)數(shù)據(jù)流，也就是規(guī)劃刀路曲線的L分割與T分割。于是，L分割與T分割的生成過程轉(zhuǎn)化為非實時過程。為敘述的方便起見，且有別于插補周期，將T分割中的Ati(i = l，...，n)稱之為控制節(jié)律。按給定的數(shù)據(jù)格式，刀路曲線的L分割在存儲空間生成的數(shù)字映像稱之為該刀路曲線的聯(lián)動表。按給定的數(shù)據(jù)格式，刀路曲線的T分割在存儲空間生成的數(shù)字映像稱之為該刀路曲線的隨動表。通過L分割規(guī)劃，刀路曲線的L分割成為存儲空間中的聯(lián)動表文件，可以按照聯(lián)動的坐標軸，將聯(lián)動表劃分為軸聯(lián)動表。例如，關于= 1，...，η)的X軸聯(lián)動表，關于 AYi(i = 1, ... , η)的y軸聯(lián)動表，等等。進而，如果將乂、7、2、々、8等5個坐標軸的的軸聯(lián)動表事先分配給X、1、Z、A、B等伺服驅(qū)動裝置，分配過程也轉(zhuǎn)化為非實時過程。軸聯(lián)動表的分配過程非實時化后，在刀路曲線的實時控制過程中，為控制相關坐標軸進行聯(lián)動，只須按照狀態(tài)字指定的坐標軸向相關伺服驅(qū)動裝置發(fā)送同步脈沖。為敘述簡單起見，將狀態(tài)字控制下的這組同步脈沖稱之為聯(lián)動命令。這樣一來，所謂刀路曲線的實時控制過程，就是按照隨動表中的控制節(jié)律Δ ti (i =1，. . .，η)，向狀態(tài)字指定的伺服驅(qū)動裝置單向發(fā)送聯(lián)動命令，控制相關伺服驅(qū)動裝置從其軸聯(lián)動表中讀取坐標值增量并寫入其位置環(huán)的過程。

發(fā)明內(nèi)容
基于刀路曲線的L分割與T分割的生成過程與分配過程的非實時性，本發(fā)明提出開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核以及刀路曲線的一種實時控制方法。開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核，包括扇區(qū)分析模塊、聯(lián)動坐標軸設置模塊、聯(lián)動命令設置模塊、節(jié)律控制模塊、終點控制模塊；所述扇區(qū)分析模塊用于讀取隨動表中的控制信息；所述控制信息包括軌跡指令的順序碼、段碼、狀態(tài)字、控制節(jié)律Ati(i = 1，. . .，η)；
所述聯(lián)動坐標軸設置模塊用于將所述順序碼與所述段碼所指定的隨動表的地址寫入T指針，從所述隨動表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸；所述聯(lián)動命令設置模塊用于根據(jù)所述T指針讀取所述隨動表中的Ati(i = l，...，n)并寫入T分割定時器；T分割定時器中的定時時間到，所述節(jié)律控制模塊用于啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖，向所述狀態(tài)字寄存器指定的伺服驅(qū)動裝置發(fā)送聯(lián)動命令；所述終點控制模塊用于控制刀路曲線中每段曲線的終點。進一步地，所述實時內(nèi)核還內(nèi)置有獨立的微處理器與中斷管理模塊；所述中斷管理模塊用于處理來自伺服驅(qū)動裝置的實時反饋信息。刀路曲線的一種實時控制方法，用于控制伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移，包括下述步驟步驟(1)、控制權(quán)接收步驟PC系統(tǒng)執(zhí)行軌跡指令時設置實時內(nèi)核運行標志，實時內(nèi)核接收控制權(quán)；步驟O)、聯(lián)動坐標軸設置步驟實時內(nèi)核的聯(lián)動坐標軸設置模塊將軌跡指令的順序碼與段碼所指定的隨動表的地址寫入T指針，從所述隨動表的狀態(tài)表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸；步驟C3)、聯(lián)動命令設置步驟實時內(nèi)核中的聯(lián)動命令設置模塊根據(jù)所述T指針讀取所述隨動表中的Ati(i = 1，...，n)并寫入T分割定時器；步驟0)、節(jié)律控制步驟T分割定時器中的定時時間到，實時內(nèi)核中的節(jié)律控制模塊啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖，向所述狀態(tài)字寄存器指定的伺服驅(qū)動裝置發(fā)送聯(lián)動命令；步驟( 、坐標軸進給步驟伺服驅(qū)動裝置接收所述聯(lián)動命令后，根據(jù)L指針與段碼從軸聯(lián)動表中讀取坐標值增量，寫入位置環(huán)，驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移；步驟(6)、終點控制步驟實時內(nèi)核中的終點控制模塊控制刀路曲線中每段曲線的終點；如果所述T指針等于該段隨動表的末地址，重復步驟(2)至步驟(6)；否則，重復步驟(3)至步驟(5)；如果所述T指針等于所述隨動表的末地址，即到達所述刀路曲線的終點，關閉運行標志；步驟(7)、控制權(quán)移交步驟PC系統(tǒng)查詢所述實時內(nèi)核的運行狀態(tài)，如果所述實時內(nèi)核運行標志關閉，實時內(nèi)核將控制權(quán)移交給PC系統(tǒng)。與現(xiàn)有技術(shù)對比，本發(fā)明產(chǎn)生的原創(chuàng)性有益效果為1、數(shù)字控制方法的重大變革在基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，必須在多用戶分時操作系統(tǒng)中配置實時內(nèi)核，以解決操作系統(tǒng)的實時性。所謂實時內(nèi)核，涉及操作系統(tǒng)中與進程調(diào)度/線程調(diào)度有關的高精度時鐘管理、多級嵌套中斷管理、任務調(diào)度的通信與同步等依賴低層硬件的基本功能，是數(shù)控軟件系統(tǒng)的核心。本發(fā)明提出的實時內(nèi)核以隨動表中的節(jié)律Ati(i = 1，...，η)取代了插補周期， 取消了實時操作系統(tǒng)對實時控制過程的控制權(quán)，以最簡單的單向發(fā)送的聯(lián)動命令取代了極為復雜的實時通信，取消了現(xiàn)場總線對實時控制過程的控制權(quán)，徹底清除了操作系統(tǒng)與現(xiàn)場總線系統(tǒng)對實時控制過程的制約，實現(xiàn)了實時控制方法與實時控制過程的開放性，導致數(shù)字控制方法的重大變革。2、高精度多軸同步機制多軸同步驅(qū)動技術(shù)是現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)中亟待解決的關鍵技術(shù)。國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備” 2009年度科技重大專項“課題18全數(shù)字高檔數(shù)控裝置”將雙軸同步驅(qū)動技術(shù)列為現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)中的一項關鍵技術(shù)。在基于IEEE定義的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，多軸同步取決于現(xiàn)場總線中周期通信的實時同步機制。簡單就是美。在本發(fā)明中，多軸同步取決于通過聯(lián)動接口實時發(fā)送的聯(lián)動命令，聯(lián)動的坐標軸則由狀態(tài)字指定。所述聯(lián)動命令為并行的同步脈沖，所述狀態(tài)字為用戶參數(shù)，所述聯(lián)動接口類似于狀態(tài)字控制下的并行接口。因此，本發(fā)明提出的實時內(nèi)核以極為簡單的技術(shù)手段解決了多軸同步機制問題，具有高速高精度的同步能力，從而將復雜的多軸同步驅(qū)動技術(shù)轉(zhuǎn)化為簡單的常規(guī)技術(shù)。3、高度簡化的功能與結(jié)構(gòu)本發(fā)明提出的實時內(nèi)核無須配置操作系統(tǒng)，其核心功能僅在于將Ati寫入T分割定時器，向狀態(tài)字指定的伺服驅(qū)動裝置單向發(fā)送聯(lián)動命令，功能與結(jié)構(gòu)極為簡單，可以標準化。4、高可靠性眾所周知，在基于IEEE定義的現(xiàn)有開放式數(shù)控系統(tǒng)中，插補周期與通信周期是兩個系統(tǒng)參數(shù)，不僅耗費了大量的計算資源，而且將數(shù)字控制信息的生成、分配、發(fā)送、執(zhí)行的整個控制流程實時化，導致實時操作系統(tǒng)與現(xiàn)場總線成為制約數(shù)控系統(tǒng)可靠性的兩個關鍵環(huán)節(jié)。本發(fā)明提出的實時內(nèi)核不存在實時操作系統(tǒng)與現(xiàn)場總線，徹底清除了二者對可靠性的影響，具有高可靠性。


圖1為為一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核的功能模塊圖。
具體實施例方式工件的加工過程一般可劃分為輔助過程、換刀過程與走刀過程。輔助過程涉及由I/O裝置控制的輔助功能與狀態(tài)設置。換刀過程涉及刀庫控制。對于換刀過程，一般采用常規(guī)的PLC控制刀庫，或采用軟 PLC生成組合邏輯的控制流來控制換刀過程。本發(fā)明不涉及PLC及I/O裝置的控制方法。因此，在工件的加工過程中，數(shù)控系統(tǒng)只有三種工作狀態(tài)輔助功能操作、開關量控制、刀路曲線的實時控制。數(shù)據(jù)流關聯(lián)控制用狀態(tài)指令、開關指令、軌跡指令三類運動指令來描述這三種工作狀態(tài)。狀態(tài)指令用于操作輔助功能。
開關指令用于控制I/O裝置。軌跡指令用于控制伺服驅(qū)動裝置，完成一條刀路曲線的走刀過程。根據(jù)加工工藝確定的順序，用戶使用狀態(tài)指令、開關指令、軌跡指令來描述工件的全部加工過程。這種由加工工藝確定了順序的運動指令之集合就是該工件加工過程的數(shù)控加工程序，本發(fā)明稱之為DRC數(shù)控程序。軌跡指令為單字節(jié)指令，其指令碼為B7 軌跡指令的標識，例如，B7 = 0 ；B6 Btl 7位順序碼，用于對軌跡指令編號。順序碼在刀路曲線的軌跡指令與其所攜帶的聯(lián)動表、隨動表之間建立一一對應關系。在本發(fā)明中，軌跡指令只有一種格式，與刀路曲線中的曲線類型無關。一條刀路曲線往往由多條曲線段構(gòu)成。本發(fā)明用一條軌跡指令描述一條刀路曲線的走刀過程。在本發(fā)明中，按照聯(lián)動的坐標軸，刀路曲線的聯(lián)動表劃分為軸聯(lián)動表。例如，關于 ΔΧ^ = 1, ... ,η)的X軸聯(lián)動表，關于AyiG = 1，...，η)的y軸聯(lián)動表，等等?！獥l刀路曲線通常由若干段曲線構(gòu)成，每段曲線的幾何結(jié)構(gòu)可能相同也可能不相同，合成每段曲線的坐標軸因之可能相同也可能不相同。這就意味著，對于隨動表中的 At,(i = 1，...，η)而言，在不同的Ati內(nèi)，聯(lián)動的坐標軸往往不同。為此，按聯(lián)動的坐標軸將隨動表分為若干段作為子文件，用段碼標識之。隨動表中設置狀態(tài)字，用于標識該段曲線中聯(lián)動的坐標軸。狀態(tài)字為一個字節(jié)，字節(jié)的位數(shù)可以為32、16、8。例如，8位狀態(tài)字可指定8個聯(lián)動的坐標軸。從低位到高位，狀態(tài)字的每位控制一個伺服驅(qū)動裝置的使能狀態(tài)及數(shù)據(jù)通道。例如，狀態(tài)字“11100000”指定 X、1、Z等軸的伺服驅(qū)動裝置、狀態(tài)字“00011000”指定A、B等軸的伺服驅(qū)動裝置。將狀態(tài)字的位數(shù)與個數(shù)為用戶參數(shù)。用戶可通過狀態(tài)指令設置狀態(tài)字的位數(shù)與字節(jié)數(shù)。 與若干個走刀過程相對應，在DRC數(shù)控程序中，一般有若干條軌跡指令。每條軌跡指令攜帶順序碼，標識該軌跡指令在DRC數(shù)控程序中的位置。軸聯(lián)動表中包括每條軌跡指令的軸聯(lián)動表作為子文件，其目錄包括順序碼；隨動表中包括每條軌跡指令的隨動表作為子文件，其目錄包括順序碼。因而，對于所有的軌跡指令，順序碼為每條軌跡指令與其軸聯(lián)動表、隨動表建立了對應關系。按照聯(lián)動坐標軸的不同，一條軌跡指令的隨動表劃分為若干段，用一個段碼標識之；在每個段中，聯(lián)動坐標軸相同。隨動表中設置狀態(tài)表，用于存儲每段的狀態(tài)字；所述狀態(tài)字用于指定該段中聯(lián)動的坐標軸。軸聯(lián)動表也劃分為若干段，其段數(shù)與隨動表的段數(shù)相等，且用同一個段碼標識之。因而，對于一條軌跡指令，段碼在該軌跡指令的軸聯(lián)動表與隨動表之間建立了對應關系。軸聯(lián)動表在輔助過程中事先分配給相關的伺服驅(qū)動裝置。如果某坐標軸在該段不進給，其軸聯(lián)動表在相應的段文件中標記為空文件。在執(zhí)行過程中，對于軸聯(lián)動表中標示為空文件的段，伺服驅(qū)動裝置按收聯(lián)動命令后，直接跳過。例如，對于X、y、Z三軸聯(lián)動，其中，
8Ati至Atk為第m段，只有X、Z 二個軸聯(lián)動，其狀態(tài)字為10100000。相應地，在y軸聯(lián)動表文件中，其第m段為空文件，即在Ati至Atk期間，y軸靜止。這樣一來，刀路曲線的實時控制過程便簡化為按照隨動表中的控制節(jié)律Ati(i = 1，. . .，η)，在狀態(tài)字的控制下，向伺服驅(qū)動裝置單向發(fā)送聯(lián)動命令；相關伺服驅(qū)動裝置只須跟隨聯(lián)動命令，將其軸聯(lián)動表中的坐標值增量逐次寫入位置環(huán)，驅(qū)動相應坐標軸聯(lián)動產(chǎn)生合成位移。基于上述對刀路曲線的實時控制過程的具體分析，本發(fā)明提出開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核。如圖1所示的開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核，包括聯(lián)動坐標軸設置模塊1、聯(lián)動命令設置模塊2、節(jié)律控制模塊3、終點控制模塊4。聯(lián)動坐標軸設置模塊1用于將軌跡指令的順序碼與段碼所指定的隨動表的地址寫入T指針，從隨動表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸。聯(lián)動命令設置模塊2用于根據(jù)T指針讀取隨動表中的Ati(i = 1，...，n)并寫入 T分割定時器。T分割定時器中的定時時間到，節(jié)律控制模塊3用于啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖，通過一聯(lián)動接口 300向狀態(tài)字寄存器指定的外部伺服驅(qū)動裝置400發(fā)送聯(lián)動命令。終點控制模塊4用于控制刀路曲線中每段曲線的終點。外部PC系統(tǒng)100生成的隨動表采用諸如FAT16、FAT32等標準文件系統(tǒng)，以標準化文件存儲在文件存儲器中。為了讀取隨動表文件中的軌跡指令的順序碼、段碼、狀態(tài)字、 At,(i = 1，...，η)等控制信息，本技術(shù)方案為實時內(nèi)核配置了扇區(qū)分析模塊5。因而，本技術(shù)方案中的實時內(nèi)核無須配置操作系統(tǒng)，與PC系統(tǒng)100的軟硬件平臺無關，具有廣泛的平臺無關性。實時內(nèi)核中內(nèi)置一個獨立的微處理器7與中斷管理模塊6。中斷管理模塊用于處理來自伺服驅(qū)動裝置的實時反饋信息。在本技術(shù)方案中，PC系統(tǒng)100運行DRC數(shù)控程序，執(zhí)行軌跡指令時，向?qū)崟r內(nèi)核發(fā)出命令以設置實時內(nèi)核運行標志，將控制權(quán)移交給實時內(nèi)核。實時內(nèi)核按照隨動表中的控制節(jié)律Ati(i = 1，. . .，η)控制軌跡指令的執(zhí)行過程，刀路曲線的實時控制過程轉(zhuǎn)化為下述過程1、聯(lián)動坐標軸設置步驟實時內(nèi)核中的聯(lián)動坐標軸設置模塊1將軌跡指令的順序碼與段碼所指定的一段隨動表的地址寫入T指針，從隨動表的狀態(tài)表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸；2、聯(lián)動命令設置步驟實時內(nèi)核中的聯(lián)動命令設置模塊2根據(jù)T指針讀取隨動表中的Ati(i = 1，...， η)并寫入T分割定時器；3、節(jié)律控制步驟T分割定時器中的定時時間到，實時內(nèi)核中的節(jié)律控制模塊3啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖，向狀態(tài)字寄存器指定的伺服驅(qū)動裝置400發(fā)送聯(lián)動命令；4、坐標軸進給步驟
伺服驅(qū)動裝置400接收所述聯(lián)動命令后，跟隨聯(lián)動命令從軌跡指令的順序碼與段碼所指定的一段軸聯(lián)動表中讀取坐標值增量，并寫入位置環(huán)，驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移；如果該段碼對應的軸聯(lián)動表為空文件，則跳過；5、終點控制步驟實時內(nèi)核中的終點控制模塊控制刀路曲線中每段曲線的終點即分段控制，以及控制軌跡指令的終點即指令終點控制。1)、分段控制實時內(nèi)核中的T指針與該段隨動表的末地址比較以控制該段隨動表的終點T指針等于該段隨動表的末地址，則將下一段隨動表的首地址寫入T指針；從所述隨動表的狀態(tài)表中讀取下一段的狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器；繼續(xù)對該刀路曲線中的下一段曲線進行實時控制。伺服驅(qū)動裝置中的L指針與該段軸聯(lián)動表的末地址比較以控制該段軸聯(lián)動表的終點L指針大于該段軸聯(lián)動表的末地址，則將下一段非空的軸聯(lián)動表的首地址寫入L指針。2)、指令終點控制伺服驅(qū)動裝置中的L指針與整個軸聯(lián)動表的末地址比較以控制所述坐標軸的終點L指針大于整個軸聯(lián)動表的末地址，則將執(zhí)行標志置“0”，準備執(zhí)行下一條軌跡指令的軸聯(lián)動表。實時內(nèi)核中的T指針與整個隨動表的末地址比較以控制軌跡指令的終點τ指針等于整個隨動表的末地址，即到達所述刀路曲線的終點，關閉運行標志，準備執(zhí)行下一條軌跡指令。PC系統(tǒng)的DRC數(shù)控程序?qū)⒖刂茩?quán)移交給實時內(nèi)核后，處于查詢狀態(tài)，查詢述實時內(nèi)核的運行狀態(tài)，一且實時內(nèi)核的運行標志關閉，則收回控制權(quán)，處理下一條運動指令。這樣一來，所謂刀路曲線的實時控制過程，就是按照隨動表中的控制節(jié)律Δ ti (i =1，. . .，η)，控制狀態(tài)字指定的伺服驅(qū)動裝置從軸聯(lián)動表中讀取坐標值增量并寫入其位置環(huán)的過程。實時內(nèi)核產(chǎn)生聯(lián)動命令；跟隨聯(lián)動命令，伺服驅(qū)動裝置不斷地驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移。如此周而復始，直至T指針到達整個隨動表的末地址，即到達所述軌跡指令的終點。例如，對于X、y、Z、A、B等5軸聯(lián)動，狀態(tài)字為“11111000”，實時控制過程就是，根據(jù)控制節(jié)律Ati(i = 1，...，n)，實時內(nèi)核不斷地將隨動表中的Ati(i = Ι,.,.,η)寫入T 分割定時器，產(chǎn)生聯(lián)動命令，發(fā)送給X、y、Ζ、A、B等伺服驅(qū)動裝置；X、y、Ζ、A、B等伺服驅(qū)動裝置則跟隨聯(lián)動命令，從各自的軸聯(lián)動表中不斷地同步讀取ΔΧρ Ayi, AZi, AAi, Δ Bi并寫入位置環(huán)，驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移。如此周復始，直至所述刀路曲線的終點。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對可重構(gòu)計算機數(shù)字控制系統(tǒng)所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核，其特征在于，包括扇區(qū)分析模塊、聯(lián)動坐標軸設置模塊、聯(lián)動命令設置模塊、節(jié)律控制模塊、終點控制模塊；所述扇區(qū)分析模塊用于讀取隨動表中的控制信息；所述控制信息包括軌跡指令的順序碼、段碼、狀態(tài)字、控制節(jié)律Ati(i = l，...，n)；所述聯(lián)動坐標軸設置模塊用于將所述順序碼與所述段碼所指定的隨動表的地址寫入T 指針，從所述隨動表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸；所述聯(lián)動命令設置模塊用于根據(jù)所述T指針讀取所述隨動表中的Ati(i = Ι,.,.,η) 并寫入T分割定時器；T分割定時器中的定時時間到，所述節(jié)律控制模塊用于啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖， 向所述狀態(tài)字寄存器指定的伺服驅(qū)動裝置發(fā)送聯(lián)動命令； 所述終點控制模塊用于控制刀路曲線中每段曲線的終點。
2.如權(quán)利要求1所述的開放式數(shù)控系統(tǒng)的實時內(nèi)核，其特征還在于，內(nèi)置有獨立的微處理器與中斷管理模塊；所述中斷管理模塊用于處理來自伺服驅(qū)動裝置的實時反饋信息。
3.—種刀路曲線的實時控制方法，用于控制伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移，其特征在于，包括下述步驟步驟(1)、控制權(quán)接收步驟PC系統(tǒng)執(zhí)行軌跡指令時設置實時內(nèi)核運行標志，實時內(nèi)核接收控制權(quán)；步驟O)、聯(lián)動坐標軸設置步驟實時內(nèi)核的聯(lián)動坐標軸設置模塊將軌跡指令的順序碼與段碼所指定的隨動表的地址寫入T指針，從所述隨動表的狀態(tài)表中讀取狀態(tài)字并寫入狀態(tài)字寄存器，指定該段中聯(lián)動的坐標軸；步驟(3)、聯(lián)動命令設置步驟實時內(nèi)核中的聯(lián)動命令設置模塊根據(jù)所述T指針讀取所述隨動表中的Ati(i = 1，...，n)并寫入T分割定時器；步驟G)、節(jié)律控制步驟T分割定時器中的定時時間到，實時內(nèi)核中的節(jié)律控制模塊啟動脈沖發(fā)生器輸出一個脈沖，向所述狀態(tài)字寄存器指定的伺服驅(qū)動裝置發(fā)送聯(lián)動命令；步驟( 、坐標軸進給步驟伺服驅(qū)動裝置接收所述聯(lián)動命令后，根據(jù)L指針與段碼從軸聯(lián)動表中讀取坐標值增量，寫入位置環(huán)，驅(qū)動坐標軸進給產(chǎn)生合成位移；步驟(6)、終點控制步驟實時內(nèi)核中的終點控制模塊控制刀路曲線中每段曲線的終點；如果所述T指針等于該段隨動表的末地址，重復步驟(2)至步驟(6)；否則，重復步驟 (3)至步驟(5)；如果所述T指針等于所述隨動表的末地址，即到達所述刀路曲線的終點，關閉運行標志；步驟(7)、控制權(quán)移交步驟PC系統(tǒng)查詢所述實時內(nèi)核的運行狀態(tài)，如果所述實時內(nèi)核運行標志關閉，實時內(nèi)核將控制權(quán)移交給PC系統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明公開了開放式數(shù)控系統(tǒng)的一種實時內(nèi)核以及刀路曲線的一種實時控制方法。本發(fā)明提出的實時內(nèi)核將刀路曲線的實時控制過程轉(zhuǎn)化按照隨動表中的控制節(jié)律Δti(i＝1，...，n)單向發(fā)送同步脈沖，實現(xiàn)了實時控制方法與實時控制過程的開放性，具有簡單可靠的高速高精度多軸同步能力，導致數(shù)字控制方法的重大變革。所述實時內(nèi)核無須配置操作系統(tǒng)，其核心功能僅在于將Δti寫入T分割定時器，向狀態(tài)字指定的伺服驅(qū)動裝置發(fā)送聯(lián)動命令，功能與結(jié)構(gòu)極為簡單，可靠性高。
文檔編號G05B19/31GK102354155SQ201110206679
公開日2012年2月15日 申請日期2011年7月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月22日
發(fā)明者江俊逢 申請人:江俊逢