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河北华利机械配件有限公司

机床手轮功能在虚拟轴机床数控系统中的开发

2013/9/13 9:44:25

1 前言
虚构轴机床又称并联机床, 是用并联机构作为传动进给机构的新型数控加工设施, 因为在应用中表示出刚度份量比大、模块化水平高、可重构等方面的优势, 机床手轮一直受到国内学术界和工程界的高度存眷。从机构流动学的观点上看, 并联机构动平台在垄断空间中的流动是关节空间伺服流动的非线性照射( 又称真假照耀) , 是以保守数控琐细不克不及直接应用于编造轴机床的牵制, 必需开荒设计切当于编造轴机床特性的管制零碎。无论是何种数控机床, 手轮功能都是完成刀具微动、工件对刀等不行或缺的功能。古板数控机床一样平常只需经由可编程控制器( PLC) 发送相应的指令脉冲控制单轴机电就能完成, 而在虚构轴机床中, 由于加工所需的刀具进给轴X 、Y、Z 实际实在不具有, 必需将沿笛卡尔坐标系的虚轴流动经由逆解运算转换为关节空间各伺服轴( 实轴) 的联合流动, 因而虚拟轴机床的手轮功能不克不及纯挚依托PLC, 而是须要经由PLC 与上位机一路融洽管教, 实际上现方式与传统数控机床有着实质的一致, 同时为了保障对内部手轮随灵敏作的疾速响应和实时措置, 要求细碎实时性强, 使程序设计更加艰巨和芜杂, 于是手轮功能的开辟一直是困扰伪造轴机床数控零碎斥地者的难点之一。本文结合虚拟轴机床数控琐细的开荒实践, 引见了基于/ PC+ 多轴运动控制器机床手轮的硬件结构, 在DOS 行使系统下用C 说话开辟适用于编造轴机床的手轮功能的法子。
2 硬件接口设计
编造轴机床数控细碎的硬件平台是机床手轮接纳尺度的PC 总线构造, 以/ PC+ 多轴运动管教器0 为焦点搭建的。此中PC 作为体系的主处置器, 首要完成琐屑希图、流动学较量争论等任务。多轴流动管教卡选用美国Delta Tau 公司的PMAC 卡, 该卡可直接插在工控机的ISA 总线前途行流动管制, 同时它具有内置PLC 功能,能够在背景同时运转32 个异步PLC 程序。PMAC 供应了职位接口板ACC- 8P 与I/ O 接口板ACC34。ACC- 8P 按能驱动的伺服轴数量分为四个通道, 每路都包罗仿照量输出、光电脉冲发生器( 简称码盘) 反应输入以及伺服电动机正转和反转超程限位输入。数字量输入/ 输入口ACC34 具有带光电断绝的输入输出点48in/ 48out , 用以完成机床管束面板的开关量管束以及键盘输入功能。在对硬件布局进行充裕分析的基础上, 我们留心到接口板ACC- 8P 的四个码盘反馈通道中独一三个被占用于领受进给机电脉冲编码器的反馈, 于是可将电子手轮接入余下的第四路码盘反馈输入通道, 从而匮乏利用了现有硬件资源, 既节流经济利润, 又预防了另行开辟高速数据采集通道所带来的少量硬件设计工作。
3 主从CPU 间的高速数据换取
通讯标题问题是影响多CPU 组织零碎实时性的枢纽。PMAC 与主机之间需求进行少量的数据交互: 一方面,PMAC 内置PLC 以靠山循环扫描的方式, 对伺服电机地位信息和电子手轮码盘信号等进行高速采集, 此后将数据通报到主机; 另外一方面, 主述说将实时管制指令快捷发送给PMAC。但PMAC 与主机CPU 之间采取串行端口或总线进行的通信数据传输效率不高, 难以满足数控琐细的实时性要求, 为解决这个标题问题, 咱们采纳双端口存储器( DPRAM) 作为主从CPU 之间通讯的桥梁, 为二者提供一个可以同享的高速内存缓冲区, 使两个CPU 互不搅扰地别离从分歧端口存取数据, 机床手轮这样主机与PMAC 之间可以进行高速、可一再、不需/ 握手0的数据互换, 从而消除了通信瓶颈, 完成了主从CPU 间的紧耦合通讯。实验结果表白, 主机从DPRAM 读取一次手轮形状所占用的迟误时间仅为Ls 级, 保证了系统敌手轮行动的快速响应。
4 软件设计
机床手轮功能是指颠末迁移转变电子手轮, 机床手轮牵制动平台沿选定的轴向移动。在机床手轮功能模块的进途程序设计时, 应主要思虑并解决以下几个问题:
(1) 电机应能扈从手轮的强项即时发动或终了,以保证垄断的灵活和安然性;
(2) 手轮的转动量抉择动平台在行使空间的挪动隔绝距离; 动平台的移动速度取决于手轮不乱的偏向、快慢以及进给倍率, 于是必需按照手轮的动作实时总计动平台的进给位移和速度;
(3) 思忖到编造轴机床非线性照射的流动管教本性, 必需将动平台在哄骗空间的职位、速度进行卖弄转换, 解算为关节空间内各电机的伺服位置与进给速度,管教各电机协同运动, 从而使刀具走出冀望的轨迹;
(4) 供应朋侪的用户界面, 实时静态显示刀具的理论身分坐标, 并对琐细形状发展监测, 在用户越限垄断或琐细发生故障时, 实时报警和作响应处理。
4.1 零碎结构
为有效实现上述手轮功能, 零碎接纳主从CPU 多任务并行处置结构, 按所完成的不合功能对子任务模块发展了划分。PMAC 执行的任务有:
( 1) 插补算计与伺服驱动承受主机的管教指令, 进行实时插补算计与伺服更新, 管教机电的流动;
( 2) 布景PLC 程序对伺服电机和电子手轮码盘发展轮回扫描, 并将数据自动写入DPRAM; 同时完成其它开关量和机床逻辑顺序管教。
主机执行的任务有:
( 1) 手轮状态检测
上位机循环读取DPRAM 中的存储值, 得到手轮码盘读数。经由对一致时分码盘读数的对照, 剖断手轮的运动形状;
( 2) 轨迹共计及流动学更改
根据手轮运动形态总计动平台在哄骗空间的轨迹位移与进给速度, 针对捏造轴机床非线性照射的流动管制共性, 向PMAC 下达正确的管教指令此前, 先在哄骗空间与关节空间之间进行位置、速度虚实转变, 天生枢纽关头空间各实轴的管制信息;
( 3) 实时通信
与PMAC 发展实时信息交互, 将矫饰转变后的轨迹算计终究转换为管制指令发送给PMAC;
( 4) 地位正解及坐标新闻显示
为了使用户在机床运转进程中能实时监测刀具位子, 主机每隔一段年华从DPRAM 读取各电机确当前职位信息, 利用位置正解模型解算出刀具在垄断空间的身分坐标, 并在屏幕上静态刷新显示;
( 5) 阴碍监控处置
当用户超程行使或零碎泛起无比情况时, 当即发展阻截措置并提示出错信息。
4.2 实时多任务调度的完成为能够实时响应手轮的行动, 系统在每一个实时周期内都要完成数据采集、轨迹规划、虚实更动、插补较量争论和伺服更新等多个任务, 其他还要执行屏幕显示、妨碍监测等任务, 是一个实时性多任务细碎, 但DOS 性质上是一个单任务操纵细碎, 是以若何实现多任务间的实时调剂成为体系启示的焦点与症结技能, 作者接纳中断技术手段结合实时多任务调度策略来解决多任务调度标题问题:
( 1) 中断手艺的运用
捏造轴机床的轨迹牵制必须由主从CPU 并行处理来完成, 由于主从CPU 执行各任务的运行速度不一致, 可能造成PMAC 已处置惩罚完一段轨迹, 等待接管下一指令, 而主机尚无完成真假变化运算, 导致机电行动呈现间歇, 速度不连续, 刀具时走时停; 概略主机已发送出管制指令, 而PMAC 仍在对上一轨迹段进行措置, 使电矫捷作滞后, 以至招致手轮曾经停转, 而机电却不克不及立即终止, 动平台仍要走一段不肯定的位移, 这两种状况在理论加工中但凡不应允的。为保证零碎牵制的实时性, PMAC 与主机之间采用中断为握手方式进行总线通信, 利用主机8259 芯片上的IRQ5 端子作为中断信号输入端, 以PMAC 的缓冲区哀求旌旗灯号作为中断输入信号, 当缓冲区满时, PMAC 读取缓冲区中指令信息, 进行插补计算和伺服管教, 当缓冲区空时, 向主机收回中断申请; 主机领受到中断信号, 则起源新一次的计较, 并将运算终究发送到PMAC 缓冲区。这样, 利用PMAC 打造生的中断, PMAC 与主机每隔10ms 经由进程双端口RAM 进行一次管制信息的交换, 从而有用协调两者的工作, 完成对机电的连气儿牵制。
( 2) 多任务调度策
略多任务调剂是指在满足实时性的条件下, 协调各任务间的限制关连, 完成任务间由于按某种顺序执行所需的同步以及同享设备、数据等资源而发作的互斥。多任务调度的基本门径是将全数子任务构成一个轮回行列, 采纳基于优先级的抢占式调度与轮回调度相结合的方式在各任务间进行切换。实时要求最高的任务被授予最高优先级, 对CPU 执行优先抢占, 非实时的周期性任务则采取轮回调剂。PMAC 优先级最高的任务为伺服更新, 每三次伺服更新运转一次伺服中断, 合计下一周期流动轨迹的插补参数, 其余光阴则用来运行配景PLC 程序。主机实时性最强的任务为向PMAC 发送牵制指令, 该任务优先级最高, 由PMAC 中断信号提议; 当该任务让出CPU 后, 实时性次强的任务如手轮外形检测、琐屑阴碍监测等, 在每个周期内都被顺序挪用; 人机界面、坐标显示等任务实时性要求最低, 每隔多少周期执行一次。
4.3 主机的轨迹管束对刀具的流动轨迹进行管束是主机的焦点任务,包括轨迹较量争论、虚实变动和PMAC 指令生成三个步伐。在手轮方式下, 刀具不是按预定的路径流动, 这要求主机经过更多的实时运算, 对运动轨迹发展直接管教。针对这种状况, PMAC 供应了地位) 速度) 时日( PVT)运动形式, 该形式下须要由主机给定伺服机电在t 时辰地点位子P 与速度v , 从而直接管制运动的每一段轨迹的完结位置、速度和光阴。为敌手轮的步履及时作出响应, 主机对手轮发展循环检测, 并根据其形状实时确定下一段轨迹的绝顶身分和速度, 每隔10ms 向PMAC 发送一次PVT 指令,由PMAC 对上位机给定的一系列说合点发展速度过渡和精插补。
具体执行进程以下:
(1) 当上位机获知手轮由固定外形起源滚动后,封闭PMAC 中断, 检测并挪用正解求得机电的初始职位。
(2) 每隔10ms 由PMAC 向主机收回中断要求, 主机接收到中断旌旗灯号后, 按照当前手轮的动弹量和速率大小较量争论出下一段轨迹的期望位移与速度, 今后调用地位和速度逆解模型, 转换为枢纽关头空间各机电的伺服位子p 和速度v, 向PMAC 缓冲区发送PVT 花式指令,只需手轮不终了转折, 轮回执行此任务。
( 3) 当上位机检测到手轮停转时, 先贻误检测一段光阴, 以担保软件和硬件速度相婚配, 当确认手轮已中止动作, 平息PMAC 中断, 休止机电的运动。
5 完结
语本文探讨的以/ PC+ 多轴运动管束器0 为硬件核心, 利用DPRAM 与中断武艺, 结合实时多任务调度战略实现虚拟轴机床手轮功能的法子, 已告捷运用于天津大学启示的虚拟轴机床数控琐屑。其垄断方式与激进数控机床没有区别, 理论运行造诣良好。该手艺对促进伪造轴机床的商品化、实用化起到了主动感召。

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