為構建一種精簡的低成本經濟型五軸機床數控系統，采用了基于實時嵌入式多任務操作系統RTLinux作為軟件平臺以及工業嵌入式計算機PC—104為硬件平臺，采用并口作為步進電機驅動控制接口，并利用軟件編程的方法完成步進電機位置控制。實驗結果證明該數控系統可有效實現五軸機床聯動控制。 以步進電機驅動為特征的經濟型數控系統具有價格便宜、精度中等、功能針對性強等特點。針對我國主要存在的中低檔機床，經濟型數控系統仍具有相當大的市場潛力。在研制經濟型數控系統過程中，考慮提高系統性能同時，如何盡可能多地減少硬件設計，降低成本，提高可靠性，是始終追求的目標。為實現該目標，本文研究一種基于實時嵌入式多任務操作系統RTLinux作為軟件平臺以及通用工業嵌入式計算機PC—104模塊為硬件平臺的基于并口驅動的五軸數控系統開發與設計。 1 系統硬件組成 數控系統采用了基于PC-104的硬件結構。其硬件結構框圖如圖1所示。 為滿足系統性能的要求，采用了低功耗的Pentiam-Ⅲ處理器作為主CPU單元，其硬件中斷延遲小于25μs。系統中常規的位置控制模塊由主CPU依靠軟件完成，降低了硬件成本，提高了可靠性。同時采用DOC或CF卡的方式保存系統程序和應用程序及加工代碼。系統采用并口輸出的方法實現與外部設備的接口。圖2為標準并口結構圖。標準并口具有12個輸出位（D0-D7、C0-C3），5個輸入位（S3－S7）。由于每路步進電機驅動器需要2個數字位（脈沖、方向）控制，五軸系統共占用10個數字輸出位。通過步進電機驅動器放大并口輸出的脈沖和方向信號，使之驅動步進電機。其它2個數字輸出位分別用于控制冷卻液開關、潤滑液開關。主軸開關及轉速通過主軸變頻器上的按鍵控制。并口的輸入位用來檢測回零開關信號、限位開關信號以及急停輸入信號。由于輸入位資源有限，采用將5個軸電機的正限位、負限位和回零信號分別并聯的方法，每個并聯位各占用一個并口輸入位，共占用三位。急停開關輸入信號占用一個并口輸入位。具體信號管腳安排如表1所示。 2 系統軟件結構 數控系統的理想軟件平臺應該是既具有多任務調度能力，又有很好的實時性的操作系統，即實時多任務操作系統。文中采用Rtlinux作為數控系統的軟件平臺。Rtlinux是由美國新墨西哥州的FSM實驗室開發的面向實時和嵌入式應用的操作系統。Rtlinux是在Linux之上實現的一個小巧的實時內核。它將Linux內核作為新內核的一個具有最低優先級的任務運行，可以被其它的高優先級任務搶占處理機。因為完全搶占Linux內核任務，使得它的響應速度特別快。在一臺386機器上，Rtlinux的中斷響應時間不會超過25μs，因此能夠滿足數控系統的要求。 CNC系統中管理任務和控制任務必須同時并行處理，這是由CNC裝置的工作特點決定的。即在一個插補周期內必須完成控制策略的計算，還要留出一定的時間去做其它的事情，如用戶圖形界面的交互處理。在單微處理器的CNC裝置中，主要采用資源分時共享來解決多任務的并行運行。同時利用Rtlinux和Linux相結合，按照實時性需求共同處理CNC系統中的任務。圖3為數控系統的軟件結構，圖中整個數控軟件是由4個主要部分組成:圖形用戶界面（GUl）、任務指派器（TASK）、動作控制器（MOT）、輸入輸出控制器（I0）。該圖顯示了系統是如何實現對設備的實時控制的。其中，機械代碼被解釋成規范的命令后，再由任務分配程序（TASK）發到動作控制器（MOT）和輸入輸出控制器（I0）執行。 其中，GUI采用TcL/Tk語言進行編程，在Linux用戶空間運行，界面更新時間為0.2s。用來實現手動、自動、MDI三種工作模式的設定、加工代碼文件的輸入與編輯、系統參數和用戶參數的設置、加工過程的位置和圖形顯示及系統的報警診斷信息等。 TASK接受來自圖形用戶界面或其它外部程序的C和M系列機械代碼，解釋成規范的命令，按順序邏輯向動作控制器和輸入輸出控制器發出命令。任務分配程序工作在Linux用戶空間，每10ms任務分配程序被喚醒一次。任務分配程序與GUI、MOT和IO之間通過共享內存進行通訊。 動作控制器是數控軟件中最重要的組成部分。它肩負起4個主要的實時任務： （1）位置采樣。對步進電機采用計數器累計出電機的當前位置。 （2）粗插補。計算運動軌跡上的下一個點。 （3）精插補。在現在所在點和下一個軌跡點之間進行插補運算。 （4）計算電機的控制輸出。對于步進電機，通過控制算法計算采樣周期內每個步進電機需要輸出的脈沖方向、頻率和個數。 動作控制器的實時性能要求它工作在Rtlinux的內核空間，由實時內核保證實時任務每0.5ms更新一次。 輸入輸出控制器主要負責主軸控制、冷卻液開關、潤滑液開關控制以及其它輔助功能的操作與控制。它工作在Linux用戶空間，每l00ms任務更新一次。 3 位置控制算法的軟件實現 為充分利用電機調速系統中基于PID的閉環反饋控制響應速度快、控制精度高等優點，文中對步進電機采用了一種近似的閉環控制方法。其控制結構如圖4所示。 圖中：Ri為當前采樣周期機床運動指令位置；Yi與 Yi-1分別為當前采樣周期與上一采樣周期機床運動期望輸出位置；D（z）為PID控制器；Out putScale為輸出轉換比，其值為電子齒輪比除以絲杠螺距，電機運動速度ui與輸出轉換比之積為電機計算轉動頻率fi；InputScale為輸入轉換比，其值與OutputScale相同；1/（1-z-1）為數字積分環節，Si為當前采樣周期電機期望輸出脈沖個數；z-1為1個采樣周期的延遲環節；SFD為軟件分頻器，其作用將電機計算轉動頻率fi轉化為控制電機實際運動的脈沖、方向信號，Y為電機實際轉角輸出。定義位置誤差ei=Ri-Yi-1，則D（z）的表達形式為： 式中：P、I、D分別為比例、積分、微分控制系數。圖4中，對于輸入Ri和輸出Si而言，該系統為一典型的被控對象為一個周期延遲的積分環節，通過調整合適的P、I、D系數，可以使系統具有很好的穩態和動態性能。在得到電機計算轉動頻率fi 后，下面具體介紹軟件分頻器的設計步驟： （1）在Rtlinux的內核空間建立一個實時線程，該線程執行周期PULSE_PERID=50000ns，該線程在軟件分頻器中充當軟晶振的作用。 pthread_create（&freqTask，&attr，freqfunc，（void＊）1）； pthread_setfp_np（freqTask，1）； pthread_make_periodic_np（freqTask，gethrtime（）+PULSE_ERIOD，PULSE_PERIOD）； （2）計算分頻系數pdmuh，采用晶振頻率除以電機計算轉動頻率。 pdmuh=HRTICKS_PER_SEC/（abs（fi ）＊PULSE_PERIOD） 其中，HRTICKS_PER_SEC為每秒代表的ns數。 （3）實時周期函數fnqTask中定義兩個減計數器upcount和dwcount，計數周期為PULSE_PERID，也就是說freqTask每隔PULSE_PERID時間被執行一次，此時計數器的計數值減1，upcount和dwcount的初值分別為pdmult/2，pulse_bitO代表并口上相應的脈沖控制位。圖5為軟分頻器的工作流程圖。圖中可以看出輸出的脈沖控制位每隔pdmuh/2＊PULSE PERID的時間電平跳變一次，從而保證輸出脈沖頻率為。 （4）freqTask中通過判斷的正負確定并口上的方向控制位direction_bit0的電平，fi>0時，direction-bit0=0；fi<0時，direction_bitO=1，方向控制位在dwcount=0時輸出。 4 實驗結果 在自行研制的一臺采用步進電機驅動的擺頭轉臺式五軸機床上進行實際加工實驗，采用Suffcam軟件繪制一個在圓球上刻有字母τ的工件，τ為實際加工時走刀路徑，圓球半徑15mm。經后處理得到的實際加工C代碼，利用所研制的數控系統進行實際加工，圖6為實際加工過程及所加工的工件。從圖6的加工結果可看出，文中的基于PCI04并口驅動的數控系統可有效實現經濟型五軸數控機床的聯動加工。 5 結論 本文介紹一種采用實時嵌入式多任務操作系統RTLinux作為軟件平臺以及工業嵌入式計算機PC104為硬件平臺的可實現經濟型五軸機床聯動控制的數控系統軟硬件設計。通過對PCI04的井口位進行軟件編程的方法完成步進電機位置控制。并通過實際加工工件證明了該數控系統具有五軸機床聯動加工能力。該數控系統可最大程度地利用系統軟件資源，減少硬件設計。數控系統中通過軟件編程的方法實現所有功能，為系統的修改及擴充增加了更大的柔性。 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集