一种开放式并行数控系统研究

经过 了数 十年 的发展 ，数控 系统 由专用封 闭的体系结构 逐 渐向开放 化、并 行化 、网络化 的方 向发展-放化是为了满足市场对产品 日益灵活多变的需求 ，要求 数控系统具备 容易配置 、调整、进行二次开发等能力的必然趋势 ；并行化是为 了满足人们对数控系统更高加工精度、更快加工速度和更复杂加工计算的要求而充分利用其它闲置的计算 资源的必然措施；网络化是为了实现远程监控、远程故障诊断以及集成制造必然选择 。

为了满足上述要求 ，人们研究各种 不同 的数控系统结构 。目前 ，开放式数控 系统通常采用主从结构，以 PC机作为上位机 ，以微控制器或者微处理器作为下位机。上位机主要用于提供友好的人机界面、进行管理、任务分配、通信等功能 ；下位机 主要用于插补运 算 与控 制。多 数研 究采 用 PC机 加美 国Delta Tau公 司的 PMAC(Programmable Multiple AxesControler)多轴运动控制器来构成开放 的数控系统。

钱肯在他的硕士论文中提出了-种基于 PMAC的开放式数控系统的设计与实现方法 。王春 和孟璇 提 出了基于 PMAC的并行双 CPU开放式数控系统。采用 PMAC或者其它专用多轴控制器实现开放式数控 系统 ，技术成熟 ，有利于快速构建系统 ，但 由于采用的是专用的控制器 ，在技术上还是受制于人 ，开放程度不够灵 活。因此也有人采用 PC机加 DSP构成的控制器模式。

现在人们对数控系统的加工速度和加工精度要求越来越高，要加工的工件形状更加复杂，这就要求处理器以更快的速度处理数据。同时人们也对数控系统提出了更多的功能要求 ，如故障诊断、加工结果重现等，这些都极大的增加了数控系统的计算量。要完成这些计算，-个 CPU的运算能力通常是难以胜任的。由此人们开始研究并行数控系统，利用多个 CPU来完成数控系统的计算。充分利用数控系统中或者其它可用的有剩余运算能力的 CPU就成了构建并行数控系统的首选方法。并行可分多个层次 ，有粗粒度级的，有细粒度级的。文献 [3-8]都对并行数控系统进行了研究。

收稿 日期 ：2012-11-09基金项目：国家重大科技专项课题(2012zx04011-O12)作者简介：魏胜利(1974-)，男，河南安阳人，安阳工学院计算机科学与信息工程学院讲师，硕士研究生，研究方向为计算机图形学，计算机控制，(E-mail)weishengli401###126.corn。

· 66· 组合机床与 自动化加工技术 第 7期1 体系结构本文所提 出的开放式并行数控 系统采用 PC机加高性能微处理器构成，其体系结构如图 1所示。

系统可看成三层结构 ，上层是 PC机 (为了更加稳定可靠，常采用工控机)，其次是系统的核心单元--微处理器 ，由 ARMDSP双核芯片承担，下层是各个运动轴的控制伺服单元。PC主要承担零件外形辅助设计、参数设置、预处理和准备运算 ，并将需要加工的工艺参数通过高速局域网传输给微处理器。微处理器采用 ARMDSP双核芯片。ARM主要用来进入任务管理、数据传输、用户交互；DSP用来进行数控插补运算 ，计算 出刀具运行的位置 、速度、加速度等信息。这些信息经由 ARM通过微处理器的 I/O口经 CAN总线传松给各个轴的控制单元。

图 1 数 控 系统 体 系结 构2 任务分解2.1 数控系统任务分析数控技术当中涉及大量的运算，主要有：工件加工形状设计、数据预处理、加工前的准备运算、干涉估算 、精度控制、刀具补偿、插补运算、输 出控制、错误诊断、加工结果重现等。工件加工形状设计指的是根据通过其它途径获取的形状的离散点和约束等要求 ，利用图形软件设计出要加工的图形。要加工的图形有时需要多次不断的修正和改善，最终完成形状设计。比如，以NURBS(NON-Uniform Rational B-Spline，非均匀有理 B样条)描述的工件形状，需要根据工件 曲面的离散的型值点 ，通过反求工程求出曲面的控制点和权因子。我们设计的数控系统主要基于 NURBS曲面直接插补算法的，所 以，设计好的形状主要是 NURBS的控制点和权因子∝制点和权因子是传递给插补运算器的主要参数。数据预处理是根据工件的形状进行加工区域的划分，每个区域可能是-个 NURBS曲面 ，需要求出每个曲面的控制点和权因子。当采用矩阵方法求解 NURBS曲线曲面的时候，需要将该矩阵事先求出来，以减少插补过程中的运算量。准备运算是指加工前的模拟加工过程，根据设计 的形状在 PC机上根据要求进行模拟的加工，以确定哪里可能产生干涉，确定合理加工步长和加工行距来保证加工精度。干涉信息、加工步长、加工行距等参数也需要传递给微处理器。这些通过模拟加工获得的参数只是初步的估计 ，在加工过程中可能需要对这些参数进行-些修正。插补运算是数控系统中的核心运算，用来给出下-步刀具要加工的位置、速度、加速度等信息。刀具补偿针对刀具的磨损，对刀具的尺寸实时调整 ，以满 足加工精度。错误诊断是指根据加工过程中运行情况，判断是否出现问题，问题出在哪里，如何解决等。加工结果重现是将加工工件的形状及时的在电脑上显示出来 ，有助于操作者判断加工效果。在这些运算当中，插补运算、刀具补偿属于实时性要求比较强的运算 ，必须在-个加工周期中给出结果。加工周期越小 ，加工速度就越快。这些实时性要求强的运算在微处理器上进行。

2.2 任务分配如上所述 ，现代数控系统需要进行 的运算量越来越大，单靠-个 CPU进行处理已经力不从心。同时 PC机则有很强大的运算能力，并且 PC机很多情况下处 于空闲状态 ，因此可 以让 PC机分担-些运算 ，提高数控 的效率 ，充 分利用 PC机 的性能。在我们设计的系统中，PC机主要承担工件加工形状设计 、数据预处理、插补前的准备运算、干涉估算、加工过程重现、进行错误诊断等数据量大而实 时性要求不强的运算。微处理器则主要承担插补运算及控制运算等实时性要求 比较强的运算。

工件设计完成后 ，进行数据预处理和准备运算 ，这些运算前期需要完成 。错误诊断和加工结果重现也在 PC机上完成运算 ，但是它们和插补运算 同步运行 ，处于并行运行的状态。Pc机和微处理器承担的运算任务如图2所示，由PC机到微处理器的数据传送如图中虚箭头所示 ，微处理器 向 PC机传送数据如图中实箭头所示 。

图 2 任 务 分 配2.3 任务并行模式数控系统中的并行运算分为粗粒度级的和细粒度级的。粗粒度 级指 的是上述 这些任 务之 间的并行，如错误诊断、加工结果重现和插补运算的并行。

细粒度级指 的是每个任务又分为几个步骤 ，这些步骤也采用并行运算 。

(1)粗粒级的并行 加工前 的工作准备完成后 ，PC机把加工参数传输给微处理器开始加工。在加工过程 中，PC机和微处理器分别并行的承担不同的任务 ，微处理器主要承担实时性要求高的插补运算 和输出控制 ，这部分功能 主要 由微处理器 中的 DSP核来承担 ，而它 的 ARM 核主要 用来进行任务管理 、人机交互和通信 。微处理器将插补产生 的数据发送给PC机 ，PC机的通信任务获取这些数据交给错误诊断任务和加工结果重现任务。错误诊断任务根据发送