基于Windows+RTX的磨床數控系統

鄭魁敬，陶征鑫，司金保

(1.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室 (燕山大學)，河北秦皇島066004;2.燕山大學河北省并聯機器人與機電系統實驗室，河北秦皇島 066004)

0 前言

目前，數控技術的研發和應用推廣大大推動了我國數控機床行業的發展，人們開始越來越多的研究基于PC的開放式數控系統。隨著PC硬件技術水平的提高和數控軟件設計水平的進步，PC+I/O的軟件化結構正逐漸發展起來，目前已呈現PC+NC的遞階式結構將被PC+I/O的軟件化結構所取代的趨勢。文中采用PC+I/O的軟件化結構，研究基于Windows+RTX軟件平臺的磨床數控系統，在保證實時性的同時對MK250數控凸輪磨床進行高精度控制。

1 磨床數控系統總體設計

1.1 Windows+RTX軟件平臺

在Windows XP+RTX的軟件平臺上進行磨床數控系統的開發，磨床數控系統的實時性不強的任務由Windows XP來實現，數控軟件的底層實時控制任務由Windows XP實施擴展平臺RTX來實現。這樣，完全能滿足數控系統的實時性要求，且又能充分發揮Windows的弱實時性能。

1.2 磨床數控系統硬件結構設計

磨床數控系統由PC機和高速并口CNC接口板組成，主要控制功能全部由PC機通過軟件算法來實現，沒有使用其他運動控制單元，減小了數控系統的硬件規模，充分體現了開放性。驅動裝置采用松下公司MINAS A系列交流伺服電機驅動器及其配套電機，與高速并口CNC接口板配套使用，數控系統硬件結構框圖如圖1。

圖1 數控系統硬件結構框圖

1.3 磨床數控系統軟件結構設計

在磨床數控系統硬件結構的基礎上進行了系統的軟件結構設計，磨床數控系統軟件主要包括非實時性模塊和實時性模塊兩部分，磨床數控系統軟件功能模塊結構如圖2。

圖2 系統軟件功能模塊結構圖

結合數控凸輪磨床的主體結構，在Windows+RTX的軟件平臺上開發了磨床數控系統，將全部數控功能由軟件來實現。磨床數控系統既要完成插補、位置控制、數據傳遞、實時網絡控制功能等實時性任務，又要完成人機界面、自動編程、譯碼等非實時性任務。建立了兩個進程:Win32進程和RTSS進程，并通過共享內存來完成數據的傳遞，前者進行非實時性任務，后者進行實時性任務。

磨床數控系統軟件開發過程如下:

(1)創建Win32進程和RTSS進程并建立連接。

(2)在Win32進程中進行可視化設計，設計磨床數控系統的人機界面，采用Windows編程中的分割視技術將人機界面分割成坐標和系統狀態顯示、代碼顯示、圖形仿真和控制面板4個子窗口。

(3)在RTSS進程中，通過RTX提供的高精度時鐘和定時器來創建插補、位置控制和數據傳遞線程等。

(4)建立Win32進程和RTSS進程之間的通信。

(5)位置控制線程產生的脈沖信號通過RTX提供的I/O端口服務發送出去。

(6)通過網絡遠程控制磨床數控系統運行時用到了RTX提供的實時RT-TCP/IP服務。

2 磨床數控系統主要功能模塊設計

2.1 凸輪磨床自動編程模塊

結合Windows+RTX的磨床數控系統結構，研究了極坐標式凸輪磨床自動編程模塊，可以進行直動滾子從動件、擺動滾子從動件、直動平底從動件、擺動平底從動件及非圓工件的自動編程功能。凸輪磨床自動編程流程圖如圖3。

圖3 凸輪磨床自動編程流程圖

將凸輪磨床自動編程模塊集成在磨床數控系統軟件中，如圖4所示。

圖4 凸輪磨床自動編程界面

凸輪磨床自動編程模塊能夠進行直動滾子從動件、擺動滾子從動件、直動平底從動件、擺動平底從動件及非圓工件的自動編程。

2.2 實時網絡控制模塊

Windows環境下的網絡通信具有延時性和不穩定性，本節在對Windows進行實時性改造的RTX環境下采用工業以太網技術，進行了實時網絡通信的開發，通過使用RT-TCP/IP協議，實現了磨床數控系統的實時網絡控制，保證了數據傳輸的實時性。

RT-TCP/IP在RTX環境下具有較好的實時性能，即增加RTX的網絡應用，同時又保證了RTSS子系統下的實時處理過程。RTSS網絡通信是完全獨立于Windows網絡的，所以RT-TCP/IP應用程序在編譯和運行之前可用于W32的開發和調試，RT-TCP/IP體系結構如圖5。

圖5 RT-TCP/IP體系結構

3 磨床控制系統插補算法

平面凸輪磨床插補算法是在多軸線性插補算法的基礎上并結合虛擬合成速度的方法進行研究的。其插補原理如圖6所示。

圖6 平面凸輪磨床插補原理示意圖

數控系統在每次插補周期結束后，都要進行終點判斷。空間直線插補是以終點坐標為依據來進行判別，而圓弧插補是以起點坐標為依據來進行判別。對于數控凸輪磨床來說，采用的是極坐標運動系，其在X軸與C軸上是線性插補，可以進行終點的判斷。X軸方向終點判斷流程圖如圖7。

圖7 X軸方向終點判斷流程圖

C軸方向通過相同的方法處理，當x=xe，c=ce時，到達終點。

4 實驗

在搭建好的系統平臺上做了兩個實驗:一個是在建立的軟硬件平臺上進行平面凸輪的模擬加工測試實驗，另一個是在配置好的實時網絡平臺上對數控凸輪磨床進行實時網絡控制。把設計好的平面凸輪基本參數和工藝參數輸入到自動編程界面中，選擇刀具半徑，生成加工代碼，通過模擬加工，實際模擬加工出來的仿真圖形與軟件仿真的形狀一致。以磨床數控系統為客戶端，將網絡控制功能作為實時性任務添加在RTX環境下，建立服務器端，使服務器端與客戶端能進行實時數據交換，服務器端如圖8所示。通過網絡實時控制數控凸輪磨床進行了平面凸輪的磨削加工，圖9為磨削加工操作現場。

圖8 服務器端圖

圖9 磨削加工操作現場

5 結束語

研究了基于Windows+RTX的磨床數控系統，對Windows操作系統進行實時性改造，基于該軟件平臺，結合平面凸輪數控磨削加工，設計了軟硬件結構，研究了各模塊功能算法及實現方法，并進行了系統實驗與分析，表明該數控系統可以滿足磨床加工需要。

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