2023年基于数控流水线技术的开放式数控系统.doc

基于数控流水线技术的开放式数控系统基于数控流水线技术的开放式数控系统 吴岱【摘 要】传统的开放式数控系统需要依赖特定的软硬件平台，使开放式数控系统的推广应用存在较大的局限性。为了便于开放式数控系统得到普及应用，基于数控流水线技术应运而生。数控流水线技术包括了数据主控流水线线程、数控微代码实时执行单元以及驱动程序，数控流水线技术实现了开放的微代码借口与数控指令的规范化，使数控模块能够相互的替换，也能够针对不同的需求重新构建数控流水线。【关键词】数控流水线技术；开放式；数控系统；数控微代码 0.前言 开放式数控系统一般是基于计算机操作系统相关软硬件平台，利用自动化技术实现。目前，依靠完善的计算机操作系统及其相关软硬件平台，使人机交互、网络通信、存储管理等一系列功能得到了很好的应用，但却无法实现开放式数控系统较强的实时功能目标，主要由于计算机操作系统的整体运算性能无法达到该标准，使开放式数控系统的应用存在一定的问题。虽然利用高性能的 CPU处理芯片可以满足数控系统较强的实时功能目标，但是成本的投入与产出效益比值明显不合理，推广应用的可行性不高。因此，利用数控流水线技术，以较小的成本投入获得开放式数控系统较大的产出，对开放式数控系统的发展有着重要意义。1.数控流水线技术 1.1 数控系统的功能 数控系统根据功能的强弱，可以分为强实时类功能，包含了 5 个模块，将其由高到低排列为指令译码、速度规划、插补、专用 I/O 控制、电机控制；弱实时类功能包括了 6 个模块，即通用 I/O 模块、状态显示、轨迹仿真、程序编辑、参数管理、键盘输入。强实时类功能属于数控系统的核心部分，直接关系到数控机床的加工过程，需要较强的实时性，如果出现了任何的延迟就会导致加工出错，影响产品的质量。弱实时功能基本不要求数控系统较强的实时性，目前的计算机操作系统均可满足，主要涉及人机交互、通用 I/O 控制以及存储管理等领域，即便执行存在一定的延迟，也不会影响数控机床的加工过程。1.2 数控流水线的结构 数控流水线一般分为三个环节，即数控主控流水线线程、数控微代码执行单元、控制驱动层。1.2.1 数据主控流水线线程 数据主控流水线线程是计算机数字控制（Computer Numerical Control）软件上的独立线程，需要在数控操作系统内的计算机操作系统上运行。数据主控流水线线程将指令译码与插补功能进行结合，形成一个独立的线程，利用计算机平台高速、准确的运算性能，避免了任务的经常性切换影响系统整体运行效率，使数控系统工作性能得到显著的提升。1.2.2 数控微代码实时执行单元 数控微代码（NC Micro-Code，NCM）是数控微代码实时执行单元（NC Micro-Code Processor，NCMP）的基本单位，主要工作方向在于代码的执行、强实时信号输入的本地处理以及电气信号接口。谁然数控微代码实时执行单元在数控流水线中的计算极为简便，但是其调用频率极高，系统的实时性也非常强，对数控流水线技术应用于开放式数控系统有着重要的影响。1.2.3 控制驱动层 控制驱动层中仅仅使用一组模块即程序驱动模块，程序驱动模块属于数控系统的核心，相应的权限也非常高，可以直接访问计算机操作系统硬件平台。控制驱动层的功能主要是降低系统间移植的工作负荷，仅仅提供数控微代码缓冲区的定位等功能以及数控微代码执行单元与上位机的通信功能。1.3 基于数控流水线的开放式数控系统结构 基于数控流水线的开放式数控系统属于单操作系统单进程的工作模式，包括了数控流水线线程以及管理线程。管理线程的作用是监控并管理整个加工的过程，保证加工过程的质量，同时还会配置流水线线程与驱动程序模块的数据达到控制的目的，然后会将流水线实时的信息反馈给计算机操作系统，接着由操作人员通过输入指令达到控制整个数控系统运行的效果。当数据主控流水线线程完成整个加工流程之后，会生成相应的状态信息反馈给计算机操作系统，转换为直观的数据信息由操作人员处理。2.基于数控流水线的单元技术 数控流水线技术下的开放式数控系统的主要优势就是跳出原有的计算机操作系统软硬件平台，下面就着重探讨数控流水线的单元技术跨平台开放特征的体现。2.1 数控规范指令接口与数控微代码接口 2.1.1 数控规范指令接口 数控规范指令接口主要工作对象为指令译码模块，其功能在于提供标准的程序接口便于操作人员编程操作。数据规范指令接口具备较强的通用性以及简洁性，与规范加工函数相比，更为测重于描述数控流水线的加工动作，删减了不必要的计量单位、偏置等环节。2.1.2 数控微代码接口 数控微代码接口能够加强对机床的实时控制，格式较为简单紧凑。数控微代码可以得到基本执行动作的结果，却没有规范的实施策略，便于不同的用户根据自身需求制定不同的执行策略。2.2 操作系统支持多线程编程 一般来说，数据主控流水线线程需要尽量避免与操作系统有较多的关联，才能便于数据主控流水线线程能够在不同的操作系统间移植，对于数据主控流水线线程的推广有着重要意义。针对这一问题，数据主控流水线线程一般都采用普通接口，扩大了系统的开放程度，使系统能够支持不同的嵌入式操作系统。就目前情况来看，UNIX、LUNUX 已经完全接受数据主控流水线线程，WINDOWS 操作系统可以采用开源软件 OPEN SOURCE POSIX THREADS FOR WIN 32 接受。3.结束语 数控流水线技术包括了数据主控流水线线程、数控微代码实时执行单元以及驱动程序，数控流水线技术实现了开放的微代码借口与数控指令的规范化，使数控模块能够相互的替换，也能够针对不同的需求重新构建数控流水线，对开放式数控系统的推广应用有着积极的促进作用。科【参考文献】1董靖川，王太勇，徐跃.基于数控流水线技术的开放式数控系统J.计算机集成制造系统，2009（06）.2吴晓英.基于数控流水线技术的开放式数控系统构建J.产业与科技论坛，2011（05）.3李英，陈传凯，苏贞志.基于 Lab VIEW 与 PLC 的开放式数控系统串口无线通讯的研究J.组合机床与自动化机工技术，2012（07）.4潘策，姜凌羽.基于 LINUX+RTLINUX 平台的开放式数控系统的设计J.组合机床与自动化加工技术，2012（10）.