張亞斌，洪榮晶，張奧敏

（1.南京工業(yè)大學機械與動力工程學院，南京 211800；2.江蘇省工業(yè)裝備數(shù)字制造及控制技術重點實驗室，南京 211800；3.合肥通用無損檢測技術有限責任公司，合肥 230000）

我國是機床制造生產的大國，但數(shù)控技術的應用水平并不高，因此制造業(yè)的整體水平受到嚴重的影響。傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC 和SIEMENS 等系統(tǒng)大多是私有的硬件和軟件，兼容性不強[1]。隨著技術的進步和市場競爭的加快，該系統(tǒng)封閉的內部結構已不能滿足制造業(yè)發(fā)展中功能的擴展需求，因此，開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究已成為一種趨勢[2–3]。近年來，數(shù)控系統(tǒng)的開放性已成為學者研究的熱點[4–5]。數(shù)控系統(tǒng)的開放目的是實現(xiàn)模塊化、可擴展、可移植、可重構，以此來提高數(shù)控系統(tǒng)的靈活性，更加方便客戶根據具體需求進行二次開發(fā)，并可以快速地響應新的加工要求。對開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究，在某種程度上解決了當前市場需求變化與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)之間的矛盾，為提高我國數(shù)控技術發(fā)展水平，提供了很好的機會。

本文中硬件部分以固高運動卡為核心，設計與實現(xiàn)了數(shù)控齒輪倒角加工自動編程系統(tǒng)[6]。由工控機搭配固高運動卡構成的開放式數(shù)控系統(tǒng)，增加了系統(tǒng)設計開發(fā)的靈活性和開放性。采用層次狀態(tài)機技術（HSM）和量子框架（QP）技術實現(xiàn)數(shù)控倒角機控制系統(tǒng)軟件的設計，層次狀態(tài)機對倒角機控制系統(tǒng)進行規(guī)劃建模，并利用量子框架技術對狀態(tài)機的內部進行實現(xiàn)，從而完成對倒角機控制系統(tǒng)模型的邏輯控制[7–8]。開發(fā)的控制系統(tǒng)具有開放性、通用性、可移植的特點。

試驗及方法

1 控制系統(tǒng)硬件結構設計

硬件控制系統(tǒng)（圖1）主要包含工控機（IPC）、運動控制器（GTS 系列）、交流伺服電機以及各類反饋傳感器。

工控機選用研華系列，主要負責設定各軸的運動參數(shù)、存儲數(shù)據和人機界面交互功能；運動卡選用固高公司的 GTS–800–PCI–VB 系列控制卡，核心部分主要由數(shù)字信號處理器（DSP）和現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）組成，可以實現(xiàn)同時控制8 個運動主軸，實現(xiàn)各種復雜的多軸運動。運動控制卡通過PCI 插槽內嵌入工控機中，通過PCI 總線進行二者間的通信。程序開發(fā)設計過程中通過調用運動控制卡提供的DLL 文件，整合處理相關參數(shù)，生成高速脈沖指令，驅動伺服電機進行插補運動。

在運動控制器上執(zhí)行運動程序和在主機上執(zhí)行運動程序的不同之處在于，運動程序對GT 指令的調用不必再通過PCI 總線，因此具有更高的效率，而且能夠脫離主機單獨執(zhí)行，這樣主機就能夠把CPU 資源分配給其他任務，從而將主機從繁瑣的運動邏輯管理中解放出來。

2 控制系統(tǒng)軟件結構設計

2.1 量子框架和量子編程

量子框架是一種狀態(tài)機的框架，能夠完成從狀態(tài)機到程序代碼的轉換[9–10]。開發(fā)人員在完成活動對象的狀態(tài)圖繪制后，可以利用量子框架的規(guī)則將其轉變?yōu)槌绦虼a（C++），實現(xiàn)設定的功能。層次狀態(tài)機理論的表達方式更加抽象，被嵌套狀態(tài)通過被隱藏和顯現(xiàn)，減少了系統(tǒng)在某一個時刻需要處理的細節(jié)數(shù)量。

在不同的時刻，數(shù)控系統(tǒng)往往有很多不同的任務，其行為通常稱為有限的狀態(tài)。事件是可以引起活動對象的狀態(tài)機產生相關的響應動作，各狀態(tài)之間的轉換只能通過事件來交換。由事件產生觸發(fā)，活動對象接受量子框架傳送的事件實例，產生相應的動作響應，響應可以改變狀態(tài)機的狀態(tài)，稱為狀態(tài)行為的轉換。針對具有特定狀態(tài)行為的系統(tǒng)建立模型，有限的狀態(tài)機（FSM）是最直觀而簡潔的方法。

量子編程是針對嵌入式系統(tǒng)特性的編程方法，它集合了直觀的習慣方式、設計模式、具體實現(xiàn)等，使用戶可以立即著手使用而不需要再去研究復雜工具。量子編程不同于面向對象編程（Object-Oriented Programming），面向對象編程在編程過程中，涉及類的邊界往往會突然地停止，而量子編程則是把各個類的內部實現(xiàn)都留給過程技術來完成。因此，在某種程度上量子編程已經超過了面向對象編程。

層次狀態(tài)機往往需要在各種不同的環(huán)境下規(guī)劃運行，因此建立起能夠多次重復使用的基礎結構是很有必要的，而量子框架很適合于此[11]。量子框架的量子平臺軟件框架見圖2。

2.2 基于量子框架的齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)體系結構

基于量子框架的齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)的重點在于設計完成不同的但有一定相似性的應用程序時，有時會有很相似的方法。在量子框架中，面向上層應用模塊的部分稱為平臺無關部分，面向下層實時操作系統(tǒng)（RTOS）的部分稱為平臺相關部分?；诹孔涌蚣艿凝X輪倒角數(shù)控系統(tǒng)的結構見圖3。

2.3 齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)軟件應用模塊

齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)軟件層是軟件系統(tǒng)的最高控制層，能夠為用戶提供不同的功能服務。該層可以直觀實時地顯示各種反饋數(shù)據、發(fā)送指令操作、修改相關的參數(shù)等。針對用戶實際需求，可以添加不同的應用模塊。數(shù)控系統(tǒng)與操作系統(tǒng)沒有其他任何的直接交互，唯一的通信是和量子框架進行事件實例的交換。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結構Fig.1 Control system hardware structure

圖2 量子平臺軟件框架圖Fig.2 Quantum platform software framework

齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)根據各部分的功能一般可以劃分為主界面、參數(shù)設定、G 代碼生成、G 代碼解釋、控制器驅動、繪圖測試和數(shù)據庫管理等模塊。量子框架的最小單元是活動對象，因此在基于量子框架的齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)中，各個功能模塊還需劃分成具體的活動對象。

參數(shù)設定活動對象：齒輪工件選擇設置、機床的選擇設置等。將設置好的各種參數(shù)以事件實例的方式出版給量子框架，量子框架將該事件實例傳送給訂閱的活動對象。比如，G 代碼生成活動對象，控制器驅動活動對象等，其簡化狀態(tài)圖如圖4所示。

G 代碼解釋活動對象：獲取G代碼文件事件實例，提取G 代碼中的運動信息、R參數(shù)和自定義參數(shù)的配置、對運算循環(huán)部分進行處理、G代碼程序的預讀和錯誤分析。將解釋完的程序以事件實例的方式出版給控制器驅動活動對象和主界面活動對象。G 代碼解釋活動對象接收從量子框架傳送過來的事件實例，直接進入解釋代碼子狀態(tài)，它將分段完成解釋工作，并將代碼存入解釋代碼緩存區(qū)，接著進入速度預處理狀態(tài)，從解碼緩存區(qū)取出數(shù)據，進行速度預處理計算，形成多個指令段，以事件實例的形式出版給量子框架，由量子框架分發(fā)給控制器驅動活動對象和主界面活動對象。最終，進行驅動指令生成和加工信息顯示等動作，其簡化狀態(tài)圖如圖5所示。

插補活動對象：管理運動控制卡的插補工作，其簡化狀態(tài)圖如圖6所示。在插補空閑時間狀態(tài)，狀態(tài)機接收到INTERP_EVT 事件后，系統(tǒng)進入插補工作狀態(tài)，事件會根據直線、圓弧算法以及預處理信息，計算出每個插補周期內向各個電機軸應該發(fā)送的脈沖數(shù)，完成插補工作后向位置控制活動對象發(fā)送事件實例，驅動伺服電機運行。

系統(tǒng)啟動時，由初始偽狀態(tài)進入插補空閑狀態(tài)處理程序，然后插補活動對象向量子框架訂閱各類事件，比如獲取GT_SetCrPrm、GT_GetCrPrm、GT_LnXY、GT_ArcXYR 指令，進行下一步插補計算，將數(shù)據寫入緩存區(qū)等。當接收到INTERP_EVT 事件后，系統(tǒng)進入插補工作狀態(tài)，同樣要向量子框架訂閱和發(fā)布各類事件實例，如讀取緩存區(qū)指令等。當插補暫停狀態(tài)發(fā)送Q_START_SIG 事件時，狀態(tài)機恢復插補工作狀態(tài)。

圖3 數(shù)控齒輪倒角機系統(tǒng)體系結構圖Fig.3 CNC gear chamfering machine system architecture diagram

圖4 參數(shù)設定活動狀態(tài)圖Fig.4 Parameter setting activity state diagram

結果與討論

由工控機和固高運動控制卡搭建的開放式控制系統(tǒng)，調用控制卡提供動態(tài)鏈接庫文件，可實現(xiàn)各種復雜的運動。同時,面對客戶頻繁的需求變化時，可靈活地改變系統(tǒng)的結構，在原有基礎上增加新的成熟的技術。在控制器上執(zhí)行運動程序，節(jié)省出大量的CPU 資源，更便于上位機非實時性任務的執(zhí)行。同時,也大大提高了加工的效率。

根據在量子框架的建模工具中規(guī)劃的倒角機床的狀態(tài)圖，開發(fā)數(shù)控倒角機床加工軟件。數(shù)控倒角機床主要用于齒輪齒廓的倒角。圖7是試驗平臺軟件圖。圖8是開發(fā)調試硬件平臺，正在測試運行。

相較于傳統(tǒng)的面向對象的設計思想，層次狀態(tài)機（HSM）的方法可以更自然地呈現(xiàn)各模塊狀態(tài)之間的嵌套關系。最后，再利用量子框架技術將繪制好的狀態(tài)圖通過一些簡單的編程規(guī)范轉變成C++代碼，從而完成整個系統(tǒng)模塊的實現(xiàn)。該方法的優(yōu)點可歸納為以下兩點：（1）程序的層次分明、結構清晰、通俗易懂；（2）可以更便捷地排錯、修改程序和移植模塊。

結論

設計了一套用于齒輪倒角加工自動編程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用工控機（IPC）和運動卡搭建的開放式數(shù)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，設計和實現(xiàn)了用戶管理、機床參數(shù)管理、倒角加工參數(shù)設置、繪圖仿真等功能。測試結果表明：

（1）在基于量子框架的齒輪倒角數(shù)控系統(tǒng)中，可以針對具體的功能需求，很方便地調整控制系統(tǒng)的結構，包括添加或刪除相應的子模塊， 而不需要改動底層的實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)應用層面上的開放。

（2）在規(guī)劃活動對象的狀態(tài)圖時，量子框架中的建模工具使得規(guī)劃工作更加便捷與清晰。同時，量子框架還有一套完整的基礎代碼，能夠實現(xiàn)自動生成代碼的功能，不需要編寫大量冗余的程序。

圖5 G代碼解釋活動對象狀態(tài)圖Fig.5 G code explaining activity object state diagram

圖6 插補活動對象狀態(tài)圖Fig.6 Interpolation activity object state diagram

圖7 數(shù)控倒角加工軟件的示例測試Fig.7 Example test of CNC chamfering software

圖8 開發(fā)調試硬件平臺Fig.8 Development and debugging of hardware platform

（3）在量子框架的內部使用事件處理機制，解決了多線程過程中的并發(fā)問題，減少了系統(tǒng)運行出現(xiàn)死鎖、競爭等問題，大大提高了編程控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。