基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床多線(xiàn)程數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集研究

劉雄，李蔚洋，劉杰

(1.江鉆股份有限公司，湖北潛江433124;2.江漢油田勘探開(kāi)發(fā)研究院，湖北武漢430223)

在數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，實(shí)時(shí)采集加工數(shù)據(jù)對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行控制與補(bǔ)償是十分必要的。但對(duì)成熟的數(shù)控系統(tǒng)如西門(mén)子、FUNUC等而言，加工數(shù)據(jù)采集是十分困難的，用戶(hù)無(wú)法進(jìn)行進(jìn)一步的監(jiān)測(cè)與控制。基于PC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，是對(duì)傳統(tǒng)封閉式數(shù)控系統(tǒng)的根本突破，是當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主流和研究熱點(diǎn)［1］。因此，采用NC嵌入PC型結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究。

在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，為了了解機(jī)床性能或進(jìn)行一步控制，有許多數(shù)據(jù)參數(shù)需要采集，如機(jī)床各軸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)、機(jī)床正在執(zhí)行的命令、在線(xiàn)測(cè)量尺寸等［2］。在基于PMAC卡數(shù)控機(jī)床的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集過(guò)程中，采取了多線(xiàn)程技術(shù)與PMAC option2提供雙端口技術(shù)相結(jié)合的采集方式，取得了滿(mǎn)意的效果。

1 基于PMAC卡數(shù)控機(jī)床軟硬件系統(tǒng)

1.1 PMAC 開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)［3］

可編程多軸控制器(programmablemulti-axis controller，PMAC)是美國(guó)DeltaTau公司20世紀(jì)90年代推出的基于PC平臺(tái)的開(kāi)放式多軸運(yùn)動(dòng)控制器。它采用了Motorola公司的DSP56系列高性能數(shù)字信號(hào)處理器作為CPU，是目前世界上功能最強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器之一，一個(gè)PMAC可以同時(shí)控制1～8根軸，多個(gè)PMAC級(jí)聯(lián)最多可以控制128根軸，能夠精確定位，在包裝、裝配、醫(yī)藥工業(yè)、機(jī)床等行業(yè)應(yīng)用廣泛。

1.2 基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床

該數(shù)控機(jī)床為非圓磨床，運(yùn)動(dòng)方式為：x軸砂輪架水平往復(fù)移動(dòng)和c軸工件主軸轉(zhuǎn)動(dòng)兩軸聯(lián)動(dòng)，其主要硬件設(shè)備有工控機(jī)、PMAC卡、松下伺服電動(dòng)機(jī)、雷尼紹光柵、CBN砂輪、電主軸等。安裝在x軸上的直線(xiàn)光柵分辨率為1μm，安裝在c軸上的圓光柵分辨率為20μm。數(shù)控系統(tǒng)采用直線(xiàn)光柵采集x軸位移作為反饋，圓光柵采集c軸轉(zhuǎn)角作為反饋，形成全閉環(huán)控制(圖1)。

1.3 軟件系統(tǒng)

PMAC 支持 C++，VB，VC，Delphi等多種高級(jí)語(yǔ)，并提供了可共二次開(kāi)發(fā)的的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)。該實(shí)驗(yàn)裝置以Visual C++6.0為工具，開(kāi)發(fā)了軟件控制系統(tǒng)，并開(kāi)發(fā)了用于數(shù)據(jù)采集與顯示的CStShow類(lèi)，用于數(shù)據(jù)采集和顯示及繪圖。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的控制原理圖

2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)加工數(shù)據(jù)采集關(guān)鍵技術(shù)

2.1 PMAC數(shù)據(jù)讀取的方式

文獻(xiàn)［4］介紹了兩種PMAC數(shù)據(jù)讀取的方式：

1)從緩沖區(qū)中獲得采集數(shù)據(jù)：在這種采集方式中，需要設(shè)定采集周期(變量I19)來(lái)決定在每個(gè)伺服中斷周期內(nèi)執(zhí)行多少個(gè)數(shù)據(jù)采集周期，設(shè)定采集源選擇標(biāo)志(變量I20)來(lái)決定采集哪一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)源，以及設(shè)定采集源地址(變量I20～I(xiàn)44)。這種數(shù)據(jù)采集方式比較復(fù)雜，但應(yīng)用靈活，用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)定采集源，采集任何PMAC有效地址中的數(shù)據(jù)。

2)從I/O及運(yùn)動(dòng)寄存器中直接采集數(shù)據(jù)：在這種采集方式中，用戶(hù)只需要讀取各個(gè)I/O及運(yùn)動(dòng)寄存器中的值就能得到需要的數(shù)據(jù)。由于PMAC將運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)電動(dòng)機(jī)、編碼器的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)的存放在相應(yīng)的I/O及運(yùn)動(dòng)寄存器中，用戶(hù)不需額外指定采集源，不必關(guān)心數(shù)據(jù)是如何存入、如何譯碼的，大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)采集的難度。

本文采取了另外一種PMAC數(shù)據(jù)讀取方式：?jiǎn)?dòng)雙端口RAM，利用雙端口RAM所帶的函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。這種方法更加方便，雙端口RAM的函數(shù)封裝了PMAC數(shù)據(jù)讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程，用戶(hù)采集運(yùn)動(dòng)參數(shù)，只須調(diào)用相關(guān)的函數(shù)即可。例如：

Double PmacDPRPosition(DWORD dwDevice，int motor，double units)

該函數(shù)返回指定電動(dòng)機(jī)的實(shí)際位置。參數(shù)dwDevice為PMAC卡的卡號(hào)，motor指電動(dòng)機(jī)號(hào)減1，units表示單位。

2.2 雙端口RAM技術(shù)

PMAC的Option2提供了一個(gè)8K×16位的RAM，允許PMAC和PC機(jī)之間共享一塊快速內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速傳遞。在凸輪軸的加工過(guò)程中需要在實(shí)時(shí)狀態(tài)下快速的大量的位置數(shù)據(jù)信息的下載，同時(shí)又需要重復(fù)的快速的從PMAC中讀取各電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息。電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)可以不停的更新并被PLC程序或自動(dòng)的寫(xiě)入雙端口RAM中，如果不使用雙端口 RAM，這些數(shù)據(jù)必須使用PAMC的在線(xiàn)命令通過(guò)PC總線(xiàn)來(lái)存取，由于使用雙端口RAM存取不需要經(jīng)過(guò)通訊口發(fā)送命令和等待響應(yīng)時(shí)間。下面介紹幾個(gè)主要的雙端口RAM后臺(tái)定點(diǎn)數(shù)據(jù)報(bào)告功能函數(shù)［5］。

1)BOOLPmacDPRRealTime(DWORD dwDevice，UINT period，int on_off)

該函數(shù)開(kāi)啟或關(guān)閉PMAC卡自動(dòng)將定點(diǎn)數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙端口RAM功能;

2)voidPmacDPRSetMotors(DWORD dwDevice，UINT n)

該函數(shù)設(shè)置PMAC卡向雙端口RAM中寫(xiě)入幾個(gè)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)，參數(shù)n表示將1－n個(gè)電動(dòng)機(jī)的相關(guān)數(shù)據(jù)寫(xiě)入雙端口RAM中;

3)voidPmacDPRSetHostBusyBit(DWORD dwDevice，int on_off)

該函數(shù)通知PMAC卡，客護(hù)端將要進(jìn)行讀雙端口RAM中的數(shù)據(jù);

4)int PmacDPRGetHostBusyBit(DWORD dwDevice)

檢查該函數(shù)是否正在進(jìn)行雙端口RAM的寫(xiě)操作。

參數(shù)說(shuō)明：參數(shù)中period參數(shù)設(shè)置雙端口RAM中數(shù)據(jù)的刷新周期，開(kāi)啟或關(guān)閉PMAC卡，將on_off設(shè)置為1或0。

2.3 多線(xiàn)程技術(shù)［6］

Windows操作系統(tǒng)之多任務(wù)調(diào)度與處理，每一個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線(xiàn)程，這意味著一個(gè)程序可以同時(shí)完成多個(gè)任務(wù)。在VC++6.0中，MFC類(lèi)庫(kù)提供了對(duì)多線(xiàn)程編程的支持，它把線(xiàn)程區(qū)分為兩類(lèi)：工作者線(xiàn)程和用戶(hù)界面線(xiàn)程.工作者線(xiàn)程主要用來(lái)執(zhí)行費(fèi)時(shí)的后臺(tái)計(jì)算任務(wù)，用戶(hù)界面線(xiàn)程則一般用來(lái)處理用戶(hù)的輸入，響應(yīng)用戶(hù)產(chǎn)生的事件和消息。在MFC類(lèi)庫(kù)中，類(lèi)CWinThread是用戶(hù)界面線(xiàn)程的基本類(lèi)。用MFC創(chuàng)建線(xiàn)程，只需編寫(xiě)一個(gè)與應(yīng)用程序中的其余部分并行運(yùn)行的函數(shù)，然后調(diào)用全局函數(shù)AfxBeginThread()啟動(dòng)線(xiàn)程，線(xiàn)程啟動(dòng)后調(diào)用輔助線(xiàn)程的回調(diào)函數(shù)，可以在回調(diào)函數(shù)中編寫(xiě)想要實(shí)現(xiàn)功能的程序代碼。當(dāng)然也可以設(shè)定線(xiàn)程之間的優(yōu)先級(jí)，也可以保持線(xiàn)程間的同步。這對(duì)應(yīng)用多線(xiàn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來(lái)說(shuō)，是很有用的。

要終止線(xiàn)程，可以在線(xiàn)程內(nèi)部調(diào)用MFC的AfxEndThread()函數(shù)或ExitProcess()或SetEvent()進(jìn)行有條件地結(jié)束線(xiàn)程，如果想從該線(xiàn)程外部結(jié)束該線(xiàn)程，可以使用Win32API函數(shù)TerminateThread()。等，但使用時(shí)一定要釋放該進(jìn)程所占的系統(tǒng)資源，否則這樣會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

3 加工數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)

3.1 加工數(shù)據(jù)采集程序編寫(xiě)

在編寫(xiě)程序時(shí)為了避免顯示過(guò)快而無(wú)法觀(guān)察，在數(shù)據(jù)采集后立刻寫(xiě)入文件保存，而采用了間隔時(shí)間為55ms的定時(shí)器，用于慢速顯示。用一個(gè)線(xiàn)程采集一個(gè)變量，以增加采集速度，并防止由于線(xiàn)程的相可以通過(guò)修改Sleep()函數(shù)中的參數(shù)，改變采集時(shí)間間隔。本文給出了采集C軸速度的代碼，如果要采集更多的數(shù)據(jù)，再增加線(xiàn)程即可。

主要程序代碼如下：

3.2 加工數(shù)據(jù)采集結(jié)果

利用Visual C++，編寫(xiě)采集程序，采集加工過(guò)程中x軸實(shí)際位置、x軸實(shí)際速度、c軸實(shí)際位置、c軸實(shí)際速度。采集界面如圖2所示。

如果將采集的變量寫(xiě)入到同一個(gè)文件，將會(huì)由于線(xiàn)程的獨(dú)立性而導(dǎo)致亂碼。因此編程中將每個(gè)變量分別寫(xiě)入單獨(dú)的文件。下面是采集到的部分?jǐn)?shù)據(jù)：

圖2 數(shù)據(jù)采集界面

4 結(jié)果分析

由采集結(jié)果可知，多線(xiàn)程采集具有很高的采樣頻率，而且與PMAC的雙端口技術(shù)相結(jié)合，也簡(jiǎn)化了程序，加快了采集速度，這是一種很好的采集方法。

應(yīng)該指出的是，多線(xiàn)程技術(shù)是一種比較難的技術(shù)，多線(xiàn)程應(yīng)用程序的編寫(xiě)和調(diào)試比較困難，因?yàn)椴l(fā)運(yùn)行線(xiàn)程的并行性增加了代碼的額外復(fù)雜度，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中就發(fā)生過(guò)多次調(diào)試問(wèn)題。但是如果使用得當(dāng)，多線(xiàn)程可以極大地改善一個(gè)應(yīng)用程序的響應(yīng)性能。

［1］韓軍，史文浩.臥式車(chē)銑復(fù)合機(jī)床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.裝備制造技術(shù)，2009(5)：26-27.

［2］彭寶營(yíng)，韓秋實(shí)，孫志永.基于PMAC的數(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集的研究［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2007(7)：237-239.

［3］申宇，馬伯淵，張金樓.基于PMAC卡的高速數(shù)據(jù)采集［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2006(4)：96-97.

［4］蘭光明.VC環(huán)境下的PMAC數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與顯示［J］.北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)2004(3)：45-47.

［5］DELTA TAU Data System Inc.PMAC USER’S MANUAL［S］.USA：DELTA TAU Data System Inc，1999.

［6］李秀敏凌宇欣.Visual C++6.0機(jī)范例入門(mén)與提高［M］.北京：清華大學(xué)出版社.