RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

奚學(xué)程，陳　昊，陳　默，劉宏達(dá)，梁　為，趙萬生

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

奚學(xué)程，陳昊，陳默，劉宏達(dá)，梁為，趙萬生

（上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240）

數(shù)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)近年來的快速發(fā)展，為多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)的提升帶來了新的機(jī)遇。針對(duì)廣泛采用的上下位機(jī)式數(shù)控系統(tǒng)中上下位機(jī)間通訊的瓶頸問題，利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機(jī)間通訊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性和效率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)原有自主開發(fā)的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了實(shí)時(shí)通訊的功能，充分利用上下位機(jī)的雙核優(yōu)勢(shì)沖破之間的瓶頸，并結(jié)合先進(jìn)的B樣條曲線插補(bǔ)算法，顯著提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能。閉式整體葉盤的加工實(shí)驗(yàn)證明新的數(shù)控系統(tǒng)體系架構(gòu)能提高復(fù)雜零件的加工效率。

多軸聯(lián)動(dòng)；RTAI；雙端口寄存器；電火花加工；效率提升

在航空航天領(lǐng)域，一些有著復(fù)雜自由曲面并采用高硬度、高強(qiáng)度材料的零件（如閉式整體渦輪葉盤）多采用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花技術(shù)進(jìn)行加工［1］。由于與國(guó)防工業(yè)密切相關(guān)，五軸及以上的電火花加工機(jī)床一直被發(fā)達(dá)國(guó)家列為對(duì)華實(shí)行禁運(yùn)的高技術(shù)產(chǎn)品，所以國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)開始自主研發(fā)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花加工機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)受到國(guó)家的大力支持，“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項(xiàng)”作為16個(gè)國(guó)家科技重大專項(xiàng)之一被列入我國(guó)《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)與技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006～2020）》。

數(shù)控系統(tǒng)作為加工裝備的“大腦”，有著至關(guān)重要的作用。國(guó)內(nèi)已開展多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)的研究和開發(fā)多年。趙萬生等對(duì)基于可編程邏輯控制器的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工的軌跡控制進(jìn)行了深入討論［2-3］。楊大勇等研制了高性能柔性化多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，采取全軟件化、柔性化、模塊化的研究路線，并給出了五軸聯(lián)動(dòng)電火花加工實(shí)例［4-5］。蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司近年來通過與上海交通大學(xué)等高校合作，承擔(dān)了“十一五”國(guó)家重大專項(xiàng)課題——固定工作臺(tái)式五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床，共同研發(fā)出了DK7130、DK7140、DK7150等系列化五軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工機(jī)床，并初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化［6-7］。黃海鵬等基于RT-Linux技術(shù)，提出了雙核結(jié)構(gòu)概念并開發(fā)了多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)［8］。陳昊等開發(fā)了基于Linux操作系統(tǒng)與PMAC可編程邏輯控制器的上下位機(jī)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)，并研制了六軸聯(lián)動(dòng)電火花成形加工樣機(jī)［9］。

隨著相關(guān)研究的開展與深入，數(shù)控系統(tǒng)的架構(gòu)逐漸成熟。然而現(xiàn)有技術(shù)并不完美，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)所采用的軟硬件平臺(tái)相比過去都有了較大的發(fā)展，如何在更先進(jìn)的軟硬件平臺(tái)上完善與增強(qiáng)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的功能是今后的研究方向。

在采用上下位機(jī)式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)中，上下位機(jī)之間的通訊逐漸成為制約數(shù)控系統(tǒng)性能進(jìn)一步提升的瓶頸，如何加強(qiáng)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊能力成為了問題的關(guān)鍵。確保數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能、提高進(jìn)程運(yùn)行時(shí)間的確定性，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用變得必不可少。由于Linux操作系統(tǒng)具備徹底的開放性，其實(shí)時(shí)擴(kuò)展在不斷地完善和發(fā)展，且得到廣泛運(yùn)用。主流的基于Linux的實(shí)時(shí)擴(kuò)展方案包括新墨西哥州立大學(xué)FSM實(shí)驗(yàn)室推出的RT-Linux和米蘭理工學(xué)院發(fā)起的RTAI等。在確保進(jìn)程運(yùn)行的穩(wěn)定性后，通過任務(wù)進(jìn)程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的交換成為下一步的研究方向。在本團(tuán)隊(duì)所采用的PMAC可編程邏輯控制器的下位機(jī)解決方案中，提供了雙端口寄存器（dual-ported RAM，簡(jiǎn)稱DPRAM）功能模塊，它為上位機(jī)和PMAC之間提供了可共享的高速內(nèi)存區(qū)域，利用DPRAM能實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的高速數(shù)據(jù)交換。

本文利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機(jī)間通訊與數(shù)控傳輸?shù)臅r(shí)間確定性和效率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)原有自主開發(fā)的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，充分利用上下位機(jī)的雙核優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，顯著提高了數(shù)控系統(tǒng)的性能。

1　基于RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的數(shù)控體系

RTAI是real-time application interface for Linux的縮寫，它對(duì)廣泛運(yùn)用的Linux操作系統(tǒng)添加了嚴(yán)格的時(shí)間確定性限制，并對(duì)x86、x86_64、Power-PC、ARM、m68k等多種硬件平臺(tái)廣泛支持。Linux系統(tǒng)本身缺少實(shí)時(shí)支持，為了獲得較好的時(shí)間確定性，內(nèi)核資源需進(jìn)行一些修改，比如中斷管理調(diào)度策略。RTAI和Linux內(nèi)核同樣提供了相應(yīng)的應(yīng)用服務(wù)，并增加了工業(yè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的特征。RTAI最主要起到一個(gè)中斷調(diào)度員的功能，對(duì)外設(shè)中斷進(jìn)行處理并按時(shí)序交給Linux內(nèi)核處理。RTAI并不是針對(duì)Linux內(nèi)核的修改，而是采用硬件抽象層HAL（hardware abstraction layer）的概念，從Linux截取硬件操作并進(jìn)行重定向，取代原有的Linux對(duì)硬件的操作。通過這種方法對(duì)Linux內(nèi)核的修改非常簡(jiǎn)單且相對(duì)獨(dú)立，對(duì)于不同版本的Linux適配也變得容易，可把Linux看作一個(gè)沒有實(shí)時(shí)任務(wù)發(fā)生時(shí)的后臺(tái)任務(wù)。由于這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，可避免RT-Linux方案對(duì)Linux內(nèi)核源碼改動(dòng)過大的問題，所以本文采用基于RTAI的上位機(jī)操作系統(tǒng)。

RTAI是完全搶占式內(nèi)核，將Linux看作它的一個(gè)低優(yōu)先級(jí)的運(yùn)行任務(wù)。在該結(jié)構(gòu)下，實(shí)時(shí)任務(wù)在RTAI的調(diào)度下運(yùn)行，非實(shí)時(shí)性需要調(diào)用較復(fù)雜功能的任務(wù)交由Linux調(diào)度?；赗TAI實(shí)時(shí)內(nèi)核的操作系統(tǒng)硬件調(diào)用方式的架構(gòu)見圖1。

圖1　基于RTAI實(shí)時(shí)內(nèi)核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在數(shù)控系統(tǒng)中，插補(bǔ)的控制就是對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高的任務(wù)之一。陳默等針對(duì)復(fù)雜型腔零件EDM加工中以參數(shù)曲線形式所描述的運(yùn)動(dòng)軌跡，在單位弧長(zhǎng)增量法［10］的基礎(chǔ)上，研究了由參數(shù)曲線表達(dá)式直接生成各軸進(jìn)給脈沖的多軸聯(lián)動(dòng)軌跡精插補(bǔ)方法——廣義單位弧長(zhǎng)增量法［11］。該插補(bǔ)算法采用泰勒公式展開的方法，能以較小的存儲(chǔ)空間消耗量達(dá)到較高的精度插補(bǔ)。然而對(duì)于復(fù)雜形狀零件的加工軌跡，當(dāng)選用B樣條曲線為代表的參數(shù)曲線代替小直線段來描述軌跡時(shí)，為了保證插補(bǔ)精度，需將對(duì)坐標(biāo)的遞推改為參數(shù)的遞推后代入?yún)?shù)方程來實(shí)現(xiàn)。這就造成在3次B樣條曲線插補(bǔ)時(shí)會(huì)進(jìn)行較多的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算，PMAC可編程邏輯控制器為代表的下位機(jī)運(yùn)算能力無法保證較短的插補(bǔ)周期內(nèi)完成所需的運(yùn)算，所以插補(bǔ)的運(yùn)算應(yīng)當(dāng)由運(yùn)算能力更為強(qiáng)大的上位機(jī)來執(zhí)行。

原有框架的數(shù)控系統(tǒng)為了解決插補(bǔ)好后的數(shù)據(jù)傳輸問題，采用了循環(huán)緩沖區(qū)的方案，即一次下載若干個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)下位機(jī)中待插補(bǔ)點(diǎn)數(shù)量少于一定數(shù)量時(shí)，會(huì)請(qǐng)求上位機(jī)發(fā)送下一段的插補(bǔ)點(diǎn)數(shù)據(jù)。該方法由于時(shí)間的不確定性，不能保證上位機(jī)將插補(bǔ)點(diǎn)數(shù)據(jù)及時(shí)送到下位機(jī)中。而采用RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)后，插補(bǔ)函數(shù)會(huì)周期性地調(diào)用DPRAM讀寫函數(shù)的運(yùn)行，在每個(gè)插補(bǔ)周期都可確保將該插補(bǔ)周期各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸所要運(yùn)動(dòng)到的坐標(biāo)發(fā)往DPRAM的相應(yīng)存儲(chǔ)單元中，同時(shí)讀取軸位置及極間電壓等過程參數(shù)。

2　DPRAM在實(shí)時(shí)插補(bǔ)中的使用與程序設(shè)計(jì)

PMAC可編程邏輯控制器提供了8000個(gè)長(zhǎng)度為16 bit的雙端口寄存器DPRAM來和上位機(jī)共享一塊快速存儲(chǔ)區(qū)域，提供雙向的高速通訊方法。通過它可實(shí)時(shí)向PMAC寫入或下載位置、速度等信息，并實(shí)時(shí)地向上位機(jī)報(bào)告驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)、跟隨誤差等信息。在采用DPRAM前，這些數(shù)據(jù)必須通過PCI總線發(fā)送在線指令的方式傳遞，由于DPRAM省略了從通訊端口發(fā)出消息并等待回應(yīng)的步驟，所以能獲得更快、更有時(shí)效的通訊速度。

Deltau Tau公司沒有為PMAC開發(fā)針對(duì)Linux 的DPRAM驅(qū)動(dòng)程序，我們?yōu)榇司帉懥薉PRAM在Linux下的相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序。DPRAM驅(qū)動(dòng)程序的主要功能是進(jìn)行PC和PMAC兩種不同計(jì)算機(jī)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，調(diào)用DPRAM各種功能及相應(yīng)的讀寫操作。就數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換來說，PMAC的一個(gè)存儲(chǔ)地址上存儲(chǔ)的變量是48位的，每個(gè)48位變量包含低24位的Y變量和高24位的X變量。當(dāng)DPRAM中的X變量或Y變量映射到PC內(nèi)存時(shí)，只有變量的低16位才被映射到PC的內(nèi)存空間，而高8位并沒有被利用。因此，當(dāng)PC機(jī)上一個(gè)32位的數(shù)據(jù)需寫到DPRAM時(shí)，就要占用一個(gè)48位的PMAC變量；反過來，當(dāng)DPRAM中的一個(gè)48位PMAC變量被讀到PC內(nèi)存中，有效的只有32位。

有了DPRAM這個(gè)新的數(shù)據(jù)通道后，單位弧長(zhǎng)增量法插補(bǔ)等計(jì)算量較大的任務(wù)就能在上位機(jī)完成之后，將插補(bǔ)數(shù)據(jù)通過DPRAM實(shí)時(shí)地傳輸給PMAC，相應(yīng)的流程見圖2。在對(duì)DPRAM寫入數(shù)據(jù)時(shí)，除了寫入所需的坐標(biāo)點(diǎn)位置等信息外，為了確保傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，會(huì)附加傳輸用于校驗(yàn)的標(biāo)志，PMAC對(duì)校驗(yàn)標(biāo)志位進(jìn)行檢查，確保正確后才將運(yùn)動(dòng)信息發(fā)送到各運(yùn)動(dòng)部件。如果校驗(yàn)標(biāo)志位異常，則需等待上位機(jī)傳輸新的正確數(shù)據(jù)。

圖2　采用DPRAM插補(bǔ)運(yùn)算流程圖

3　閉式整體葉盤加工實(shí)驗(yàn)

本文改進(jìn)的基于RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙端口寄存器的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)主要針對(duì)復(fù)雜形狀零件所設(shè)計(jì)，而閉式整體葉盤正是該類零件的代表。為了檢驗(yàn)新系統(tǒng)架構(gòu)的優(yōu)越性和可靠性，將新數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)用于HE70型六軸聯(lián)動(dòng)電火花加工機(jī)床，并進(jìn)行閉式整體葉盤樣件的對(duì)比加工實(shí)驗(yàn)。所選樣件材料為鈦合金TC4，直徑90 mm，共有23個(gè)流道，每個(gè)流道的加工均分別從流道的進(jìn)口和出口2個(gè)端面由外向內(nèi)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)所采用的加工條件見表1，加工后的樣件局部照片見圖3。

表1　閉式整體葉盤樣件加工條件

圖3　加工后的閉式整體葉盤樣件

未用本文所述方法加工該樣件的實(shí)測(cè)耗時(shí)為3161 min。采用基于RTAI實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙端口寄存器的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)后，加工該樣件僅耗時(shí)2555 min，比改進(jìn)前減少了19.17%。加工后的樣件也顯示新系統(tǒng)并未對(duì)樣件外形輪廓和表面質(zhì)量產(chǎn)生影響。由此可見，新系統(tǒng)對(duì)于提高復(fù)雜形狀零件的加工效率有著重要的作用。

4　總結(jié)

以閉式整體葉盤類零件為代表的復(fù)雜形狀零件的加工對(duì)我國(guó)航天航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心制造能力有著重要的意義。本文利用快速發(fā)展的軟硬件技術(shù)，針對(duì)困擾加工效率提升的瓶頸問題，利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與雙端口寄存器在上下位機(jī)間通訊與數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間確定性和效率的優(yōu)勢(shì)，對(duì)原有的多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了上下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊，充分利用上下位機(jī)的雙核優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合3次B樣條曲線插補(bǔ)算法對(duì)復(fù)雜形狀閉式整體葉盤加工進(jìn)行了升級(jí)。通過閉式整體葉盤加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了新數(shù)控系統(tǒng)對(duì)于提高復(fù)雜形狀零件的加工效率有著明顯的優(yōu)勢(shì)，并在連續(xù)上百小時(shí)的加工中驗(yàn)證了該數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。

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The Application of RTAI Real-time Operating System in Multi-axis EDM CNC System

Xi Xuecheng，Chen Hao，Chen Mo，Liu Hongda，Liang Wei，Zhao Wansheng
（State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China）

With rapid development of both hardware and software platforms in CNC systems in recent years，muti-axis EDM CNC systems have new opportunities for great improvements.In the master-slave CNC system architecture which is widely used，the communication between the master computer and the slave computer is a bottleneck in the whole system.To meet the strict timing constraints in the CNC computer control system，a real-time operating system and dual-ported RAM have been incorporated into the existing CNC system to establish a real-time communication channel between the master and the slave.Combined with the augmented B-spline curve interpolation algorithm，this paper break through the bottleneck and significantly improves the performance of the EDM CNC system.It has been testified through machining experiments of shrouded blisks that the new real-time CNC system architecture can improve the machining efficiency of components and parts with complex structures.

multi-axis；RTAI；dual-ported RAM；EDM；efficiency improvement

TG661

A

1009-279X（2016）04-0064-04

2016-05-23

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175337，51421092）；國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（2014ZX04001061）；上海交通大學(xué)燃?xì)廨啓C(jī)研究院科研課題基金資助項(xiàng)目（AF0200088/015）；上海市教育委員會(huì)產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目（15CXY03）

奚學(xué)程，男，1973年生，助理研究員。