0 引言

　　為了提高對生產環境的適應性，滿足快速多變的市場需求，近年來全球機床制造業都在積極探索和研制新型的制造設備與系統，其中在結構技術上的突破性進展當屬20世紀90年代問世的并聯機床。由于并聯機構具有模塊化程度高、剛度質量比大、速度快、造價低、功能多元化等優點，在誕生之際即被業界譽為“21 世紀的新一代數控加工設備”。并聯數控裝備的最大特點在于其結構簡單而控制復雜，而且不同構型的并聯機構逆解方程和結構參數不盡相同，這對控制系統的靈活性和開放性提出了極高要求。由于在控制原理上存在較大差異，基于傳統串聯機構設計的數控系統無法直接應用于并聯機構這類獨特的場合，因而研制高性能、開放式的并聯機床數控系統，對進一步促進這類新型數控裝備的實用化具有十分重要的意義。

　　本文針對并聯機床的控制要求和特點，提出采用全數控軟件化集成式的數控結構來建造并聯機床數控系統?；谶@一設計思想，搭建了“IPC+通用接口板”的開放式硬件平臺，選擇RTLinux 系統作為底層實時操作系統，用C語言開發了全數控軟件數控系統。

1 數控軟件

　　目前，基于PC的開放式數控系統的體系結構模式可概括為以下四種結構：數控加PC 前端的衍生式、PC 加實時控制單元的嵌入式、數字化分布式以及數控軟件化集成式。隨著計算機工業的飛速發展，速度更快，更穩定，功能更強大的軟硬平臺相繼出現，為開放式數控提供了更為廣闊的發展空間，由此集成式數控軟件數控這一全新的數控概念應運而生。所謂全數控軟件數控，是指數控系統的所有功能如系統管理、實時插補、伺服控制、電源控制以及機床邏輯控制等全部集中于PC機以數控軟件的形式完成，通過非常簡單的外圍接口實施控制。這類系統已完全可以看作通用計算機主流操作系統之上的標準應用數控軟件(設備的數控結構可以最大限度地利用PC 豐富的軟硬件資源，并徹底消除了系統各組成單元和模塊間的通訊瓶頸，并且所有的底層核心全面開放，屬于真正意義上的開放。由于實現了NC 內核的全面開放，用戶可根據各種并聯構型特點定制相應的核心控制策略，從而能夠給予系統更大的性能空間，使并聯數控裝備在速度和精度上的優勢潛力得以充分發揮。

2 RTLinux操作系統

　　全數控軟件數控系統可以看作是運行于通用操作系統之上的一種應用數控軟件，與其它應用數控軟件的不同特點在于它是一個典型的實時多任務控制系統，因而對數控軟件平臺有嚴格的要求。傳統的通用操作系統平臺如DOS/Windows/ Windows NT 等本身的開放性、實時性和功能有限，大大限制了數控系統的功能和靈活性。近年來，Linux系統由于源代碼完全開放，內存不受限制、價格低廉等優點受到越來越多的關注。RTLinux是基于Linux系統并可運行于多種硬件平臺的多任務實時操作系統，它以通用操作系統為基礎，在同一操作系統中既提供嚴格意義上的實時服務，又提供標準的POSIX(可移植的操作系統接口)服務。通過修改Linux 內核的硬件層，采用中斷仿真技術，在內核和硬件之間實現了一個小而高效的實時內核，并在實時內核的基礎上形成了小型的實時系統，而Linux 內核僅作為實時系統最低優先級的任務運行，因此系統擁有出色的實時性和穩定性，為開發高性能的開放式數控系統提供了理想的系統平臺。

3 軌跡插補

　　對于傳統機床的數控系統，被插補曲線的離散點序與伺服電機的控制量之間有著簡單直接的對應關系。而并聯機床刀具在操作空間的運動與關節空間伺服電機控制量之間存在非線性的映射關系。因此需要調用逆解模型，將CAM 模型提供的操作空間運動轉化為關節空間的運動，才能驅動并聯機床實現期望運動。由于這一特點，并聯機床采用的插補策略與傳統機床有重大區別。

　　在以“PC+ 多軸運動控制器”為硬件平臺的并聯機床數控系統中采用的是二次插補策略，即粗插補和細插補分開進行，由主機將操作空間中的軌跡段在時間軸上進行離散，然后調用位置、姿態和速度逆解模型，對操作空間中的離散點序進行反演，生成各關節空間中的離散點，最后送入多軸運動控制器進行細插補。由于運動控制器提供的插補周期一般都在10ms左右，為了保證加工精度，必須對進給速度進行限制，導致機床只能在中低速場合下運行。

在全數控軟件數控系統中，利用數控軟件控制的靈活性實現粗精插補合一，即采取直接插補的策略，將插補周期大大縮短(1至2ms)，從而顯著提高進給速度和加工精度。其具體步驟如下：

　　● 首先根據插補周期，將操作空間中的軌跡段在時間軸上進行細化，并根據系統加速度要求，插入若干速度過渡段，一次性完成插補工作。

　　● 調用位置、姿態和速度逆解模型，對操作空間中的離散點序進行反演，生成各關節空間中的微小進給段。

　　● 將計算結果輸送至位置控制模塊，通過伺服放大器驅動電機走出希望軌跡。

4 基于RTLinux的數控軟件數控系統設計

　　RTLinux 系統提供了搶占式多任務調度機制，并將系統分為實時域和非實時域兩部分，實時性要求較低的任務可置于非實時域中運行，實時性要求較高的任務置于實時域中運行。而RTLinux 實現多任務調度主要通過兩種方式：多進程和多線程。進程擁有自己獨立的運行環境(寄存器和地址空間等)，而線程是一個進程中的一個執行分支，各線程從屬于同一進程，共享同一地址空間。RTLinux 系統允許多個線程并行執行，并采用CPU 的時間分片和基于優先級的調度策略實現多線程調度，因而大大提高了系統和程序的運行性能。

　　在本系統中，利用RTLinux提供的多線程技術，通過為數控系統每個任務創建一個線程，由系統對各線程的運行進行協調切換，很好地解決了系統實時多任務調度問題。按實時性要求將數控系統的操作任務進行了劃分。

　　(1) 總體控制任務：作為系統調度的核心，對各任務模塊進行統一的管理，協調各任務的高效運行。該任務放在RTLinux 系統的非實時域內運行。

　　(2) 人機界面管理任務:根據用戶的操作或總體控制任務發來的信息在屏幕上完成相應的坐標顯示、狀態顯示、軌跡仿真、菜單和對話框顯示、程序編輯、參數設定、文件管理等子任務。這些任務的實時性要求不高，將這些功能模塊放在RTLinux 系統的非實時域內運行。

　　(3) 軌跡規劃任務:接收到系統發出的運行指令后，對運動軌跡進行規劃，包括代碼解釋、刀具補償、速度過渡、虛實變換等子任務。這些任務對實時性要求較高，因此將這些功能模塊放在RTLinux系統的非實時域內運行，并將其優先級設為最高。

　　(4) 運動控制任務: 系統完成底層控制的核心單元。包括軌跡插補、主軸控制、實軸伺服控制、I/O控制、狀態監控、數據采集幾項子任務。這些任務的實時性要求最高，因而將這些功能模塊放在RTLinux 系統的實時域內運行。

圖2 系統數控軟件結構圖

　　在數控軟件設計中，數控系統以上四個主要任務對應系統中的四個進程，每個進程中又由不同線程以實現不同的子任務。系統運行期間，上述四個進程始終處于并行運行狀態，人機界面管理、軌跡規劃和運動控制進程由總體控制進程統一進行調度，通過消息觸發與總體控制進程實現交互，并根據系統的操作需求在進程內部創建和終止相應的線程(子任務)。圖2示出了實現數控系統實時多任務調度的數控軟件結構圖。

　　在這種體系結構中，各功能模塊間已不是傳統的調用與被調用的關系，每一模塊都是獨立的線程，一經創建，便獨立運行于系統中，各線程具有不同的狀態屬性以及對不同時間、事件的響應策略。這樣，系統的四個進程以及進程內部各線程既獨立并行運行，又相互協調配合，從而實現了數控系統的各項功能。

5 結論

　　由于并聯機床數控系統的軌跡控制與傳統機床不同，因此要解決其系統開放性的問題，必須采用NC 內核的開放，全數控軟件數控則是實現NC 內核開放的最為有效的途徑。本文研究了全數控軟件數控系統構造的理論和方法，以高性能PC 為硬件平臺，基于RTLinux 操作系統和C 語言為數控軟件平臺，開發了全數控軟件化的并聯機床數控系統。