基于數(shù)控流水線技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)

吳岱

【摘 要】傳統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)需要依賴特定的軟硬件平臺(tái)，使開放式數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用存在較大的局限性。為了便于開放式數(shù)控系統(tǒng)得到普及應(yīng)用，基于數(shù)控流水線技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。數(shù)控流水線技術(shù)包括了數(shù)據(jù)主控流水線線程、數(shù)控微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元以及驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)控流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開放的微代碼借口與數(shù)控指令的規(guī)范化，使數(shù)控模塊能夠相互的替換，也能夠針對(duì)不同的需求重新構(gòu)建數(shù)控流水線。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控流水線技術(shù)；開放式；數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控微代碼

0.前言

開放式數(shù)控系統(tǒng)一般是基于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)相關(guān)軟硬件平臺(tái)，利用自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前，依靠完善的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)及其相關(guān)軟硬件平臺(tái)，使人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信、存儲(chǔ)管理等一系列功能得到了很好的應(yīng)用，但卻無法實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)較強(qiáng)的實(shí)時(shí)功能目標(biāo)，主要由于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的整體運(yùn)算性能無法達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，使開放式數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用存在一定的問題。雖然利用高性能的CPU處理芯片可以滿足數(shù)控系統(tǒng)較強(qiáng)的實(shí)時(shí)功能目標(biāo)，但是成本的投入與產(chǎn)出效益比值明顯不合理，推廣應(yīng)用的可行性不高。因此，利用數(shù)控流水線技術(shù)，以較小的成本投入獲得開放式數(shù)控系統(tǒng)較大的產(chǎn)出，對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展有著重要意義。

1.數(shù)控流水線技術(shù)

1.1數(shù)控系統(tǒng)的功能

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)功能的強(qiáng)弱，可以分為強(qiáng)實(shí)時(shí)類功能，包含了5個(gè)模塊，將其由高到低排列為指令譯碼、速度規(guī)劃、插補(bǔ)、專用I/O控制、電機(jī)控制；弱實(shí)時(shí)類功能包括了6個(gè)模塊，即通用I/O模塊、狀態(tài)顯示、軌跡仿真、程序編輯、參數(shù)管理、鍵盤輸入。

強(qiáng)實(shí)時(shí)類功能屬于數(shù)控系統(tǒng)的核心部分，直接關(guān)系到數(shù)控機(jī)床的加工過程，需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，如果出現(xiàn)了任何的延遲就會(huì)導(dǎo)致加工出錯(cuò)，影響產(chǎn)品的質(zhì)量。弱實(shí)時(shí)功能基本不要求數(shù)控系統(tǒng)較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，目前的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)均可滿足，主要涉及人機(jī)交互、通用I/O控制以及存儲(chǔ)管理等領(lǐng)域，即便執(zhí)行存在一定的延遲，也不會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的加工過程。

1.2數(shù)控流水線的結(jié)構(gòu)

數(shù)控流水線一般分為三個(gè)環(huán)節(jié)，即數(shù)控主控流水線線程、數(shù)控微代碼執(zhí)行單元、控制驅(qū)動(dòng)層。

1.2.1數(shù)據(jù)主控流水線線程

數(shù)據(jù)主控流水線線程是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制（Computer Numerical Control）軟件上的獨(dú)立線程，需要在數(shù)控操作系統(tǒng)內(nèi)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上運(yùn)行。數(shù)據(jù)主控流水線線程將指令譯碼與插補(bǔ)功能進(jìn)行結(jié)合，形成一個(gè)獨(dú)立的線程，利用計(jì)算機(jī)平臺(tái)高速、準(zhǔn)確的運(yùn)算性能，避免了任務(wù)的經(jīng)常性切換影響系統(tǒng)整體運(yùn)行效率，使數(shù)控系統(tǒng)工作性能得到顯著的提升。

1.2.2數(shù)控微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元

數(shù)控微代碼（NC Micro-Code，NCM）是數(shù)控微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元（NC Micro-Code Processor，NCMP）的基本單位，主要工作方向在于代碼的執(zhí)行、強(qiáng)實(shí)時(shí)信號(hào)輸入的本地處理以及電氣信號(hào)接口。誰然數(shù)控微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元在數(shù)控流水線中的計(jì)算極為簡(jiǎn)便，但是其調(diào)用頻率極高，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也非常強(qiáng)，對(duì)數(shù)控流水線技術(shù)應(yīng)用于開放式數(shù)控系統(tǒng)有著重要的影響。

1.2.3控制驅(qū)動(dòng)層

控制驅(qū)動(dòng)層中僅僅使用一組模塊即程序驅(qū)動(dòng)模塊，程序驅(qū)動(dòng)模塊屬于數(shù)控系統(tǒng)的核心，相應(yīng)的權(quán)限也非常高，可以直接訪問計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)硬件平臺(tái)。控制驅(qū)動(dòng)層的功能主要是降低系統(tǒng)間移植的工作負(fù)荷，僅僅提供數(shù)控微代碼緩沖區(qū)的定位等功能以及數(shù)控微代碼執(zhí)行單元與上位機(jī)的通信功能。

1.3基于數(shù)控流水線的開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于數(shù)控流水線的開放式數(shù)控系統(tǒng)屬于單操作系統(tǒng)單進(jìn)程的工作模式，包括了數(shù)控流水線線程以及管理線程。管理線程的作用是監(jiān)控并管理整個(gè)加工的過程，保證加工過程的質(zhì)量，同時(shí)還會(huì)配置流水線線程與驅(qū)動(dòng)程序模塊的數(shù)據(jù)達(dá)到控制的目的，然后會(huì)將流水線實(shí)時(shí)的信息反饋給計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，接著由操作人員通過輸入指令達(dá)到控制整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行的效果。當(dāng)數(shù)據(jù)主控流水線線程完成整個(gè)加工流程之后，會(huì)生成相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋給計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換為直觀的數(shù)據(jù)信息由操作人員處理。

2.基于數(shù)控流水線的單元技術(shù)

數(shù)控流水線技術(shù)下的開放式數(shù)控系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)就是跳出原有的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)，下面就著重探討數(shù)控流水線的單元技術(shù)——跨平臺(tái)開放特征的體現(xiàn)。

2.1數(shù)控規(guī)范指令接口與數(shù)控微代碼接口

2.1.1數(shù)控規(guī)范指令接口

數(shù)控規(guī)范指令接口主要工作對(duì)象為指令譯碼模塊，其功能在于提供標(biāo)準(zhǔn)的程序接口便于操作人員編程操作。數(shù)據(jù)規(guī)范指令接口具備較強(qiáng)的通用性以及簡(jiǎn)潔性，與規(guī)范加工函數(shù)相比，更為測(cè)重于描述數(shù)控流水線的加工動(dòng)作，刪減了不必要的計(jì)量單位、偏置等環(huán)節(jié)。

2.1.2數(shù)控微代碼接口

數(shù)控微代碼接口能夠加強(qiáng)對(duì)機(jī)床的實(shí)時(shí)控制，格式較為簡(jiǎn)單緊湊。數(shù)控微代碼可以得到基本執(zhí)行動(dòng)作的結(jié)果，卻沒有規(guī)范的實(shí)施策略，便于不同的用戶根據(jù)自身需求制定不同的執(zhí)行策略。

2.2操作系統(tǒng)支持多線程編程

一般來說，數(shù)據(jù)主控流水線線程需要盡量避免與操作系統(tǒng)有較多的關(guān)聯(lián)，才能便于數(shù)據(jù)主控流水線線程能夠在不同的操作系統(tǒng)間移植，對(duì)于數(shù)據(jù)主控流水線線程的推廣有著重要意義。針對(duì)這一問題，數(shù)據(jù)主控流水線線程一般都采用普通接口，擴(kuò)大了系統(tǒng)的開放程度，使系統(tǒng)能夠支持不同的嵌入式操作系統(tǒng)。就目前情況來看，UNIX、LUNUX已經(jīng)完全接受數(shù)據(jù)主控流水線線程，WINDOWS操作系統(tǒng)可以采用開源軟件OPEN SOURCE POSIX THREADS FOR WIN 32接受。

3.結(jié)束語

數(shù)控流水線技術(shù)包括了數(shù)據(jù)主控流水線線程、數(shù)控微代碼實(shí)時(shí)執(zhí)行單元以及驅(qū)動(dòng)程序，數(shù)控流水線技術(shù)實(shí)現(xiàn)了開放的微代碼借口與數(shù)控指令的規(guī)范化，使數(shù)控模塊能夠相互的替換，也能夠針對(duì)不同的需求重新構(gòu)建數(shù)控流水線，對(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用有著積極的促進(jìn)作用。 [科]

【參考文獻(xiàn)】

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