CN110543095A - 一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统的设计方法，包括以下活动对象：(1)主界面活动对象通过和量子框架之间的出版‑订阅；(2)控制器驱动活动对象接受量子框架从事件池中传送过来的事件实例；(3)G代码生成活动对象通过量子框架订阅加工信息。运行过程中各个活动对象之间通过量子框架(QP)进行事件和信息的交换，系统中的各个模块之间是松耦合关系。在针对特定的应用功能时，只需要考虑原来的活动对象是否满足新功能，如果满足不了，增加新的活动对象，修改状态图和事件处理方式即可，无需对整个系统重新编写。提高了控制系统的可靠性和可重构性，实现了应用软件层面真正意义上的系统开放。

Description

一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统的设计方法

技术领域

本发明涉及齿轮倒角加工领域，具体指一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统的设计方法。

背景技术

我国是机床生产和动力应用的大国，但数控技术的应用水平不高，这严重制约着中国制造业的水平。传统的数控系统，如FANUC和SIEMENS等系统大多是私有的硬件和软件，兼容性不强。随着技术的进步和市场竞争的加快，该系统已不能满足制造业的发展，因此，开放式数控系统的研究已成为一种趋势。

近年来，数控系统的开放性已成为学者研究的热点。数控系统的开放，目的是实现模块化，可重构，可扩展，可移植的特点，以此来提高数控系统的灵活性，更加方便客户根据具体需求，进行二次开发。可以快速响应新的加工要求。对开放式数控系统的研究，在某种程度上解决了当前市场需求变化与传统封闭式数控系统之间的矛盾，为提高我国数控技术发展水平，提供了很好的机会。

现有的数控系统的开放大多都是基于硬件层面的，通过利用运动运动卡和PC搭建一种开放式的数控系统，但在实际倒角加工过程中，加工精度和操作的实时性未能达到预期的目标，且在开发特定功能软件控制系统时存在开发难度大，周期长的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，提出了一种基于量子框架(QP)的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，在软件应用层面上，实现数控系统真正意义上的开放。

本发明所采用的技术方案为：

一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，包括：包括以下步骤：

步骤(1)主界面活动对象通过和量子框架之间的出版-订阅，实现显示加工程序、控制器显示和齿轮工艺参数的显示；

步骤(2)控制器驱动活动对象接受量子框架从事件池中传送过来的事件实例：加工信息和驱动指令，实现驱动机床和其他设置；

步骤(3)G代码生成活动对象通过量子框架订阅加工信息，当有以事件实例的形式输入的加工信息时，接受来自于量子框架的事件实例，从而生成G代码文件；

步骤(4)G代码解释活动对象获取G代码文件事件实例，提取G代码中的运动信息、R参数和自定义参数的配置、对运算循环部分进行处理、G代码程序的预读和错误分析；

步骤(5)参数设定活动对象主要实现对齿轮工件选择设置、机床设置、刀具设置和工艺设置，将设置好的各种参数以事件实例的方式出版给量子框架，量子框架将该事件实例传送给订阅的活动对象；

步骤(6)绘图测试活动对象接受G代码解释活动对象或参数设定活动对象出版的、从量子框架传送过来的事件实例进行绘图测试，以检验生成加工代码信息的准确性；

步骤(7)数据库管理活动对象接受外界传入的机床、工件和刀具信息，建立相应的数据库，供以后的加工活动调用。并不是直接和外界通信，同样是接受来自于量子框架的事件实例。

所述设计方法从硬件结构上将嵌入式平台和倒角机的控制系统设计相结合，同时在倒角机控制系统软件设计中引入量子框架的编程思想。

所述量子框架采用RTC形式处理事件，排除了内部的并发问题，大大降低了系统运行过程出现的竞争、死锁和不确定等问题。

所述硬件平台中运动控制卡和工控机之间采用PCI总线进行通信，传输效率高，即插即用，数据吞吐量大。

所述量子框架中特有的QM建模工具使得规划对象状态图更加的便捷和清晰；同时还提供完整的基础代码，具有自动代码生成的综合功能，避免了程序设计过程中大量文档的编写和重复。

在所述控制系统的最后加入全闭环控制算方法使得控制系统的运动更加的平稳和准确。

还包括以下步骤：

设计控制系统时，结合嵌入式平台中运动控制卡本身自带的速度和加速度前馈增益以及前馈低通滤波器的特点，提出三环控制算法，使得整个控制系统更精准的控制加工运动；

三环控制算法：

PID算法在运动控制卡中的应用：

模拟式PID的控制算法为：其中u(t)，e(t)是控制器的的控制量输出和系统的跟随误差，Kp，Ti，Td分别是比例积分系数、积分时间、和微分时间；

它的传递函数是：

离散后的PID控制规律；

为了实现计算机控制，必须将连续的微分形式转成离散形式的差分方程：

将上述两式带入式得：

式中：T为采样周期，u(k)为第k次采样时的控制量输出，e(k)为第k次采样时的跟随误差，e(k-1)为k-1次采样时的跟随误差，Ki为积分系数，且Kd为微分系数；

由于计算机适合计算增量式的的形式，推导可得下列的增量的形式：

u(k)＝u(k-1)+△u(k)

整理可得最终增量式PID控制数学模型一般表达式：

△u(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)。

一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法,在硬件方面将嵌入式平台(以运动卡和工控机为基础)和倒角机的控制系统设计相结合，同时在倒角机控制系统软件设计中引入量子框架的编程思想，整个系统包括主界面活动对象、控制器驱动模块、G代码生成活动对象、G代码解释活动对象、参数设定互动对象、绘图测试活动对象、数据库活动对象。

嵌入式平台主要是以固高运动控制卡和工控机、交流伺服电机和驱动器、以及各类反馈传感器组成。运动控制卡(MMC)通过PCI插槽内嵌入工控机中，通过PCI总线进行二者间的通信。上位机主要进行系统管理等弱实时任务得调度，下位机采用运动控制卡调度以运动控制为主的强实时性控制任务。

所述的主界面活动对象：主要负责显示加工程序、控制器显示、齿轮工艺参数的显示。该活动对象的状态机分为空闲和工作两个子状态。首先状态机进入空闲状态，在空闲状态下，主界面活动对象向量子框架(QP)订阅是否有加工程序的生成、控制器状态的改变、以及齿轮工艺参数的改变等事件的产生。当有事件发生时，状态机从空闲状态转换到工作状态，接受由量子框架(QP)传来的事件实例，从而将相关信息显示出来。

所述的控制器驱动活动对象：该对象同样具有两个子状态。G代码解释活动和齿轮工艺参数设定活动对象以事件实例的形式将加工信息出版给量子框架(QP)，量子框架负责存贮和分发事件。将量子框架(QP)将相关事件传送给控制器驱动活动对象，起到事件驱动和信息交换的作用。从而生成加工驱动指令驱动控制器运动、机床限位和报警等设置、手轮模式和手动模式操作。

所述的G代码生成活动对象：齿轮工艺参数活动对象将输入的加工信息出版给量子框架，由量子框架(QP)传送给G代码活动对象，G代码活动接受相关事件实例后，生成G代码文件。

所述的G代码解释活动对象：主要负责提取G代码中的运动信息、R参数和自定义参数的配置、对运算循环部分进行处理、G代码程序的预读和错误分析。G代码解释活动对象接受从量子框架(QP)传来的事件实例(G代码生成活动产生的信息)，直接进入译码子状态，完成后以事件实例出版给量子框架(QP)，由量子框架(QP)把该实例传送给控制器驱动活动对象和主界面活动对象。

所述的参数设定互动对象：该活动对象主要负责对齿轮工件选择设置、机床设置、刀具设置、工艺设置。将设置好的各种参数以事件实例的方式出版给G代码生成活动对象和控制器驱动活动对象。

所述的绘图测试活动对象：该活动对象同样具有两个子状态。在空闲状态时会一直检测在采样插补区间内是否位置坐标信息等相关事件，接受G代码解释出版的、从量子框架传送过来的事件实例进行绘图测试检验生成加工信息的准确性。

除了上述的活动对象以外，量子框架上还连接相关的硬件中断程序ISR。控制系统设计过程中，活动对象之间不直接共享资源，它们唯一的通信手段是通过量子框架的订阅和发布不同的事件实例的交换。

本发明具有的优点和积极效果是：

针对于数控倒角机控制系统内部行为状态的转换，发明了一种利用层次状态机的思想、量子框架技术实现数控倒角机控制系统软件的设计方法。其中采用层次状态机对倒角机系统内部进行规划建模，并利用量子框架技术对状态机的内部进行实现，从而完成对模型的逻辑控制。将各个功能模块划分为不同的活动对象，再定义各个活动对象之间的通信事件，从而通过利用量子框架订阅和发布不同的事件实例进行交换，实现通信。针对不同功能需求，只需增加或删除相应的活动对象即可。再结合全闭环控制算法，使得控制系统的运动更加平稳，加工准确。这种基于量子框架的设计方法有效地降低了倒角机控制系统软件的设计难度，提高了系统的可靠性和可重构性，实现了真正意义上的系统开放。

运行过程中各个活动对象之间通过量子框架(QP)进行事件和信息的交换，系统中的各个模块之间是松耦合关系。在针对特定的应用功能时，只需要考虑原来的活动对象是否满足新功能，如果满足不了，增加新的活动对象，修改状态图和事件处理方式即可，无需对整个系统重新编写。提高了控制系统的可靠性和可重构性，实现了应用软件层面真正意义上的系统开放。

附图说明

图1为本发明的嵌入式平台硬件结构示意图。

图2为本发明的活动对象构建实例示意图。

图3为本发明的量子框架的组织结构示意图。

图4为本发明的出版-订阅模型运行机制示意图。

图5为本发明的G代码生成活动对象状态示意图。

图6为本发明的三环控制算法的一般模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图1至图6所示，如图1所示是设计的倒角机得硬件平台结构。工控机选用研华系列，主要负责设定各轴的运动参数、存储数据和人机界面交互功能；运动卡选用固高公司的GTS-PCI-VB系列控制卡，核心部分主要由数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)组成，可以实现同时控制8个运动主轴，实现各种复杂的多轴运动。运动控制卡(MMC)通过PCI插槽内嵌入工控机中，通过PCI总线进行二者间的通信。PCI总线具有很多优势特点：如传输效率高，即插即用，数据吞吐量大等。上位机完成一些非实时性的任务，下位机运动控制器主要负责运动控制等强实时性工作。

如图2所示是部分活动对象构建实例。在主界面活动对象中，可以向量子框架订阅和发布各种事件，如加工程序的显示、控制器状态的显示、齿轮参数设定显示等；对于G代码生成活动对象中，它也可以通过量子框架订阅和发布事件，如G代码文件的生成、加工信息的接受等；各活动对象(主界面、G代码生成、控制器驱动、参数设定等)向量子框架订阅它们需要的信号，并且向量子框架出版事件；量子框架向活动对象发布各类事件，将事件加入活动对象的事件队列中，根据事件优先级的高低，实施事件的发布。硬件中断程序的优先级高于其他的活动对象。

如图3所示是量子框架的组织结构。量子框架是一个可移植和可重构的基础软件框架，特别适合嵌入式实时系统领域。量子框架的可以看作是一种软件总线，在这个软件总线上连接着多个活动对象和硬件中断服务程序，QP负责各类事件的存贮、分发，起到信息交换中心的作用。它是分层设计的，同时提供类似事件队列和事件池的基本服务。在这些服务的基础上，量子框架还提供QActive基类派生具体的活动对象(主界面AO、G代码生成AO、G代码解释AO、控制器驱动AO、参数设定AO、绘图测试AO等)，提供QEvent来派生具体的事件(加工信息、加工代码、控制器状态等)。QP通过从QTimer实例化而来的定时器管理时间。各类活动对象通过事件实例的交换来进行通信。应用程序通过QP的API使用QP的通信和定时器服务，不需要直接访问实时操作系统应用程序的接口。

图4是出版-订阅模型运行机制。量子框架是一个事件驱动框架。应用程序可以创建具体的事件实例，放到事件池中，并分发事件到相应注册了这个事件的活动对象中。运行过程中，把硬件中断程序也当成活动对象来看，只是优先级更高。活动对象之间通过异步事件交换进行通信。量子框架使用出版-订阅交互模型来进行活动对象之间事件和信息的交互和传递。例如：G代码生成活动对象向量子框架订阅含有加工信息的事件实例，并将该事件实例存贮到事件池中；当参数设定活动对象向量子框架出版含有加工信息的事件实例时，量子框架直接向G代码生成活动对象发布该事件实例，起到信息交互的目的。从而完成整个交流过程。

图5是G代码生成活动对象状态。在G代码生成状态空闲时，状态机接收到Coder_EVT事件后，进行G代码生成活动。系统根据相关的系统信息和齿轮参数工艺信息生成G代码文件，然后发布给量子框架，存贮在量子框架的事件池中，并分发给向量子框架注册的活动对象。完成信息的交换。

设计控制系统时，结合嵌入式平台中运动控制卡本身自带的速度和加速度前馈增益以及前馈低通滤波器的特点，提出三环控制算法，使得整个控制系统更精准的控制加工运动；

三环控制算法：

PID算法在运动控制卡中的应用：

模拟式PID的控制算法为：

其中u(t)，e(t)是控制器的的控制量输出和系统的跟随误差，Kp，Ti，Td分别是比例积分系数、积分时间、和微分时间；

它的传递函数是：

离散后的PID控制规律；

为了实现计算机控制，必须将连续的微分形式转成离散形式的差分方程：

将上述两式带入式得：

式中：T为采样周期，u(k)为第k次采样时的控制量输出，e(k)为第k次采样时的跟随误差，e(k-1)为k-1次采样时的跟随误差，Ki为积分系数，且Kd为微分系数；

由于计算机适合计算增量式的的形式，推导可得下列的增量的形式：

u(k)＝u(k-1)+△u(k)

整理可得最终增量式PID控制数学模型一般表达式：

△u(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)。

以上所述的仅是本发明的具体实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，包括：包括以下步骤：

步骤(1)主界面活动对象通过和量子框架之间的出版-订阅，实现显示加工程序、控制器显示和齿轮工艺参数的显示；

步骤(2)控制器驱动活动对象接受量子框架从事件池中传送过来的事件实例：加工信息和驱动指令，实现驱动机床和其他设置；

步骤(3)G代码生成活动对象通过量子框架订阅加工信息，当有以事件实例的形式输入的加工信息时，接受来自于量子框架的事件实例，从而生成G代码文件；

步骤(4)G代码解释活动对象获取G代码文件事件实例，提取G代码中的运动信息、R参数和自定义参数的配置、对运算循环部分进行处理、G代码程序的预读和错误分析；

步骤(5)参数设定活动对象主要实现对齿轮工件选择设置、机床设置、刀具设置和工艺设置，将设置好的各种参数以事件实例的方式出版给量子框架，量子框架将该事件实例传送给订阅的活动对象；

步骤(6)绘图测试活动对象接受G代码解释活动对象或参数设定活动对象出版的、从量子框架传送过来的事件实例进行绘图测试，以检验生成加工代码信息的准确性；

步骤(7)数据库管理活动对象接受外界传入的机床、工件和刀具信息，建立相应的数据库，供以后的加工活动调用。并不是直接和外界通信，同样是接受来自于量子框架的事件实例。

2.根据权利要求1所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的，其特征在于所述设计方法从硬件结构上将嵌入式平台和倒角机的控制系统设计相结合，同时在倒角机控制系统软件设计中引入量子框架的编程思想。

3.根据权利要求1所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，所述量子框架采用RTC形式处理事件，排除了内部的并发问题，大大降低了系统运行过程出现的竞争、死锁和不确定等问题。

4.根据权利要求1所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，所述硬件平台中运动控制卡和工控机之间采用PCI总线进行通信，传输效率高，即插即用，数据吞吐量大。

5.根据权利要求1所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，所述量子框架中特有的QM建模工具使得规划对象状态图更加的便捷和清晰；同时还提供完整的基础代码，具有自动代码生成的综合功能，避免了程序设计过程中大量文档的编写和重复。

6.根据权利要求2所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，在所述控制系统的最后加入全闭环控制算方法使得控制系统的运动更加的平稳和准确。

7.根据权利要求1所述的基于量子框架的数控齿轮倒角机控制系统开放的设计方法，其特征在于，还包括以下步骤：

设计控制系统时，结合嵌入式平台中运动控制卡本身自带的速度和加速度前馈增益以及前馈低通滤波器的特点，提出三环控制算法，使得整个控制系统更精准的控制加工运动；

三环控制算法：

PID算法在运动控制卡中的应用：

模拟式PID的控制算法为：

其中u(t)，e(t)是控制器的的控制量输出和系统的跟随误差，Kp，Ti，Td分别是比例积分系数、积分时间、和微分时间；

它的传递函数是：

离散后的PID控制规律；

为了实现计算机控制，必须将连续的微分形式转成离散形式的差分方程：

将上述两式带入式得：

式中：T为采样周期，u(k)为第k次采样时的控制量输出，e(k)为第k次采样时的跟随误差，e(k-1)为k-1次采样时的跟随误差，Ki为积分系数，且Kd为微分系数；

由于计算机适合计算增量式的的形式，推导可得下列的增量的形式：

u(k)＝u(k-1)+△u(k)

整理可得最终增量式PID控制数学模型一般表达式：

△u(k)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)。