基于Windows2000下開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)

1、收稿日期:2004-10-26作者簡介:陳德妙(1980-,男,浙江蒼南人,濟(jì)南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生,研究領(lǐng)域:數(shù)控技術(shù),現(xiàn)場總線設(shè)計與開發(fā),組態(tài)軟件設(shè)計與開發(fā),計算機(jī)控制技術(shù),機(jī)電一體化技術(shù)等,(E -mail brounocdm 。文章編號:1001-2265(200504-0028-02基于Windows 2000下開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)陳德妙,張桂香(湖南大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,長沙410082摘要:基于PC 機(jī)和Windows 操作系統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)的大勢所趨。文章首先介紹了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程,并分析傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)不足和基于PC 的開放式數(shù)控技術(shù)的優(yōu)點的基礎(chǔ)上

2、,論述了基于Windows2000操作系統(tǒng)下,開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的研究和開發(fā)過程。重點闡述了在M icros oft Visual C +下系統(tǒng)人機(jī)交互界面的設(shè)計、工控PC 機(jī)控制運動控制卡的接口軟件模塊、PC 機(jī)與主軸控制變頻器的RS485串行口通訊軟件模塊的的編寫,同時給出了主要程序代碼。該數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)在調(diào)試之中,并且達(dá)到了預(yù)期的加工精度和效果。關(guān)鍵詞:開放式數(shù)控系統(tǒng);變頻器;串口通訊;運動控制卡中圖分類號:TP273+.5文獻(xiàn)標(biāo)識碼:ADevelopment of Open CNC System Softw are B ased on Window s 2000CHE N De 2m

3、iao ,ZH ANG G ui 2xiang(C ollege of Mechanical and Automative Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China Abstract :I t is the mainstream that numerical control system is open and constituted based on PC and WI NDOWS operation systems.This article summarily presents the function of numerica

4、l control technology ;the merit of Opened System Architecture for Numerical C ontrol ,On the basis of which it discusses the research and development of open C NC system s oftware based on Windows2000operation system.Espe 2cially ,it presents the design of the main inter face of the C NC system 、s o

5、ftware m odule to control m otion control card and communication s oftware m odule between PC and Frequency Changer ,which controls the m otor of main shaft.In additional ,it provides the s ource codes.We are debugging the C NC system now ,and we have g ot the expected machining precision.K ey w ord

6、s :open C NC system ;frequency changer (FC ;serial communication ;m otion control card0前言自從1952年世界上第一臺數(shù)控機(jī)床誕生以來,數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已日趨完善。隨著市場全球化的發(fā)展,市場競爭空前激烈,對制造商不但要求價格低,質(zhì)量好,而且要求交貨時間短,售后服務(wù)好,還需要個性化的產(chǎn)品。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng),具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,與通用計算機(jī)不兼容,難進(jìn)行升級等缺點,已經(jīng)越來越不適應(yīng)市場發(fā)展的這種需要了。于是美國在20世紀(jì)80年代末提出了開放式數(shù)控系統(tǒng),同時,有許多的相關(guān)研究計劃,其中影響

7、比較大的有美國的O 2M AC ,歐洲的OS AC A 和日本的OSEC 等計劃1。開放式數(shù)控系統(tǒng)一般可以有三種類型的結(jié)構(gòu):在專有系統(tǒng)中簡單地嵌入PC 技術(shù);運動控制器以PC 插件的形式插入到PC 機(jī)擴(kuò)展槽;完全采用以通用PC 為硬件平臺的全軟件型數(shù)控系統(tǒng)。由PC 機(jī)處理非實時部分,實時部分由插入PC 機(jī)擴(kuò)展槽的運動控制器來完成。由于運動控制卡所采用的數(shù)控技術(shù)已經(jīng)非常成熟和穩(wěn)定,而基于Windows 2000下的界面開發(fā)又是非常方便。因此這樣架構(gòu)出來的數(shù)控系統(tǒng)既具有友好的操作界面,又具有原有專用C NC 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。本數(shù)控系統(tǒng)就是采用的工控機(jī)+運動卡結(jié)構(gòu),在Windows 2000操

8、作系統(tǒng)下,使用功能強(qiáng)大的Visual C +開發(fā)。選用了研華工控機(jī),運動控制卡則采用的是基于數(shù)字信號處理器DSP 開發(fā)的固高G T -200S V 卡。1主界面的設(shè)計在Windows 2000的平臺下開發(fā)的程序具有友好精美的G UI (用戶界面外觀,而Visual C +編程工具又具有友好的可視化界面和強(qiáng)大的函數(shù)庫,采用此編程工具可以有效的縮短開發(fā)周期。本系統(tǒng)主要利用了單文檔-多視圖的結(jié)構(gòu)和多線程編程技術(shù)。如圖1所示。左上角視圖是代碼編輯區(qū),主要由一個C ListCtrl 列表控件組成的,列表控件用Windows 定義的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)LVITE M 來支持每條項目信息的顯示。它可以很方便的用來查

9、詢數(shù)據(jù),所以在這里是用來顯示G 代碼的。左下角是代碼操作區(qū),包括一系列對代碼段進(jìn)行操作的命令按鈕,如:添加、插入、刪除、修改代碼。右上角視圖屬于數(shù)據(jù)顯示區(qū),主要將系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)顯示在上面,比如:刀架的位置(X 、Y 、Z 坐標(biāo)、加工時間、運行時間,以及加工產(chǎn)品的一些信息。右下視圖是手工操作區(qū),通過該區(qū)的按鈕,可以手動控制機(jī)床。主要包括有:機(jī)床開/停按鈕,主軸正反轉(zhuǎn)按鈕,主軸點動按鈕,主軸速度調(diào)節(jié)旋鈕,以及冷卻液開/停按鈕。82設(shè)計與研究組合機(jī)床與自動化加工技術(shù) 圖1主界面圖2與主軸變頻器的通訊軟件的設(shè)計該數(shù)控車床的主軸采用變頻器控制轉(zhuǎn)速,還有通過連接主軸上的光電編碼盤與運動控制卡上的輔助編碼器

10、接口來確定主軸位置。主軸變頻器采用了S imens的MICROM ASTER420系列的變頻器,為了與主軸電機(jī)功率匹配,選用了0.75kW的變頻器。MI2 CROM ASTER420由微處理器控制,并采用具有現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)水平的絕緣柵雙極型晶體管(IG BT作為功率輸出器件,具有很高的運行可靠性和功能的多樣性,是專門用于控制三相交流電動機(jī)速度的變頻器系列2。變頻器與工控機(jī)的連接采用的是RS485通訊,采用2線雙絞傳輸方式,即數(shù)據(jù)D+和數(shù)據(jù)D-,這種數(shù)據(jù)差動傳輸方式可以有效地消除干擾的影響。對于串口通訊,在VC+環(huán)境下可以直接利用Active控件來實現(xiàn),這樣就比較方便、可靠,但是在使用前安裝控件并

11、在注冊表中注冊后才能使用。該控件就是M icros oft C ommunications C ontrol(MSC omm,它的幾個主要屬性設(shè)置如表1所示。表1Microsoft Communications Control屬性設(shè)置表屬性設(shè)定值說明C ommP ort1選擇端口號InputM ode1接收數(shù)據(jù)類型為二進(jìn)制類型Rthreshold1沒接收一個字符就產(chǎn)生一個事件Settings9600,n,8,1參數(shù)依次為波特率,奇偶校驗,數(shù)據(jù)位數(shù),停止位數(shù)通訊報文的如表2所示,其中,STX區(qū)是一個字節(jié)的ASCI2 ISTX(02hex,表示一條信息的開始;LGE指明這一信息中后跟的的字節(jié)數(shù)目。

12、ADR是變頻器的地址;BCC是一個字節(jié)的校驗和,用于檢查信息是否有效;中間部分便是有效的數(shù)據(jù)字符,分為兩個區(qū)域,即PK W區(qū)(參數(shù)識別I D-數(shù)值區(qū)和PZ D區(qū)(過程數(shù)據(jù)。表2通訊報文結(jié)構(gòu)STX LGE ADR12n BCC 在程序設(shè)計上,主框架類CmainFrm里的OnCreate(LPCRE2 ATESTRUCT lpCreateS truct函數(shù)中進(jìn)行初始化工控機(jī)串口,大致代碼如下:if(m ctrlC omm.G etP ortOpen(m ctrlC omm.SetP ortOpen(FA LSE;m ctrlC omm.SetC ommP ort(1;/選擇com1if(!m ct

13、rlC omm.G etP ortOpen(m ctrlC omm.SetP ortOpen(TRUE;/打開串口elseA fxMessageBox(”cannot open serial port”;m ctrlC omm.SetSettings(”9600,n,8,1”;/波特率9600,無校驗,8個數(shù)據(jù)位,/1個停止位m ctrlC omm.SetRThreshold(1;/參數(shù)1表示每當(dāng)串口接收緩沖區(qū)中有多于或/等于1個字符時將引發(fā)一個接收數(shù)據(jù)的OnC omm事件m ctrlC omm.SetInputLen(0;/設(shè)置當(dāng)前接收區(qū)數(shù)據(jù)長度為0m ctrlC omm.G etInput

14、(;/先預(yù)讀緩沖區(qū)以清除殘留數(shù)據(jù)MSC omm控件會產(chǎn)生OnC omm事件,所以在OnC omm(函數(shù)里對通訊報文進(jìn)行處理。3與運動控制卡的通訊模塊的設(shè)計G T-200S V卡的核心是由ADSP2181數(shù)字信號處理器和FP2 G A組成,可以實現(xiàn)高性能的控制計算,并能實現(xiàn)多軸協(xié)調(diào)運動3。在控制軟件中,與該卡相關(guān)的類是CcardDeal類。該類主要包括軸的初始化函數(shù)AxisInitial(、電機(jī)軸報警函數(shù)Error(short rtn、卡的初始化函數(shù)G TInitial(和軸坐標(biāo)映射函數(shù)MapAxis(?？傊?CcardDeal類具有了軸、卡的最基本的操作,為下面的刀架的大小溜板軸的控制打下了基

15、礎(chǔ)。有了這些函數(shù)之后,就可以在主框架類CmainFrm里的On2 Create(LPCRE ATESTRUCT lpCreateS truct函數(shù)中進(jìn)行初始化卡和軸,部分主要代碼如下:int C MainFrame:OnCreate(LPCRE ATESTRUCT lpCreateS tructCCardDeal Card;/定義一個卡的對象Card.G TInitial(;/卡的初始化Card.InputC fg(;/專用輸入信號參數(shù)設(shè)置Card.AxisInitial(;/軸初始化double cnt15=2000,0,0,0,0;/坐標(biāo)映射數(shù)組double cnt25=0,2000,0,

16、0,0;/坐標(biāo)映射數(shù)組Card.MapAxis(;/映射各個坐標(biāo)軸return0;4結(jié)束語該數(shù)控系統(tǒng)已調(diào)試運行了,由于時間倉促,有些軟件功能未能開發(fā)出來。但是這本身就是個開放式數(shù)控系統(tǒng),所以以后在應(yīng)用過程中,需要什么功能,便可以在原有軟件系統(tǒng)上進(jìn)一步進(jìn)行開發(fā)。比如,一些零件的車削循環(huán)指令,一些特殊的自定義輔助功能等都可以添加。開放式數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,它給數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商、機(jī)床制造商以及用戶都帶來了許多好處。而基于PC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的靈活性,可以充分利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源和強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢,有利于更加完(下轉(zhuǎn)第32頁922005年第4期設(shè)計與研究研技術(shù)單位,建立平臺的

17、主服務(wù)體系,即導(dǎo)航臺與專業(yè)平臺,同時發(fā)展會員企業(yè),通過企業(yè)e 窗口與平臺聯(lián)系,提供信息,聲明需求,具體模式可以參見圖3。3.2系統(tǒng)的管理模式本平臺的特點就是項目的并發(fā)性與多層次性。項目管理就是本平臺管理的關(guān)鍵技術(shù)之一。平臺系統(tǒng)的項目管理方法首先要建立工作流模型,其功能樹模型如圖5所示。工作流模型5建立完成后就可以進(jìn)行實例化、發(fā)布和執(zhí)行, 工作流執(zhí)行模塊提圖5網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同柔性工作流管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)供了對工作流執(zhí)行期的全程管理支持,工作流的實例開始執(zhí)行以后,各執(zhí)行人登錄系統(tǒng)后可以通過任務(wù)表管理器查看、執(zhí)行并提交分配給自己的任務(wù),在執(zhí)行任務(wù)時可以通過資源調(diào)用接口調(diào)用需要用到的軟硬件資源;而工作流的管理員可

18、以通過模型監(jiān)控功能對整個工作流的執(zhí)行過程進(jìn)行監(jiān)控并做出必要的調(diào)整。沖突協(xié)調(diào)負(fù)責(zé)對執(zhí)行過程中出現(xiàn)的資源沖突、調(diào)用沖突等進(jìn)行協(xié)調(diào),保證各個環(huán)節(jié)的順利執(zhí)行。應(yīng)用系統(tǒng)為工作流管理系統(tǒng)順利運行提供了強(qiáng)有力的支撐,協(xié)同工具如電子白板、郵件系統(tǒng)、在線聊天工具等為各企業(yè)之間的交流和協(xié)同提供了良好的基礎(chǔ);使用應(yīng)用接口和資源管理,可以調(diào)用平臺的相關(guān)應(yīng)用、資源等來完成任務(wù)。用戶管理與網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計制造平臺用戶管理不同,它可以將用戶的權(quán)限與具體的工作流相捆綁,即在每一個工作流節(jié)點中都可以對相關(guān)用戶的權(quán)限進(jìn)行設(shè)定,從而保證了協(xié)同設(shè)計制造過程中各企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)的安全。4面向機(jī)電產(chǎn)品的專業(yè)平臺構(gòu)建圖6機(jī)電專業(yè)平臺應(yīng)用模式面

19、向機(jī)電產(chǎn)品的專業(yè)協(xié)同設(shè)計與制造平臺為例,來闡述專業(yè)平臺的開發(fā)和構(gòu)建。該平臺是面向機(jī)電產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計與制造平臺,集成了相關(guān)的方案級、控制級、實現(xiàn)級大型軟件資源、數(shù)據(jù)接口,采用客戶端/服務(wù)器端(C/S 模式,如圖6所示,分為三個層次,服務(wù)器端、網(wǎng)絡(luò)通信和客戶端。服務(wù)器端在網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提供了服務(wù)器端的協(xié)同版的大型應(yīng)用軟件,包括面向機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計的一系列軟件,有機(jī)械C AD/C AE/C AM 軟件(I -DE AS/UG /S olidEdge/ANSY S 等,電子輔助設(shè)計軟件(Cadence ,InnovE DA 等,測控系統(tǒng)仿真(M AT 2LAB/MatriX x 等,這些軟件采用局域

20、網(wǎng)內(nèi)浮動授權(quán)機(jī)制來使用戶能夠合法的使用這些軟件資源。同時提供協(xié)同支撐工具來支持網(wǎng)絡(luò)化的協(xié)同設(shè)計與制造,該平臺中采用的是M icros oft 的Ex 2change 2000Server ,它所具有的電子白板、聊天、視頻會議、文件傳輸?shù)葘崟r交互功能能夠滿足同步協(xié)同的需要。網(wǎng)絡(luò)通信為網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計制造提供了環(huán)境,廣域網(wǎng)和企業(yè)局域網(wǎng)是硬件基礎(chǔ),而網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和局域網(wǎng)管理系統(tǒng)則是軟件基礎(chǔ),在機(jī)電專業(yè)平臺的實際應(yīng)用中,網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境以IS 2DN 為基礎(chǔ),在廣域網(wǎng)(W AN /IS DN 和企業(yè)局域網(wǎng)(LAN 之上建立虛擬局域網(wǎng)(V LAN 6,實現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端的網(wǎng)絡(luò)通信。機(jī)電產(chǎn)品的專業(yè)平臺的用戶作

21、為用戶層成員,通過撥號的方式加入到虛擬局域網(wǎng)中,并登錄到局域網(wǎng)管理系統(tǒng)中,然后可以申請獲得協(xié)同應(yīng)用軟件的浮動授權(quán),調(diào)用這些軟件并通過協(xié)同支撐工具與其它用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計和制造。5結(jié)束語本文對多行業(yè)典型區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計制造平臺進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,詳細(xì)介紹了平臺的結(jié)構(gòu)、功能和關(guān)鍵技術(shù),探討了平臺的實現(xiàn)模式和以工作流管理系統(tǒng)為核心的管理模式。在平臺架構(gòu)方面,以通用層擴(kuò)展對客戶的宣傳與影響作用,以企業(yè)e 窗口模塊,加強(qiáng)企業(yè)需求的搜集與交互。同時,作為整個系統(tǒng)的實現(xiàn),探討了面向機(jī)電行業(yè)的專業(yè)平臺的構(gòu)建技術(shù)和應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1顧新建,祁國寧,韓永勝.中國制造業(yè)網(wǎng)絡(luò)化的集中發(fā)展途徑及比較A.網(wǎng)絡(luò)化制造與大規(guī)模定制學(xué)術(shù)會議論文集.浙江:杭