基于Windows的車床微機數(shù)控系統(tǒng)研究(一)

1、基于Windows的車床微機數(shù)控系統(tǒng)研究(一)    摘要：本文論述了基于Windows的車床微機數(shù)控系統(tǒng)，重點在于微機數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)、人機界面、加工軌跡仿真、數(shù)控程序語法檢驗以及數(shù)控程序譯碼等模塊的研究，這都是構(gòu)建微機數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。關(guān)鍵詞：微機數(shù)控系統(tǒng)，開放式1前言數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)，對加工設(shè)備實現(xiàn)高速、高效、高精度和高可靠性起著舉足輕重的作用。到21 世紀(jì)初，數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)以新的技術(shù)思路、新的體系結(jié)構(gòu)迅速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)由專用型封閉式向通用型開放式發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的性能、功能向智能化、高速、高精、高效發(fā)展。數(shù)控系

2、統(tǒng)采用開放體系結(jié)構(gòu)，使得數(shù)控系統(tǒng)有了新的生命力。開放式數(shù)控系統(tǒng)打破了傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)所存在的缺乏共同性和標(biāo)準(zhǔn)接口，不同品牌的系統(tǒng)互不兼容的封閉式體系結(jié)構(gòu)。一個開放式系統(tǒng)能使得各種應(yīng)用系統(tǒng)可以有效地運行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺之上，可以與其它應(yīng)用系統(tǒng)相互操作，并具有風(fēng)格一致的用戶交互界面。PC作為世界范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化通用性產(chǎn)品，具有良好的可靠性和兼容性，隨著PC機的抗干擾性、可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，進一步縮小甚至超過專用控制機的性能，因此，利用現(xiàn)有PC機的軟硬件規(guī)范設(shè)計開放式數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為一種發(fā)展方向。基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有如下重要的技術(shù)特征：1)采用PC作為控制系統(tǒng)的核心，可以節(jié)省開發(fā)專用

3、硬件的費用，大大降低系統(tǒng)的成本；市場上大量PC軟件開發(fā)工具使系統(tǒng)開發(fā)工作量大大減少。2) PC總線是開放性總線，PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具有開放性、模塊化、可兼容的特點。機床廠和用戶可以根據(jù)需要選擇合適的軟硬件模塊，以最低的成本組成性能最佳系統(tǒng)，也可方便地進行二次開發(fā)，擴展系統(tǒng)功能,實現(xiàn)功能的個性化。3)軟件資源豐富，易于實現(xiàn)系統(tǒng)智能化。4)在通用PC的結(jié)構(gòu)上很容易實現(xiàn)與計算機系統(tǒng)或數(shù)控系統(tǒng)通訊。因此基于PC機構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)能夠較好的滿足開放式數(shù)控系統(tǒng)的功能要求，使數(shù)控系統(tǒng)具有良好的可靠性、兼容性和開放性。Windows是PC機上的主流操作系統(tǒng)，大多數(shù)的終端用戶都熟悉Windows的操作，在Wi

4、ndows上可以運行種類豐富的應(yīng)用軟件，Windows帶有網(wǎng)絡(luò)功能并支持硬件設(shè)備的即插即用。Windows有大量高效易用的集成開發(fā)環(huán)境，Win32 API已是軟件開發(fā)的事實上標(biāo)準(zhǔn)，通過Win32 API可以方便的調(diào)用操作系統(tǒng)的各種功能，提高軟件開發(fā)的效率。2數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計思路系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式結(jié)構(gòu)，以運動控制卡作為核心控制器，以PC作為主機，形成了主從型開放式數(shù)控系統(tǒng)。由于Windows操作系統(tǒng)不具備實時性，在Windows系統(tǒng)上不能運行有強實時性要求的軟件，因此把對實時性要求很高的任務(wù)，如軌跡差補、位置控制、速度控制等，交給運動控制卡內(nèi)部的CPU來處理，而狀態(tài)顯示、程序編輯、

5、參數(shù)設(shè)置等非實時性任務(wù)則可以運行在由PC機和Windows操作系統(tǒng)構(gòu)成的平臺之上。系統(tǒng)軟件選用Visual C+ 6.0作為開發(fā)工具，Visual C+ 是一個基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開發(fā)工具，它支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計方法，可以使用功能強大的微軟基礎(chǔ)類庫MFC，用Visual C+開發(fā)出來的軟件穩(wěn)定性好、可移植性強，而且軟件與硬件相互獨立，因此Visual C+成為控制系統(tǒng)程序的首選開發(fā)工具。軟件開發(fā)采用“自頂向下”的模式，首先由人機界面開始搭建整個數(shù)控系統(tǒng)軟件的框架，然后按照數(shù)控系統(tǒng)軟件原理圖的結(jié)構(gòu)，對各功能模塊逐個進行開發(fā)。在開發(fā)NC和PLC模塊時要充分利用運動控制卡提供的功能

6、函數(shù)庫，通過調(diào)用庫中的函數(shù)完成軌跡差補和I/O控制等功能。3數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計依據(jù)微機數(shù)控系統(tǒng)的硬件原理圖，如圖1所示，系統(tǒng)硬件的主體由PC機和運動控制卡組成，兩者之間通過PCI或ISA總線進行連接。機床X/Z軸的伺服驅(qū)動單元以及刀架、行程開關(guān)等設(shè)備需要通過I/O接口板與運動控制卡的I/O口進行連接。因此系統(tǒng)硬件設(shè)計的主要任務(wù)是選購PC機、運動控制卡和伺服驅(qū)動單元等設(shè)備，研究運動控制卡和伺服驅(qū)動單元等設(shè)備的I/O接口信號規(guī)范，在此基礎(chǔ)上設(shè)計I/O接口板，使設(shè)備之間的連接整齊有序。機床電器I/O信號 極限和回零行程開關(guān) X/Z軸伺服驅(qū)動單元 刀架、脈沖編碼器 X軸電機 Z軸電機 PC機 PCI/I

7、SA總線 運動控制卡 I/0接口板 I/0接口板 圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件原理圖 4數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 整個微機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)是設(shè)計系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件的工作原理如圖2所示，整個數(shù)控系統(tǒng)運行在具有開放性的Windows操作系統(tǒng)平臺上，數(shù)控系統(tǒng)軟件通過Windows API來共享Windows系統(tǒng)的資源，通過運動控制卡API來使用運動控制卡提供的控制功能。數(shù)控系統(tǒng)軟件劃分為人機界面、NC、PLC、參數(shù)設(shè)置和專家系統(tǒng)五大模塊，每個模塊又進一步劃分成若干個小模塊，這就使整個系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)層次清晰。操作面板 狀態(tài)顯示 程序編輯 程序譯碼 語法檢查 軌跡修正 緩沖區(qū) 刀架控制 行程控制 機床I/O控制 參數(shù)

8、設(shè)置 參數(shù)管理 知識庫 推理機 工藝譯碼 運 動控制卡內(nèi)部程序 軌跡差補 位置控制 人機界面 NC PLC 參數(shù) 專家系統(tǒng) 速度控制 數(shù) 控 系 統(tǒng) 軟 件 Windows API 運動控制卡 API I/0控制 Windows98/2000系統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 硬 件 平 臺 圖2 數(shù)控系統(tǒng)軟件原理圖 因為運動控制卡的內(nèi)部程序能夠執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的強實時性任務(wù)，如位置控制、軌跡插補、速度處理、I/O控制等，所以，數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)的重點在于如何使用Windows系統(tǒng)和運動控制卡提供的各種接口函數(shù)來實現(xiàn)系統(tǒng)軟件中人機界面、程序譯碼、參數(shù)設(shè)置等非高實時性任務(wù)模塊的功能。41 數(shù)控系統(tǒng)人機界面通過參考國

9、內(nèi)外主流數(shù)控系統(tǒng)以及數(shù)控仿真軟件的界面，結(jié)合微機數(shù)控系統(tǒng)的特點，設(shè)計出了簡潔美觀、操作方便的人機界面，如圖3所示。整個軟件界面劃分成顯示編輯窗口、控制面板和狀態(tài)面板三大部分，顯示編輯窗口又可以在坐標(biāo)顯示、程序編輯和圖形模擬三種顯示模式之間進行切換，而且各個窗口還可以由用戶選擇打開或者關(guān)閉，這樣的界面設(shè)計可以在有限的屏幕空間內(nèi)顯示出運動坐標(biāo)、機床工作狀態(tài)以及數(shù)控加工程序等許多數(shù)據(jù)，方便用戶進行操作?？刂泼姘鍖⒐I(yè)數(shù)控系統(tǒng)控制面板上的按鍵、旋鈕等元件用圖標(biāo)進行模擬，只要點擊鼠標(biāo)就能完成各種操作。例如在進行進給倍率調(diào)整時，在進給倍率旋鈕上單擊鼠標(biāo)左鍵，使旋鈕逆時針旋轉(zhuǎn)減小進給倍率，反之單擊右鍵使旋鈕

10、順時針旋轉(zhuǎn)，增大進給倍率。這樣就充分利用微機系統(tǒng)中鼠標(biāo)、鍵盤等I/O設(shè)備，從而省略了控制面板硬件的設(shè)計。在狀態(tài)面板中可以集中顯示出工件坐標(biāo)、加工參數(shù)（F、S、T）和進給倍率等常用加工數(shù)據(jù)，使用戶能較全面的了解機床當(dāng)前的運行狀況。圖3 系統(tǒng)主界面 加工軌跡模擬采用二維界面對工件切削過程進行仿真，如圖4所示，圖中藍色方框表示工件毛胚，綠色網(wǎng)格表示卡盤，灰色四邊形表示刀具。在對數(shù)控加工程序進行模擬運行時，刀具能根據(jù)程序的要求進行運動，當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸時，相交部分會被切除，運動效果與實際切削過程一致。為方便用戶觀察仿真過程，圖形界面還可以進行平移和縮放，利用加工軌跡模擬功能可以檢驗數(shù)控程序的運效果，從

11、而檢查出程序中的錯誤。42 數(shù)控程序語法檢驗 數(shù)控程序在運行前必須通過語法檢驗，其中包括詞法檢查和語法檢查兩個步驟。詞法檢查主要是檢查G代碼中每一指令字中的地址符及其后面的數(shù)字類型，數(shù)字范圍是否符合G代碼中的規(guī)則，如在程序中不能出現(xiàn)未定義的字符，地址符后的X，Z的坐標(biāo)值必須由數(shù)字和正負(fù)號組成，且不能超過機床本身最大的工作行程。語法檢查主要是檢查數(shù)控指令是否符合數(shù)控系統(tǒng)的語法規(guī)則。例如同組指令不能出現(xiàn)在同一程序段，指令的某些參數(shù)必須要明確指定等。 當(dāng)檢查到語法錯誤時，在屏幕下方的信息輸出窗口會顯示出錯信息，指出數(shù)控程序中發(fā)生錯誤的位置和原因，只要雙擊出錯信息，光標(biāo)就會自動定位到數(shù)控程序中的相應(yīng)程

12、序段，方便用戶進行修改。如圖5所示。圖4 加工模擬界面 43 數(shù)控程序譯碼數(shù)控譯碼模塊采用了Windows的多線程和緩沖技術(shù)，由一個獨立的線程進行譯碼，將數(shù)控程序中的各種參數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)格式存入譯碼緩沖區(qū)，然后由插補線程從緩沖區(qū)中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)要求調(diào)用相應(yīng)的運動控制卡API插補函數(shù)，實現(xiàn)對機床的插補控制。譯碼緩沖區(qū)是由12個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的循環(huán)隊列，每個緩沖區(qū)單元設(shè)置一個MARK標(biāo)志，如果MARK為“0” ，表示緩沖區(qū)為空閑狀態(tài)，此時譯碼線程可以將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，但插補線程不能讀取數(shù)據(jù)；如果MARK為“1”時，表示緩沖區(qū)為寫滿狀態(tài)，此時插補線程可以從緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù)，但譯碼線程不能寫入數(shù)據(jù)。多線程和緩沖技術(shù)可以實現(xiàn)譯碼和插補運算的并行處理，提高了系統(tǒng)的運行效率。4 圖5 語法檢驗 4 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與系統(tǒng)運行性能息息相關(guān)，因此系統(tǒng)軟件應(yīng)具備對系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置和管理的功能。系統(tǒng)參數(shù)包括坐標(biāo)軸參數(shù)（電子齒輪比、坐標(biāo)軸軟限位、快速進給速度等）、誤差補償參數(shù)（反向間隙值、螺距誤差補償值）和機床參數(shù)等。為方便用戶對參數(shù)進行管理，參數(shù)設(shè)置模塊還具