基于Windows的車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研究(一)

1、基于Windows的車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研究(一)    摘要：本文論述了基于Windows的車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，重點(diǎn)在于微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件體系結(jié)構(gòu)、人機(jī)界面、加工軌跡仿真、數(shù)控程序語(yǔ)法檢驗(yàn)以及數(shù)控程序譯碼等模塊的研究，這都是構(gòu)建微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。關(guān)鍵詞：微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，開(kāi)放式1前言數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)，對(duì)加工設(shè)備實(shí)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(kāi)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(kāi)放體系結(jié)構(gòu)，使得數(shù)控系統(tǒng)有了新的生命力。開(kāi)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(gè)開(kāi)放式系統(tǒng)能使得各種應(yīng)用系統(tǒng)可以有效地運(yùn)行于不同供應(yīng)商提供的不同平臺(tái)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(jī)的抗干擾性、可靠性和穩(wěn)定性不斷提升，進(jìn)一步縮小甚至超過(guò)專用控制機(jī)的性能，因此，利用現(xiàn)有PC機(jī)的軟硬件規(guī)范設(shè)計(jì)開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)專用

3、硬件的費(fèi)用，大大降低系統(tǒng)的成本；市場(chǎng)上大量PC軟件開(kāi)發(fā)工具使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工作量大大減少。2) PC總線是開(kāi)放性總線，PC數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)具有開(kāi)放性、模塊化、可兼容的特點(diǎn)。機(jī)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(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，擴(kuò)展系統(tǒng)功能,實(shí)現(xiàn)功能的個(gè)性化。3)軟件資源豐富，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化。4)在通用PC的結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或數(shù)控系統(tǒng)通訊。因此基于PC機(jī)構(gòu)建的數(shù)控系統(tǒng)能夠較好的滿足開(kāi)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(kāi)放性。Windows是PC機(jī)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(yùn)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(kāi)發(fā)環(huán)境，Win32 API已是軟件開(kāi)發(fā)的事實(shí)上標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)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(kāi)發(fā)的效率。2數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)采用“NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，以運(yùn)動(dòng)控制卡作為核心控制器，以PC作為主機(jī)，形成了主從型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。由于Windows操作系統(tǒng)不具備實(shí)時(shí)性，在Windows系統(tǒng)上不能運(yùn)行有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求的軟件，因此把對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的任務(wù)，如軌跡差補(bǔ)、位置控制、速度控制等，交給運(yùn)動(dòng)控制卡內(nèi)部的CPU來(lái)處理，而狀態(tài)顯示、程序編輯、

5、參數(shù)設(shè)置等非實(shí)時(shí)性任務(wù)則可以運(yùn)行在由PC機(jī)和Windows操作系統(tǒng)構(gòu)成的平臺(tái)之上。系統(tǒng)軟件選用Visual C+ 6.0作為開(kāi)發(fā)工具，Visual C+ 是一個(gè)基于Windows操作系統(tǒng)的可視化集成開(kāi)發(fā)工具，它支持面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法，可以使用功能強(qiáng)大的微軟基礎(chǔ)類庫(kù)MFC，用Visual C+開(kāi)發(fā)出來(lái)的軟件穩(wěn)定性好、可移植性強(qiáng)，而且軟件與硬件相互獨(dú)立，因此Visual C+成為控制系統(tǒng)程序的首選開(kāi)發(fā)工具。軟件開(kāi)發(fā)采用“自頂向下”的模式，首先由人機(jī)界面開(kāi)始搭建整個(gè)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(duì)各功能模塊逐個(gè)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在開(kāi)發(fā)NC和PLC模塊時(shí)要充分利用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的功能

6、函數(shù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用庫(kù)中的函數(shù)完成軌跡差補(bǔ)和I/O控制等功能。3數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)依據(jù)微機(jī)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(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成，兩者之間通過(guò)PCI或ISA總線進(jìn)行連接。機(jī)床X/Z軸的伺服驅(qū)動(dòng)單元以及刀架、行程開(kāi)關(guān)等設(shè)備需要通過(guò)I/O接口板與運(yùn)動(dòng)控制卡的I/O口進(jìn)行連接。因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是選購(gòu)PC機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)單元等設(shè)備，研究運(yùn)動(dòng)控制卡和伺服驅(qū)動(dòng)單元等設(shè)備的I/O接口信號(hào)規(guī)范，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)I/O接口板，使設(shè)備之間的連接整齊有序。機(jī)床電器I/O信號(hào) 極限和回零行程開(kāi)關(guān) X/Z軸伺服驅(qū)動(dòng)單元 刀架、脈沖編碼器 X軸電機(jī) Z軸電機(jī) PC機(jī) PCI/I

7、SA總線 運(yùn)動(dòng)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(jì) 整個(gè)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件的工作原理如圖2所示，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行在具有開(kāi)放性的Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上，數(shù)控系統(tǒng)軟件通過(guò)Windows API來(lái)共享Windows系統(tǒng)的資源，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡API來(lái)使用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的控制功能。數(shù)控系統(tǒng)軟件劃分為人機(jī)界面、NC、PLC、參數(shù)設(shè)置和專家系統(tǒng)五大模塊，每個(gè)模塊又進(jìn)一步劃分成若干個(gè)小模塊，這就使整個(gè)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(yǔ)法檢查 軌跡修正 緩沖區(qū) 刀架控制 行程控制 機(jī)床I/O控制 參數(shù)

8、設(shè)置 參數(shù)管理 知識(shí)庫(kù) 推理機(jī) 工藝譯碼 運(yùn) 動(dòng)控制卡內(nèi)部程序 軌跡差補(bǔ) 位置控制 人機(jī)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(yùn)動(dòng)控制卡 API I/0控制 Windows98/2000系統(tǒng) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 硬 件 平 臺(tái) 圖2 數(shù)控系統(tǒng)軟件原理圖 因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制卡的內(nèi)部程序能夠執(zhí)行數(shù)控系統(tǒng)的強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)，如位置控制、軌跡插補(bǔ)、速度處理、I/O控制等，所以，數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)在于如何使用Windows系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制卡提供的各種接口函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件中人機(jī)界面、程序譯碼、參數(shù)設(shè)置等非高實(shí)時(shí)性任務(wù)模塊的功能。41 數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面通過(guò)參考國(guó)

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(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了簡(jiǎn)潔美觀、操作方便的人機(jī)界面，如圖3所示。整個(gè)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(jìn)行切換，而且各個(gè)窗口還可以由用戶選擇打開(kāi)或者關(guān)閉，這樣的界面設(shè)計(jì)可以在有限的屏幕空間內(nèi)顯示出運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)、機(jī)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(jìn)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(jìn)行模擬，只要點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能完成各種操作。例如在進(jìn)行進(jìn)給倍率調(diào)整時(shí)，在進(jìn)給倍率旋鈕上單擊鼠標(biāo)左鍵，使旋鈕逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小進(jìn)給倍率，反之單擊右鍵使旋鈕

10、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，增大進(jìn)給倍率。這樣就充分利用微機(jī)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(jì)。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(jìn)給倍率等常用加工數(shù)據(jù)，使用戶能較全面的了解機(jī)床當(dāng)前的運(yùn)行狀況。圖3 系統(tǒng)主界面 加工軌跡模擬采用二維界面對(duì)工件切削過(guò)程進(jìn)行仿真，如圖4所示，圖中藍(lán)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(duì)數(shù)控加工程序進(jìn)行模擬運(yùn)行時(shí)，刀具能根據(jù)程序的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)毒吲c工件接觸時(shí)，相交部分會(huì)被切除，運(yùn)動(dòng)效果與實(shí)際切削過(guò)程一致。為方便用戶觀察仿真過(guò)程，圖形界面還可以進(jìn)行平移和縮放，利用加工軌跡模擬功能可以檢驗(yàn)數(shù)控程序的運(yùn)效果，從

11、而檢查出程序中的錯(cuò)誤。42 數(shù)控程序語(yǔ)法檢驗(yàn) 數(shù)控程序在運(yùn)行前必須通過(guò)語(yǔ)法檢驗(yàn)，其中包括詞法檢查和語(yǔ)法檢查兩個(gè)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(hào)組成，且不能超過(guò)機(jī)床本身最大的工作行程。語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)法錯(cuò)誤時(shí)，在屏幕下方的信息輸出窗口會(huì)顯示出錯(cuò)信息，指出數(shù)控程序中發(fā)生錯(cuò)誤的位置和原因，只要雙擊出錯(cuò)信息，光標(biāo)就會(huì)自動(dòng)定位到數(shù)控程序中的相應(yīng)程

12、序段，方便用戶進(jìn)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(gè)獨(dú)立的線程進(jìn)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(bǔ)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(yùn)動(dòng)控制卡API插補(bǔ)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的插補(bǔ)控制。譯碼緩沖區(qū)是由12個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成的循環(huán)隊(duì)列，每個(gè)緩沖區(qū)單元設(shè)置一個(gè)MARK標(biāo)志，如果MARK為“0” ，表示緩沖區(qū)為空閑狀態(tài)，此時(shí)譯碼線程可以將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，但插補(bǔ)線程不能讀取數(shù)據(jù)；如果MARK為“1”時(shí)，表示緩沖區(qū)為寫滿狀態(tài)，此時(shí)插補(bǔ)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(shí)現(xiàn)譯碼和插補(bǔ)運(yùn)算的并行處理，提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。4 圖5 語(yǔ)法檢驗(yàn) 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(yùn)行性能息息相關(guān)，因此系統(tǒng)軟件應(yīng)具備對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)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(jìn)給速度等）、誤差補(bǔ)償參數(shù)（反向間隙值、螺距誤差補(bǔ)償值）和機(jī)床參數(shù)等。為方便用戶對(duì)參數(shù)進(jìn)行管理，參數(shù)設(shè)置模塊還具