基于Windows的车床微机数控系统研究

摘要：本文论述了基于Windows的车床微机数控系统，重点在于微机数控系统的软硬件体系结构、人机界面、加工轨迹仿真、数控程序语法检验以及数控程序译码等模块的研究，这都是构建微机数控系统的关键问题。
关键词：微机数控系统，开放式

1．前言
数控技术是先进制造技术中的一项核心技术，对加工设备实现高速、高效、高精度和高可靠性起着举足轻重的作用。到21 世纪初，数控系统技术以新的技术思路、新的体系结构迅速发展，数控系统体系结构由专用型封闭式向通用型开放式发展，数控系统的性能、功能向智能化、高速、高精、高效发展。
数控系统采用开放体系结构，使得数控系统有了新的生命力。开放式数控系统打破了传统数控系统所存在的缺乏共同性和标准接口，不同品牌的系统互不兼容的封闭式体系结构。一个开放式系统能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上，可以与其它应用系统相互操作，并具有风格一致的用户交互界面。
PC作为世界范围内的标准化通用性产品，具有良好的可靠性和兼容性，随着PC机的抗干扰性、可靠性和稳定性不断提升，进一步缩小甚至超过专用控制机的性能，因此，利用现有PC机的软硬件规范设计开放式数控系统已经成为一种发展方向。基于PC的开放式数控系统具有如下重要的技术特征：1)采用PC作为控制系统的核心，可以节省开发专用硬件的费用，大大降低系统的成本；市场上大量PC软件开发工具使系统开发工作量大大减少。2) PC总线是开放性总线，PC数控系统的体系结构具有开放性、模块化、可兼容的特点。机床厂和用户可以根据需要选择合适的软硬件模块，以最低的成本组成性能最佳系统，也可方便地进行二次开发，扩展系统功能,实现功能的个性化。3)软件资源丰富，易于实现系统智能化。4)在通用PC的结构上很容易实现与计算机系统或数控系统通讯。因此基于PC机构建的数控系统能够较好的满足开放式数控系统的功能要求，使数控系统具有良好的可靠性、兼容性和开放性。
Windows是PC机上的主流操作系统，大多数的终端用户都熟悉Windows的操作，在Windows上可以运行种类丰富的应用软件，Windows带有网络功能并支持硬件设备的即插即用。Windows有大量高效易用的集成开发环境，Win32 API已是软件开发的事实上标准，通过Win32 API可以方便的调用操作系统的各种功能，提高软件开发的效率。
2．数控系统设计思路
　　系统采用“NC嵌入PC”结构的开放式结构，以运动控制卡作为核心控制器，以PC作为主机，形成了主从型开放式数控系统。由于Windows操作系统不具备实时性，在Windows系统上不能运行有强实时性要求的软件，因此把对实时性要求很高的任务，如轨迹差补、位置控制、速度控制等，交给运动控制卡内部的CPU来处理，而状态显示、程序编辑、参数设置等非实时性任务则可以运行在由PC机和Windows操作系统构成的平台之上。
系统软件选用Visual C++ 6.0作为开发工具，Visual C++ 是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发工具，它支持面向对象程序设计方法，可以使用功能强大的微软基础类库MFC，用Visual C++开发出来的软件稳定性好、可移植性强，而且软件与硬件相互独立，因此Visual C++成为控制系统程序的首选开发工具。软件开发采用“自顶向下”的模式，首先由人机界面开始搭建整个数控系统软件的框架，然后按照数控系统软件原理图的结构，对各功能模块逐个进行开发。在开发NC和PLC模块时要充分利用运动控制卡提供的功能函数库，通过调用库中的函数完成轨迹差补和I/O控制等功能。
3．数控系统硬件设计
依据微机数控系统的硬件原理图，如图1所示，系统硬件的主体由PC机和运动控制卡组成，两者之间通过PCI或ISA总线进行连接。机床X/Z轴的伺服驱动单元以及刀架、行程开关等设备需要通过I/O接口板与运动控制卡的I/O口进行连接。因此系统硬件设计的主要任务是选购PC机、运动控制卡和伺服驱动单元等设备，研究运动控制卡和伺服驱动单元等设备的I/O接口信号规范，在此基础上设计I/O接口板，使设备之间的连接整齐有序。
机床电器I/O信号
极限和回零行程开关
X/Z轴伺服驱动
单元
刀架、脉冲编码器
X轴电机
Z轴电机
PC机
PCI/ISA总线
运动控制卡
I/0接口板
I/0接口板
图1 数控系统硬件原理图
4．数控系统软件设计
　　 整个微机数控系统设计的主要任务是设计系统软件。系统软件的工作原理如图2所示，整个数控系统运行在具有开放性的Windows操作系统平台上，数控系统软件通过Windows API来共享Windows系统的资源，通过运动控制卡API来使用运动控制卡提供的控制功能。数控系统软件划分为人机界面、NC、PLC、参数设置和专家系统五大模块，每个模块又进一步划分成若干个小模块，这就使整个系统软件结构层次清晰。
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操作面板 状态显示 程序编辑 程序译码 语法检查 轨迹修正 缓冲区 刀架控制 行程控制 机床I/O控制 参数设置 参数管理 知识库 推理机 工艺译码 运 动控制卡内部程序 轨迹
差补
位置
控制
人机界面 NC PLC 参数 专家系统 速度
控制
数 控 系 统 软 件
Windows API 运动控制卡 API I/0
控制
Windows98/2000系统
数 控 系 统 硬 件 平 台
　　　　　　　　
图2 数控系统软件原理图
　　
因为运动控制卡的内部程序能够执行数控系统的强实时性任务，如位置控制、轨迹插补、速度处理、I/O控制等，所以，数控系统软件开发的重点在于如何使用Windows系统和运动控制卡提供的各种接口函数来实现系统软件中人机界面、程序译码、参数设置等非高实时性任务模块的功能。
4．1 数控系统人机界面
通过参考国内外主流数控系统以及数控仿真软件的界面，结合微机数控系统的特点，设计出了简洁美观、操作方便的人机界面，如图3所示。整个软件界面划分成显示编辑窗口、控制面板和状态面板三大部分，显示编辑窗口又可以在坐标显示、程序编辑和图形模拟三种显示模式之间进行切换，而且各个窗口还可以由用户选择打开或者关闭，这样的界面设计可以在有限的屏幕空间内显示出运动坐标、机床工作状态以及数控加工程序等许多数据，方便用户进行操作。
控制面板将工业数控系统控制面板上的按键、旋钮等元件用图标进行模拟，只要点击鼠标就能完成各种操作。例如在进行进给倍率调整时，在进给倍率旋钮上单击鼠标左键，使旋钮逆时针旋转减小进给倍率，反之单击右键使旋钮顺时针旋转，增大进给倍率。这样就充分利用微机系统中鼠标、键盘等I/O设备，从而省略了控制面板硬件的设计。在状态面板中可以集中显示出工件坐标、加工参数（F、S、T）和进给倍率等常用加工数据，使用户能较全面的了解机床当前的运行状况。
图3 系统主界面


加工轨迹模拟采用二维界面对工件切削过程进行仿真，如图4所示，图中蓝色方框表示工件毛胚，绿色网格表示卡盘，灰色四边形表示刀具。在对数控加工程序进行模拟运行时，刀具能根据程序的要求进行运动，当刀具与工件接触时，相交部分会被切除，运动效果与实际切削过程一致。为方便用户观察仿真过程，图形界面还可以进行平移和缩放，利用加工轨迹模拟功能可以检验数控程序的运效果，从而检查出程序中的错误。
4．2 数控程序语法检验
　　 数控程序在运行前必须通过语法检验，其中包括词法检查和语法检查两个步骤。词法检查主要是检查G代码中每一指令字中的地址符及其后面的数字类型，数字范围是否符合G代码中的规则，如在程序中不能出现未定义的字符，地址符后的X，Z的坐标值必须由数字和正负号组成，且不能超过机床本身最大的工作行程。语法检查主要是检查数控指令是否符合数控系统的语法规则。例如同组指令不能出现在同一程序段，指令的某些参数必须要明确指定等。
　　 当检查到语法错误时，在屏幕下方的信息输出窗口会显示出错信息，指出数控程序中发生错误的位置和原因，只要双击出错信息，光标就会自动定位到数控程序中的相应程序段，方便用户进行修改。如图5所示。
图4 加工模拟界面


4．3 数控程序译码
数控译码模块采用了Windows的多线程和缓冲技术，由一个独立的线程进行译码，将数控程序中的各种参数以标准格式存入译码缓冲区，然后由插补线程从缓冲区中读取数据，根据要求调用相应的运动控制卡API插补函数，实现对机床的插补控制。
译码缓冲区是由12个数据结构组成的循环队列，每个缓冲区单元设置一个MARK标志，如果MARK为“0” ，表示缓冲区为空闲状态，此时译码线程可以将数据存入缓冲区，但插补线程不能读取数据；如果MARK为“1”时，表示缓冲区为写满状态，此时插补线程可以从缓冲区读取数据，但译码线程不能写入数据。多线程和缓冲技术可以实现译码和插补运算的并行处理，提高了系统的运行效率。

4． 图5 语法检验
4 系统参数设置

系统参数的设置与系统运行性能息息相关，因此系统软件应具备对系统参数进行设置和管理的功能。系统参数包括坐标轴参数（电子齿轮比、坐标轴软限位、快速进给速度等）、误差补偿参数（反向间隙值、螺距误差补偿值）和机床参数等。为方便用户对参数进行管理，参数设置模块还具有对当前参数以文件形式进行保存、载入参数文件以及恢复默认值的功能。如图6所示。

5． 结束语
　　 开放式数控系统是数控系统发展的必然趋势，而基于Windows的微机开放式数控系统具有较强灵活性，可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势，有利于更完美地实现数控系统的用户界面、图形显示、动态仿真以及网络通讯等功能。模块化的程序设计使系统的通用性和可移植性大大增强，同时也有利于系统日后的功能扩展。
图6 系统参数设置


　　
参考文献
[1] 熊清平．数控技术的发展趋势．国家数控系统工程技术研究中心
[2] 赖国庭，吴玉厚，富大伟．开放式数控系统的发展及性能研究．机械与电子，2003，2
[3] 谢 明．基于PC平台的开放式机床数控系统．昭阳学院学报，2004，3
[4] 谢国如，周 旭，蒋 薏．基于Windows98的开放式数控系统研究．淮阴工学院学报，2004，2

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