數(shù)控系統(tǒng)人機界面開發(fā)方法研究

邴 旭 林劍峰 徐兆成 化春雷

（沈陽機床（集團）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110142）

人機界面，即HMI（Human Machine Interface），是用戶與機床互相傳遞信息的媒介。數(shù)控系統(tǒng)自帶的標準人機界面，可以用來實現(xiàn)操作、監(jiān)控、編程、設(shè)置和診斷功能，但并不是對所有機床都是最優(yōu)的設(shè)計。為了能夠滿足不同客戶的需要以及不同機床特性，系統(tǒng)提供了用戶自己開發(fā)人機界面的功能。如西門子、FANUC、海德漢以及一些國產(chǎn)系統(tǒng)的人機界面的開發(fā)方法，其目的就是要利用專業(yè)的開發(fā)軟件，開發(fā)出具有自身特色的、實用的個性化界面，進一步發(fā)揮數(shù)控系統(tǒng)的性能，提高我國數(shù)控機床的檔次。

1 人機界面的開發(fā)需求

從機床的發(fā)展趨勢來看，人機界面的需求主要集中在以下幾個方面:

（1）專用機床上的應(yīng)用 專用磨床、激光切割機床等，需要有自己的專用界面，這樣才方便對設(shè)備的操作、管理，也使專用機床的效益得到充分的發(fā)揮。

（2）特殊結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用 在機床的應(yīng)用中，往往許多機床都有其自身特有的部分，用戶為了操作需要，經(jīng)常會提出定制相關(guān)操作界面的需求。

（3）簡化操作的需要 以提高工作效率等為目的人機界面開發(fā)需求無疑是所占界面開發(fā)需求比重最大的，把常用參數(shù)和常用的功能歸納到若干個畫面中，并且可以直接修改，用戶操作起來就會更加方便。

2 西門子系統(tǒng)人機界面的開發(fā)

目前，常用的西門子數(shù)控系統(tǒng)有802D sl、810D、840D pl。其中802D sl由于面向低端經(jīng)濟型數(shù)控機床，其人機界面能夠滿足絕大多數(shù)用戶的需要，因此不需要進行界面的二次開發(fā)，而實際上西門子公司也沒有提供802D sl系統(tǒng)人機界面的開發(fā)方法。

810D和840D pl系統(tǒng)是一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)，其人機界面HMI Advanced具有擴展用戶接口、HMI編程包（HMI Programming Package）和WinCC Flexible三種開發(fā)方法。它們各自的特點見表1所示。

表1 HMI Advanced界面的開發(fā)方法比較

西門子公司新推出的828D和840D sl系統(tǒng)，其人機界面是HMI Operate。它支持擴展用戶接口，只是語法稍有不同，對于840D sl系統(tǒng)，還可以購買相應(yīng)版本的HMI Operate的編程包進行二次開發(fā)。

綜上，西門子系統(tǒng)人機界面的開發(fā)方法可以分為擴展用戶接口、HMI編程包、西門子專業(yè)組態(tài)軟件WinCC Flexible三類。下面以常用的HMI Advanced為例，說明這三類開發(fā)方法的應(yīng)用。

2．1 擴展用戶接口

擴展用戶接口配置的畫面可實現(xiàn)定義畫面中的軟鍵和變量、動態(tài)改變畫面、定義操作等級、讀寫NC/PLC變量等功能，并可做算術(shù)和邏輯運算。它定義標準界面上的空白軟鍵，激活存放在標準循環(huán)目錄（或制造商循環(huán)、用戶循環(huán)）下的com文件中，該文件是文本格式的，按照一定語法規(guī)則編寫的文件。但是鑒于語法中的參數(shù)過于復(fù)雜，只適合開發(fā)一些非常簡單的界面。

2．2 HMI編程包應(yīng)用

HMI編程包允許用戶將使用VB和VC++編寫的應(yīng)用程序加入HMI Advanced，并可通過編程包提供的接口訪問NC/PLC變量、實現(xiàn)多幅畫面的調(diào)用、管理NC數(shù)據(jù)、實現(xiàn)復(fù)雜的計算和畫面。用戶可在HMI編程包提供的Sample基礎(chǔ)上開發(fā)界面程序。下面以程序oembsp1．exe為例說明界面程序的開發(fā)方法。界面運行效果如圖1所示。

（1）打開HMI編程包自帶的例子程序oembsp1．vbp，根據(jù)需要添加控件并設(shè)計界面外觀，調(diào)用編程包中提供的函數(shù)訪問數(shù)控系統(tǒng)，編程結(jié)束后生成oembsp1．exe文件。

（2）修改配置文件:

①改RE_UK．ini，配置接口軟鍵文本，在HMI中將6號軟鍵的標簽修改為“test”:

HSK6=“test”

②修改Regie．ini，為6號軟鍵配置應(yīng)用程序oembsp1．exe:

Task6=name:=oembsp1，Timeout:=60000

（3）放入下面兩個文件:

①oembsp1．mdi:定義了所有程序內(nèi)部子窗口及其類型。

②oembsp1．zus:定義了oem程序的狀態(tài)及動作。

（4）在oembsp1．ini文件中定義上面兩個文件的位置:

MDIList=OEMBSP1OEMBSP1．MDI

ControlFile=OEMBSP1OEMBSP1．ZUS

（5）在oemlanguage目錄中的o1_UK．dll文件中，定義OEM程序內(nèi)的軟鍵文本。

2．3 WinCC Flexible

WinCC Flexible是西門子公司的專業(yè)組態(tài)軟件，適用于西門子的各種操作面板，可實現(xiàn)鼠標和功能鍵的處理，輸入/輸出域，bar條，歷史曲線等等。應(yīng)用WinCC Flexible開發(fā)的畫面既可以作為HMI Advanced的擴展，也可單獨運行。圖2為應(yīng)用WinCC Flexible軟件開發(fā)的機床HMI界面。

應(yīng)用WinCC Flexible軟件開發(fā)界面的特點是具有強大的圖形化組態(tài)功能，簡單高效、易于上手、開發(fā)周期短。它提供了智能化的向?qū)Чぞ吆凸┯脩羰褂玫呢S富圖庫及操作對象，并支持用戶自定義對象。它還具有強大的通信組態(tài)功能，支持多種通信類型，可組態(tài)基于Windows CE的SIMATIC HMI設(shè)備、西門子的C7、乃至PC機?？梢耘c西門子的STEP7、iMap和Scout等軟件集成在一起。并且具有優(yōu)良的開放性和擴展性，支持VB腳本和C腳本功能。

3 FANUC系統(tǒng)人機界面開發(fā)

目前，F(xiàn)ANUC系統(tǒng)人機界面的開發(fā)方法有三種:宏執(zhí)行器、C語言執(zhí)行器、FANUC PICTURE。這三種開發(fā)方法的特點如表2所示。

3．1 宏執(zhí)行器和C語言執(zhí)行器

宏執(zhí)行器通常用于集成加工程序，制作特殊加工固定循環(huán)，或者簡單地自定義畫面;C語言執(zhí)行器功能強大，是被廣泛應(yīng)用的計算機語言，基本上可以取代宏執(zhí)行器，國外高檔機床、特殊機床應(yīng)用較多，但是使用C語言執(zhí)行器開發(fā)界面周期長，調(diào)試過程復(fù)雜。

運用C語言執(zhí)行器開發(fā)界面，將源文件（．src）編譯為二進制文件（．rel），可通過中間文件（．lst）看編譯錯誤記錄。

usage:mcompi［SRC File］［－0/－30］

－0:Macro compile for FS0i－D

－30:Macro compile for FS30i

然后，通過Link控制文件（．lnk），鏈接二進制文件和庫文件（．mex）最終生成Rom文件（．rom），再將Rom文件轉(zhuǎn)換為存儲卡格式文件（．mem），最后傳到CNC中。

運用C語言執(zhí)行器開發(fā)界面，首先要安裝WinRiver Compiler，從源文件到最終文件生成的過程由Win-River Compiler直接完成，相關(guān)內(nèi)容定義都在批處理文件Makefile中，執(zhí)行時只需輸入nmake．exe命令即可。最終文件為存儲卡文件格式（．mem），最后傳到CNC中。

表2 FANUC系統(tǒng)人機界面的開發(fā)方法比較

3．2FANUC PICTURE

FANUC PICTURE采用圖形化設(shè)計界面，特別適合畫面的制作，能夠滿足絕大部分用戶界面開發(fā)的需要。開發(fā)界面程序過程如下:

（1）首先創(chuàng)建一個新工程，對CNC硬件做參數(shù)配置，在多語言設(shè)定選項卡中可以設(shè)定語言種類和不同語言的切換方式。

（2）用編輯環(huán)境設(shè)計畫面，畫面的編輯過程就是設(shè)置通用控件以及FANUC專有控件的位置和屬性的過程。

（3）為了與CNC系統(tǒng)交換信息，必須給各圖形元素賦予對應(yīng)CNC各種信息的功能。為此FANUC PICTURE設(shè)計了兩種功能指令庫:CNC窗口庫和PMC窗口庫。繪圖時點擊圖形元素的屬性，在屬性項中將相應(yīng)的功能賦予該元素即可完成與CNC系統(tǒng)的鏈接，所繪畫面即會具有操作CNC與顯示CNC信息的功能。

（4）編程結(jié)束后，將執(zhí)行文件傳入CNC的Flash ROM中存儲，在數(shù)控系統(tǒng)上運行。圖3所示為應(yīng)用FANUC PICTURE開發(fā)的軸狀態(tài)顯示界面。

4 海德漢系統(tǒng)人機界面開發(fā)

海德漢數(shù)控系統(tǒng)的界面修改與制作大體分為兩種方法，第一種方法是通過菜單編輯軟件MenuDesign來編輯界面，這種方法操作簡便，但是不夠靈活，可以改變界面中右側(cè)軟鍵的圖標樣式，及點擊后產(chǎn)生的PLC時序功能，與PLC程序可以很好的結(jié)合。圖4所示為利用MenuDesign編輯器開發(fā)的界面，在原有界面右側(cè)空白軟鍵處，增加了一個帶有“SYMG”標志的圖形軟鍵，按下該軟鍵，會進入如圖5所示的自己開發(fā)的各伺服軸運行狀態(tài)畫面，該畫面中顯示有機床各個軸運動時的實際速度等信息。

第二種界面開發(fā)方法需要用到Python、Glade和Winpdb等第三方軟件，結(jié)合海德漢的PLC程序及宏程序，來實現(xiàn)界面的修改及制作。該方法的特點是制作過程比較復(fù)雜，但應(yīng)用效果很靈活。其中，Python OEM程序選裝，是為機床制造商提供的面向?qū)ο蟮目刂葡到y(tǒng)高級編程語言，開發(fā)的程序可以通過熟悉的PLC窗口導(dǎo)入到PLC中，也可以顯示在單獨可用的窗口中，這個窗口可擴展為TNC的全屏顯示。制作過程如圖6所示。

首先用Glade軟件制作需要顯示的界面，再通過對Python和PLC的編程，將該界面需要導(dǎo)入的觸發(fā)事件和顯示模式做好，之后一并送入到NC的控制核心進行運算，最終達到預(yù)期的目的。

5 國產(chǎn)系統(tǒng)人機界面開發(fā)

國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)使用較多的有華中數(shù)控、廣州數(shù)控、沈陽高精、大連光洋以及飛陽系統(tǒng)。其中，廣州數(shù)控系統(tǒng)、沈陽高精以及飛陽系統(tǒng)尚未提供人機界面的開發(fā)方法。不過對于大批量訂購的系統(tǒng)，廠家可以在系統(tǒng)出廠前按用戶的要求定制界面。目前只有華中數(shù)控和大連光洋系統(tǒng)提供了人機界面開發(fā)的解決方案。

5．1 華中數(shù)控系統(tǒng)人機界面開發(fā)

華中數(shù)控的人機界面開發(fā)使用的是華中數(shù)控2000型數(shù)控底層控制軟件包HCNC－API2．0。該軟件的運行平臺是MS－DOS5．0或以上版本，并需要先安裝Borland C++3．1。在安裝目錄下運行N．BAT即可裝載底層并運行DEMO程序，運行N1．BAT即可裝載底層并運行IIPDEMO．EXE，運行E．BAT底層控制程序退出。其界面的開發(fā)是基于C/C++，可以完成屏幕背景的設(shè)置、清屏、移動光標等基本功能，在程序的開始部分需要使用putch（）、textattr（）等指令進行初始化與底層NCBIOS的接口，獲取NCBIOS通信區(qū)指針，將部分通信區(qū)數(shù)據(jù)賦初值，通過這一過程來完成HMI與NC數(shù)據(jù)的通信連接。在主程序中可以通過memset（）、gptoxy（）和ch_move_rel（）等指令與其操作面板上的F1～F7按鈕的配合來進行各個軸運動的控制。

5．2 光洋系統(tǒng)人機界面開發(fā)

大連光洋數(shù)控系統(tǒng)從整體結(jié)構(gòu)上分為OHMI、通信服務(wù)器和CNC內(nèi)核三部分。通信服務(wù)器負責(zé)CNC內(nèi)核和OHMI之間的通信工作以及對客戶端指令的解釋和處理?？蛻舳烁鶕?jù)通信服務(wù)器提供的通信協(xié)議與通信服務(wù)器進行數(shù)據(jù)的通信。對用戶開放的是HMI部分，因為對用戶開放，所以光洋數(shù)控系統(tǒng)的開放式HMI也稱OHMI。OHMI的開發(fā)主要使用C/C++，遵循socket通信協(xié)議。用戶可以使用C/C++語言根據(jù)不同的需要開發(fā)客戶端程序，所有客戶端程序的統(tǒng)稱為OHMI。

6 結(jié)語

隨著對數(shù)控系統(tǒng)更深層次的研究，對其結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)硬件的分析，可以獲得重要的技術(shù)參數(shù)，通過對人機界面的開發(fā)，便能夠?qū)⒆赃m應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和前饋控制等先進的控制技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控機床，這無疑會進一步提高機床整體的性能與質(zhì)量，進而增加產(chǎn)品附加值，提升產(chǎn)品競爭力。

［1］高峰．西門子OEM軟件在數(shù)控凸輪軸磨床上的開發(fā)與應(yīng)用［J］．制造技術(shù)與機床，2006（10）:122－125．

［2］侯春明，化春雷，邴旭，等．基于西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的倒置式立式車床人機界面開發(fā)［J］．制造技術(shù)與機床，2010（2）:81－84．

［3］汪木蘭．?dāng)?shù)控原理與系統(tǒng)［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2005．