全軟型開放式數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

畢俊喜 王舒瑋 薛志安 劉 斌 張亞強(qiáng)

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)已成為普遍推廣的高新技術(shù)制造形式，其對于提高生產(chǎn)率、保障加工精度、減少勞動(dòng)力起到了巨大的作用［1］。同時(shí)，由于機(jī)械制造行業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，為了減少加工成本，提高制造系統(tǒng)的精度，開發(fā)并應(yīng)用了新型數(shù)控系統(tǒng)——開放式數(shù)控系統(tǒng)［2］。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)即數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺上，面向機(jī)床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象(數(shù)控功能)，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品［3］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

美國Soft Servo System 公司以純軟件開放式的運(yùn)動(dòng)控制內(nèi)核為基礎(chǔ)，研究并開發(fā)出ServoWorks CNC 系統(tǒng)，其CNC 軟件在Ardence RTX 系統(tǒng)中得以運(yùn)行，確保其各方面的基本性能可以盡量符合用于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制機(jī)床的具體要求。通過計(jì)算機(jī)中央處理器的運(yùn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)引擎，使其具有多種功能，其中包括:閉環(huán)反饋、多軸插補(bǔ)、運(yùn)動(dòng)程序處理和PLC 邏輯運(yùn)算功能［2］。還可搭配VersioBus 光纖、Panasonic RTEX、YASKAWA MECHATROLINK 和FXI-40 等多種伺服通訊網(wǎng)絡(luò)。其中，ServoWorks 的主要特色就是VersioBus，可用光纖構(gòu)成傳輸速率達(dá)到10Mbps 的數(shù)字式伺服通信系統(tǒng)并能與模擬伺服接口伺服驅(qū)動(dòng)器和I/O 通信網(wǎng)絡(luò)連接通訊［4］。

1.1 關(guān)于硬件結(jié)構(gòu)

純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)ServoWorks CNC 無需運(yùn)動(dòng)控制卡即可完成任務(wù)傳輸，通過計(jì)算機(jī)CPU 的強(qiáng)大功能，完成全部所需的實(shí)時(shí)伺服控制和CNC 任務(wù)包括反饋回路，G 代碼處理和PLC，圖形用戶界面和網(wǎng)絡(luò)通訊等［5］。圖l 為ServoWorks 配置結(jié)構(gòu)圖。ServoWorks CNC 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Windows2000/XP，但目前電腦均為win7 以上系統(tǒng).因此在安裝此軟件時(shí)，需要在純凈系統(tǒng)下安裝，或者在虛擬機(jī)里安裝。

對于硬件的基本需求如下［6］:

CPU 的最小需求:Intel Pentium III 1 GHz 或同等級;建議需求或使用3D-DLACC(三維動(dòng)態(tài)前瞻輪廓控制)時(shí)的最小需求為Intel Pentium IV 2 GHz 或更快;內(nèi)存(RAM)為128 MB(建議256 MB);硬盤空間需求為30 MB;根據(jù)不同的通訊硬件，需要一個(gè)ISA 總線插槽或PCI 插槽或PC 104 接口或Ethernet 網(wǎng)卡接口;Ethernet 網(wǎng)卡連接為10 MB/sec or 100 MB/sec。

顯卡需求:256-color 圖形顯示卡;800×600 像素分辨率(建議1024×768)，另有少量顯卡不兼容。

1.2 關(guān)于軟件系統(tǒng)

ServoWorks CNC 軟件技術(shù)由4 部分組成:ServoWorks 引擎內(nèi)核、各種ServoWorks 通訊平臺驅(qū)動(dòng)、ServoWorks DLL 和SDK(ServoWorks Develop Kit，ServoWorks 二次開發(fā)軟件包)。

ServoWorks CNC 的軟件由3 層組成，最上層是以ServoWorks CNC 技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)軟件和基于ServoWorks PLC 技術(shù)的相關(guān)軟件;中間層是ServoWorks 實(shí)時(shí)DLL(Dynamic Link Library)動(dòng)態(tài)連接庫;最下層是3 個(gè)實(shí)時(shí)模塊:ServoWorks 運(yùn)動(dòng)引擎，ServoWorks PLC 引擎和ServoWorks G 代碼編譯器。ServoWorks CNC 的軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3 關(guān)于軟件開發(fā)

ServoWorks CNC 系統(tǒng)二次開發(fā)的主要工具是ServoWorks Develop Kid(SDK)，SDK/MDK 開發(fā)套件包括應(yīng)用軟件接口模塊庫(SWAPI/MAPI)，SWAPI/MAPI源代碼，Simulator，例程源代碼，客戶定制軟件開發(fā)服務(wù)。模擬運(yùn)行，無需硬件，可用于軟件開發(fā)、培訓(xùn)和測試。純軟件開放式數(shù)控技術(shù)ServoWorks 是通過調(diào)用內(nèi)核API 函數(shù)中的4 個(gè)子函數(shù)，即sssGetLocalMacro-Var、sssGeGlobalMacroVar、sssGetPermanentMacroVar、sssSetPermanentMacroVar 來分別實(shí)現(xiàn)局部變量、全局變量、變量引用、變量賦值的功能［7］。SDK 用于系統(tǒng)開發(fā)者利用如VB，VC++的編程工具開發(fā)出滿足自己工作需要的基于ServoWorks CNC 技術(shù)的數(shù)控系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用程序［8］。

2.1 關(guān)于系統(tǒng)主界面

通過運(yùn)用Soft Servo System(3S)公司提供的ServoWorks Develop Kid(SDK)軟件開發(fā)包，在原有愛迪納控制技術(shù)有限公司提供的ADX 控制系統(tǒng)S-140M中開發(fā)出新的控制系統(tǒng)，在VB 環(huán)境中對原有的數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行了二次開發(fā)，同時(shí)獲得了符合要求的操作界面。圖3 為研究并開發(fā)的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)S-100M主界面［9］。本文主要研究開發(fā)關(guān)于三軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)，保證系統(tǒng)滿足用戶的特殊需求并可以正常運(yùn)行。

2.2 關(guān)于部分S-100M 開發(fā)實(shí)例

如圖4 所示，點(diǎn)擊回零方式功能按鈕，生成Sub_Btn_3 的點(diǎn)擊事件，調(diào)用SetHomeMode 函數(shù)進(jìn)入回零模式。

或者也可以通過Sub_Btn_3 的快捷鍵“F4”按鍵進(jìn)入。

在主菜單下點(diǎn)擊“回零”按鈕，根據(jù)調(diào)用如下函數(shù)進(jìn)入“回零”模式，同時(shí)可對每個(gè)正常狀態(tài)下運(yùn)行的軸的回零狀態(tài)進(jìn)行檢測并顯示。

同時(shí)，S-100M 具有繪圖功能，用下面的DoPlot子過程實(shí)現(xiàn)加工路徑的顯示，效果如圖5 所示

3 結(jié)語

在當(dāng)今社會，科學(xué)電子技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字控制已逐漸成為機(jī)械制造領(lǐng)域的重要發(fā)展趨勢［10］。而純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)正是數(shù)控發(fā)展方向中不可或缺環(huán)節(jié)，也是機(jī)械制造業(yè)研發(fā)的新目標(biāo)。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的各種規(guī)范，即體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的重要核心［11］。本文所介紹的運(yùn)用純軟件ONC 研究出的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，正是利用了開放式數(shù)控系統(tǒng)便于進(jìn)行開發(fā)來滿足用戶各種特殊需要的優(yōu)點(diǎn)，提高了ServoWorks 的實(shí)用性。

［1］劉莉.淺談機(jī)械制造中數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012(10):93.

［2］白曉燦，陳永明.純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)在橋切機(jī)數(shù)控化改造中的運(yùn)用［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2010，39(6):113-114.

［3］張俠.開放式數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通訊管理與狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)研究［D］.天津:天津大學(xué)，2008.

［4］Soft Servo Systems Inc.ServoWorks with VersioBus setup and integration manual［Z］.Soft Servo Systems Inc，2002.

［5］章明眾，李寅，陳永明.基于純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的FUJI 龍門磨床數(shù)控化改造［J］.電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2010，39(2):181-183.

［6］李寅.純軟件開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究及其在加工中心上的運(yùn)用［D］.廈門:廈門大學(xué)，2009.

［7］章明眾，李寅，陳永明.開放式數(shù)控系統(tǒng)宏程序替代功能的開發(fā)與應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(4):43-44.

［8］陳清德.純軟件開放式CNC 技術(shù)的研究及應(yīng)用開發(fā)［D］.廈門:廈門大學(xué)，2007.

［9］黃海鵬.多軸聯(lián)動(dòng)電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件構(gòu)建及其應(yīng)用研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

［10］梁廣志.機(jī)械制造自動(dòng)化的研究與應(yīng)用［J］.中國機(jī)械，2013(13):207.

［11］張小兵.數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢探討［J］.機(jī)電技術(shù)，2008(2):88-90.