特種復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)G代碼編譯器設(shè)計(jì)*

潘海鴻，葉文海，陳 琳，張秋杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南守 530004）

特種復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)G代碼編譯器設(shè)計(jì)*

潘海鴻，葉文海，陳 琳，張秋杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南守 530004）

為解決自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的譯碼問(wèn)題，針對(duì)該復(fù)合數(shù)控系統(tǒng)在同一機(jī)床坐標(biāo)系下既要實(shí)現(xiàn)銑削功能還要能夠完成激光切割的特點(diǎn)，提出采用分段提取、逐行分析的方法設(shè)計(jì)一種適用于平面復(fù)合加工的G代碼編譯器。該G編譯器設(shè)計(jì)過(guò)程中除考慮處理傳統(tǒng)銑削加工指令外，還要考慮激光和專用夾具控制指令的代碼檢測(cè)和譯碼，并以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體形式存放編譯后的加工數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所開(kāi)發(fā)的G代碼編譯器的可行性。

特種復(fù)合加工中心；數(shù)控系統(tǒng)；G代碼編譯器

0 引言

數(shù)控技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)與信息技術(shù)，是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控技術(shù)相比開(kāi)放式全閉環(huán)數(shù)控更符合未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)［1］。“PC+NC（運(yùn)動(dòng)控制器）”型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)［2-3］具有很好外部擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性，能根據(jù)用戶要求定制特種復(fù)合加工系統(tǒng)。自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)上為“PC+NC”型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，即運(yùn)動(dòng)控制器為主體，PC作為上位機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)控制軟件處理非實(shí)時(shí)性任務(wù)［4］，如響應(yīng)用戶消息、G代碼的編譯［5］等。

數(shù)控加工代碼是指導(dǎo)數(shù)控系統(tǒng)加工的關(guān)鏈信息。目前，對(duì)數(shù)控代碼進(jìn)行處理的方式主要有兩種：解釋和編譯［6-7］。解釋需要將代碼表示成某種中間形式再加以執(zhí)行，譯碼效果有限；編譯則直接將代碼轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)上可執(zhí)行的數(shù)據(jù)流，由控制器直接讀取執(zhí)行，譯碼效果理想。在“PC+運(yùn)動(dòng)控制器”型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中，上位機(jī)PC負(fù)責(zé)將G代碼編譯成為可供運(yùn)動(dòng)控制器直接讀取的目標(biāo)程序格式，完成加工信息與非加工信息分離和有效管理。

針對(duì)自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)要求在同一機(jī)床坐標(biāo)系下既要實(shí)現(xiàn)銑削功能還要完成激光切割的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種G代碼編譯器，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工G代碼的檢錯(cuò)、譯碼及數(shù)據(jù)管理。

1 G代碼編譯器總體設(shè)計(jì)

G代碼編譯器是數(shù)控系統(tǒng)連接上（PC）下（運(yùn)動(dòng)控制器）位機(jī)的重要模塊［8］，該模塊主要完成對(duì)符合標(biāo)準(zhǔn)或特定格式要求的G代碼進(jìn)行編譯，然后以結(jié)構(gòu)體形式存放在上位機(jī)申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)數(shù)組中等待打包下發(fā)給運(yùn)動(dòng)控制器。所設(shè)計(jì)編譯器整體流程如圖1所示，在編譯器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)G代碼的詞法、語(yǔ)法分析和指令模態(tài)下傳，并對(duì)存在問(wèn)題的程序段進(jìn)行錯(cuò)誤提示。

圖1 G代碼編譯整體流程圖

2 G代碼編譯器的實(shí)現(xiàn)

自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)控制對(duì)象為特種復(fù)合加工中心，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)包括通用三軸銑削數(shù)控加工中心部分、激光軸部分和專用夾具部分。因此，G代碼編譯器設(shè)計(jì)時(shí)除了滿足常規(guī)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)G代碼指令譯碼要求外，還需識(shí)別激光軸和專用夾具控制指令。

2.1 詞法分析程序的實(shí)現(xiàn)

數(shù)控加工代碼由字母與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)組成，對(duì)其進(jìn)行詞法分析需完成數(shù)據(jù)分離、提取和格式轉(zhuǎn)換工作。根據(jù)特種復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在詞法分析程序定義的G代碼字符集中增加激光軸標(biāo)識(shí)符Q和M21、M53等激光、夾具控制指令。所設(shè)計(jì)的G代碼編譯器詞法分析步驟如下：

（1）以程序段為單位對(duì)G代碼逐行讀取，將程序段存至臨時(shí)字符串?dāng)?shù)組中。從程序段中讀取一個(gè)字符，忽略其大小寫(xiě)，判斷該字符是否在定義的數(shù)控系統(tǒng)G代碼字符集中。若不在，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型以及錯(cuò)誤位置，并跳出編譯循環(huán)提示用戶錯(cuò)誤信息；若存在，提取該字符后的數(shù)據(jù)信息。

（2）根據(jù)讀取的字符類型將其數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)字符的類型調(diào)用函數(shù)atoi（）或者atof（）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為int型或float型。當(dāng)出現(xiàn)非常規(guī)數(shù)字（如出現(xiàn)兩個(gè)正負(fù)號(hào)或一個(gè)以上小數(shù)點(diǎn)），則標(biāo)記錯(cuò)誤類型以及錯(cuò)誤位置，并跳出編譯循環(huán)提示用戶錯(cuò)誤信息。

2.2 語(yǔ)法分析程序的實(shí)現(xiàn)

詞法分析僅對(duì)G代碼程序字進(jìn)行檢測(cè)，但無(wú)法確保程序段語(yǔ)法的正確性。因此，需要對(duì)詞法分析所識(shí)別出的功能字和數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)G代碼數(shù)控指令的規(guī)則和語(yǔ)法進(jìn)行檢查。針對(duì)特種復(fù)合加工中心的主軸與激光軸的移動(dòng)位于同一方向的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在程序段語(yǔ)法分析時(shí)增加了對(duì)進(jìn)給軸的互鎖檢查。G代碼編譯中對(duì)程序段進(jìn)行如下語(yǔ)法分析：

（1）程序段號(hào)檢查：將當(dāng)前程序段號(hào)與前一段對(duì)比，若不符合遞增規(guī)律，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型；

（2）程序段模態(tài)指令檢查：標(biāo)記程序段中同組模態(tài)指令出現(xiàn)次數(shù)。當(dāng)該程序段同時(shí)存在多個(gè)同組指令，如G02 G03 X100，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型；

（3）冗余指令檢查：判斷程序中是否出現(xiàn)冗余指令或字符，如同一行中出現(xiàn)兩個(gè)X坐標(biāo)字，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型；

（4）指令數(shù)據(jù)和進(jìn)給軸行程范圍檢查：若存在數(shù)值超程，如主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)上限10000 r/min，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型；

（5）進(jìn)給軸互鎖檢查：若程序段中同時(shí)存在主軸和激光軸的運(yùn)動(dòng)指令，則標(biāo)記錯(cuò)誤類型。

當(dāng)語(yǔ)法分析過(guò)程中錯(cuò)誤類型標(biāo)記不為空，則跳出編譯循環(huán)并提示用戶錯(cuò)誤信息和程序段位置。詞法、語(yǔ)法分析程序?qū)崿F(xiàn)流程見(jiàn)圖2。

圖2 詞法、語(yǔ)法程序分析流程圖

2.3 指令模態(tài)下傳的實(shí)現(xiàn)

在G代碼中有一些模態(tài)功能［9-10］指令，如 G00、 G01等。這類指令將會(huì)保持有效直到被下一條具有相同模態(tài)功能的指令所替換，調(diào)用函數(shù)CheckSen（）實(shí)現(xiàn)程序段間的模態(tài)傳遞。具體實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖3，其中SenErr是模態(tài)下傳時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的標(biāo)記。

圖3 G代碼模態(tài)下傳流程圖

3 編譯數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

譯碼過(guò)程中需對(duì)所提取的加工代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，因此設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)體GCODE保存G代碼程序段編譯完成后所得數(shù)據(jù)，并以動(dòng)態(tài)數(shù)組存儲(chǔ)G代碼文件的全部譯碼數(shù)據(jù)。GCODE結(jié)構(gòu)體如下：

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)圖形仿真與實(shí)例加工來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)G代碼編譯器的可行性。

繪制加工零件并生成對(duì)應(yīng)G代碼，將該G代碼導(dǎo)入鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件，導(dǎo)入的部分G代碼如圖4所示，經(jīng)過(guò)編譯代碼后的軌跡仿真和實(shí)例加工的樣例分別如圖5a和圖5b所示。

圖4 導(dǎo)入的部分G代碼

圖5 上位機(jī)控制軟件仿真和實(shí)例加工樣例圖

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)自主研發(fā)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出一種既滿足一般通用性又滿足刻銑與激光切割復(fù)合加工要求的G代碼編譯器。該編譯器能夠?qū)代碼進(jìn)行詞法和語(yǔ)法分析，并提示譯碼過(guò)程中的錯(cuò)誤信息。實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所開(kāi)發(fā)的G代碼編譯器能準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)提取與解析，完成加工信息的轉(zhuǎn)換。該研究可為后續(xù)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)提供一定的借鑒作用。

［1］劉思勝，李松生，陳萍.數(shù)控G代碼解釋器和仿真模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2012（1）：172-174.

［2］周凱.PC數(shù)控原理、系統(tǒng)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］房書(shū)文，張桂香.PC內(nèi)嵌NC型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的研制開(kāi)發(fā)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2005（11）：53-55.

［4］張政，吳序堂，馬書(shū)根，等.基于軟件化體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床主控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2003，39（2）：93-97.

［5］周剛，鄔義杰，潘曉弘.數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊實(shí)時(shí)調(diào)度方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45（1）：162-166.

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［9］劉書(shū)華.數(shù)控機(jī)床與編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

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（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

The Design of G Code Compiler for Special Compound M achining Center NC System

PAN Hai-hong，YE Wen-hai，CHEN Lin，ZHANG Qiu-jie
（College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to solve the code compilation problem of self-developed laser cutting sheet metal with engraved milling machining center open NC system，the method of sub-extraction and line by line analysis was proposed to design a G-code compiler.When this G-code compiler is designed for flat composite processing，the characteristics of complex NC system in the same machine coordinate system to achieve milling and laser cutting must be considered.This designed G-code compiler not only fits to realize the traditional milling instructions，but also fits to realize G code detection and decoding of laser and special fixture control instructions.The compiled data was stored in the form of data structure.The experiments indicate that the developed G-code compiler is feasibility.

special compound machining center；NC system；G-code compiler

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）06-0071-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.020

2014-09-02，

2014-10-20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51465005）；南寧市科技攻關(guān)（20141018）

潘海鴻（1966—），男，壯族，廣西壯族自治區(qū)武鳴市人，廣西大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)，（E-mail）hustphh@163.com；通訊作者：陳琳（1973—），女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，研究方向?yàn)閿?shù)控技術(shù)、數(shù)字信號(hào)檢測(cè)與處理、伺服電機(jī)控制，（E-mail）gxdxcl@163.com。