基于開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

摘 要：以開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立并開(kāi)發(fā)了一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)原理實(shí)驗(yàn)與教學(xué)平臺(tái)。以模塊化方法建立了開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)的軟件核心，各模塊間通過(guò)應(yīng)用程序接口和共享內(nèi)存進(jìn)行交互。通過(guò)程序代碼編寫、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)運(yùn)行和實(shí)際加工等實(shí)驗(yàn)過(guò)程，說(shuō)明數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與運(yùn)行原理。所建立的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)可作為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)踐課程的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：開(kāi)放式軟數(shù)控；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；數(shù)控技術(shù)；模塊化

引言

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)與CAD、CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互更加頻繁，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的功能提出了更高的需求，傳統(tǒng)的數(shù)控技術(shù)存在的問(wèn)題日益凸顯，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代制造業(yè)和產(chǎn)品生產(chǎn)的需求[1，2]。在目前的數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)實(shí)際操作完成手動(dòng)控制、編寫G代碼和自動(dòng)運(yùn)行等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本操作方法。開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)具有可互換、可移植、互操作和可擴(kuò)展等特性，其核心功能全部由軟件實(shí)現(xiàn)，學(xué)生可以通過(guò)編寫源代碼和程序調(diào)試等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，了解數(shù)控系統(tǒng)底層的工作原理，例如G代碼解釋、插補(bǔ)計(jì)算和總線通信等[3，4]。本文將以開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，建立一個(gè)用于數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為描述新型數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程與運(yùn)行原理提供軟硬件支持。

1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文以開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)為基礎(chǔ)，采用模塊化體系為結(jié)構(gòu)，建立了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)各個(gè)模塊間的交互與協(xié)同工作機(jī)制進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)包括硬件平臺(tái)與軟件平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的硬件主要包括3個(gè)部分：

（1）數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)為開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)，可以在通用計(jì)算機(jī)、工作站和工控機(jī)上運(yùn)行。目前所采用的硬件平臺(tái)為艾訊（AXIOMTEK）工業(yè)PC機(jī)。

（2）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的主要組成部分是通訊卡、驅(qū)動(dòng)器、IO模塊和電機(jī)。系統(tǒng)所采用的運(yùn)動(dòng)控制總線為SERCOS總線。系統(tǒng)采用的SERCOS接口卡為Bosch Rexroth公司生產(chǎn)的被動(dòng)式SERCOS主站卡，型號(hào)為PCM-S11.2，主控芯片為SERCON816。

（3）加工設(shè)備。加工設(shè)備主要包括機(jī)床本體、夾具和刀具等。機(jī)床本體采用齊齊哈爾第二機(jī)床廠生產(chǎn)的XKV715型3軸立式銑床，改造為雙回轉(zhuǎn)工作臺(tái)式5軸數(shù)控銑床。夾具和刀具會(huì)根據(jù)后續(xù)研究與實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行選擇。

1.2 軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，其中最重要的部分是系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最基本的軟件組成部分，主要任務(wù)是控制和協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備，支持應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和運(yùn)行，調(diào)度、監(jiān)控和維護(hù)計(jì)算機(jī)運(yùn)行。系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)、程序語(yǔ)言、處理程序、數(shù)據(jù)庫(kù)管理和輔助程序等。

在操作系統(tǒng)方面，本研究選擇了Microsoft公司開(kāi)發(fā)的Windows XP SP2操作系統(tǒng)。Windows系統(tǒng)是目前使用最為廣泛的操作系統(tǒng)，有豐富的Win32應(yīng)用程序接口和應(yīng)用程序作為支持，有大量開(kāi)發(fā)人員和終端用戶，因此在控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

在編程語(yǔ)言方面選擇了應(yīng)用廣泛的C++，由于SERCOS接口在運(yùn)行時(shí)首先要進(jìn)行復(fù)雜的初始化操作，這增加了使用者的開(kāi)發(fā)難度。SERCANS的開(kāi)發(fā)成本和難度依然較高，因此出現(xiàn)了SoftSERCANS的概念，將SERCANS主控功能移植到軟件抽象層，在Windows操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立實(shí)時(shí)擴(kuò)展子系統(tǒng)，保證SERCOS接口通信的實(shí)時(shí)性。

1.3 開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)軟件模塊開(kāi)發(fā)

本文采用模塊化方法來(lái)構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)的軟件內(nèi)核，將數(shù)控系統(tǒng)的功能劃分為不同的功能組，每組功能都由一個(gè)軟件模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。控制器的結(jié)構(gòu)包括4個(gè)主要模塊，分別為人機(jī)界面模塊、譯碼模塊、任務(wù)協(xié)調(diào)模塊和軸組模塊。

人機(jī)界面模塊是基于對(duì)話框的MFC程序，是系統(tǒng)啟動(dòng)的入口。人機(jī)界面模塊首先完成系統(tǒng)的初始化工作，然后啟動(dòng)其它相關(guān)的模塊。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)接受操作者的輸入，調(diào)用其它模塊的功能對(duì)用戶的輸入進(jìn)行響應(yīng)。系統(tǒng)協(xié)調(diào)模塊進(jìn)程啟動(dòng)后，會(huì)進(jìn)行初始化進(jìn)程間通信、加載實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、啟動(dòng)相關(guān)線程和設(shè)置定時(shí)器等工作，在后臺(tái)支撐著整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行。軸組模塊是基于RTdll的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，主要功能是完成插補(bǔ)、加減速、前瞻控制和智能控制等功能，將任務(wù)生成模塊生成的運(yùn)動(dòng)段轉(zhuǎn)化為一系列以插補(bǔ)周期為間隔的目標(biāo)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

系統(tǒng)調(diào)試在VC++ 6.0環(huán)境下進(jìn)行，首先打開(kāi)4個(gè)軟件模塊對(duì)應(yīng)的VC工程，從左側(cè)的類視圖與資源視圖中定位具體功能所對(duì)應(yīng)的C++類，然后在右側(cè)的代碼窗口中編寫代碼，實(shí)現(xiàn)具體的功能。系統(tǒng)共有4個(gè)工程，分別為HmiModule、PLCManager、NISTTaskgeneratorModule和AxisGroupModule，對(duì)應(yīng)著4個(gè)軟件模塊。代碼編寫完成后，首先進(jìn)行編譯，確定沒(méi)有錯(cuò)誤和警告后，即可運(yùn)行。HmiModule編譯后生成一個(gè)可執(zhí)行文件，PLCManager編譯后生成一個(gè)實(shí)時(shí)可執(zhí)行文件，NISTTaskgeneratorModule編譯后生成一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，AxisGroupModule編譯后生成一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。雙擊HmiModule編譯生成的可執(zhí)行文件，即可打開(kāi)人機(jī)界面。在界面上依次點(diǎn)擊“啟動(dòng)SERCOS”、“寫參數(shù)”和“運(yùn)行CNC”按鈕，即可啟動(dòng)實(shí)時(shí)進(jìn)程。之后，分別切換至手動(dòng)和自動(dòng)模式，測(cè)試相應(yīng)的系統(tǒng)功能。在自動(dòng)模式時(shí)，點(diǎn)擊“讀G代碼”按鈕，可以打開(kāi)數(shù)控指令文件，之后點(diǎn)擊“送G代碼”按鈕開(kāi)始傳送，最后點(diǎn)擊“循環(huán)”按鈕開(kāi)始實(shí)際加工。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文為數(shù)控技術(shù)實(shí)踐教學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于開(kāi)放式軟數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了開(kāi)發(fā)與調(diào)試。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可完成數(shù)控系統(tǒng)源代碼編寫、系統(tǒng)調(diào)試、系統(tǒng)運(yùn)行和實(shí)際加工等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。通過(guò)源代碼的編寫、編譯和調(diào)試，能夠使學(xué)生掌握數(shù)控系統(tǒng)底層的運(yùn)行原理，而實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛲瓿蓚鹘y(tǒng)數(shù)控技術(shù)實(shí)踐課程的內(nèi)容。本文所開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)具有開(kāi)放性，可以通過(guò)改寫和添加源代碼與軟件模塊的方式增加新的功能，為各種新型數(shù)控系統(tǒng)功能的實(shí)踐教學(xué)提供了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：韓德東（1962-），男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院工程師，學(xué)士，研究方向：數(shù)控技術(shù)、數(shù)字化制造、模具CAD/CAM技術(shù)等。