基于UG的數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)開發(fā)

周曉慧，陳岳坪，楊 翊

（1.廣西科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 柳州 545006；2.柳州市特種設(shè)備檢驗(yàn)所，廣西 柳州 545006）

1 引言

2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)控機(jī)床的效率發(fā)揮與程序的傳輸方式密切相關(guān)。目前，隨著以“先進(jìn)制造技術(shù)”為主題的制造業(yè)興起[1]，數(shù)控機(jī)床依靠傳統(tǒng)的數(shù)控程序傳輸方式已無法滿足需求。同時(shí)，隨著原位檢測技術(shù)的快速發(fā)展，原位測量的高速高精度化，發(fā)展面向集成的原位檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)原位檢測系統(tǒng)與CAD/CAM系統(tǒng)的無縫連接已成必然趨勢。因此，針對以上要求，對UG6.0進(jìn)行二次開發(fā)，增加基于加工檢測集成的數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)原位檢測與CAD/CAM的有效集成。

圖1 基于UG的數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)的組成Fig.1 Composition of Serial Communication System for CNC Machine Tool Based on UG

通訊系統(tǒng)主要是由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)、測頭系統(tǒng)、工件和UG軟件五部分組成[2]，如圖1所示。UG軟件在整個(gè)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，通過對它增加基于加工檢測集成的數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)模塊，實(shí)現(xiàn)了PC端與NC端的數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)現(xiàn)邊傳輸邊加工，邊傳輸邊檢測的操作。

3 動(dòng)態(tài)鏈接庫開發(fā)UG界面

目前，用戶對UG的二次開發(fā)主要還是依靠UG/Open API，也稱User Function[3]。另外，用戶界面的設(shè)計(jì)開發(fā)大多是采用UG/Open UI Styler。然而，同Windows應(yīng)用程序開發(fā)工具相比，UI Styler包含的控件相對較少，功能有限，受到的局限因素較多，編程過程復(fù)雜，執(zhí)行效果較差。盡管UG的應(yīng)用程序采用Microsoft Visual C++6.0（VC）作為編譯器，但是由于受到UG/Open API的限制，目前還不能在UG/Open API中直接調(diào)用Microsoft Fundament Class（MFC）。

數(shù)控機(jī)床原位檢測要實(shí)現(xiàn)的效果是，待加工工件在數(shù)控機(jī)床上加工完畢，沒有進(jìn)行二次裝夾的情況下，將機(jī)床上的加工刀具直接換成檢測測頭，當(dāng)檢測測頭的紅寶石觸碰工件時(shí)[4]，機(jī)床能夠?qū)崟r(shí)記錄當(dāng)前工件上觸碰點(diǎn)的坐標(biāo)值（實(shí)際上是測頭球心的坐標(biāo)值，只是在建立檢測工件坐標(biāo)系時(shí)加了偏置補(bǔ)償，因而數(shù)控系統(tǒng)中記錄的坐標(biāo)值就轉(zhuǎn)化成工件上檢測點(diǎn)的坐標(biāo)值了）并通過宏程序傳輸?shù)綑C(jī)床串口，供原位檢測系統(tǒng)計(jì)算機(jī)端的采集和處理。因此，對于接收檢測結(jié)果的編程應(yīng)采用消息響應(yīng)機(jī)制，即發(fā)現(xiàn)信號啟動(dòng)接收機(jī)制，并將檢測結(jié)果在屏幕上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。而MFC擁有著編程可視化、使用方便、控件豐富、強(qiáng)大易控制并且還可利用Windows的消息機(jī)制，直接開發(fā)中文界面的特點(diǎn)。因此，我們要突破UG/Open API對MFC直接調(diào)用的禁錮，尋求一種新方法完成基于UG數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)。

3.1 開發(fā)環(huán)境的設(shè)置

對UG進(jìn)行二次開發(fā)的第一步是要設(shè)置UF源程序的環(huán)境變量，其目的是方便UG找到二次開發(fā)可執(zhí)行程序的入口，有助于啟動(dòng)UG時(shí)必要信息的載入。在MicrosoftVisualStudio平臺中原本是沒有UG二次開發(fā)模塊的，需要在MicrosoftVisualStudioCommonMSDev98Template中添加ugopen.awx和ugopen.hlpl兩個(gè)文件。

新建系統(tǒng)環(huán)境變量“UGII_USER_DIR”[5]，變量值為自定義目錄，如圖2所示。在這個(gè)自定義的目錄下新建application文件夾和startup文件夾[5]。前者用來放置對話框文件（*.dlg）、圖片文件（*.bmp），后者則放置菜單文件（*.men）文件、二次開發(fā)程序（*.dll），這樣設(shè)置后就可在UG軟件中看到用戶定制的功能模塊。

圖2 系統(tǒng)添加用戶變量Fig.2 Adding User Variables to System

3.2 動(dòng)態(tài)鏈接庫的搭建

在Visual C++6.0的開發(fā)環(huán)境中，UG/Open AppWizard、Win32 Dynamic-Link Library和均可作為UG二次開發(fā)的工程向?qū)АＨ欢?，這三者中只有MFC Wizard（DLL）可充分調(diào)用MFC類庫中的資源創(chuàng)建（dll）。另外，對于MFC本身，因包含應(yīng)用程序框架并以C++類的形式封裝Windows API，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可大大減少程序開發(fā)人員的工作量，故通過調(diào)用MFC類庫的方式，進(jìn)行基于UG的數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)的開發(fā)。UG可通過DLL實(shí)現(xiàn)UG系統(tǒng)內(nèi)部與自身圖形界面的通信[6]，并且該執(zhí)行方式運(yùn)行速度快，故選用MFC Wizard（DLL）作為工程向?qū)?。DLL的調(diào)用過程，如圖3所示。接口實(shí)現(xiàn)方案，如圖4所示。通過載入DLL文件的方式，實(shí)現(xiàn)UG與MFC的集成和運(yùn)行，從而可直接調(diào)用MFC豐富的函數(shù)資源，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的通信。

圖3 DLL的調(diào)用過程Fig.3 DLL Calling Procedure

圖4 接口實(shí)現(xiàn)方案Fig.4 Implementation Scheme of Interface

具體實(shí)現(xiàn)過程如下：（1）在VisualC++6．0的應(yīng)用程序創(chuàng)建向?qū)е羞x擇MFCAppWizard（dl1），應(yīng)用程序類型為Regular DLL using sharedMFCDLL。（2）設(shè)置UG應(yīng)用開發(fā)環(huán)境。在Project-Setting-Link中，Object／librarymodules文本框中添加UG庫文件libufun.1ib和 libugopenint.1ib。（3）配置路徑選項(xiàng)，選擇 Tools-Options，選擇Directoris選項(xiàng)卡，分別在LibraryFiles和IncludeFiles中添加UG根目錄下UGOPEN文件夾所在的路徑。編寫應(yīng)用程序，在其主程序中添加UG的入口函數(shù)ufusr（）。（4）建立MFC對話框并添加調(diào)用MFC函數(shù)。在菜單命令中選擇Insert--Resource，選擇Dialog，創(chuàng)建Windows風(fēng)格對話框。（5）在應(yīng)用程序中添加 ufusr_ask_unload（）卸載函數(shù)和PrintErrorMessage（）錯(cuò)誤處理函數(shù)代碼，編譯，連接，生成動(dòng)態(tài)連接庫文件（*．dll）。啟動(dòng)UG，通過工具條和MenuScript編輯的菜單完成調(diào)用。

4 原位檢測數(shù)控機(jī)床串口通訊的實(shí)現(xiàn)

串口通信，即收發(fā)雙方可在單根數(shù)據(jù)線上按位（bit）進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳輸[7]。并行通信是按字節(jié)（byte）傳輸?shù)?，傳輸速度雖快，但其抗干擾能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及串行通信。將串口通信應(yīng)用于原位檢測數(shù)控機(jī)床通訊系統(tǒng)中，可實(shí)現(xiàn)邊傳輸邊加工，邊傳輸邊檢測，促進(jìn)數(shù)控程序傳輸?shù)目旖莺涂煽啃缘奶岣?。目前，RS—232C已成為DET（數(shù)據(jù)終端設(shè)備，如計(jì)算機(jī)）和DCE（數(shù)據(jù)通信設(shè)備）的接口標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)上的COM口就是RS—232C接口，除了老式的臺式機(jī)電腦和工控機(jī)還保留著DB—9的公頭連接器外，現(xiàn)在筆記本電腦和臺式機(jī)電腦上都要使用USB進(jìn)行串口轉(zhuǎn)換與RS—232C數(shù)據(jù)線進(jìn)行連接使用。故通過RS—232C標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的全雙工串行通訊。

4.1 主界面的設(shè)計(jì)

使用動(dòng)態(tài)鏈接庫開發(fā)UG環(huán)境下的界面對話框，并添加控件，如圖5所示。

4.2 串口通訊編程

Visual C++進(jìn)行串口應(yīng)用程序的開發(fā)，常用的方式有兩種。一種是使用微軟的MSComm（Microsoft Communication Control）控件，另一種是使用Win API。前者應(yīng)用簡單快捷，但其靈活性差，特別是在UG/Open中，部分控件的函數(shù)處理非常麻煩，而且其最多僅支持16個(gè)串口；相反，后者功能強(qiáng)大，編程靈活且穩(wěn)定性強(qiáng)，并且針對不同的要求，有多種應(yīng)用方式，如重疊I/O方式、簡單查詢方式以及事件驅(qū)動(dòng)方式?？紤]到數(shù)控機(jī)床用戶使用的靈活性和通用性，采用了Win API方式進(jìn)行串口通信應(yīng)用程序的編寫。同時(shí)，對于原位檢測的數(shù)控機(jī)床而言，串口通信數(shù)據(jù)到來的時(shí)刻是隨機(jī)的，若應(yīng)用查詢方式將極度浪費(fèi)系統(tǒng)資源；而重疊I/O方式，是依據(jù)I/O請求創(chuàng)建線程[8]，當(dāng)同一時(shí)刻請求量多時(shí)，系統(tǒng)的處理效率會大大降低，特別是有數(shù)據(jù)到來時(shí)，程序是無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)接收的。相反，事件驅(qū)動(dòng)的方式則是通過事件來觸發(fā)消息，系統(tǒng)通過消息響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行處理。故選擇此應(yīng)用方式，可實(shí)現(xiàn)串口接收緩沖區(qū)在處理接收數(shù)據(jù)的同時(shí)仍可處于接收或者等待數(shù)據(jù)傳輸?shù)臓顟B(tài)，程序的執(zhí)行效率顯然會大大地提高。

圖5 UG環(huán)境下主界面對話框圖Fig.5 Main Interface Diagram of the Dialogue Based on UG

4.3 多線程串口的應(yīng)用

在串口編程中，當(dāng)使用WinAPI編寫串口程序及事件驅(qū)動(dòng)方式時(shí)，通常要考慮使用多線程編程。因?yàn)榇藭r(shí)串口的事件狀態(tài)需要被程序循環(huán)檢測，當(dāng)串口出現(xiàn)收發(fā)事件時(shí)，串口的讀寫操作則必須立即進(jìn)行。從文獻(xiàn)[8]可知，MFC可以支持工作者線程和用戶界面線程，通過函數(shù)AfxBeginThread（）均可實(shí)現(xiàn)這兩種類型線程的創(chuàng)建，只是函數(shù)參數(shù)不同。兩者的根本區(qū)別是工作者線程沒有消息循環(huán)和消息機(jī)制，只是進(jìn)行程序的后臺工作。與之相反，用戶界面線程是由CWinThread類派生出，主要用于處理用戶的中斷輸入并響應(yīng)各種對應(yīng)的消息和事件。因此，采用用戶接口線程。有了線程，可由主界面調(diào)用串口配置對話框，完成串口參數(shù)的配置，如圖6所示。

圖6 配置串口參數(shù)Fig.6 Configuration of Serial Port Parameters

4.4 自定義消息函數(shù)

自定義消息的發(fā)出和處理可由程序員自己掌握，相對于一般由系統(tǒng)函數(shù)處理的系統(tǒng)消息而言，使用起來比較靈活，主要應(yīng)用于消息驅(qū)動(dòng)事件。故采用自定義消息函數(shù)，可由以下步驟完成。

2.1.6 穩(wěn)定性試驗(yàn) 取KC粉末0.30 g，精密稱定，按照“2.1.3”項(xiàng)下方法制備試品溶液，室溫放置，分別于0、4、8、12、16、20、24 h按照“2.1.1”項(xiàng)下色譜條件進(jìn)樣，記錄峰面積，金絲桃苷、朝藿定B、朝藿定A、朝藿定C、淫羊藿苷、木犀草素、槲皮素、川陳皮素、山柰酚、寶藿苷I峰面積的RSD值分別為0.15%、0.58%、0.32%、1.11%、0.98%、1.58%、0.55%、0.68%、1.03%、0.25%，表明供試品溶液在室溫下24 h內(nèi)穩(wěn)定。

（1）聲明自定義消息

#defineWM_RECEIVEWM_USER+101

#defineWM_SENDWM_USER+102

（2）聲明消息處理函數(shù)

afx_msgLRESULTOnReceive（WPARAM wParam,LPARAM lParam）；

afx_msgLRESULT OnSend（WPARAM wParam,LPARAM lParam）；

（3）將消息映射宏代碼添加到類文件程序中

ON_MESSAGE（WM_SEND，OnSend）

（4）將消息處理函數(shù)添加到類實(shí)現(xiàn)文件中

LRESULTCCommDlg：：OnReceive（WPARAMwParam,LPARAMlParam）LRESULT CCommDlg：：OnSend（WPARAM wParam，LPARAM lParam）

5 數(shù)控機(jī)床串口通訊的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，通過正確配置環(huán)境變量后，可在UG軟件的菜單欄中看到數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)模塊，如圖7所示。

圖7 UG軟件菜單欄中的數(shù)控機(jī)床串口通訊Fig.7 Serial Communication System of CNC Machine Tool in UG Software Menu Bar

為驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，在我校加工中心，配備FANUCSeries Oi-MD數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行了數(shù)控機(jī)床串口通訊實(shí)驗(yàn)，主要步驟如下：

（1）設(shè)置好計(jì)算機(jī)及機(jī)床端參數(shù)，如圖6所示。

（2）數(shù)控系統(tǒng)面板的操作。

（a）找到控制面板MODE模塊，將旋鈕調(diào)置EDIT狀態(tài)下。

（b）在NC鍵盤上按下[PROG]鍵

（c）顯示裝置：［列表+］→［操作］→［F輸入］→設(shè)定文件名→［執(zhí)行］→SKP閃爍

（d）等待計(jì)算機(jī)端發(fā)送

選擇待發(fā)送的檢測程序文件（*.txt），如圖5所示。

點(diǎn)擊［發(fā)送檢測程序］，在機(jī)床控制面板顯示裝置上可以查看到發(fā)送的程序，如圖8所示。數(shù)控機(jī)床檢測程序開始運(yùn)行后，則會通過檢測測頭系統(tǒng)，將檢測結(jié)果先在數(shù)控系統(tǒng)中存儲，再通過RS232傳輸裝置傳送到計(jì)算機(jī)中，可對檢測結(jié)果進(jìn)行保存，如圖5所示。

圖8 數(shù)控機(jī)床端接收到的檢測程序Fig.8 Receiving Inspection Program for CNC Machine Tool

6 結(jié)論

開發(fā)了一種基于UG的原位檢測數(shù)控機(jī)床串口通訊系統(tǒng)。針對不能在UG/Open API中直接調(diào)用Microsoft Fundament Class（MFC）的問題，即無法使用MFC來編寫UG應(yīng)用程序的界面，采用動(dòng)態(tài)鏈接庫的方法開發(fā)UG界面，使用多線程調(diào)用串口配置對話框，完成串口參數(shù)的配置，利用消息響應(yīng)函數(shù)，完成對事件的處理，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的串口通訊。

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