1、基于Windows的車床微機數控系統研究(一)    摘要：本文論述了基于Windows的車床微機數控系統，重點在于微機數控系統的軟硬件體系結構、人機界面、加工軌跡仿真、數控程序語法檢驗以及數控程序譯碼等模塊的研究，這都是構建微機數控系統的關鍵問題。關鍵詞：微機數控系統，開放式1前言數控技術是先進制造技術中的一項核心技術，對加工設備實現高速、高效、高精度和高可靠性起著舉足輕重的作用。到21 世紀初，數控系統技術以新的技術思路、新的體系結構迅速發展，數控系統體系結構由專用型封閉式向通用型開放式發展，數控系統的性能、功能向智能化、高速、高精、高效發展。數控系

2、統采用開放體系結構，使得數控系統有了新的生命力。開放式數控系統打破了傳統數控系統所存在的缺乏共同性和標準接口，不同品牌的系統互不兼容的封閉式體系結構。一個開放式系統能使得各種應用系統可以有效地運行于不同供應商提供的不同平臺之上，可以與其它應用系統相互操作，并具有風格一致的用戶交互界面。PC作為世界范圍內的標準化通用性產品，具有良好的可靠性和兼容性，隨著PC機的抗干擾性、可靠性和穩定性不斷提升，進一步縮小甚至超過專用控制機的性能，因此，利用現有PC機的軟硬件規范設計開放式數控系統已經成為一種發展方向。基于PC的開放式數控系統具有如下重要的技術特征：1)采用PC作為控制系統的核心，可以節省開發專用

3、硬件的費用，大大降低系統的成本；市場上大量PC軟件開發工具使系統開發工作量大大減少。2) PC總線是開放性總線，PC數控系統的體系結構具有開放性、模塊化、可兼容的特點。機床廠和用戶可以根據需要選擇合適的軟硬件模塊，以最低的成本組成性能最佳系統，也可方便地進行二次開發，擴展系統功能,實現功能的個性化。3)軟件資源豐富，易于實現系統智能化。4)在通用PC的結構上很容易實現與計算機系統或數控系統通訊。因此基于PC機構建的數控系統能夠較好的滿足開放式數控系統的功能要求，使數控系統具有良好的可靠性、兼容性和開放性。Windows是PC機上的主流操作系統，大多數的終端用戶都熟悉Windows的操作，在Wi

4、ndows上可以運行種類豐富的應用軟件，Windows帶有網絡功能并支持硬件設備的即插即用。Windows有大量高效易用的集成開發環境，Win32 API已是軟件開發的事實上標準，通過Win32 API可以方便的調用操作系統的各種功能，提高軟件開發的效率。2數控系統設計思路系統采用“NC嵌入PC”結構的開放式結構，以運動控制卡作為核心控制器，以PC作為主機，形成了主從型開放式數控系統。由于Windows操作系統不具備實時性，在Windows系統上不能運行有強實時性要求的軟件，因此把對實時性要求很高的任務，如軌跡差補、位置控制、速度控制等，交給運動控制卡內部的CPU來處理，而狀態顯示、程序編輯、

5、參數設置等非實時性任務則可以運行在由PC機和Windows操作系統構成的平臺之上。系統軟件選用Visual C+ 6.0作為開發工具，Visual C+ 是一個基于Windows操作系統的可視化集成開發工具，它支持面向對象程序設計方法，可以使用功能強大的微軟基礎類庫MFC，用Visual C+開發出來的軟件穩定性好、可移植性強，而且軟件與硬件相互獨立，因此Visual C+成為控制系統程序的首選開發工具。軟件開發采用“自頂向下”的模式，首先由人機界面開始搭建整個數控系統軟件的框架，然后按照數控系統軟件原理圖的結構，對各功能模塊逐個進行開發。在開發NC和PLC模塊時要充分利用運動控制卡提供的功能

6、函數庫，通過調用庫中的函數完成軌跡差補和I/O控制等功能。3數控系統硬件設計依據微機數控系統的硬件原理圖，如圖1所示，系統硬件的主體由PC機和運動控制卡組成，兩者之間通過PCI或ISA總線進行連接。機床X/Z軸的伺服驅動單元以及刀架、行程開關等設備需要通過I/O接口板與運動控制卡的I/O口進行連接。因此系統硬件設計的主要任務是選購PC機、運動控制卡和伺服驅動單元等設備，研究運動控制卡和伺服驅動單元等設備的I/O接口信號規范，在此基礎上設計I/O接口板，使設備之間的連接整齊有序。機床電器I/O信號 極限和回零行程開關 X/Z軸伺服驅動單元 刀架、脈沖編碼器 X軸電機 Z軸電機 PC機 PCI/I

7、SA總線 運動控制卡 I/0接口板 I/0接口板 圖1 數控系統硬件原理圖 4數控系統軟件設計 整個微機數控系統設計的主要任務是設計系統軟件。系統軟件的工作原理如圖2所示，整個數控系統運行在具有開放性的Windows操作系統平臺上，數控系統軟件通過Windows API來共享Windows系統的資源，通過運動控制卡API來使用運動控制卡提供的控制功能。數控系統軟件劃分為人機界面、NC、PLC、參數設置和專家系統五大模塊，每個模塊又進一步劃分成若干個小模塊，這就使整個系統軟件結構層次清晰。操作面板 狀態顯示 程序編輯 程序譯碼 語法檢查 軌跡修正 緩沖區 刀架控制 行程控制 機床I/O控制 參數

8、設置 參數管理 知識庫 推理機 工藝譯碼 運 動控制卡內部程序 軌跡差補 位置控制 人機界面 NC PLC 參數 專家系統 速度控制 數 控 系 統 軟 件 Windows API 運動控制卡 API I/0控制 Windows98/2000系統 數 控 系 統 硬 件 平 臺 圖2 數控系統軟件原理圖 因為運動控制卡的內部程序能夠執行數控系統的強實時性任務，如位置控制、軌跡插補、速度處理、I/O控制等，所以，數控系統軟件開發的重點在于如何使用Windows系統和運動控制卡提供的各種接口函數來實現系統軟件中人機界面、程序譯碼、參數設置等非高實時性任務模塊的功能。41 數控系統人機界面通過參考國

9、內外主流數控系統以及數控仿真軟件的界面，結合微機數控系統的特點，設計出了簡潔美觀、操作方便的人機界面，如圖3所示。整個軟件界面劃分成顯示編輯窗口、控制面板和狀態面板三大部分，顯示編輯窗口又可以在坐標顯示、程序編輯和圖形模擬三種顯示模式之間進行切換，而且各個窗口還可以由用戶選擇打開或者關閉，這樣的界面設計可以在有限的屏幕空間內顯示出運動坐標、機床工作狀態以及數控加工程序等許多數據，方便用戶進行操作。控制面板將工業數控系統控制面板上的按鍵、旋鈕等元件用圖標進行模擬，只要點擊鼠標就能完成各種操作。例如在進行進給倍率調整時，在進給倍率旋鈕上單擊鼠標左鍵，使旋鈕逆時針旋轉減小進給倍率，反之單擊右鍵使旋鈕

10、順時針旋轉，增大進給倍率。這樣就充分利用微機系統中鼠標、鍵盤等I/O設備，從而省略了控制面板硬件的設計。在狀態面板中可以集中顯示出工件坐標、加工參數（F、S、T）和進給倍率等常用加工數據，使用戶能較全面的了解機床當前的運行狀況。圖3 系統主界面 加工軌跡模擬采用二維界面對工件切削過程進行仿真，如圖4所示，圖中藍色方框表示工件毛胚，綠色網格表示卡盤，灰色四邊形表示刀具。在對數控加工程序進行模擬運行時，刀具能根據程序的要求進行運動，當刀具與工件接觸時，相交部分會被切除，運動效果與實際切削過程一致。為方便用戶觀察仿真過程，圖形界面還可以進行平移和縮放，利用加工軌跡模擬功能可以檢驗數控程序的運效果，從

11、而檢查出程序中的錯誤。42 數控程序語法檢驗 數控程序在運行前必須通過語法檢驗，其中包括詞法檢查和語法檢查兩個步驟。詞法檢查主要是檢查G代碼中每一指令字中的地址符及其后面的數字類型，數字范圍是否符合G代碼中的規則，如在程序中不能出現未定義的字符，地址符后的X，Z的坐標值必須由數字和正負號組成，且不能超過機床本身最大的工作行程。語法檢查主要是檢查數控指令是否符合數控系統的語法規則。例如同組指令不能出現在同一程序段，指令的某些參數必須要明確指定等。 當檢查到語法錯誤時，在屏幕下方的信息輸出窗口會顯示出錯信息，指出數控程序中發生錯誤的位置和原因，只要雙擊出錯信息，光標就會自動定位到數控程序中的相應程

12、序段，方便用戶進行修改。如圖5所示。圖4 加工模擬界面 43 數控程序譯碼數控譯碼模塊采用了Windows的多線程和緩沖技術，由一個獨立的線程進行譯碼，將數控程序中的各種參數以標準格式存入譯碼緩沖區，然后由插補線程從緩沖區中讀取數據，根據要求調用相應的運動控制卡API插補函數，實現對機床的插補控制。譯碼緩沖區是由12個數據結構組成的循環隊列，每個緩沖區單元設置一個MARK標志，如果MARK為“0” ，表示緩沖區為空閑狀態，此時譯碼線程可以將數據存入緩沖區，但插補線程不能讀取數據；如果MARK為“1”時，表示緩沖區為寫滿狀態，此時插補線程可以從緩沖區讀取數據，但譯碼線程不能寫入數據。多線程和緩沖技術可以實現譯碼和插補運算的并行處理，提高了系統的運行效率。4 圖5 語法檢驗 4 系統參數設置系統參數的設置與系統運行性能息息相關，因此系統軟件應具備對系統參數進行設置和管理的功能。系統參數包括坐標軸參數（電子齒輪比、坐標軸軟限位、快速進給速度等）、誤差補償參數（反向間隙值、螺距誤差補償值）和機床參數等。為方便用戶對參數進行管理，參數設置模塊還具