基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)研究

　　當(dāng)前，開(kāi)放型、模塊化和集成化已成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。 為此，世界各國(guó)都在抓緊研究制訂開(kāi)放式高性能數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)及其規(guī)范，并進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，如美國(guó)的NGC、OMAC項(xiàng)目、歐洲的OSACA計(jì)劃及日本的OSEC計(jì)劃等。 與此同時(shí)，世界上各大數(shù)控生產(chǎn)廠商也紛紛推出了基于開(kāi)放式、模塊化和集成化的高性能數(shù)控系統(tǒng)。

　　關(guān)于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征通常認(rèn)為其包括硬件系統(tǒng)的開(kāi)放性和軟件系統(tǒng)的開(kāi)放性，開(kāi)放的硬件系統(tǒng)由微型機(jī)及模塊化的速度控制單元、位置控制單元和內(nèi)置的PC構(gòu)成；開(kāi)放的軟件系統(tǒng)是指數(shù)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模塊化及模塊間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。 目前，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)有；種實(shí)現(xiàn)途徑: 一是PC機(jī)f數(shù)控專用模板；二是PC機(jī)+可編程運(yùn)動(dòng)控制器；三是純PC機(jī)型。

　　這種基于開(kāi)放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以通用微機(jī)為平臺(tái)，以PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開(kāi)放式可編程運(yùn)動(dòng)控制器為核心。 通用PC機(jī)負(fù)責(zé)如數(shù)控程序編輯、人機(jī)界面管理等功能，運(yùn)動(dòng)控制器負(fù)責(zé)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制和邏輯控制。 這種運(yùn)動(dòng)控制器以運(yùn)動(dòng)子程序的方式解釋執(zhí)行數(shù)控程序，以PC子程序方式實(shí)現(xiàn)機(jī)床邏輯控制，支持用戶的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)展，具有上、下兩級(jí)的開(kāi)放性。 美國(guó)Delta Tau公司的PMAC是這種運(yùn)動(dòng)控制器的典型代表，其擁有自身的CPU，同時(shí)開(kāi)放包括通信端口、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大部分地址空間，具有靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計(jì)算機(jī)所有資源等特點(diǎn)。 雖然國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)方面作了大量的研究工作，但都還處于研究階段，用于生產(chǎn)或產(chǎn)品化還基本沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。

1 基于PMAC數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

　　1.1 BPMAC軟件的開(kāi)放性

　?。?）支持各種高級(jí)語(yǔ)言，用戶可以使用:VB、VC、Delphi等在Windows件平臺(tái)上定制用戶專用界面。

　?。?）在數(shù)控語(yǔ)言上對(duì)用戶開(kāi)放，不僅支持用戶直接調(diào)用現(xiàn)有的直線、圓弧、樣條曲線的插補(bǔ)指令!而且還允許用戶自定義G代碼、M代碼、D代碼、S代碼，實(shí)現(xiàn)以往數(shù)控語(yǔ)言所不能完成的功能。

　　（3）提供內(nèi)裝式軟件化的PLC，可以編制64個(gè)異步PC程序，通過(guò)一些指針變量，用戶可以按位"按字節(jié)進(jìn)行邏輯控制。

　?。?）可共享PC微機(jī)豐富的各類支撐軟件和工具軟件，方便地與各類網(wǎng)絡(luò)連接，與(’2a(’&系統(tǒng)連接，便于遠(yuǎn)程診斷、網(wǎng)絡(luò)制造和制造系統(tǒng)集成控制的實(shí)現(xiàn)。

　　1.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

　　通過(guò)CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序編程接口，開(kāi)發(fā)CNC系統(tǒng)的用戶界面可以選用各種能夠調(diào)用Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編程語(yǔ)言，如VB、VC、Delphi等，分別編制不同任務(wù)的前端用戶界面程序，具有很大的靈活性和開(kāi)放性。 軟件開(kāi)發(fā)人員通過(guò)CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序接口的統(tǒng)一支持，可以方便地構(gòu)造CNC系統(tǒng)的應(yīng)用軟件!即構(gòu)造前端用戶操作界面。 Delta Tau公司提供了Pcimm32應(yīng)用程序通訊驅(qū)動(dòng)器，它包括了同PMAC通訊的各種方式，而且將其主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝，形成一種可根據(jù)用戶需要而調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。通過(guò)這些函數(shù)可以完成PMAC與PC機(jī)之間的通訊功能，用戶不用直接對(duì)端口進(jìn)行操作就可以完成對(duì)PMAC硬件的操作，并且程序設(shè)計(jì)靈活、迅速及可移植性好。 如OpenPmacDeve（）函數(shù)用于與某一個(gè)PMAC設(shè)備建立通訊關(guān)系；PmacGetResponse（）函數(shù)用于給PMAC發(fā)送指令并返回執(zhí)行結(jié)果，等等。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2 舉例

　　在硬件系統(tǒng)方面，設(shè)計(jì)了一套基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制器的五軸數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，其中；個(gè)移動(dòng)分別由步進(jìn)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，光柵尺和編碼器反饋，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分別由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)蝸輪蝸桿副減速傳動(dòng)，編碼器反饋。 運(yùn)動(dòng)控制器采用PMAC-PC104八軸卡，上位機(jī)采用工控機(jī)（IPC），采用RS232串口通訊。 數(shù)控系統(tǒng)軟件是在Windows 2000操作系統(tǒng)下，以Vsual Basic6.0為開(kāi)發(fā)工具，采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒ǎ浞掷肞MAC的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的基本功能。 系統(tǒng)軟件主界面如圖2所示，其功能樹(shù)如圖3所示。 具體實(shí)現(xiàn)的功能包括’ 人機(jī)接口界面"系統(tǒng)初始化、坐標(biāo)軸選擇、手動(dòng)控制、坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示、速度控制及G代碼的編輯、下載等。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)軟件主界面

圖3人機(jī)界面功能樹(shù)

　　2.1 系統(tǒng)初始化

　　系統(tǒng)的初始化在系統(tǒng)軟件運(yùn)行過(guò)程中完成，主要進(jìn)行PMAC的選擇和參數(shù)預(yù)置等功能。 初始化代碼如下。

　　2.2 手動(dòng)控制

　　手動(dòng)控制有軸選擇、各軸的點(diǎn)動(dòng)進(jìn)給、精確定位、回零點(diǎn)和電機(jī)速度控制等功能。 軸選擇通過(guò)一組單選按鈕OptionButton控件實(shí)現(xiàn)，使用Case語(yǔ)句觸發(fā)各選擇，保證每次只能選擇一個(gè)軸，同時(shí)在手動(dòng)控制框下也可以選擇，利用ListBox實(shí)

　　現(xiàn)，二者是同步的，實(shí)現(xiàn)相同功能。 精確定位是通過(guò)在坐標(biāo)輸入文本框中輸入坐標(biāo)值，控制各軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)的距離為給定坐標(biāo)值，同時(shí)利用反饋來(lái)比較，保證定位的精度。 速度控制是通過(guò)改變PMAC的I變量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 所有手動(dòng)功能都是通過(guò)API函數(shù)PmacGetResponeA來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)改變string給PMAC發(fā)送不同的指令。 其中軸選擇的string為“#n”，點(diǎn)動(dòng)的string為“#j+”或“#j-”，精確定位的string為“#nm172->L”兩條語(yǔ)句來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　2.3 坐標(biāo)位置實(shí)時(shí)顯示

　　這里利用了提t(yī)imer定時(shí)器控件，系統(tǒng)的狀態(tài)以及各種參數(shù)變量都存儲(chǔ)在PMAC內(nèi)存中，分別用M變量去指向各狀態(tài)的地址，可通過(guò)操作M變量進(jìn)行狀態(tài)的讀取和參數(shù)的寫(xiě)入以及完成I/O口的控制。

　　2.4 G代碼的編輯& 下載和編譯

　　G代碼就是數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)程序，實(shí)際上也是坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)控制程序，也就是加工程序。 PMAC的運(yùn)動(dòng)程序語(yǔ)言有它自己的特點(diǎn)，采用類似于BASIC的高級(jí)語(yǔ)言編程，以調(diào)用子程序的形式支持加工程序的G代碼編程。

　　PMAC的運(yùn)動(dòng)程序可以通過(guò)它的G]FK$，終端窗口編寫(xiě)，程序送到緩沖區(qū)后，可以在終端窗口鍵入“&mBnR”運(yùn)行程序，其中m為坐標(biāo)系號(hào)，n為程序號(hào)；如果是在文本編輯器中編寫(xiě)的程序，必須將其下載到PMAC中，然后才能運(yùn)行。 由于PMAC內(nèi)存有限，幾百K以上的大程序不能一次下載運(yùn)行，這就要用到循環(huán)運(yùn)動(dòng)程序緩沖區(qū)。 循環(huán)運(yùn)動(dòng)程序緩沖區(qū)允許在程序執(zhí)行期間對(duì)程序進(jìn)行下載，并覆蓋已經(jīng)執(zhí)行的程序行，這就能夠連續(xù)執(zhí)行比PMAC的存儲(chǔ)空間大的程序，并且實(shí)時(shí)下載程序行。

　　數(shù)控程序中的G代碼和M、T、D等功能指令由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序、T代碼解釋程序和2代碼解釋程序分別進(jìn)行解釋。 這4個(gè)解釋程序分別以運(yùn)動(dòng)程序PROG1000、PROG1001、PROG1002和PROG1003的形式存在，在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)由PMAC可執(zhí)行程序?qū)⑺鼈兿螺d到PMAC的固定內(nèi)存中，在實(shí)際加工中被PMAC自動(dòng)調(diào)用。 主界面中的“調(diào)試”按鈕即用于實(shí)現(xiàn)這一功能，并在調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后通知編程者，其程序代碼為：

　　PMAC將G、M、T、D代碼作為子程序來(lái)調(diào)用!在解釋程序中，可以針對(duì)特定的機(jī)床定制代碼。 在運(yùn)動(dòng)程序中遇到G代碼時(shí)，將會(huì)調(diào)用解釋程序PROG1000，跳轉(zhuǎn)到解釋代碼行，如G17將跳轉(zhuǎn)到PROG1000的N17000行。

　　2.5PLC功能的實(shí)現(xiàn)

　　PMAC內(nèi)置有PLC控制和編程功能，它是以循環(huán)邏輯順序來(lái)執(zhí)行命令，但它的編程方式不是梯形圖編程，而是采用類似于BASIC等高級(jí)語(yǔ)言的編程方式!不需要專用編程器，執(zhí)行速度更快。

　　PMAC的內(nèi)置PLC與NC共用CPU，利用CPU的余力來(lái)發(fā)揮PLC的功能，所以I/O點(diǎn)數(shù)較少。 通過(guò)PC程序可以完全地對(duì)PMAC變量和I/O進(jìn)行操作，并且它具有非同步的特性，因此它能有力地協(xié)助運(yùn)動(dòng)控制程序完成任務(wù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)（ONC）是目前數(shù)控發(fā)展的趨勢(shì)，而PC機(jī)+可編程運(yùn)動(dòng)控制器型開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是發(fā)展的主流。 筆者開(kāi)發(fā)的基于PMAC的五軸數(shù)控系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)控系統(tǒng)軟件運(yùn)行良好，用戶可根據(jù)自己的需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性，達(dá)到了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的要求。