Windows環(huán)境下轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床監(jiān)控與編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 前言

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，Windows作為一個(gè)多窗口、多任務(wù)的新型的圖形窗口操作環(huán)境，具有許多DOS不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。它可完成任務(wù)、文件輸出設(shè)備等的并行管理工作，并提供了強(qiáng)大的功能以及友好的圖形用戶界面(GUI)，它不僅廣泛用作管理事務(wù)型工作的支持平臺(tái)，而且也被工業(yè)領(lǐng)域的工程人員所關(guān)注。隨著工業(yè)PC大舉進(jìn)入數(shù)控領(lǐng)域，數(shù)控沖床監(jiān)控和編程系統(tǒng)的開發(fā)也愈來愈多地應(yīng)用PC機(jī)的最新硬件和軟件成果。隨著CNC技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在Windows環(huán)境下，采用先進(jìn)的“5C”(Computer、Control、Communication、CRT、C/C 語言)技術(shù)，開發(fā)數(shù)控沖床的監(jiān)控和編程系統(tǒng)，已成為一個(gè)潮流和方向。

　　基于工業(yè)PC、采用多處理器的結(jié)構(gòu)、在Windows環(huán)境下開發(fā)沖床數(shù)控系統(tǒng)，這方面國外已經(jīng)開始研制并推出了相應(yīng)的產(chǎn)品。為在競爭日益激烈的市場中取得一席之地，我們必須汲取國外的成功經(jīng)驗(yàn)，直接應(yīng)用當(dāng)今微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的最新成果，盡快研制出適應(yīng)用戶要求、功能很強(qiáng)的高性能沖床數(shù)控系統(tǒng)，并努力使其具有“先進(jìn)性、實(shí)用性、商品化”三大特點(diǎn)，以不斷增強(qiáng)在市場上的競爭能力。

2 數(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　本數(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用了國際上流行的工業(yè)PC平臺(tái)，同時(shí)考慮到滿足人機(jī)交互友好和實(shí)時(shí)控制的要求，該系統(tǒng)采用工業(yè)PC雙CPU前后臺(tái)的結(jié)構(gòu)，由上位機(jī)IPC586和控制機(jī)IPC486構(gòu)成，如圖1所示。后臺(tái)上位機(jī)完成管理、監(jiān)控、編程等功能，直接面對(duì)用戶。前臺(tái)控制機(jī)完成數(shù)據(jù)處理、實(shí)時(shí)控制以及狀態(tài)檢測等功能。前后臺(tái)之間通過串行通訊的方式交換信息。CNC系統(tǒng)的應(yīng)用軟件包括上位機(jī)和控制機(jī)的應(yīng)用軟件，分別運(yùn)行于Windows NT操作環(huán)境和DOS操作環(huán)境下，各自完成獨(dú)立的功能。上位機(jī)的人機(jī)交互控制命令根據(jù)一定的通訊協(xié)議格式，轉(zhuǎn)換為控制機(jī)可識(shí)別的通訊編碼，通過串行通訊方式傳送至控制機(jī)，由控制機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將其處理結(jié)果輸送至沖床進(jìn)行實(shí)際加工控制，同時(shí)該結(jié)果和沖床的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息也將通過串行通訊傳送至上位機(jī)，反饋給用戶。

圖1　CNC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控與編程系統(tǒng)的功能要求

　　根據(jù)CNC系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求和任務(wù)劃分，監(jiān)控和編程系統(tǒng)的控制和操作功能要求包括系統(tǒng)運(yùn)行、加工文件管理、顯示管理、系統(tǒng)診斷、編程、系統(tǒng)設(shè)置和管理等。

　　(1)系統(tǒng)運(yùn)行

　　包含以下內(nèi)容：

　　1)自動(dòng)加工：有參考點(diǎn)設(shè)置、自動(dòng)連續(xù)加工、自動(dòng)跳選加工、自動(dòng)起始碼段加工和單步加工；

　　2)加工仿真：同上；

　　3)手動(dòng)控制：包括連續(xù)進(jìn)給、選模步進(jìn)、模具連續(xù)、步進(jìn)進(jìn)給和手動(dòng)速度；

　　4)MDI控制：指手動(dòng)程序輸入。

　　(2)加工文件管理

　　指加工文件的輸入和輸出。

　　(3)顯示管理

　　包括X、Y向位移顯示、使用刀具顯示、零件加工圖形顯示、I/O顯示和加工程序顯示。

　　(4)診斷操作

　　包括通訊錯(cuò)誤診斷、操作失誤判斷與報(bào)警和加工文件編程錯(cuò)誤判斷等。

　　(5)NC編程

　　包括圖形自動(dòng)編程和手工編程。

　　(6)系統(tǒng)設(shè)置和管理

　　包括系統(tǒng)設(shè)置和刀具管理。

　　在本轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床的CNC系統(tǒng)中，用戶通過監(jiān)控和編程系統(tǒng)，進(jìn)行人機(jī)交互控制，并從中獲取沖床的加工信息。要求人機(jī)界面友好，因此采用了Windows的操作環(huán)境。

4 監(jiān)控與編程系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

　　(1)監(jiān)控與編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則為面向生產(chǎn)和面向用戶：

　　1)面向生產(chǎn)，使監(jiān)控和編程系統(tǒng)能完成所要求的各項(xiàng)控制、管理和編程功能，面向控制和監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和多任務(wù)。在系統(tǒng)的研究和開發(fā)中，采用了Windows NT的多線程技術(shù)，并引入了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想。

　　2)面向用戶，要求人機(jī)界面友好，易于移植、擴(kuò)展和修改。人機(jī)界面是用戶對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要方面，美觀、簡潔、易懂和操作方便的人機(jī)界面是系統(tǒng)開發(fā)的一個(gè)重要方面。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)人機(jī)界面的工作量很大，控制領(lǐng)域的軟件系統(tǒng)一方面要接收用戶指令，一方面還要處理來自被控對(duì)象的實(shí)時(shí)監(jiān)控信息，所以對(duì)系統(tǒng)的可靠性要求比較高。人機(jī)界面為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)要求和人的非實(shí)時(shí)性提供了必要的緩沖，保證了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性。

　　(2)監(jiān)控與編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖2所示，其中虛線方框內(nèi)的手動(dòng)處理、I/O處理、自動(dòng)處理、仿真處理和回零處理等過程由控制機(jī)完成，其數(shù)據(jù)詞典分類如下：

　　1)數(shù)據(jù)類：圖形和加工數(shù)據(jù)、設(shè)置數(shù)據(jù)、MDI手動(dòng)數(shù)據(jù)、自動(dòng)和手動(dòng)數(shù)據(jù)；

　　2)文件類：NC文件、GRA文件(圖形和加工數(shù)據(jù)文件)和刀具文件；

　　3)指令類：輸入指令、輸出指令、手動(dòng)控制指令、I/O檢查指令、自動(dòng)控制指令和回零控制指令；

　　4)控制信息類：手動(dòng)控制信息、自動(dòng)控制信息、回零控制信息和I/O檢查控制信息；

　　5)NC代碼類等：結(jié)果坐標(biāo)、刀具參數(shù)、NC代碼、NC代碼段和I/O狀態(tài)。

圖2　監(jiān)控和編程系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分為三部分：監(jiān)控子系統(tǒng)、編程子系統(tǒng)和刀具管理子系統(tǒng)，其中編程子系統(tǒng)包括圖形編程和手工編程兩部分。手工編程只需調(diào)用Windows中已有的編輯器如Notepad即可實(shí)現(xiàn)。監(jiān)控和編程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。監(jiān)控、編程和刀具管理三個(gè)子系統(tǒng)分別完成系統(tǒng)的一部分功能，相對(duì)獨(dú)立，不同子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、控制算法和控制模式等方面具有不同的性質(zhì)和特點(diǎn)，同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)又是各子系統(tǒng)的有機(jī)組合，有著密切的聯(lián)系，因而各子系統(tǒng)之間必須存在著信息交換和協(xié)調(diào)問題。在進(jìn)行系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量減少各部分之間的耦合，以利于各子系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)；同時(shí)應(yīng)保持各系統(tǒng)之間清晰的信息接口，以增強(qiáng)系統(tǒng)的重構(gòu)和擴(kuò)展能力。圖形編程系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)見圖4，刀具管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖5。

圖3　監(jiān)控和編程系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖4　圖形編程系統(tǒng)菜單結(jié)構(gòu)

圖5　刀具管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　隨著當(dāng)今制造業(yè)靈活快速制造的發(fā)展，數(shù)控沖床也向著具有多種復(fù)合功能、更加穩(wěn)定可靠、更大柔性、適應(yīng)多品種小批量的方向發(fā)展，有建立沖壓過程的柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文在進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控和編程系統(tǒng)的研究和開發(fā)時(shí)，力求增強(qiáng)系統(tǒng)柔性，將監(jiān)控和編程系統(tǒng)作為一個(gè)內(nèi)部彼此聯(lián)系、相互作用、相互制約的集成性整體。本系統(tǒng)各部分的功能相對(duì)獨(dú)立，刀具管理系統(tǒng)進(jìn)行刀具庫和刀塔的管理和控制，根據(jù)刀具和刀塔參數(shù)生成刀具文件；圖形編程系統(tǒng)根據(jù)輸入的圖形和加工信息生成NC程序文件；監(jiān)控系統(tǒng)則對(duì)沖床加工進(jìn)行監(jiān)控和控制。另一方面，整個(gè)系統(tǒng)又是一個(gè)相互聯(lián)系、相互制約的集成性整體，圖形編程時(shí)，要以刀具管理系統(tǒng)所生成的刀具文件為依據(jù)進(jìn)行人機(jī)交互刀具選擇；而在對(duì)沖床進(jìn)行自動(dòng)加工控制時(shí)，需要輸入相應(yīng)的NC程序，而且在加工前要進(jìn)行刀具檢查，檢查該NC程序所需刀具和刀塔上安裝的刀具是否一致。圖6所示為本系統(tǒng)各部分之間的聯(lián)系。

圖6　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系

　　系統(tǒng)的總體控制流程如圖7所示。系統(tǒng)開啟，上位機(jī)與控制機(jī)、沖床聯(lián)機(jī)后，即可進(jìn)行沖床監(jiān)控，同時(shí)進(jìn)行在線編程和刀具管理；也可單獨(dú)進(jìn)行離線編程和刀具管理。

圖7　系統(tǒng)總體控制流程

　　如上所述，本系統(tǒng)被劃分為監(jiān)控、編程和刀具管理子系統(tǒng)，而在各子系統(tǒng)的研究和開發(fā)過程中，作者引入了面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，并采用流行的Windows NT技術(shù)解決了一些核心問題。

　　(3)監(jiān)控與編程系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)方案

　　在監(jiān)控和編程系統(tǒng)的開發(fā)中，作者選用了Microsft Windows NT 4.0操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺(tái)選用了Microsoft Visual C 4．0。

　　1)由于本監(jiān)控和編程系統(tǒng)為工業(yè)控制領(lǐng)域系統(tǒng)，所以操作系統(tǒng)的安全性顯得非常重要。Windows NT完全利用了Intel 80386芯片保護(hù)模式的安全特性，操作系統(tǒng)的各級(jí)模塊運(yùn)行在不同的權(quán)限等級(jí)當(dāng)中，互相不能干擾，各進(jìn)程也運(yùn)行在完全獨(dú)立的虛擬機(jī)(VMM)中，對(duì)操作系統(tǒng)和其它進(jìn)程無法干預(yù)。Windows 95和Windows NT有許多相同之處，但Windows 95設(shè)計(jì)的目標(biāo)是為PC主流系統(tǒng)配置操作系統(tǒng)，以普及為主，而Windows NT則以高技術(shù)、高性能為目標(biāo)，其完善的性能監(jiān)控以及事件登錄服務(wù)，使它較Windows 95更好管理，更安全、穩(wěn)定、強(qiáng)壯。在本系統(tǒng)的開發(fā)中選用既具有Windows 95操作系統(tǒng)友好的人機(jī)界面，又具有非常穩(wěn)固的安全性的Microsoft Windows NT 4.0操作系統(tǒng)。

　　2)編程語言采用的是面向?qū)ο蟮腃 語言，所選用的Microsoft Visual C 4.0是一個(gè)非常通用、流行而且功能強(qiáng)大的軟件編程平臺(tái)。

5 結(jié)論

　　本文介紹了Windows環(huán)境下轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床監(jiān)控與編程系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并詳細(xì)地介紹了其功能要求、設(shè)計(jì)原則、總體結(jié)構(gòu)和技術(shù)方案。該系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，監(jiān)控和編程系統(tǒng)的全方位、多層次的測試表明，該系統(tǒng)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)的功能和性能要求，轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的軟硬件集成調(diào)試表明系統(tǒng)運(yùn)行良好，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。本文完成的監(jiān)控和編程系統(tǒng)界面友好，功能較強(qiáng)，可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況修改和擴(kuò)展，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)適合我國國情，具有良好的應(yīng)用前景。