Windows环境下转塔数控冲床监控与编程系统的设计

冯帆某

1　前言
　　随着计算机技术的发展，Windows作为一个多窗口、多任务的新型的图形窗口操作环境，具有许多DOS不可比拟的优点。它可完成任务、文件输出设备等的并行管理工作，并提供了强大的功能以及友好的图形用户界面(GUI)，它不仅广泛用作管理事务型工作的支持平台，而且也被工业领域的工程人员所关注。随着工业PC大举进入数控领域，数控冲床监控和编程系统的开发也愈来愈多地应用PC机的最新硬件和软件成果。随着CNC技术和计算机技术的发展，在Windows环境下，采用先进的“5C”(Computer、Control、Communication、CRT、C/C++语言)技术，开发数控冲床的监控和编程系统，已成为一个潮流和方向。
2 e4 y6 ^8 J3 \& f2 @　　基于工业PC、采用多处理器的结构、在Windows环境下开发冲床数控系统，这方面国外已经开始研制并推出了相应的产品。为在竞争日益激烈的市场中取得一席之地，我们必须汲取国外的成功经验，直接应用当今微电子、计算机技术的最新成果，尽快研制出适应用户要求、功能很强的高性能冲床数控系统，并努力使其具有“先进性、实用性、商品化”三大特点，以不断增强在市场上的竞争能力。
+ Q- V( L- A( p9 W/ Z( h* j2　数控冲床CNC系统的总体设计
2 B) n) l' V; c: |! p　　本数控冲床CNC系统的设计采用了国际上流行的工业PC平台，同时考虑到满足人机交互友好和实时控制的要求，该系统采用工业PC双CPU前后台的结构，由上位机IPC586和控制机IPC486构成，如图1所示。后台上位机完成管理、监控、编程等功能，直接面对用户。前台控制机完成数据处理、实时控制以及状态检测等功能。前后台之间通过串行通讯的方式交换信息。CNC系统的应用软件包括上位机和控制机的应用软件，分别运行于Windows NT操作环境和DOS操作环境下，各自完成独立的功能。上位机的人机交互控制命令根据一定的通讯协议格式，转换为控制机可识别的通讯编码，通过串行通讯方式传送至控制机，由控制机进行数据处理，并将其处理结果输送至冲床进行实际加工控制，同时该结果和冲床的实时运行状态信息也将通过串行通讯传送至上位机，反馈给用户。

图1　CNC系统结构
3　监控与编程系统的功能要求
! I) f; @" X8 k/ o* T% q　　根据CNC系统的总体设计要求和任务划分，监控和编程系统的控制和操作功能要求包括系统运行、加工文件管理、显示管理、系统诊断、编程、系统设置和管理等。
　　(1)系统运行
　　包含以下内容：
　　1)自动加工：有参考点设置、自动连续加工、自动跳选加工、自动起始码段加工和单步加工；
　　2)加工仿真：同上；
7 D: N0 M# A( |' N2 a# A0 V) U　　3)手动控制：包括连续进给、选模步进、模具连续、步进进给和手动速度；
9 H- o1 O: h/ S　　4)MDI控制：指手动程序输入。
, u+ b; a/ V, e- }# l+ P( D　　(2)加工文件管理
: [) \' o# _9 x" `. L1 U9 }, Y　　指加工文件的输入和输出。
　　(3)显示管理
　　包括X、Y向位移显示、使用刀具显示、零件加工图形显示、I/O显示和加工程序显示。
5 Z* i* r5 M9 c2 }2 _! j　　(4)诊断操作
$ p' _: G  \# |, b* E$ }; e2 \　　包括通讯错误诊断、操作失误判断与报警和加工文件编程错误判断等。
　　(5)NC编程
4 Y' z9 O0 ^+ T) c; y　　包括图形自动编程和手工编程。
　　(6)系统设置和管理
" C) h5 t/ v7 K! C3 Y$ K) [8 M　　包括系统设置和刀具管理。
5 G8 F7 L) P: Y" _' Y; q　　在本转塔式数控冲床的CNC系统中，用户通过监控和编程系统，进行人机交互控制，并从中获取冲床的加工信息。要求人机界面友好，因此采用了Windows的操作环境。
4　监控与编程系统的总体设计
2 L0 D9 ]1 \: ~6 F. @; H. q" z4 i　　(1)监控与编程系统的设计原则
( X* ^: Y! I$ }) _# G　　监控和编程系统的设计原则为面向生产和面向用户：
. Q1 ^9 E  }8 \  O　　1)面向生产，使监控和编程系统能完成所要求的各项控制、管理和编程功能，面向控制和监测，实现实时控制和多任务。在系统的研究和开发中，采用了Windows NT的多线程技术，并引入了面向对象的设计思想。
) b2 T0 [$ z2 o& h6 [1 X! E　　2)面向用户，要求人机界面友好，易于移植、扩展和修改。人机界面是用户对系统质量评价的重要方面，美观、简洁、易懂和操作方便的人机界面是系统开发的一个重要方面。系统开发时人机界面的工作量很大，控制领域的软件系统一方面要接收用户指令，一方面还要处理来自被控对象的实时监控信息，所以对系统的可靠性要求比较高。人机界面为系统的实时要求和人的非实时性提供了必要的缓冲，保证了系统的可靠性和实时性。
4 J# `4 S% I: \9 h　　(2)监控与编程系统的总体结构设计
' ?) z. K) Z& c4 f1 g, f4 K　　监控和编程系统的数据流图如图2所示，其中虚线方框内的手动处理、I/O处理、自动处理、仿真处理和回零处理等过程由控制机完成，其数据词典分类如下：
& {% H" u. N, U* w* @- J  d! [8 G2 C　　1)数据类：图形和加工数据、设置数据、MDI手动数据、自动和手动数据；
　　2)文件类：NC文件、GRA文件(图形和加工数据文件)和刀具文件；
0 b# w, x/ [- |' M( l　　3)指令类：输入指令、输出指令、手动控制指令、I/O检查指令、自动控制指令和回零控制指令；
　　4)控制信息类：手动控制信息、自动控制信息、回零控制信息和I/O检查控制信息；
　　5)NC代码类等：结果坐标、刀具参数、NC代码、NC代码段和I/O状态。

9 A' R3 T) `! L图2　监控和编程系统数据流图
　　监控和编程系统的总体结构分为三部分：监控子系统、编程子系统和刀具管理子系统，其中编程子系统包括图形编程和手工编程两部分。手工编程只需调用Windows中已有的编辑器如Notepad即可实现。监控和编程系统的结构如图3所示。监控、编程和刀具管理三个子系统分别完成系统的一部分功能，相对独立，不同子系统在数据结构、控制算法和控制模式等方面具有不同的性质和特点，同时，整个系统又是各子系统的有机组合，有着密切的联系，因而各子系统之间必须存在着信息交换和协调问题。在进行系统的研究和设计时，应尽量减少各部分之间的耦合，以利于各子系统功能的实现；同时应保持各系统之间清晰的信息接口，以增强系统的重构和扩展能力。图形编程系统菜单结构见图4，刀具管理系统的总体结构见图5。

图3　监控和编程系统总体结构
6 R0 H% P) f( {# A4 i6 c9 J
图4　图形编程系统菜单结构
9 W& C7 ]+ |6 T* w" }, [1 y# y
图5　刀具管理系统的总体结构
/ @+ J7 g6 h6 |1 y+ {" ], }. e　　随着当今制造业灵活快速制造的发展，数控冲床也向着具有多种复合功能、更加稳定可靠、更大柔性、适应多品种小批量的方向发展，有建立冲压过程的柔性制造系统的发展趋势。本文在进行数控系统监控和编程系统的研究和开发时，力求增强系统柔性，将监控和编程系统作为一个内部彼此联系、相互作用、相互制约的集成性整体。本系统各部分的功能相对独立，刀具管理系统进行刀具库和刀塔的管理和控制，根据刀具和刀塔参数生成刀具文件；图形编程系统根据输入的图形和加工信息生成NC程序文件；监控系统则对冲床加工进行监控和控制。另一方面，整个系统又是一个相互联系、相互制约的集成性整体，图形编程时，要以刀具管理系统所生成的刀具文件为依据进行人机交互刀具选择；而在对冲床进行自动加工控制时，需要输入相应的NC程序，而且在加工前要进行刀具检查，检查该NC程序所需刀具和刀塔上安装的刀具是否一致。图6所示为本系统各部分之间的联系。
. {* g. @8 i4 W  F3 N" \
图6　监控和编程系统的内部联系
　　系统的总体控制流程如图7所示。系统开启，上位机与控制机、冲床联机后，即可进行冲床监控，同时进行在线编程和刀具管理；也可单独进行离线编程和刀具管理。
; M, B+ @4 d5 N9 I, V5 a3 U
/ I3 \$ r4 `& z- d图7　系统总体控制流程
0 s2 l! ?! f! |+ k" H; f, A　　如上所述，本系统被划分为监控、编程和刀具管理子系统，而在各子系统的研究和开发过程中，作者引入了面向对象的设计思想，并采用流行的Windows NT技术解决了一些核心问题。
　　(3)监控与编程系统开发的技术方案
　　在监控和编程系统的开发中，作者选用了Microsft Windows NT 4.0操作系统，开发平台选用了Microsoft Visual C++4．0。
9 _% r* a8 t% a! _& E　　1)由于本监控和编程系统为工业控制领域系统，所以操作系统的安全性显得非常重要。Windows NT完全利用了Intel 80386芯片保护模式的安全特性，操作系统的各级模块运行在不同的权限等级当中，互相不能干扰，各进程也运行在完全独立的虚拟机(VMM)中，对操作系统和其它进程无法干预。Windows 95和Windows NT有许多相同之处，但Windows 95设计的目标是为PC主流系统配置操作系统，以普及为主，而Windows NT则以高技术、高性能为目标，其完善的性能监控以及事件登录服务，使它较Windows 95更好管理，更安全、稳定、强壮。在本系统的开发中选用既具有Windows 95操作系统友好的人机界面，又具有非常稳固的安全性的Microsoft Windows NT 4.0操作系统。
　　2)编程语言采用的是面向对象的C++语言，所选用的Microsoft Visual C++4.0是一个非常通用、流行而且功能强大的软件编程平台。
# L, R6 D6 P1 l+ T% e# d& H5　结论
5 v5 [' N8 J, J, T! L( {/ K- I8 S　　本文介绍了Windows环境下转塔式数控冲床监控与编程系统的总体设计，并详细地介绍了其功能要求、设计原则、总体结构和技术方案。该系统已经开发完成，监控和编程系统的全方位、多层次的测试表明，该系统基本达到了设计的功能和性能要求，转塔式数控冲床CNC系统的软硬件集成调试表明系统运行良好，达到了预期的目标。本文完成的监控和编程系统界面友好，功能较强，可根据生产实际情况修改和扩展，应用于实际生产中，该系统适合我国国情，具有良好的应用前景。【MechNet】
文章关键词： 数控冲床