基于PC_NC的开放式数控系统平台的研究与应用

基于PC+N C 的开放式数控系统平台的研究与应用张志燕,李 斌,朱国力,龚时华(华中科技大学,湖北武汉430074)Research and A pplicat ions of Open CNC Syst em Platform Based on PC+NCZHANG Zhi yan,LI Bin,ZHU Guo li,GONG Shi hua(H uazhong U niv ersit y of Science and T echno log y,Wuhan 430074,China)摘要:讨论了基于PC+NC 的并行双CPU 开放式数控系统的硬、软件平台的开发方法.重点研究了软件平台的模块化,及提高其硬件独立性的方法,并在以UM AC 运动控制器为核心,以IPC 和Win2000为环境的平台上,开发了2种数控装备控制系统.关键词:开放式;数控系统;U MAC;双CPU 中图分类号:T P273.5文献标识码:B 文章编号:10012257(2005)05000603收稿日期:20050303基金项目:国家 八六三"高技术研究发展计划资助项目(2002AA424012)Abstract:T his paper discussed the m ethod o f the har dw are and softw are resear ch of open numer ical control system platform based on PC +NC w ith paralleled dual CPU.W e researched the meth o ds of the mo dularization o f so ftw are platform and impr oving the independence o f hardware.Devel o ped co ntrol systems of tw o CNC equipm ents run ning o n Win2000OS based on U MA C and suppor ted by industrial PC.Key words:open architecture;numerical co n tro l system;U M AC;dual CPU0 引言对开放式数控系统的开发主要有3种类型:PC 嵌入型CN C,NC 嵌入PC 型和全软件型.第2种类型是工业PC 机配合专用的CNC 卡(如运动控制卡)组成,它能够充分地保证系统性能,是目前比较可行的一种开发方式[1].1 基于PC+N C 的开放式数控系统平台的开发在系统平台建模时,通过对数控平台需求进行分析后,将数控软件抽象成一些功能独立、内聚强、相互间耦合松散的软件功能模块,并定义好接口,以便与其它模块通信.根据其通信对象,模块间通信分2种:一种是数控系统软件中,各模块之间的内部数据通信,另一种是数控系统中,某些模块与底层运动控制单元的通信.对于数控系统中各模块之间的内部数据通信,以数据通信为中心来进行开发,内部通信模块作为整个数控系统软件的中心模块,具有多个模块接口,通过这些接口可以与其它数控功能模块相连接.每个模块的输入和输出,都通过模块与数据通信这个中心环境交互,数据交互环境自治地从各接口读取和发送数据,并将数据发送到各接口.对于数控系统中某些模块与底层运动控制单元的通信,主要利用底层所提供的通信库来完成.由于不同的底层运动控制单元所提供的通讯库不一样,而数控系统中某些模块必须使用相应的通讯库进行开发,从而导致数控软件对于底层运动控制单元有很大的依赖性,为了克服这种依赖性,将数控系统软件通讯模块按可配置的方案进行设计,此模块根据不同的底层运动控制单元,选择装载相应的通讯库,通过将不同的通讯库设计为通用的通讯类库,为系统中需要通讯的模块提供通用的API,提高上层数控支撑软件的硬件独立性,从而提高系统的开放性.系统软件平台方案如图1所示.6 机械与电子 2005(5)图1 开放式数控系统软件平台模型2 实例作为开发基于PC+N C 开放式数控系统平台应用实例,我们采用了IPC+U MAC,对大型螺旋桨用重型七轴车铣复合加工机床数控系统进行了开发.在此系统中,采用开放式平台体系结构,上位机使用Win2000操作系统,通过网络接口将U MAC 运动控制器和工业控制计算机连接,采取H M I 和实时控制分开的上、下位机结构,实现系统的开发.系统硬件建立在通用的工业PC(IPC)基础之上,实质采用了多CPU 的分层控制结构,每一层之间均通过标准的总线方式和开放的接口规范相连[2].2.1 系统硬件设计UM AC 是美国Dleta T au 公司生产的一种运动控制系统,此系统可配置控制任何类型的机床自动化应用.IPC 与U M AC 集成数控系统的硬件结构按用户需求,根据系统需求选择电机、电机驱动及各种接口模块,通用控制系统硬件结构如图2所示.图2 系统硬件结构UM AC(下位机)主要完成如下功能.a.通过UM AC 提供的位置捕捉功能,完成机床大型零件的在线检测,实现装夹找正、加工余量预估和对刀调整补偿.b.通过U MAC 提供的数据采集及分析功能,完成数控系统所需的信号及参数,实现对加工工件的跟踪扫描及远程操作控制.c.使用UM AC 提供的电机参数调整功能,实现双电机消除反向间隙.d.通过UM AC 提供的插补功能,完成各电机的运动控制.e.通过U MAC 的I/O 口,输入检测部件、行程开关等各种开关量输入信号.f.通过U MAC 的I/O 口,输出各种控制和指示信号.U MAC 提供通用的网络接口和USB 接口,通过带屏蔽的双绞线或U SB 信号线可实现UM AC 与工控机之间的数据传输,220V 的AC 电源经过U PS 后,给工业控制计算机和U MA C 供电,以保证在掉电后可以正常停机.根据不同的伺服系统(数字或模拟),可选择相应的轴接口模块,各模块之间通过跳线设置其地址,以避免地址冲突.2.2 系统软件设计系统软件包括:IPC (上位机)的数控系统应用程序;上下位机通讯程序;UM AC(下位机)中对各种输入、输出量进行监控的PLC 程序.由于上位机使用非实时系统,要求下位机对实时操作有很强的自主控制功能,其逻辑控制功能主要由其内置的PLC 功能实现,上下位机通讯的原理图如图3所示[3].数控系统支撑软件分为几个大的模块.图3 上下位机通讯原理a.NC 代码解释模块.实现通用数控加工文件到NC 运动指令的转换,此部分与底层关系密切,因为不同的底层NC 卡所识别的NC 指令并不统一,所以此模块的开发也很重要,所使用的开发工具为LEX 与YACC.b.系统仿真模块.该模块从内部数据通讯处理模块中获得所需数据,处理后实现零件加工实时显示以及加工前的仿真校验.c.数控文件管理模块.实现数控加工文件的创建,编辑及索引.d.测量模块.该模块从内部数据通讯处理模块中获得所需数据,进行在线测量毛坯及成品的尺寸,实现加工余量及产品质量预估.7 机械与电子 2005(5)e.人机界面模块.实现人机界面的屏幕操作功能,如系统参数设置,刀具管理,加工坐标显示,各种报警信息显示等.f.数据采集模块.定时采集各轴数据及I/O点状况,实现上位机对下位机的监控,同时负责程序缓冲区文件传输,由于此部分与底层关系密切,所以在平台开发过程中将其独立出来,如要更换底层NC 模块,此数据采集模块可能需要重新编写;但重新编写的原则是对内部数据通讯处理模块提供统一接口,从而保证接口一致性,减少新系统开发工作量.g.内部数据通讯处理模块.提供与各模块通讯的接口,管理模块间数据的交换,使整个系统构成了一个模块化、分布式系统,实现其它各模块之间通讯的独立性.开发过程中,使用操作系统所提供的内核对象同步机制和关键代码段,来实现线程的同步及关键共享数据的保护,对于多进程间的数据通讯,则使用内存映射文件机制[4].h.底层可配置通讯库.这是实现系统平台中的一个关键模块,因为不同的底层NC卡所提供的软件接口一般区别很大,而上位机软件又不可避免地需要与底层通讯,为了实现上位机软件的硬件独立性,所以开发此模块.使用VC6.0++将NC卡所提供的API进行二次开发生成新的可配置通讯库Co mmAPI.dll,此通讯库将不同NC卡所提供的API转换成通用的API,其它模块将此通用库所提供的通用API导出后即可使用,从而屏蔽掉不同底层通讯库之间的差别,提高其它模块的独立性,部分接口代码如下(CommA PI.cpp):#define EXPORT_FU N_declspec(dllex port) //通讯库导出函数宏定义CU macCom m g_Dpr; //定义类变量,此类利用UM AC底层通讯库的API编写EXPORT_FUN BOOL Comm Start() //启动通讯的通用API定义,供其它模块导出后调用{if(!g_Dpr.Load_UM AC()) //装载U MAC 动态库并打开U MAC卡通讯库{AfxM essag eBox( 打开UM AC卡失败!!", MB_OK|M B_T OPM OST);return FALSE;} return T RUE;}系统软件设计方案如图4所示,此系统中IPC图4 系统软件结构采用Win2000操作系统,使用VC6.0++及Delta T au公司所提供的通讯库进行上位机数控系统支撑软件设计.通过将Delta Tau公司所提供的通讯库PCo mm32.dll设计为通用的通讯类库Co mmAPI. dll,提供通用的API(如Co mmStart()),供人机界面模块及数据采集模块使用,对于不同类型的运动控制器所提供的不同的通讯库,只需对底层可配置通讯库进行配置,上层数控软件功能模块无需更换或只需较少的更换,从而提高上层数控支撑软件的硬件独立性.设计过程中充分利用系统所提供的丰富资源,可缩短开发时间.3 结束语PC+NC型数控系统在结合运动控制器稳定的运动控制功能基础上,利用Win2000系统提供的多任务并行机制和面向对象的开发环境,使用VC6.0 ++等快速开发工具,开发出可配置,可重用,易于维护,硬件独立性好的数控系统平台.基于此平台,快速开发出了螺旋桨用数控系统和刺绣机用数控系统,取得了良好效果.参考文献:[1] 张维奇,王孙安.基于M ot ion Contro l的开放式数控系统的研究[J].机床与液压,2004,(7):70-71.[2] So ftwar e R efer ence for T urbo F amily[Z].U SA:DeltaT au Dat a System,2003.[3] Soft war e R eference M anual for PCO M M32PRO[Z].U SA:Delta T au Data System,2003.[4] R icht er Jeffrey.Window s核心编程[M].王建华,等译.北京:机械工业出版社,2000.作者简介:张志燕 (1977-),男,湖北鄂州人,华中科技大学机械科学与工程学院国家数控工程中心硕士研究生,研究方向为开放式数控系统结构.8 机械与电子 2005(5)。