基于Windows2000下开放式数控系统软件的开发

1、收稿日期:2004-10-26作者简介:陈德妙(1980-,男,浙江苍南人,济南大学机械与汽车工程学院硕士研究生,研究领域:数控技术,现场总线设计与开发,组态软件设计与开发,计算机控制技术,机电一体化技术等,(E -mail brounocdm 。文章编号:1001-2265(200504-0028-02基于Windows 2000下开放式数控系统软件的开发陈德妙,张桂香(湖南大学机械与汽车工程学院,长沙410082摘要:基于PC 机和Windows 操作系统的开放式数控系统是数控技术的大势所趋。文章首先介绍了数控机床的发展历程,并分析传统数控系统不足和基于PC 的开放式数控技术的优点的基础上

2、,论述了基于Windows2000操作系统下,开放式数控系统软件的研究和开发过程。重点阐述了在M icros oft Visual C +下系统人机交互界面的设计、工控PC 机控制运动控制卡的接口软件模块、PC 机与主轴控制变频器的RS485串行口通讯软件模块的的编写,同时给出了主要程序代码。该数控系统现在已经在调试之中,并且达到了预期的加工精度和效果。关键词:开放式数控系统;变频器;串口通讯;运动控制卡中图分类号:TP273+.5文献标识码:ADevelopment of Open CNC System Softw are B ased on Window s 2000CHE N De 2m

3、iao ,ZH ANG G ui 2xiang(C ollege of Mechanical and Automative Engineering ,Hunan University ,Changsha 410082,China Abstract :I t is the mainstream that numerical control system is open and constituted based on PC and WI NDOWS operation systems.This article summarily presents the function of numerica

4、l control technology ;the merit of Opened System Architecture for Numerical C ontrol ,On the basis of which it discusses the research and development of open C NC system s oftware based on Windows2000operation system.Espe 2cially ,it presents the design of the main inter face of the C NC system 、s o

5、ftware m odule to control m otion control card and communication s oftware m odule between PC and Frequency Changer ,which controls the m otor of main shaft.In additional ,it provides the s ource codes.We are debugging the C NC system now ,and we have g ot the expected machining precision.K ey w ord

6、s :open C NC system ;frequency changer (FC ;serial communication ;m otion control card0前言自从1952年世界上第一台数控机床诞生以来,数控技术经过几十年的发展已日趋完善。随着市场全球化的发展,市场竞争空前激烈,对制造商不但要求价格低,质量好,而且要求交货时间短,售后服务好,还需要个性化的产品。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统,具有内部结构复杂,与通用计算机不兼容,难进行升级等缺点,已经越来越不适应市场发展的这种需要了。于是美国在20世纪80年代末提出了开放式数控系统,同时,有许多的相关研究计划,其中影响

7、比较大的有美国的O 2M AC ,欧洲的OS AC A 和日本的OSEC 等计划1。开放式数控系统一般可以有三种类型的结构:在专有系统中简单地嵌入PC 技术;运动控制器以PC 插件的形式插入到PC 机扩展槽;完全采用以通用PC 为硬件平台的全软件型数控系统。由PC 机处理非实时部分,实时部分由插入PC 机扩展槽的运动控制器来完成。由于运动控制卡所采用的数控技术已经非常成熟和稳定,而基于Windows 2000下的界面开发又是非常方便。因此这样架构出来的数控系统既具有友好的操作界面,又具有原有专用C NC 系统的稳定性和可靠性。本数控系统就是采用的工控机+运动卡结构,在Windows 2000操

8、作系统下,使用功能强大的Visual C +开发。选用了研华工控机,运动控制卡则采用的是基于数字信号处理器DSP 开发的固高G T -200S V 卡。1主界面的设计在Windows 2000的平台下开发的程序具有友好精美的G UI (用户界面外观,而Visual C +编程工具又具有友好的可视化界面和强大的函数库,采用此编程工具可以有效的缩短开发周期。本系统主要利用了单文档-多视图的结构和多线程编程技术。如图1所示。左上角视图是代码编辑区,主要由一个C ListCtrl 列表控件组成的,列表控件用Windows 定义的内部数据结构LVITE M 来支持每条项目信息的显示。它可以很方便的用来查

9、询数据,所以在这里是用来显示G 代码的。左下角是代码操作区,包括一系列对代码段进行操作的命令按钮,如:添加、插入、删除、修改代码。右上角视图属于数据显示区,主要将系统的一些数据显示在上面,比如:刀架的位置(X 、Y 、Z 坐标、加工时间、运行时间,以及加工产品的一些信息。右下视图是手工操作区,通过该区的按钮,可以手动控制机床。主要包括有:机床开/停按钮,主轴正反转按钮,主轴点动按钮,主轴速度调节旋钮,以及冷却液开/停按钮。82设计与研究组合机床与自动化加工技术 图1主界面图2与主轴变频器的通讯软件的设计该数控车床的主轴采用变频器控制转速,还有通过连接主轴上的光电编码盘与运动控制卡上的辅助编码器

10、接口来确定主轴位置。主轴变频器采用了S imens的MICROM ASTER420系列的变频器,为了与主轴电机功率匹配,选用了0.75kW的变频器。MI2 CROM ASTER420由微处理器控制,并采用具有现代先进技术水平的绝缘栅双极型晶体管(IG BT作为功率输出器件,具有很高的运行可靠性和功能的多样性,是专门用于控制三相交流电动机速度的变频器系列2。变频器与工控机的连接采用的是RS485通讯,采用2线双绞传输方式,即数据D+和数据D-,这种数据差动传输方式可以有效地消除干扰的影响。对于串口通讯,在VC+环境下可以直接利用Active控件来实现,这样就比较方便、可靠,但是在使用前安装控件并

11、在注册表中注册后才能使用。该控件就是M icros oft C ommunications C ontrol(MSC omm,它的几个主要属性设置如表1所示。表1Microsoft Communications Control属性设置表属性设定值说明C ommP ort1选择端口号InputM ode1接收数据类型为二进制类型Rthreshold1没接收一个字符就产生一个事件Settings9600,n,8,1参数依次为波特率,奇偶校验,数据位数,停止位数通讯报文的如表2所示,其中,STX区是一个字节的ASCI2 ISTX(02hex,表示一条信息的开始;LGE指明这一信息中后跟的的字节数目。

12、ADR是变频器的地址;BCC是一个字节的校验和,用于检查信息是否有效;中间部分便是有效的数据字符,分为两个区域,即PK W区(参数识别I D-数值区和PZ D区(过程数据。表2通讯报文结构STX LGE ADR12n BCC 在程序设计上,主框架类CmainFrm里的OnCreate(LPCRE2 ATESTRUCT lpCreateS truct函数中进行初始化工控机串口,大致代码如下:if(m ctrlC omm.G etP ortOpen(m ctrlC omm.SetP ortOpen(FA LSE;m ctrlC omm.SetC ommP ort(1;/选择com1if(!m ct

13、rlC omm.G etP ortOpen(m ctrlC omm.SetP ortOpen(TRUE;/打开串口elseA fxMessageBox(”cannot open serial port”;m ctrlC omm.SetSettings(”9600,n,8,1”;/波特率9600,无校验,8个数据位,/1个停止位m ctrlC omm.SetRThreshold(1;/参数1表示每当串口接收缓冲区中有多于或/等于1个字符时将引发一个接收数据的OnC omm事件m ctrlC omm.SetInputLen(0;/设置当前接收区数据长度为0m ctrlC omm.G etInput

14、(;/先预读缓冲区以清除残留数据MSC omm控件会产生OnC omm事件,所以在OnC omm(函数里对通讯报文进行处理。3与运动控制卡的通讯模块的设计G T-200S V卡的核心是由ADSP2181数字信号处理器和FP2 G A组成,可以实现高性能的控制计算,并能实现多轴协调运动3。在控制软件中,与该卡相关的类是CcardDeal类。该类主要包括轴的初始化函数AxisInitial(、电机轴报警函数Error(short rtn、卡的初始化函数G TInitial(和轴坐标映射函数MapAxis(。总之,CcardDeal类具有了轴、卡的最基本的操作,为下面的刀架的大小溜板轴的控制打下了基

15、础。有了这些函数之后,就可以在主框架类CmainFrm里的On2 Create(LPCRE ATESTRUCT lpCreateS truct函数中进行初始化卡和轴,部分主要代码如下:int C MainFrame:OnCreate(LPCRE ATESTRUCT lpCreateS tructCCardDeal Card;/定义一个卡的对象Card.G TInitial(;/卡的初始化Card.InputC fg(;/专用输入信号参数设置Card.AxisInitial(;/轴初始化double cnt15=2000,0,0,0,0;/坐标映射数组double cnt25=0,2000,0,

16、0,0;/坐标映射数组Card.MapAxis(;/映射各个坐标轴return0;4结束语该数控系统已调试运行了,由于时间仓促,有些软件功能未能开发出来。但是这本身就是个开放式数控系统,所以以后在应用过程中,需要什么功能,便可以在原有软件系统上进一步进行开发。比如,一些零件的车削循环指令,一些特殊的自定义辅助功能等都可以添加。开放式数控系统是数控技术发展的必然趋势,它给数控系统生产商、机床制造商以及用户都带来了许多好处。而基于PC 的开放式数控系统具有较强的灵活性,可以充分利用PC机丰富的软硬件资源和强大的技术优势,有利于更加完(下转第32页922005年第4期设计与研究研技术单位,建立平台的

17、主服务体系,即导航台与专业平台,同时发展会员企业,通过企业e 窗口与平台联系,提供信息,声明需求,具体模式可以参见图3。3.2系统的管理模式本平台的特点就是项目的并发性与多层次性。项目管理就是本平台管理的关键技术之一。平台系统的项目管理方法首先要建立工作流模型,其功能树模型如图5所示。工作流模型5建立完成后就可以进行实例化、发布和执行, 工作流执行模块提图5网络化协同柔性工作流管理系统结构供了对工作流执行期的全程管理支持,工作流的实例开始执行以后,各执行人登录系统后可以通过任务表管理器查看、执行并提交分配给自己的任务,在执行任务时可以通过资源调用接口调用需要用到的软硬件资源;而工作流的管理员可

18、以通过模型监控功能对整个工作流的执行过程进行监控并做出必要的调整。冲突协调负责对执行过程中出现的资源冲突、调用冲突等进行协调,保证各个环节的顺利执行。应用系统为工作流管理系统顺利运行提供了强有力的支撑,协同工具如电子白板、邮件系统、在线聊天工具等为各企业之间的交流和协同提供了良好的基础;使用应用接口和资源管理,可以调用平台的相关应用、资源等来完成任务。用户管理与网络化协同设计制造平台用户管理不同,它可以将用户的权限与具体的工作流相捆绑,即在每一个工作流节点中都可以对相关用户的权限进行设定,从而保证了协同设计制造过程中各企业的相关数据的安全。4面向机电产品的专业平台构建图6机电专业平台应用模式面

19、向机电产品的专业协同设计与制造平台为例,来阐述专业平台的开发和构建。该平台是面向机电产品协同设计与制造平台,集成了相关的方案级、控制级、实现级大型软件资源、数据接口,采用客户端/服务器端(C/S 模式,如图6所示,分为三个层次,服务器端、网络通信和客户端。服务器端在网络操作系统的基础上,提供了服务器端的协同版的大型应用软件,包括面向机电产品设计的一系列软件,有机械C AD/C AE/C AM 软件(I -DE AS/UG /S olidEdge/ANSY S 等,电子辅助设计软件(Cadence ,InnovE DA 等,测控系统仿真(M AT 2LAB/MatriX x 等,这些软件采用局域

20、网内浮动授权机制来使用户能够合法的使用这些软件资源。同时提供协同支撑工具来支持网络化的协同设计与制造,该平台中采用的是M icros oft 的Ex 2change 2000Server ,它所具有的电子白板、聊天、视频会议、文件传输等实时交互功能能够满足同步协同的需要。网络通信为网络化协同设计制造提供了环境,广域网和企业局域网是硬件基础,而网络操作系统和局域网管理系统则是软件基础,在机电专业平台的实际应用中,网络通信环境以IS 2DN 为基础,在广域网(W AN /IS DN 和企业局域网(LAN 之上建立虚拟局域网(V LAN 6,实现客户端和服务器端的网络通信。机电产品的专业平台的用户作

21、为用户层成员,通过拨号的方式加入到虚拟局域网中,并登录到局域网管理系统中,然后可以申请获得协同应用软件的浮动授权,调用这些软件并通过协同支撑工具与其它用户进行网络化协同设计和制造。5结束语本文对多行业典型区域性网络化协同设计制造平台进行了系统的研究,详细介绍了平台的结构、功能和关键技术,探讨了平台的实现模式和以工作流管理系统为核心的管理模式。在平台架构方面,以通用层扩展对客户的宣传与影响作用,以企业e 窗口模块,加强企业需求的搜集与交互。同时,作为整个系统的实现,探讨了面向机电行业的专业平台的构建技术和应用。参考文献1顾新建,祁国宁,韩永胜.中国制造业网络化的集中发展途径及比较A.网络化制造与大规模定制学术会议论文集.浙江:杭