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基于Windows的车床微机数控系统研究
摘要:本文论述了基于Windows的车床微机数控系统,重点在于微机数控系统的软硬件体系结构、人机界面、加工轨迹仿真、数控程序语法检验以及数控程序译码等模块的研究,这都是构建微机数控系统的关键问题。
关键词:微机数控系统,开放式

1.前言
数控技术是先进制造技术中的一项核心技术,对加工设备实现高速、高效、高精度和高可靠性起着举足轻重的作用。到21 世纪初,数控系统技术以新的技术思路、新的体系结构迅速发展,数控系统体系结构由专用型封闭式向通用型开放式发展,数控系统的性能、功能向智能化、高速、高精、高效发展。
数控系统采用开放体系结构,使得数控系统有了新的生命力。开放式数控系统打破了传统数控系统所存在的缺乏共同性和标准接口,不同品牌的系统互不兼容的封闭式体系结构。一个开放式系统能使得各种应用系统可以有效地运行于不同供应商提供的不同平台之上,可以与其它应用系统相互操作,并具有风格一致的用户交互界面。
PC作为世界范围内的标准化通用性产品,具有良好的可靠性和兼容性,随着PC机的抗干扰性、可靠性和稳定性不断提升,进一步缩小甚至超过专用控制机的性能,因此,利用现有PC机的软硬件规范设计开放式数控系统已经成为一种发展方向。基于PC的开放式数控系统具有如下重要的技术特征:1)采用PC作为控制系统的核心,可以节省开发专用硬件的费用,大大降低系统的成本;市场上大量PC软件开发工具使系统开发工作量大大减少。2) PC总线是开放性总线,PC数控系统的体系结构具有开放性、模块化、可兼容的特点。机床厂和用户可以根据需要选择合适的软硬件模块,以最低的成本组成性能最佳系统,也可方便地进行二次开发,扩展系统功能,实现功能的个性化。3)软件资源丰富,易于实现系统智能化。4)在通用PC的结构上很容易实现与计算机系统或数控系统通讯。因此基于PC机构建的数控系统能够较好的满足开放式数控系统的功能要求,使数控系统具有良好的可靠性、兼容性和开放性。
Windows是PC机上的主流操作系统,大多数的终端用户都熟悉Windows的操作,在Windows上可以运行种类丰富的应用软件,Windows带有网络功能并支持硬件设备的即插即用。Windows有大量高效易用的集成开发环境,Win32 API已是软件开发的事实上标准,通过Win32 API可以方便的调用操作系统的各种功能,提高软件开发的效率。
2.数控系统设计思路
  系统采用“NC嵌入PC”结构的开放式结构,以运动控制卡作为核心控制器,以PC作为主机,形成了主从型开放式数控系统。由于Windows操作系统不具备实时性,在Windows系统上不能运行有强实时性要求的软件,因此把对实时性要求很高的任务,如轨迹差补、位置控制、速度控制等,交给运动控制卡内部的CPU来处理,而状态显示、程序编辑、参数设置等非实时性任务则可以运行在由PC机和Windows操作系统构成的平台之上。
系统软件选用Visual C++ 6.0作为开发工具,Visual C++ 是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发工具,它支持面向对象程序设计方法,可以使用功能强大的微软基础类库MFC,用Visual C++开发出来的软件稳定性好、可移植性强,而且软件与硬件相互独立,因此Visual C++成为控制系统程序的首选开发工具。软件开发采用“自顶向下”的模式,首先由人机界面开始搭建整个数控系统软件的框架,然后按照数控系统软件原理图的结构,对各功能模块逐个进行开发。在开发NC和PLC模块时要充分利用运动控制卡提供的功能函数库,通过调用库中的函数完成轨迹差补和I/O控制等功能。
3.数控系统硬件设计
依据微机数控系统的硬件原理图,如图1所示,系统硬件的主体由PC机和运动控制卡组成,两者之间通过PCI或ISA总线进行连接。机床X/Z轴的伺服驱动单元以及刀架、行程开关等设备需要通过I/O接口板与运动控制卡的I/O口进行连接。因此系统硬件设计的主要任务是选购PC机、运动控制卡和伺服驱动单元等设备,研究运动控制卡和伺服驱动单元等设备的I/O接口信号规范,在此基础上设计I/O接口板,使设备之间的连接整齐有序。
机床电器I/O信号
极限和回零行程开关
X/Z轴伺服驱动
单元
刀架、脉冲编码器
X轴电机
Z轴电机
PC机
PCI/ISA总线
运动控制卡
I/0接口板
I/0接口板
图1 数控系统硬件原理图
4.数控系统软件设计
   整个微机数控系统设计的主要任务是设计系统软件。系统软件的工作原理如图2所示,整个数控系统运行在具有开放性的Windows操作系统平台上,数控系统软件通过Windows API来共享Windows系统的资源,通过运动控制卡API来使用运动控制卡提供的控制功能。数控系统软件划分为人机界面、NC、PLC、参数设置和专家系统五大模块,每个模块又进一步划分成若干个小模块,这就使整个系统软件结构层次清晰。
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