基于开放式软数控系统的实验平台开发

摘 要：以开放式软数控系统为基础，建立并开发了一个数控系统原理实验与教学平台。以模块化方法建立了开放式软数控系统的软件核心，各模块间通过应用程序接口和共享内存进行交互。通过程序代码编写、系统调试、系统运行和实际加工等实验过程，说明数控系统的开发与运行原理。所建立的实验教学平台可作为开放式数控系统开发实践课程的基础。

关键词：开放式软数控；实验教学；数控技术；模块化

引言

随着制造业的不断发展，数控系统与CAD、CAM系统的数据交互更加频繁，对数控系统的功能提出了更高的需求，传统的数控技术存在的问题日益凸显，已经不能满足现代制造业和产品生产的需求[1，2]。在目前的数控技术实践教学中，学生通过实际操作完成手动控制、编写G代码和自动运行等实验内容，了解和掌握数控机床的基本操作方法。开放式软数控系统具有可互换、可移植、互操作和可扩展等特性，其核心功能全部由软件实现，学生可以通过编写源代码和程序调试等实验内容，了解数控系统底层的工作原理，例如G代码解释、插补计算和总线通信等[3，4]。本文将以开放式软数控系统为基础，建立一个用于数控技术实践教学的实验平台，为描述新型数控系统的开发过程与运行原理提供软硬件支持。

1 开放式数控系统实验台设计

1.1 硬件平台设计

本文以开放式数控系统架构为基础，采用模块化体系为结构，建立了开放式数控系统架构，并对各个模块间的交互与协同工作机制进行了研究。实验平台的设计包括硬件平台与软件平台，实验平台的硬件主要包括3个部分：

（1）数控系统。数控系统为开放式软数控系统，可以在通用计算机、工作站和工控机上运行。目前所采用的硬件平台为艾讯（AXIOMTEK）工业PC机。

（2）伺服驱动系统。伺服系统的主要组成部分是通讯卡、驱动器、IO模块和电机。系统所采用的运动控制总线为SERCOS总线。系统采用的SERCOS接口卡为Bosch Rexroth公司生产的被动式SERCOS主站卡，型号为PCM-S11.2，主控芯片为SERCON816。

（3）加工设备。加工设备主要包括机床本体、夹具和刀具等。机床本体采用齐齐哈尔第二机床厂生产的XKV715型3轴立式铣床，改造为双回转工作台式5轴数控铣床。夹具和刀具会根据后续研究与实验需要进行选择。

1.2 软件平台设计

控制系统开发的软件平台包括系统软件和应用软件，其中最重要的部分是系统软件。系统软件是计算机系统最基本的软件组成部分，主要任务是控制和协调计算机及外部设备，支持应用程序开发和运行，调度、监控和维护计算机运行。系统软件包括操作系统、程序语言、处理程序、数据库管理和辅助程序等。

在操作系统方面，本研究选择了Microsoft公司开发的Windows XP SP2操作系统。Windows系统是目前使用最为广泛的操作系统，有丰富的Win32应用程序接口和应用程序作为支持，有大量开发人员和终端用户，因此在控制系统开发平台领域得到广泛的应用。

在编程语言方面选择了应用广泛的C++，由于SERCOS接口在运行时首先要进行复杂的初始化操作，这增加了使用者的开发难度。SERCANS的开发成本和难度依然较高，因此出现了SoftSERCANS的概念，将SERCANS主控功能移植到软件抽象层，在Windows操作系统基础上建立实时扩展子系统，保证SERCOS接口通信的实时性。

1.3 开放式软数控系统实验台软件模块开发

本文采用模块化方法来构建数控系统的软件内核，将数控系统的功能划分为不同的功能组，每组功能都由一个软件模块来实现。控制器的结构包括4个主要模块，分别为人机界面模块、译码模块、任务协调模块和轴组模块。

人机界面模块是基于对话框的MFC程序，是系统启动的入口。人机界面模块首先完成系統的初始化工作，然后启动其它相关的模块。在系统运行时接受操作者的输入，调用其它模块的功能对用户的输入进行响应。系统协调模块进程启动后，会进行初始化进程间通信、加载实时动态链接库、启动相关线程和设置定时器等工作，在后台支撑着整个数控系统的运行。轴组模块是基于RTdll的实时动态链接库，主要功能是完成插补、加减速、前瞻控制和智能控制等功能，将任务生成模块生成的运动段转化为一系列以插补周期为间隔的目标点。

2 系统调试与运行

系统调试在VC++ 6.0环境下进行，首先打开4个软件模块对应的VC工程，从左侧的类视图与资源视图中定位具体功能所对应的C++类，然后在右侧的代码窗口中编写代码，实现具体的功能。系统共有4个工程，分别为HmiModule、PLCManager、NISTTaskgeneratorModule和AxisGroupModule，对应着4个软件模块。代码编写完成后，首先进行编译，确定没有错误和警告后，即可运行。HmiModule编译后生成一个可执行文件，PLCManager编译后生成一个实时可执行文件，NISTTaskgeneratorModule编译后生成一个动态链接库，AxisGroupModule编译后生成一个实时动态链接库。双击HmiModule编译生成的可执行文件，即可打开人机界面。在界面上依次点击“启动SERCOS”、“写参数”和“运行CNC”按钮，即可启动实时进程。之后，分别切换至手动和自动模式，测试相应的系统功能。在自动模式时，点击“读G代码”按钮，可以打开数控指令文件，之后点击“送G代码”按钮开始传送，最后点击“循环”按钮开始实际加工。

3 结束语

本文为数控技术实践教学设计了一个基于开放式软数控系统的实验平台，并进行了开发与调试。本实验台可完成数控系统源代码编写、系统调试、系统运行和实际加工等实验内容。通过源代码的编写、编译和调试，能够使学生掌握数控系统底层的运行原理，而实际加工实验能够完成传统数控技术实践课程的内容。本文所开发的实验教学平台具有开放性，可以通过改写和添加源代码与软件模块的方式增加新的功能，为各种新型数控系统功能的实践教学提供了基础。

参考文献

[1]M. Babb. The Foundation of Open Architecture Control System[J]. Control Engineering，1996，43（1）：75-76.

[2]Richard Zurawski. Open System Architecture for Controls within Automation[J].The Industrial Information Technology Handbook，2005（104）：1-3.

[3]李霞.开放式软件化数控系统相关技术的研究与实现[D].哈尔滨工业大学，2005：1-12.

[4]G. Pritschow，Y. Altintas， F. Jovane. Open Controller Architecture-Past，Present and Future. CIRP Annals-Manufacturing Technology，2001，50（2）：463-470.

作者简介：韩德东（1962-），男，黑龙江哈尔滨人，哈尔滨工业大学机电工程学院工程师，学士，研究方向：数控技术、数字化制造、模具CAD/CAM技术等。