CNC系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的核心部分。CNC系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和精確定位，其控制軟件的各功能模塊可認(rèn)為是交由系統(tǒng)完成的任務(wù)。這些任務(wù)以順序方式或并行方式協(xié)調(diào)運(yùn)行。因此，系統(tǒng)軟件必須要有一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)以確保各模塊間的協(xié)調(diào)工作。

1 CNC系統(tǒng)軟件要求

　　CNC系統(tǒng)在高速度、高精度加工控制、圖形顯示等方面應(yīng)具有很強(qiáng)的功能。因此，CNC系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件應(yīng)達(dá)到以下要求：

　　(1)強(qiáng)實(shí)時(shí)性。CNC系統(tǒng)軟件應(yīng)具有實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和對(duì)各種異步事件進(jìn)行檢測(cè)和處理的功能。

　　(2)任務(wù)并發(fā)處理與調(diào)度。CNC裝置通常作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，系統(tǒng)軟件必須完成管理和控制兩大功能。系統(tǒng)的管理部分包括輸入、I／O處理、顯示、診斷等，而控制部分包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理和位置控制等。在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，這多個(gè)任務(wù)中的若干個(gè)任務(wù)需要同時(shí)工作。對(duì)于多個(gè)任務(wù)并發(fā)的情況，系統(tǒng)軟件應(yīng)能相應(yīng)進(jìn)行處理和調(diào)度，提高CPU的利用率，縮短加工時(shí)間，提高工作效率。

　　(3)開(kāi)放性。系統(tǒng)軟件應(yīng)能根據(jù)用戶(hù)不同的工作環(huán)境進(jìn)行裁剪和配置，增減控制和管理功能。

　　(4)模塊化。各模塊間盡量相互獨(dú)立而又能相互配合。

(5)友好的人機(jī)界面。方便用戶(hù)進(jìn)行操作和及時(shí)了解系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。

2 CNC系統(tǒng)軟件的模塊化設(shè)計(jì)

　　2.1 設(shè)計(jì)思路

　　根據(jù)Windows的多線(xiàn)程機(jī)制，建立CNC系統(tǒng)軟件的多線(xiàn)程模型，將CNC系統(tǒng)中管理、控制功能實(shí)現(xiàn)分作若干個(gè)模塊，分別置于獨(dú)立的線(xiàn)程中，以消息排隊(duì)和消息循環(huán)推動(dòng)CNC系統(tǒng)的運(yùn)行，那么，系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率將得到較大提高。

　　Windows多線(xiàn)程模型建立CNC系統(tǒng)軟件的多線(xiàn)程模型，實(shí)際實(shí)現(xiàn)是將CNC軟件模塊置于若干獨(dú)立的進(jìn)程中來(lái)實(shí)現(xiàn)。Windows提供了幾種高效的進(jìn)程間交換數(shù)據(jù)的機(jī)制，如管道、郵路和文件映射等。本文選擇文件映射方式來(lái)實(shí)現(xiàn)各進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。

　　所謂文件映射，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是將磁盤(pán)文件(或部分)映射到某段內(nèi)存空間，對(duì)磁盤(pán)文件的訪(fǎng)問(wèn)轉(zhuǎn)變成對(duì)內(nèi)存的訪(fǎng)問(wèn)，顯然，這大大提高了訪(fǎng)問(wèn)速度。實(shí)際的映射過(guò)程是通過(guò)若干API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)“文件映射對(duì)象”，而這個(gè)對(duì)象是共享的，各個(gè)進(jìn)程可將對(duì)象映射到自己的內(nèi)存地址空間，各進(jìn)程的映射地址不一定相同，但地址中的內(nèi)容卻一定是相同的，各進(jìn)程對(duì)各自的映射地址的訪(fǎng)問(wèn)都?xì)w結(jié)為對(duì)“文件映射對(duì)象”的訪(fǎng)問(wèn)。因此，可以認(rèn)為“文件映射”是將文件映射到內(nèi)存供各進(jìn)程共享。

　　這種方案在一定程度上提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率，在實(shí)際的調(diào)試加工過(guò)程中，電機(jī)運(yùn)動(dòng)也比較流暢，無(wú)阻滯現(xiàn)象，以插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)后得到的圓弧效果來(lái)看，這一設(shè)計(jì)理論是可行的。

　　2.2 CNC系統(tǒng)的多線(xiàn)程模型與模塊設(shè)計(jì)

　　2.2.1 CNC系統(tǒng)的多線(xiàn)程模型

　　CNC系統(tǒng)的多線(xiàn)程模型包括主控制線(xiàn)程、自動(dòng)加工線(xiàn)程和顯示／面板操作線(xiàn)程。

　　主控制線(xiàn)程負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)啟動(dòng)和消除自動(dòng)加工線(xiàn)程，系統(tǒng)退出時(shí)，將消除顯示／面板操作線(xiàn)程。其主要完成的工作內(nèi)容非常復(fù)雜，如系統(tǒng)初始化；數(shù)控加工程序輸入、編輯；參數(shù)設(shè)置；操作功能控制；坐標(biāo)設(shè)置；語(yǔ)法檢查和文件編譯等。主控線(xiàn)程中應(yīng)設(shè)計(jì)一系列相對(duì)獨(dú)立的功能模塊來(lái)分別完成上述任務(wù)。

　　自動(dòng)加工線(xiàn)程主要完成譯碼，刀具補(bǔ)償，插補(bǔ)，產(chǎn)生加工數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)控制器工作。加工程序由計(jì)算機(jī)進(jìn)行譯碼，刀具補(bǔ)償，速度處理后，得到刀具中心的插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)將這些插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)和其他指令數(shù)據(jù)以固定格式存放于一內(nèi)存空間中。每次中斷發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些指令數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。如存在插補(bǔ)指令，則實(shí)時(shí)算出插補(bǔ)數(shù)據(jù)，并送回內(nèi)存空間，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制相應(yīng)軸的電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)計(jì)算機(jī)中一幀指令數(shù)據(jù)讀完后，在插補(bǔ)間隙自動(dòng)計(jì)算出新的插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)，送回內(nèi)存空間。Windows是一種非獨(dú)占式的多任務(wù)系統(tǒng)，由于實(shí)際加工(特別是插補(bǔ))對(duì)于實(shí)時(shí)性要求很高，因此選擇采用中斷方式實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的輸入控制。

　　顯示／面板操作線(xiàn)程模塊完成的功能有刀位坐標(biāo)，刀位運(yùn)動(dòng)軌跡顯示，面板操作讀人，故障指示等。

　　2.2.2 CNC軟件功能模塊

　　開(kāi)放式的CNC控制系統(tǒng)采用分層的體系結(jié)構(gòu)。分層使得各層實(shí)現(xiàn)隔離，層與層間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)較好的可移植性。

　　2.3 CNC系統(tǒng)主要軟件模塊的設(shè)計(jì)

　　2.3.1 菜單總控模塊

　　菜單總控模塊是整個(gè)系統(tǒng)的頂層調(diào)度模塊，各子系統(tǒng)功能模塊都經(jīng)由它進(jìn)行調(diào)度執(zhí)行?？偪啬K由系統(tǒng)運(yùn)行界面和各回調(diào)函數(shù)組成?；卣{(diào)函數(shù)完成界面上的控件的事件驅(qū)動(dòng)操作。通過(guò)回調(diào)函數(shù)，進(jìn)入下一級(jí)子功能模塊，如NC文件管理、操作管理、刀庫(kù)管理和參數(shù)設(shè)置等。

　　2.3.2 自動(dòng)運(yùn)行模塊

　　(1)加工進(jìn)程的建立與管理。一旦CNC系統(tǒng)接受了一個(gè)經(jīng)過(guò)_預(yù)處理的NC數(shù)據(jù)文件，并準(zhǔn)備開(kāi)始譯碼一搟，本系統(tǒng)稱(chēng)其為建立并開(kāi)始一個(gè)加工進(jìn)程。同時(shí)，系統(tǒng)定義的全局性進(jìn)程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)MProcess存儲(chǔ)這次加工的所有數(shù)據(jù)。

　　(2)譯碼。將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的NC指令字符串讀入系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的對(duì)應(yīng)插補(bǔ)譯碼用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的子數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Ncfileformat中。

　　(3)插補(bǔ)和速度計(jì)算。在算法的具體實(shí)現(xiàn)上，針對(duì)一般的直線(xiàn)和圓弧指令插補(bǔ)和要求與主軸同步的螺紋插補(bǔ)的不同要求設(shè)計(jì)了不同的運(yùn)行策略和流程。

　　對(duì)一般的直線(xiàn)和圓弧指令G01／G02／G03的插補(bǔ)來(lái)說(shuō)，主要矛盾是要保證插補(bǔ)輸出的連續(xù)性與準(zhǔn)確性。特別是G02／G03指令，由于插補(bǔ)中主要使用最占用CPU時(shí)間的三角函數(shù)計(jì)算，再加上軌跡位置的顯示更新，容易影響插補(bǔ)的實(shí)時(shí)性，造成系統(tǒng)走走停停，影響加工質(zhì)量。為避免這種情況，把更新頻率降到每10次插補(bǔ)刷新一次屏幕，可以減少占用CPU的時(shí)間。對(duì)螺紋插補(bǔ)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是要求對(duì)主軸聯(lián)動(dòng)建立嚴(yán)格的同步。由于螺紋插補(bǔ)的算法本身比較簡(jiǎn)單，只牽扯到不多的乘法運(yùn)算和流程判斷，占用CPU時(shí)間不多。因此，設(shè)計(jì)時(shí)把它的插補(bǔ)運(yùn)算部分放入8～10ms的中斷程序中進(jìn)行運(yùn)算，在第二次中斷開(kāi)始時(shí)輸出，再配合啟動(dòng)時(shí)預(yù)讀主軸信號(hào)進(jìn)行預(yù)計(jì)算的方式，即可同時(shí)滿(mǎn)足系統(tǒng)加工的連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的要求。

3 CNC系統(tǒng)軟件的應(yīng)用

　　復(fù)位操作在一定時(shí)間內(nèi)未完成，系統(tǒng)提示復(fù)位操作出錯(cuò)并退出復(fù)位狀態(tài)。用戶(hù)在排除故障后可重新進(jìn)行復(fù)位操作。

　　3.1 主界面

　　系統(tǒng)的主界面分左右兩部分。左邊是文件編輯區(qū)，所有的NC文件在此進(jìn)行編輯。編輯界面參照Windows風(fēng)格設(shè)計(jì)，方便設(shè)計(jì)人員使用。右邊為系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)顯示區(qū)，從上至下分別顯示系統(tǒng)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)變化；系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化(包括是否復(fù)位、運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)方向、是否允許手輪操作，系統(tǒng)限位報(bào)警等)；系統(tǒng)輸人輸出端口變化；系統(tǒng)錯(cuò)誤指示。用戶(hù)可方便的了解機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，同步檢查是否出現(xiàn)操作錯(cuò)誤。一旦發(fā)生錯(cuò)誤，系統(tǒng)的錯(cuò)誤指示欄中用紅色字體醒目的向用戶(hù)報(bào)告相關(guān)的錯(cuò)誤情況，并伴有蜂鳴器叫聲提示。

　　由于系統(tǒng)未復(fù)位(回機(jī)械零點(diǎn))，所以系統(tǒng)軸運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)顯示為9999．99。一旦完成系統(tǒng)復(fù)位后，系統(tǒng)坐標(biāo)值即可以隨系統(tǒng)軸運(yùn)動(dòng)變化而顯示在屏幕上。

　　3.2 復(fù)位

　　系統(tǒng)提供全軸，單軸復(fù)位方式。選擇并點(diǎn)擊開(kāi)始后，系統(tǒng)提示用戶(hù)從操作面板上發(fā)一個(gè)復(fù)位信號(hào)。用戶(hù)在操作面板上按下復(fù)位按鈕后，系統(tǒng)即可開(kāi)始復(fù)位。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作時(shí)，用戶(hù)不能退出此操作界面，以確保復(fù)位操作的安全性。若因某些故障而使得復(fù)位操作在一定時(shí)間內(nèi)未完成，系統(tǒng)提示復(fù)位操作出錯(cuò)并退出復(fù)位狀態(tài)。用戶(hù)在排除故障后可重新進(jìn)行復(fù)位操作。

　　3.3 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

　　系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置包括系統(tǒng)參數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制卡參數(shù)，設(shè)備參數(shù)。系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置與系統(tǒng)運(yùn)行性能息息相關(guān)。因此，在進(jìn)行參數(shù)修改時(shí)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)操作人員進(jìn)行密碼驗(yàn)證。通過(guò)驗(yàn)證后系統(tǒng)顯示參數(shù)修改欄，否則只能看到屏幕上部的參數(shù)報(bào)告欄而不能進(jìn)行修改。

　　3.4 刀庫(kù)管理

　　刀庫(kù)管理模塊隨時(shí)跟蹤刀具使用情況。用戶(hù)進(jìn)入刀庫(kù)管理界面后可了解當(dāng)前使用刀具的使用和參數(shù)設(shè)置情況，也可以根據(jù)需要隨時(shí)修改相關(guān)刀具參數(shù)。針對(duì)車(chē)床的刀架特點(diǎn)，系統(tǒng)提供對(duì)8把刀具的參數(shù)設(shè)置。

　　3.5 文件編輯

　　系統(tǒng)提供界面友好的NC文件編輯器。用戶(hù)所有輸入均自動(dòng)轉(zhuǎn)為大寫(xiě)輸入，以符合通用NC文件格式。對(duì)用戶(hù)輸入的非NC代碼，如Q，B等非法字符或一些非法符號(hào)如?、!等不予接受且不能顯示。

　　3.6 加工軌跡模擬

　　當(dāng)用戶(hù)完成了文件編輯，經(jīng)語(yǔ)法檢查和編譯后，不需上電運(yùn)行機(jī)床就能了解刀具運(yùn)動(dòng)情況，如圖4所示。利用系統(tǒng)提供的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡模擬這一功能可以觀(guān)察系統(tǒng)如何解釋加工文件及如何控制刀具的運(yùn)行。這一功能使用戶(hù)能直觀(guān)的了解程序編制出現(xiàn)的錯(cuò)誤，在一定程度上了機(jī)床的運(yùn)行安全。

4 小結(jié)

　　本文選用Windows98作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的操作平臺(tái)，確定CNC系統(tǒng)的多線(xiàn)程模型和進(jìn)行系統(tǒng)軟件的模塊劃分、各功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)和最終系統(tǒng)軟件的集成應(yīng)用。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，遵循開(kāi)放性、模塊化的設(shè)計(jì)要求，利用功能強(qiáng)大的Visual Basic6．0作為開(kāi)發(fā)工具，開(kāi)發(fā)出其于PC機(jī)的通用數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用軟件，該軟件已在CK6140H車(chē)床上應(yīng)用，效果良好。