一种基于Windows和PC机并口的数控系统的开发

1、收稿日期:2004-07-19作者简介:黄坚(1954-,男,长沙人,南京工程学院副教授,研究领域为数控、计算机控制、智能控制等,(E-mailjian-huang388 。文章编号:1001-2265(200502-0071-03一种基于Windows 和PC 机并口的数控系统的开发黄坚,宋丽蓉(南京工程学院,南京 210013摘要:为满足先进制造技术的需要,文章提出了一种高性价比的数控系统。该系统充分利用PC 机的软、硬件资源。除了数控功能较强之外,它还易于实现网络数控。文章叙述了该系统的总体架构、组成原理及特色。实践证明,该系统的开发是成功的。关键词:数控系统;并行端口;性价比;网络数控

2、中图分类号:TP273 文献标识码:ADevelopment of NC System Based on W indows and Paralle Port of PCHUANG Jian,SONG Li rong(Nanjing lnstitute of Technology,Nanjing 210013,C hinaAbstract:To meet the need of advanced manufacturing technique,the NC system with high ratio of quality to price is presen ted .The sys tem

3、makes full use of software and hardware resources of PC.Besides strong NC functions,i t is easy to realize NNC.Thi s paper gives the architecture,principle and characteri stic of the system.The practice shows that the development of the system is successful.Key words :numerical control syetem;parall

4、e port;ratio of quality to price;Network Nu merical Control (NNC0 引言近年来,在计算机技术迅猛发展的带动下,由于加工过程柔性化、集成化和可视化等方面的需求,数控系统的研发和更新换代得到了很大的促进。从数控系统的结构来看,开放式数控系统正日益得到人们的关注和认可。从数控系统软件的开发环境来看,除了一些基于单片机的系统采用汇编语言开发外,相当一部分系统的软件是在DOS 环境下开发的,编程语言大多为C 或C+。随着Windows 操作系统的普及,人们也在开发基于Windows 的数控系统软件,其最大的优点就是便于实现网络功能和优良的人

5、机交互功能。另外,以Linux 为代表的一类源代码开放的操作系统也在数控系统软件的开发方面表现出特殊的优越性。从数控系统的硬件构成来看,一种发展趋势是借助于现有的计算机资源,即在PC 机或工控机的基础上,配以具有I/O 功能以及数控系统所需的其他功能的板卡,再结合相应的驱动装置,就方便地构成了数控系统;另一种发展方向是,用基于Linux 等开放式操作系统的嵌入式系统来构成数控系统,其特点是,可以根据实际需要构造出软、硬件冗余小、效率高、功能全的数控系统。本文主要针对实习培训和机床改造等场合,利用PC 机的并行端口,并配以自行开发的并口控制卡,构造了一种低成本、高性能的数控系统。系统的安装和调试

6、十分简便;系统有较强的图形显示功能,可实现三维加工过程动态仿真;系统还具有较强的联网功能,可方便地组成NNC 系统。该系统已与数控铣床和车床配套,形成产品。1 系统构成及分析文章所构成的数控系统中,由PC 机及相应软件完成的任务主要有:操作面板的处理、数据的存储与处理、数控核心计算、外部设备控制、图形仿真和联网通信等;由PC 机并行端口及自行开发的并口控制卡完成的主要任务有:数控系统定时、数据I/O 、信号的转换与匹配等;系统外部设备的配置主要包括:选用商品化的变频器和交流异步电动机作为主轴驱动、使用带环分的步进电机驱动器及相应的二相混合式步进电机作为进给驱动、采用六工位旋转刀架作为自动换刀装

7、置。以数控车床为例,系统总体架构如图1 所示。图1 系统总体架构构成该系统的关键是控制软件和并口控制卡。下面通过对进给系统、主轴控制部分及自动换刀装置的分析,进一步明了对并口控制卡和控制软件的设计要求。进给系统采用 步进电机+刚性联轴器+滚珠丝杆 的传动方案。步进电机步距角选为0.9!,这样,电机转一周对应的脉冲数n =360!/0.9!=400。对z 轴而言。若丝杆的导程为4mm ,则脉冲当量 =4/400=0.01mm ;同理,对x 轴来讲,若丝杆的导程为2mm ,则脉冲当量 =2/400=0.005mm 。另据计算,要求步进电机的扭矩为5Nm 。主轴传动采用了 变频器+主轴电机+皮带轮+

8、主轴及卡712005年第2期控制与检测盘 的结构。还同轴安装了光电编码器,以实现螺纹加工中主轴速度与进给速度的同步。对变频器的控制,一是要提供正、反转及停转的开关量信号,二是要提供与转速成比例的05V 模拟电压。旋转刀架的换刀过程是:当需要换刀时,接通刀架电机,带动刀架旋转;当达到指定刀位时,便停止正向旋转,经短暂延时后,使电机反转,带动刀架反靠、锁紧;经反转延时后,电机停转,换刀结束。另外,为确认机床原点,当刀架到达设定位置时,相应的电磁感应开关将产生回零信号;为防止超程和刀具碰撞,当刀架到达限定位置时,相应的限位开关将产生超程信号。系统并口控制卡就是要配合系统软件,形成外部设备所需的控制信

9、号;同时,检测出外设所产生的各种信号,经相应的变换后,通过PC 机并行端口送交系统软件作相应处理。系统控制软件除了完成插补、刀补等核心计算之外,还要根据加工工艺的要求和外部设备的具体情况,对外设作出相应的控制,并对检测到的各种信号进行实时处理。另外,还要完成加工过程的实时动态仿真和网络通信等任务。2 并口控制卡的开发以往,所谓将NC 嵌入PC 机而构成数控系统,就是将具有I/O 和运动控制功能的卡插入PC 机的总线插槽中,从而形成数控系统的硬件结构。但是从我们收集到的用户信息来看,觉得这样做不太方便,况且PC 机中ISA 插槽已很少见,而PCI 插卡的成本较高。如果在PC 机并行端口的基础上开

10、发出相应的控制卡,则可构造出使用方便,性价比高的数控系统。一般,PC 机并行端口的结构如图2所示,它有标准并口(SPP、增强型并口(EPP和扩展型并口(ECP三种工作模式。为适用面更广,本文采用了SPP 。不管PC 机内部系统总线是ISA 还是PCI,SPP 对外使用了17根信号线,这17根信号分布在三个端口:数据(DATA 口8根,状态(STATUS口5根,控制(CONTROL口4 根。图2 并行端口结构为完成上述任务,针对PC 机并行端口开发了并口控制卡,其结构如图3所示。由控制口发出的信号经译码后,作为卡上各模块和芯片的选通信号。由数据口送出的数据有的送给D/A 转换器,经数/模转换后得

11、到05V 的模拟电压,用来控制变频器;另外一些数据信号被锁入输出锁存器,用作进给脉冲信号以及各种开关量信号;还有的数据经总线驱动器之后,送至8253定时/计数器,用来对其进行初始化和设置分 频系数。图3 并口控制卡结构8253的通道1被设置为工作方式2,对由晶振及分频电路来的1M 标准时钟脉冲计数,实现定时控制。快速定位和进给加工时,对脉冲间隔的定时就决定了脉冲频率,即运行速度;换刀时,又可用它来定时刀架反靠的时间单元。定时时间到,就触发双稳态电路翻转,当系统检测到该状态时,便作出相应的处理,同时使双稳态电路复位。8253的通道0被设置为方式0,在螺纹加工时,用来对由编码器产生,经四倍频之后的

12、脉冲信号计数。#计数到信号以及由检测电路测得的回零、超程等信号都经由状态口送入PC 机。3 系统软件的设计与开发Windows 已成为PC 机的主流操作系统,易于获得广泛的平台支持;另外,它有很强的支持网络联接的功能,便于组成网络化的数控系统,甚至进一步形成CIMS;再有,基于Windows,很容易得到良好的界面和人机交互平台,可使得数控系统的操作简便,并可得到直观、形象的动态仿真图形。考虑到这些优点,开发了基于Windows 的数控软件系统,开发平台为C+Builder 。根据数控系统的要求,系统软件的主要模块包括:初始化(包括对各运算变量、端口、定时/计数器等的初始化;译码(即指令分解,就

13、是将数控G 代码指令逐条翻译,并用实现函数对应;显示(三维图形仿真和加工轨迹的实时动态跟综;运算(包括插补运算、刀补运算和升/降速曲线计算等;外部设备处理(包括步进脉冲输出、主轴电机控制、刀架控制、机床测试信号处理和键盘响应处理等;数控加工功能(包括手动、对刀、齿隙补偿、螺纹加工、粗车循环、转移加工、子程序调用等;联网通信(在基于TCP/IP 协议的局域网上开发,可实现多台控制终端和多台加工及运送设备的互联,并可在统一调度下,完成多工序的复杂加工任务。在Windows 环境下,要实现手动功能和系统加工过程中的人工干预功能,一个较好的办法就是采用多线程技术。在Win dows 下,一个应用程序即

14、为一进程(process,一进程下可分为多个线程(thread,由这些线程分时占用CPU ,从宏观上看就像是并行运行的。文章所述系统建立了两个线程,主线程的主要任务有初始化、译码、显示、键盘响应及外部信号处理等;子线程主要包括运行模块,即完成插补运算和脉冲输出等任务。两个线程的协调与同步可以通过创建全局事件对象来实现,而本文则72控制与检测组合机床与自动化加工技术是通过在优先级较高的主线程中设置和修改标志来完成的。若在系统运行过程中需要立即暂停运行,则可按下#暂停键,并在该键的响应事件中修改运行标志,由于该标志为全局变量,故子线程将根据该标志而自动挂起,系统便暂时停止运行。对于数控系统而言,实

15、时性是至关重要的,由于Windows采用了抢占式多任务处理机制,故难以保证对外部信号的实时响应;另外,由于Windows隐藏并虚拟大部分物理设备,包括外设和中断机制,故应用程序不能直接对硬件实施控制。因此,需要开发数控系统的驱动程序。WDM(Win32Driver Modal是微软新一代的Windows设备驱动程序模型。可采用Numega公司提供的WDM开发工具Driver Works和调试工具Soft ICE来开发WDM 驱动程序。考虑到数控系统的实际应用环境,本文在限制Windows任务数和线程数的前提下,配合前述硬件电路,采用查询方式来响应外部信号。实践证明,如果使用Pentiu mII

16、以上的机器,可以取得非常理想的效果。系统软件中的插补、刀补和升/降速控制等算法在有关数控系统的文献资料中介绍较多,在此就不赘述了。以下主要根据本数控系统软件的特点,并结合并口控制卡来论述对数控外部设备的控制方法。步进电机进给速度的控制是这样考虑的:设加到8253输入端的定时脉冲的频率为f req,脉冲当量 按前述方法确定,若程序要求的进给速度为F(mm/min,则8253的时间常数T=f reqF/(60 =60 f req/F据此得到的定时间隔便决定了进给速度。主轴控制是通过对变频器的控制实现的,一方面通过将开关量输出至变频器的cw与ccw端来控制主轴电机的正、反转和停转;同时还要输出与转速

17、成正比的模拟电压。设主轴的最高转速为S max,使用了10位D/A转换器,则对应于所要求的转速S,送给D/A转换器的数为N=1023S maxS刀架的控制,主要是刀架电机反转时间的控制。如果反转时间不够,则刀架反锁不紧;而反转时间太长,又会在再次启动刀架旋转时,出现#锁死现象,即转不动;这两种现象都是不允许出现的。而不同的刀架对反转时间的要求也不相同。为此,必需允许根据实际情况来调整反转时间,并进行较精确的定时。为满足这一要求,采用了软、硬件结合延时的办法,可先用定时器定出一较小的时间单位,再用软件对这一时间单位计数得到总的反转时间,该计数值可由系统面板预先设置。这样,既可保证计时精度又可使计

18、时范围足够大,取得了很好的效果。由于篇幅所限,系统软件的其他功能模块及实现方法在此就不展开讨论了。除了已有的功能之外,还充分考虑了系统的开放性和可扩展性,提供了对多种硬件设备进行控制的接口函数,用户可在此基础上自行开发数控程序。4 结束语为适应制造业发展的需要,文章提出充分挖掘PC机的硬、软件资源,开发出一种具有高性价比的数控系统。系统安装调试方便并具有二次开发功能,特别适合于数控机床、数控系统、数控编程、数控原理的教学培训及机床改造等场合;还可与CAD/C AM软件结合,也可方便地实现网络数控。该系统已配套形成数控车床和铣床,显现出特别的优势。参考文献1王润孝,秦现生.机床数控原理与系统M.

19、西安:西北工业大学出版社,2000.2Dhananjay V Gadre(著,韩永彬,袁潮(译.并行端口编程M.北京:中国电力出版社,2000.3王宇晗.开放式控制器对数控机床低成本改造的策略J.机械设计与研究,2001(6:23-26.(编辑 李秀敏(上接第70页工作,循环结束时重新回到各自的初始位置并根据方式选择开关 连续/单周期决定重新开始还是等待。根据控制要求可画出一次提取时的程序流程图如图3所示,二次提取时也类似,限于篇幅就不再给出了。根据流程图就可设计出梯形图程序,自动控制程序采用步进指令STL和RET编程。3.2 触摸屏画面设计该系统中主要设计了欢迎登录画面、主画面、参数设置和显示画面、手动操作画面、自动操作画面、监控画