Windows环境下转塔数控冲床监控与编程系统设计
1 前言 随着计算机技术的发展,Windows作为一个多窗口、多任务的新型的图形窗口操作环境,具有许多DOS不可比拟的优点。它可完成任务、文件输出设备等的并行管理工作,并提供了强大的功能以及友好的图形用户界面(GUI),它不仅广泛用作管理事务型工作的支持平台,而且也被工业领域的工程人员所关注。随着工业PC大举进入数控领域,数控冲床监控和编程系统的开发也愈来愈多地应用PC机的最新硬件和软件成果。随着CNC技术和计算机技术的发展,在Windows环境下,采用先进的“5C”(Computer、Control、Communication、CRT、C/C++语言)技术,开发数控冲床的监控和编程系统,已成为一个潮流和方向。 2 数控冲床CNC系统的总体设计 本数控冲床CNC系统的设计采用了国际上流行的工业PC平台,同时考虑到满足人机交互友好和实时控制的要求,该系统采用工业PC双CPU前后台的结构,由上位机IPC586和控制机IPC486构成,如图1所示。后台上位机完成管理、监控、编程等功能,直接面对用户。前台控制机完成数据处理、实时控制以及状态检测等功能。前后台之间通过串行通讯的方式交换信息。CNC系统的应用软件包括上位机和控制机的应用软件,分别运行于Windows NT操作环境和DOS操作环境下,各自完成独立的功能。上位机的人机交互控制命令根据一定的通讯协议格式,转换为控制机可识别的通讯编码,通过串行通讯方式传送至控制机,由控制机进行数据处理,并将其处理结果输送至冲床进行实际加工控制,同时该结果和冲床的实时运行状态信息也将通过串行通讯传送至上位机,反馈给用户。 图1 CNC系统结构 3 监控与编程系统的功能要求 根据CNC系统的总体设计要求和任务划分,监控和编程系统的控制和操作功能要求包括系统运行、加工文件管理、显示管理、系统诊断、编程、系统设置和管理等。 (1)监控与编程系统的设计原则 图2 监控和编程系统数据流图 监控和编程系统的总体结构分为三部分:监控子系统、编程子系统和刀具管理子系统,其中编程子系统包括图形编程和手工编程两部分。手工编程只需调用Windows中已有的编辑器如Notepad即可实现。监控和编程系统的结构如图3所示。监控、编程和刀具管理三个子系统分别完成系统的一部分功能,相对独立,不同子系统在数据结构、控制算法和控制模式等方面具有不同的性质和特点,同时,整个系统又是各子系统的有机组合,有着密切的联系,因而各子系统之间必须存在着信息交换和协调问题。在进行系统的研究和设计时,应尽量减少各部分之间的耦合,以利于各子系统功能的实现;同时应保持各系统之间清晰的信息接口,以增强系统的重构和扩展能力。图形编程系统菜单结构见图4,刀具管理系统的总体结构见图5。 图3 监控和编程系统总体结构 图4 图形编程系统菜单结构 图5 刀具管理系统的总体结构 随着当今制造业灵活快速制造的发展,数控冲床也向着具有多种复合功能、更加稳定可靠、更大柔性、适应多品种小批量的方向发展,有建立冲压过程的柔性制造系统的发展趋势。本文在进行数控系统监控和编程系统的研究和开发时,力求增强系统柔性,将监控和编程系统作为一个内部彼此联系、相互作用、相互制约的集成性整体。本系统各部分的功能相对独立,刀具管理系统进行刀具库和刀塔的管理和控制,根据刀具和刀塔参数生成刀具文件;图形编程系统根据输入的图形和加工信息生成NC程序文件;监控系统则对冲床加工进行监控和控制。另一方面,整个系统又是一个相互联系、相互制约的集成性整体,图形编程时,要以刀具管理系统所生成的刀具文件为依据进行人机交互刀具选择;而在对冲床进行自动加工控制时,需要输入相应的NC程序,而且在加工前要进行刀具检查,检查该NC程序所需刀具和刀塔上安装的刀具是否一致。图6所示为本系统各部分之间的联系。 图6 监控和编程系统的内部联系 系统的总体控制流程如图7所示。系统开启,上位机与控制机、冲床联机后,即可进行冲床监控,同时进行在线编程和刀具管理;也可单独进行离线编程和刀具管理。 图7 系统总体控制流程 如上所述,本系统被划分为监控、编程和刀具管理子系统,而在各子系统的研究和开发过程中,作者引入了面向对象的设计思想,并采用流行的Windows NT技术解决了一些核心问题。 (3)监控与编程系统开发的技术方案 在监控和编程系统的开发中,作者选用了Microsft Windows NT 4.0操作系统,开发平台选用了Microsoft Visual C++4.0。 1)由于本监控和编程系统为工业控制领域系统,所以操作系统的安全性显得非常重要。Windows NT完全利用了Intel 80386芯片保护模式的安全特性,操作系统的各级模块运行在不同的权限等级当中,互相不能干扰,各进程也运行在完全独立的虚拟机(VMM)中,对操作系统和其它进程无法干预。Windows 95和Windows NT有许多相同之处,但Windows 95设计的目标是为PC主流系统配置操作系统,以普及为主,而Windows NT则以高技术、高性能为目标,其完善的性能监控以及事件登录服务,使它较Windows 95更好管理,更安全、稳定、强壮。在本系统的开发中选用既具有Windows 95操作系统友好的人机界面,又具有非常稳固的安全性的Microsoft Windows NT 4.0操作系统。 2)编程语言采用的是面向对象的C++语言,所选用的Microsoft Visual C++4.0是一个非常通用、流行而且功能强大的软件编程平台。 5 结论 本文介绍了Windows环境下转塔式数控冲床监控与编程系统的总体设计,并详细地介绍了其功能要求、设计原则、总体结构和技术方案。该系统已经开发完成,监控和编程系统的全方位、多层次的测试表明,该系统基本达到了设计的功能和性能要求,转塔式数控冲床CNC系统的软硬件集成调试表明系统运行良好,达到了预期的目标。本文完成的监控和编程系统界面友好,功能较强,可根据生产实际情况修改和扩展,应用于实际生产中,该系统适合我国国情,具有良好的应用前景。
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