基于PC的CNC数控系统软件的设计与研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.11MB 78 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪 论
§1.1 课题的来源
数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一，而数控机床则是数控系统应
用最为广泛和最为典型的一类系统。数控机床集计算机、电子、自动控制、传感
测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和
运用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，
使世界制造业的格局发生了巨大变化。
数控技术是现代化工业生产中发展十分迅速的高技术，其水平高低是衡量一
个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今
制造业的发展方向。现代的 CAD/CAM、FMS、CIMS 等都是建立在数控技术之上。
应用数控加工可大大提高生产率、保证加工质量、缩短加工周期。而且数控加工
技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件
的计算机辅助设计和计算机辅助制造一体化成为现实。
中国是世界上机床产量最多的国家，但数控机床的产品竞争力在国际市场中
仍处于较低水平，即使在国内市场也面临着严峻的形势：一方面国内市场对各类
机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，
国外机床产品充斥市场，严重影响中国数控机床自主发展的势头。这种现象的出
现除了有经营上、产品质量上和促销手段等的原因外，一个最主要的原因就是中
国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品的开发周期长，不能及时
针对用户的需求提供满意的产品。目前国内已有华中 II 型、航天 II 型等 PC 型数
控系统，但这些系统进入主机厂的还是很少，大多数用于机床改造和特殊专用机
床，因而生产批量小，加上各自有自己的产品和市场，力量分散，这样无法与国
外名牌产品竞争[1]。
§1.2 数控系统概述及发展
从1952 年第一台数控机床在美国问世，至今已有 50 多年的历史，计算机数
控(CNC)从 70 年代中期出现，到现在也已有 30 多年了，数控技术日趋成熟。特
别是近几年来微型计算机、微电子工业及电力电子工业的迅速发展，微型计算机
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与CNC 技术的紧密结合，使得开发和生产 CNC 系统的技术被越来越多的自动化
装备生产厂所掌握[1]。因此，就当今全世界范围来说，CNC 技术已经不再被少数
几个国家的几个 CNC 系统生产厂所垄断。到 80 年代末，几乎每个工业发达的国
家都有了自己的数控设备生产厂，生产满足各自国家数控机床及其他机械装备所
需要的数控系统。甚至很多大型的数控机床生产厂都有自己的产品，并部分出售
数控系统。因此，CNC 系统生产厂之间的竞争十分激烈，数控技术的发展进入了
新的阶段。
§1.2.1 现代数控系统概述
数控系统作为数控技术的核心部件，其性能的改进及技术的发展给予机械加
工设备以“质”的变化，奠定了现代柔性制造技术、计算机集成制造技术及未来
的智能制造技术的基础。自1952年美国人帕森斯研制成功了数控系统后，机床数
控系统比任何一种用于机床的控制技术发展都快。特别是过去的10年，为了满足
市场和科学技术发展的需求，现代制造技术对数控设备提出了更高的要求。从性
能上而言，除了高速、高精度、高可靠性和柔性化之外，集成化、智能化与网络
化已成为新一代数控发展的必然趋势；从市场适应性而言，加工的多样化和专业
化对加工“个性化”的要求日益增强。只有开发研制能较方便地增加专用功能的
带有个性化的数控系统，才能切实地满足多样化、专业化市场的需求。综上所述，
传统的数控系统由于其结构体系上的封闭性已面临极大的挑战。要实现数控设备
联网、高柔性化、智能化和个性化，研究开放性、智能化的数控系统结构体系已
势在必行。
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达
国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。目前，
数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实
时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型
化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技
术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与
补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM
与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工。它既是高
新技术产业不可缺少的基础装备，又是传统产业实现产业升级的重要手段，对整
个国民经济产生重大而深刻的影响。因此研究和开发数控系统并实现产业化可以
振兴我国数控机床产业。
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§1.2.2 数控系统发展现状及未来发展趋势
数控机床是现代科技发展的产物，也是现代工业发展的动力，但各国发展很
不平衡，没有形成统一的标准。通过深入了解各国数控机床的发展现状及趋势，
总结出数控机床的发展方向。模块化、网络化、智能和柔性化是现代数控系统的
主要特点；高度的集成化，体积小巧，但“智商”很高，是未来控制系统的发展
方向。
就结构形式而言，当今世界上的数控系统大致可分为四种类型[2]。
(1) 传统数控系统
传统数控系统如 FANUC 0 系统、MITSUBISHI M50 系统、SIEMENS 810 系
统等。这是一种专用的封闭体系结构的数控系统。目前，这类系统还是占领了制
造业的大部分市场。但由于开放体系结构数控系统的发展，传统数控系统的市场
正在受到挑战，已逐渐减小。
(2) “PC 嵌入 NC”结构的开放式数控系统
“PC 嵌入 NC”结构的开放式数控系统如 FANUC18I、
16I 系统、
SIEMENS840D
系统、NUM1060 系统、AB 9/360 等数控系统。由于它的 NC 部分仍然是传统的数
控系统，其体系结构还是不开放的。这类系统结构复杂、功能强大，但价格昂贵。
(3) “NC 嵌入 PC”结构的开放式数控系统
它由开放体系结构运动控制卡+PC 机构成。如美国 DELTA TAU 公司用 PMAC
多轴运动控制卡构造的 PMAC-NC 数控系统、日本 MAZAK 公司用三菱电机的
MELDASMAGIC 64 构造的 MAZATROL 640 CNC 等。
(4) SOFT 型开放式数控系统
这是一种最新开放体系结构的数控系统。它提供给用户最大的选择和灵活性，
它的 CNC 软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部 I/O
之间的标准化通用接口。其典型产品有美国 MDSI 公司的 Open CNC、德国 Power
Automation 公司的 PA8000 NT 等。
当代数控技术的发展具有下述特点：
(1) 广泛地应用微机资源
近年来被称为个人计算机(PC)的微型计算机发展很快，大规模集成电路制造
技术的高速发速，使得 PC 的硬件结构做得很小。主 CPU 的运行速度越来越高，
例如 Intel 奔腾处理器(Pentium)，主频已达 450MHz。存储器容量也很大，体积很
小，由于是大批量生产，使成本下降，可靠性提高。
在软件方面，操作系统的发展，特别是 Windows 的应用，使得 PC 的操作更
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为简便直观。CAD/CAM 的软件大量地由小型机、工作站向 PC 移植，三维图显示
及工艺数据库在 PC 上建立。再加上 PC 的开放性及其丰富的软件资源，吸引大量
技术人员投入了软件的开发。
因此，更好地利用 PC 的软、硬件资源，就成为各国数控设备生产厂发展 CNC
系统十分重要的一种方法。1992～1993 年，首先是在美国及欧洲的一些小型的数
控设备厂推出，例如美国的 ANILAN 公司推出的 1100、1200、1400 系列，意大利
FIDIA 公司的 10/20/30 系列，都采用了 PC 作为基板来开发自己的数控系统。现在
连日本 FANUC、三菱公司，德国的 SIEMENS 公司这些以生产专用 CNC 设备著称
的公司，也都把采用 PC 资源，作为其发展的一个重要方向。他们都强调自己系统
的“开放”。日本 FANUC 公司把采用 PC 的CNC 系统称之为开放型 CNC 系统，
有150、160、180 及210 等系列。我国珠峰数控公司“八五”攻关成果“中华Ⅰ
型(CME988)”也采用 PC 作为主控板，使该系统能充分利用 PC 的资源，跟随 PC
的发展而升级。
(2) 小型化以满足机电一体化的要求
德国 SIEMENS 公司最新推出的 SINUMERIK 840D 主控组件选用 386DX 或
486DX，具有 1～4个通道，可实现直线及圆弧插补、螺旋线插补、5轴螺旋线插
补及样条插补、圆柱插补等，共可控制 32 个轴，并有多种校正及补偿功能，体积
仅为 50mm×316mm×207mm。8050 系列，采用交互式编辑程序指导系统，简化程
序的编辑，用简要的表格编辑程序，利用蓝图建立程序。
在开放式数控研发过程中，人们意识到开放式数控的研发必须有先进的编程
规范为支撑。近年来，这种先进的编程规范终于诞生——与 STEP 兼容的数控编程
接口(The STEP compliant NC Programming Interface)，简称 STEP-NC。如今 ，
STEP-NC 被认为是对数控加工领域的一次最雄心勃勃的变革。
插补算法是影响数控系统性能的关键指标之一，日本、美国、德国等国家已
对此作了大量的研究。如日本 FANUC 15M 系统扩展了三次样条曲线的插补功能，
美国的 NGC 计划也将样条曲线作为其数控系统中重要功能之一，德国 SIEMENS
880M 数控系统中具有专供本国使用的五维样条曲线插补功能。但是对于三维曲面
加工，由于缺少足够的几何信息，复杂曲线功能难以应用于三维曲面的加工。为
此，美国、日本、德国和加拿大等国的一些著名大学都相继开展了 CNC 实时插补
加工的研究，即将加工过程中的复杂刀具运动轨迹产生功能集成到 CNC 中，由
CNC 直接根据待加工复杂曲面的几何信息与加工参数实时自动生成连续刀具轨迹
以控制机床运动，来解决复杂零件离线编程加工方式中存在的问题。
第一章 绪论
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§1.3 基于 C++ Builder 的数控系统的优越性
C++ Builder 支持许多业界的最新技术，如可视化设计、面向对象、分布式应
用等。它的最大特点就是面向对象，主要体现在三个方面：一是编程语言最接近
ISO 的C++标准，二是全面支持基于元件的应用程序开发，三是借助对象库可实现
代码重用。在工程应用中，一般用 C++Builder 语言编写应用程序，实现交互界面、
数据采集和端口操作等。
能够实现数控系统的编译手段是多种多样的，比如说汇编程序、VB、C语言
等。但是由于考虑到实际操作性为了将来在实际生活中也能使用，因此最终我们
选择了 C语言编程。在 C中又分为许多种，VC、C++、C等，为何最终选择了 C++
中的 C++ Builder 而不是其它的呢！主要是由于我们所设计的程序还要考虑到可视
化界面的问题，因此选择使用面向对象的编程方法和功能强大的 C++ Builder。
C++ Builder 是Borland 公司继 Delphi 后推出的基于 C语言的快速应用程序开
发工具，它既具有 C++语言的灵活性，又具有可视化编程的便利性，功能丰富强
大，界面友好，使用十分方便。
C++ Builder 允许用户以面向对象的方式设计对象，
大大提高了对象的可重用性[3]。尤其与众不同的是，C++ Builder 允许用户自定义
组件，而且自定义组件也能够以可视化的方式集成在集成开发坏境 IDE 面板上。
正是借助于 C++ Builder 的这项功能，我们才能顺利设计出可视化、可重用的数控
系统软件组件。
§1.4 本课题提出的意义
大家知道，对中国来说，2008年具有特殊意义，它不仅是中国的奥运之年，
也是中国实施第十一个五年规划的第三年，是个关键之年，振兴中国装备制造业
的16个重点突破领域的具体振兴规划都已陆续出台，许多重大项目正在陆续启动，
很多项目都对机床尤其是高档数控机床提出了需求。装备制造业承担着为国民经
济各行业提供装备的重任。任何一个国家，为了自身的发展和安全，都将发展装
备制造业作为国家战略。以数控机床和数控装备为代表的“工作母机”，是装备制
造业中先进机械制造装备的典型代表，是实现制造技术和装备现代化的基石，也
是保证高技术产业发展和国防现代化的重大装备。
数控系统对于数控机床和数控装备的作用就如同 CPU 对于 IT 产业的作用。长
期以来，我国高性能数控系统的 80%及大量的加工中心、五轴数控机床等高精尖
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数控装备依赖进口。因此，“发展具有自主知识产权的数控装置，不是商业问题，
不是技术问题，是政治问题，是关系到国家利益的问题”[4]。
目前，装备制造业及其相关技术已成为我国科技发展的重中之重，《国家中
长期科学和技术发展规划纲要》、《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》
和《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中均明确指出数控机床和数控
装备是装备制造业发展的重点，要大力发展高档数控装备和高性能数控系统及功
能部件，增加研发投入，加快提高企业的自主创新和研发能力，改变大型、高精
度数控机床大部分依赖进口的现状，满足机械、航空航天和国防等工业发展的需
要。在振兴装备制造业的 16 个关键领域中，每个领域的振兴都需要大批先进的数
控机床和数控装备。
§1.5 本文的主要内容
目前开放式数控的一个具体表现就是发展基于 PC 的数控系统。国内的开放控
制系统各有优点，但从数控系统发展的趋势来看，它们还不具备开放性控制系统
的本质特征，仍有许多需要改进之处。基于 PC 的开放式数控系统目前大致可分为
专用数控加 PC 前端的复合型、
NC 嵌入 PC 和全软件型 3种典型结构[5]。本课题选
用的是 NC 嵌入 PC 型结构(基于运动控制器的开放式数控系统)，这种开放式数控
系统目前是较为先进的。
本课题所研究的内容是在 Windows XP 操作系统平台下，利用 C++
Builder 开发工具，实现 NC 嵌入 PC 软件型开放式结构数控的系统软件的设
计(即上位机部分)。CNC 系统软件必须完成实时管理和实时控制两种不同
性质的任务。数控加工过程实时控制是 CNC 系统的核心任务，主要包括数
据预处理、插补计算、位置控制等任务模块；实时管理任务是 CNC 系统各
部分协调工作的保证，主要包括人机交互、数据图形显示、通信联网、系统
状态监测和诊断等任务模块。
本课题提出的基于 PC 的CNC 系统软件具有如下优点：
(1) 使用了 C++标准库 STL 中的双向链表 list 实现各任务模块间的数据传递；
(2) 增加了三维刀补；
(3) 为了验证程序的正确性，开发了加工轨迹仿真模块；
(4) 利用 NURBS 插补功能，实现任意曲线的插补；
(5) 对CNC 系统进行了模块化设计。
第二章 CNC 系统软件的设计
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第二章 CNC 系统软件的设计
§2.1 计算机数控系统
计算机数字控制技术是从 20 世纪 70 年代开始发展起来的机床控制新技术，
它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量和机械制造等各种技术。目前，机
床上采用的数控系统有日本 FANUC 公司的 0M、15M、16M、18M，SIEMENS 公
司生产的 3、8、810、820、850、840 等。数控系统是数控机床和数控装备的“大
脑”，并成为决定其性能、可靠性和价格的关键因素。
为了克服传统的封闭式数控系统的诸多缺点，开放式数控系统已经成为当前
研究的热点。本文采用“NC 嵌入 PC”结构，由运动控制卡+PC 机+CNC 软件构
成。CNC 软件设计是本文要完成的内容。
数控机床一般由输入/输出装置、数控装置(CNC 装置)、伺服系统(主轴驱动
控制装置)和机床电气控制装置四部分组成，机床本体为被控对象[5]，如图 2-1 所
示。
图 2-1 数控机床的组成框图
计算机数控机床(数控装置的功能)的主要任务是进行刀具和工件之间相对运
动的控制。当数控机床具备了正常工作条件时，开始输入数控加工程序。加工信
息输入后，数控装置在系统控制程序的作用下，首先对输入的加工控制信息进行
预处理，即进行译码、刀补计算和速度处理等，然后开始逐段执行数控加工程序。
根据轮廓段已知的几何数据以及相应工艺数据中的速度信息，计算出轮廓段起点、
终点之间的一系列中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的协
调的运动序列命令，位置调节器将其与机床上位置检测元件测得的实际位置相比
较，经过调解，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床刀
具或工作台运动，从而加工出要求的零件轮廓。
§2.2 CNC 系统软件的总体设计方案
输入输出装置
CNC 装置
伺服系统
机床本体
反馈装置
基于 PC 的CNC 数控系统软件的设计与研究
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§2.2.1 系统软件设计总体框架
CNC 系统软件包括管理和控制两大部分。管理部分包括输入、
I/O 处理、通信、
显示、诊断以及加工程序的编制管理等程序。控制部分具体包括译码、刀具补偿、
速度处理、插补和位置控制等控制任务。数控的基本功能通过以上这些功能程序
来实现，各功能子模块通过人机操作界面进行相互操作。各功能模块间的操作关
系如图 2-2 所示。
图 2-2 总体框架
进入人机操作界面后，可选择相应的功能按钮进入各子界面，从而实现数控
程序编辑、自动加工和轨迹仿真以及参数设置、故障诊断等功能。
§2.2.2 模块化结构
由于CNC系统软件完成的工作内容十分繁杂，故需建立一系列相对应的功能
软件模块。此外，功能相同的软件模块，当其控制方式不同时，则其模块内容也
会不相同。例如，插补方法模块，虽然某一种机床根据其加工功能，在较多插补
方法中一般只需选其一种，但作为模块化设计及为了适应不同CNC系统的组合，
则软件模块设计时应考虑具有多项选择，以满足不同插补方法的需要。
借助于通用计算机中丰富的软件资源，以通用PC机作为开发平台，在C++
Builder IDE环境下，采用结构化程序设计语言(C++语言)，按模块化方式设计能满
足开放式数控系统的模块化、可重构、可扩充的特点，以增强数控系统的柔性。
如果需要对系统的功能进行调整，只需要增减功能模块即可，体现出了系统开放
性、灵活性的特点。尽管应用于不同数控设备的具体数控系统千差万别，但其工
作原理在很大程度上都具有一定的相似性，所以，可以对数控系统中共性部分进
行模块化、标准化、统一化、系列化。
一般来说，根据数控系统的共同特征，可以划分为6个独立的模块：数控加工
轨迹仿真
自动加工
实时加工数据显示
图形显示
数控代码编辑
机床操作界面
参数设置、故障诊断等
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1课题的来源数控系统是现代机械制造系统的重要基础之一，而数控机床则是数控系统应用最为广泛和最为典型的一类系统。数控机床集计算机、电子、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。数控技术是现代化工业生产中发展十分迅速的高技术，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，是当今制造业的发展方向。现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等都是建立在数控技术之上。应用数控加工可大大提高生产率、保...

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