華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)研究
2024-1-4 來源： 北京動力機械研究所 作者：王永飛 杜凱
【摘要】: 為應(yīng)對高檔數(shù)控系統(tǒng)主要依賴于進口且二次開發(fā)難的現(xiàn)狀，通過對國產(chǎn)華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)進行了深入研究。首先分析了華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)，并將其二次開發(fā)形式與當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的西門子 840DSL數(shù)控系統(tǒng)進行了對比。在此基礎(chǔ)上，從軟件整體功能層次結(jié)構(gòu)與上下位機數(shù)據(jù)通訊兩個方面，詳細闡述了基于華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的軟件實現(xiàn)，從而提供了切實可行的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)路線，對于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
【關(guān)鍵詞】: 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā) 多連接版網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包 上下位機數(shù)據(jù)通訊
1.引言
隨著精密磨削技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)正由專用型封閉式系統(tǒng)向靈活的開放式數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。目前，國內(nèi)外學(xué)者已在開放式數(shù)控系統(tǒng)上進行了大量的二次開發(fā)應(yīng)用。張輝等進行了適用于塑窗型材柔性鋸銑加工中心的 FANUC-0MD 系統(tǒng)次開發(fā) ; 于拯等學(xué)者基于西門子 840D 數(shù)控系統(tǒng)的 OEM 軟件開發(fā)包，開發(fā)了凸輪軸磨削軟件 ;Shao 等學(xué)者基于西門子 840D 數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)了用于球螺母磨削加工的工藝軟件 ; 丁國龍等學(xué)者基于華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)的上下位機體系結(jié)構(gòu)開發(fā)了蝸輪加工軟件。
FANUC-0MD 系統(tǒng)和西門子 840D 系統(tǒng)
以上關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的研究普遍以進口數(shù)控系統(tǒng)為主，而對國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用較少。本文以國產(chǎn)華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)為研究對象，分析了該數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，并闡述了如何應(yīng)用系統(tǒng)平臺、調(diào)用系統(tǒng)內(nèi)核進行二次開發(fā)，有助于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用。
2. 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)簡介
華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)是武漢華中數(shù)控股份有限公司在 CCMT 2012 展會上推出的新一代高檔數(shù)控系統(tǒng)，如圖 1 所示。與過去的數(shù)控系統(tǒng)相比，8 型全數(shù)字高檔數(shù)控系統(tǒng)采用全數(shù)字現(xiàn)場總線技術(shù)，實現(xiàn)了從模擬接口、脈沖接口到總線控制、高速高精的技術(shù)跨越，并且構(gòu)建了新型開放式二次開發(fā)平臺，為用戶提供了多層次的深度開發(fā)手段，是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進技術(shù)的代表之一。
圖 1 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)
3. 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境
3.1 華中數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)的軟件主要由如圖 2 所示的人機交互界面 HMI、應(yīng)用層數(shù)據(jù)接口 NCAPI與底層數(shù)據(jù)接口 NCU 三個層次組成。HMI 層是一個可視化接口層，為用戶提供與系統(tǒng)進行通信和控制的 GUI 界面 ;NCAPI 層是系統(tǒng)提供的函數(shù)開發(fā)接口層，通過調(diào)用函數(shù)接口來實現(xiàn)對系統(tǒng)參數(shù)與內(nèi)部變量，如宏變量、寄存器、刀具、參數(shù)等的訪問 ;NCU 層是數(shù)控系統(tǒng)的核心，存儲著用來完成二次開發(fā)任務(wù)的底層數(shù)據(jù)。
圖 2 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)
3.2 華中數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)形式
西門子 840DSL 數(shù)控系統(tǒng)是應(yīng)用最為廣泛的高檔數(shù)控系統(tǒng)，該數(shù)控系統(tǒng)支持多種開發(fā) 形 式， 如 Easy Screen（ 擴 展 用 戶 接 口 ）、WinCC Flexible（西門子組態(tài)軟件）與OperateProgramming Package 開發(fā)包。其中，EasyScreen 編寫代碼參數(shù)較多，開發(fā)效率低，只適合開發(fā)簡單的界面 ;WinCC Flexible 需另購WinCC Flexible 軟件，功能擴展性受到一定限制 ;Operate Programming Package 開發(fā)包需購買開發(fā)包，并通過高級語言編程實現(xiàn)軟件的開發(fā)。
華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)也提供類似的開發(fā)形式，擴展性較好且與原數(shù)控系統(tǒng)界面結(jié)合性好。它不僅提供類似西門子的 Operate ProgrammingPackage 開發(fā)包的單機版二次開發(fā)，還提供開發(fā)形式更加靈活、與其他平臺功能結(jié)合性強的多連接版網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包。該網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包采用 “上位機 -適配器 - 下位機” 三層結(jié)構(gòu)，支持靈活的網(wǎng)絡(luò)擴展，更容易實現(xiàn)數(shù)控加工多任務(wù)并行處理的控制流程，并且便于為云數(shù)控等平臺服務(wù)，順應(yīng)智能化數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢。
多連接版網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包中包括基本數(shù)據(jù)接口、采樣數(shù)據(jù)接口、報警數(shù)據(jù)接口、事件數(shù)據(jù)接口和G 代碼程序管理接口等接口。其中，基本數(shù)據(jù)接口是用來獲取寄存器、變量、參數(shù)這三類常用數(shù)據(jù) ; 采樣數(shù)據(jù)接口是方便用戶加工過程中獲取機床運行過程中各個軸的機床特性 ; 報警數(shù)據(jù)接口是用來監(jiān)視當(dāng)前設(shè)備的運行狀態(tài) ; 事件數(shù)據(jù)接口用于實現(xiàn)人機交互 ;G 代碼程序管理接口提供對數(shù)控系統(tǒng)的 G 代碼程序的管理，包括獲取運行程序名、加載 G 代碼等。在與數(shù)控系統(tǒng)成功通信的條件下，上位機根據(jù)待采集數(shù)據(jù)的參數(shù)類型調(diào)用相應(yīng)的二次開發(fā)接口，并向下位機發(fā)出數(shù)據(jù)通信指令，下位機接收到指令后，會返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)值。
4. 基于華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)的軟件實現(xiàn)
4.1 軟件整體方案設(shè)計
基于華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)，建立了上下位機模式的整體軟件方案，包括上位機軟件功能、下位機軟件功能以及上下位機之間的數(shù)據(jù)通訊的設(shè)計。上位機使用華中 8 型提供的網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包，開發(fā)基于 Windows 的可獨立運行的軟件，軟件功能模塊主要有系統(tǒng)菜單與核心功能菜單模塊 ; 下位機選用華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)作為控制核心，以華中適配器為傳輸媒介，向上位機軟件反饋請求訪問參數(shù)信息。其軟件功能層次結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
圖 3 軟件功能層次結(jié)構(gòu)
4.2 上下位機數(shù)據(jù)通訊實現(xiàn)
上位機中記錄的數(shù)據(jù)主要為有效的可執(zhí)行數(shù)控程序和程序生成之前的所有中間過程，而下位機是直接控制設(shè)備并獲取設(shè)備狀態(tài)的計算機，它主要負責(zé)并控制任務(wù)進行直接的數(shù)據(jù)交互，該控制流程涉及到多種數(shù)據(jù)類型系統(tǒng)變量，都需要在嚴格的時間點或時間間隔下進行訪問。
在華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)中，系統(tǒng)變量已被按照功能分為通道變量、軸變量、參數(shù)、寄存器、刀具管理等類型并連續(xù)存放在系統(tǒng)空間中，可以由宏變量訪問，也可以通過二次開發(fā)接口訪問。二次開發(fā)接口定義在系統(tǒng)的應(yīng)用層數(shù)據(jù)接口層中，負責(zé)根據(jù)人機界面 HMI 的請求實時訪問下位機系統(tǒng)的底層數(shù)據(jù)，及時應(yīng)答前端的控制任務(wù)。
多連接版開發(fā)包通過中間層適配器可以支持多個不同通信協(xié)議的上位機，通過適配器同時連接到同一臺 NC 裝置上，從而實現(xiàn)多網(wǎng)絡(luò)連接。在 Windows 平臺下使用多連接版二次開發(fā)接口進行開發(fā)和應(yīng)用，需要先啟動適配器。首次運行適配器會自動獲取本地 IP，并生成ServerConfig.xml 配置文件。適配器成功運行后界面如圖 4 所示。
圖 4 網(wǎng)絡(luò)適配器運行成功界面
在適配器連接成功后，便可以利用華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)預(yù)留的函數(shù)接口完成上下位機的數(shù)據(jù)通訊交互，并實現(xiàn)上位機對下位機的控制。常用函數(shù)接口如表 1 所示。
表 1 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)提供的常用函數(shù)接口
5. 結(jié)語
本文在分析華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將其二次開發(fā)形式與國外先進的西門子 840DSL 數(shù)控系統(tǒng)進行對比，得出了華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)更靈活、更支持網(wǎng)絡(luò)擴展的結(jié)論。并且，設(shè)計了合理有效的上下位機模式軟件方案，實現(xiàn)了上下位機間高效的數(shù)據(jù)通訊，明確華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)路線，為國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)的深度應(yīng)用提供了有利支持。
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