基于ACR9000的開放式數控系統軟件平臺研究

張艷婷，沈曉紅

ZHANG Yan-ting,SHEN Xiao-hong

（北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048）

0 引言

開放式數控系統開發周期短、功能強大、靈活以及升級方便，已經成為數控系統的發展趨勢，它能夠有效解決傳統數控系統結構封閉、系統柔性差、網絡功能欠缺等問題，同時能更好地適應現代制造業網絡化、集成化的發展趨勢[1,2]。

IEEE( 國際電氣和電子工程師協會) 定義開放式數控系統為“符合系統規范的應用,可以運行在多個銷售商的不同平臺上,可以與其他的系統應用互操作，并且具有一致風格的用戶界面”。它具有開放性、可擴展性、互換性、可移植性、互操作性、可縮放性和即插即用等特性[3]。

目前有許多對開放式數控系統的研究，但在運動控制器方面，主要還是集中在基于PC總線的PMAC運動控制卡和固高GT系列，Soft型的固高GO系列以及嵌入式運動控制器PA8000NT等，核心部分運動控制和伺服控制仍是封閉的。軟件芯片的使用只是簡單的程序源代碼的重用，這種移植只能是同一種編程語言下的移植，是一種極為有限條件下的移植，SERCOS總線技術參數眾多，大多使用默認值，不適應高速高精度加工，另外價格也比較昂貴[4,5]。

本文提出了一種以Windows為平臺，Visual C++6.0為編程語言，借助ACR9000運動控制器提供的基本指令和動態鏈接庫函數，開發界面友好、操作方便的開放式數控系統軟件平臺，能夠結合硬件平臺形成數控系統，并將這一系統初步運行于我院自主設計的超聲數控加工機床，實現了數控系統的基本功能。

1 主界面的設計

Visual C ++ 6.0具有友好的可視化界面和強大的函數庫，采用此編程工具可以有效地縮短開發周期[6,7]。本系統主要利用了單文檔-多視圖的結構和多線程編程技術。

系統設計思路如圖1所示。首先按照模塊化設計理念，規劃開放式數控系統體系結構，將CNC系統中一些功能獨立、內聚力強、相互組合較松散的功能模塊抽象出來，找出其中的基本功能模塊；再對基本功能模塊進行細化，找出其中包含的功能相對獨立的子模塊，并將各子功能模塊和無法細分的功能模塊作為整個系統的功能單元；最后對系統功能單元的屬性和方法進行抽象；其中屬性是該功能單元所要處理的信息，方法是該功能單元處理這些信息的行為。抽象出屬性和方法之后，利用面向對象技術對各個功能單元進行封裝，以形成類；然后，根據具體開發要求，選擇所需的類，并實例化出對象；按照對象間的關系模型，建立具體的數控系統。如果在以后的應用中用戶還有新的應用需求，可以構造出新的功能單元，并將新類添加到原有系統的對象間的關系模型中，從而便捷地建立起新的應用系統，實現系統的開放性和可重構性。

圖1 數控系統設計原理圖

界面主要由代碼輸入區，顯示區，控制區，手動控制區四部分組成。而代碼輸入區又有插入，修改，刪除和運行按鈕。控制區有通訊模塊，仿真模塊，插補編譯，糾錯模塊等。顯示區可以顯示機床的開關狀態，冷卻液開關狀態，主軸的開關狀態，當前的轉速以及當前的坐標位置。手動控制區主要是軸0、軸1、軸2三軸單獨JOG運動。主界面如圖2所示。

圖2 主界面圖

2 與運動控制器的通訊模塊設計

ARC9000運動控制器是美國Parker公司推出的最新Acroloop系列多軸獨立式控制器，有150MFLOPS，32位浮點DSP；最多8軸伺服或步進控制；10/100M以太網或USB2.0高速通信；RS-232/RS-485通信接口。便利的接口型式和高性能的通訊能力使ACR9000具有很高的靈活性，可用于不同的高速高精度的自動化機器裝備上[8]。

控制器提供了ComACRServer.dll動態鏈接庫，庫中的200多個函數涵蓋了ACR9000運動控制器的全部主要功能。通信服務提供兩層虛擬層面：第一種把物理通信層面集合到函數性API，包含和四種接口連接在一起的屬性和方法。第二種去除了對特殊語言的依賴性，通過提供一個COM組件，只要基于windows編程環境就能使用這個API函數，控制方式如圖3所示。

圖3 PC與ACR9000的控制方式

創建通訊模塊連接按鈕，實現人機界面與運動控制器的連接，以實現信息通訊和命令調用等所有功能。運動控制器與PC的連接有四種方式，主要應用connect命令，參數1代表為Bus總線連接，參數2代表Serial串行接口，參數3代表Ethernet以太網連接，參數4代表USB連接，參數列表如圖4所示。本系統采用Ethernet連接，界面如圖5所示，部分主要代碼如下：

圖4 連接屬性設置表

圖5 通訊模塊

3 軟件系統模塊設計

3.1 代碼輸入模塊

代碼輸入模塊主要包括數控代碼的輸入，編輯修改，刪除等功能，通過這些功能能快速準確的將數控代碼輸入軟件中，如圖6所示。部分主要程序如下：

圖6 代碼輸入模塊

3.2 狀態顯示模塊

狀態顯示模塊可以顯示機床的開關狀態，冷卻液開關狀態，主軸的開關狀態，當前的轉速以及當前的坐標位置，通過這顯示模塊，用戶可以很清楚地看到機床的運行狀態，如圖7所示。部分主要程序如下：

圖7 狀態顯示模塊

3.3 JOG運動操作模塊

JOG運動操作模塊主要是手動控制軸0、軸1、軸2的單獨運動狀態，先選擇要設置JOG速度的軸，再在文本框中輸入該軸JOG運動速度，最后單擊“設置”按鈕讓該設置生效。單擊JOG+按鈕，對應軸將正轉，單擊JOG-按鈕，對應軸將反轉，單擊JOG停，對應軸停止旋轉。控制界面如圖8所示。

控制電機JOG運動可以通過觸發ACR9000控制器內部的BIT位來實現。JOG速度設置可以通過對內部P參數賦值來實現，對應關系如表1所示，部分主要程序如下：

圖8 JOG運動操作模塊

表1 JOG運動BIT、P參數對應表

3.4 插補模塊

插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期中，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。通常經過若干個插補周期加工完一個程序段，即從數據段的起點走到終點。計算機數控系統是一邊插補，一邊加工。而在本次處理周期內，插補程序的作用是計算下一個處理周期的位置增量。它的主要任務是在每個采樣周期內，將插補計算的理論位置與實際反饋位置相比較，用其差值去控制進給電機，進而控制機床工作臺（或刀具）的位移。這樣機床就自動地按照零件加工程序的要求進行切削加工[9-11]。

本系統采用脈沖增量插補中的數字積分法又稱DDA（Digital Differential Analyzer）法，利用數字積分的方法，計算刀具沿各坐標軸的位移，以便加工出所需要的線性。以直線插補為例，界面如圖9所示，部分重要代碼如下：

圖9 插補模塊

3.5 代碼糾錯模塊

當代碼輸入完，程序開始運行前，對代碼進行檢查，如有錯誤就進行糾正，如沒有錯誤，就進行后續運行。另外在系統工作過程中，隨時發現系統故障，并指示故障類型，以實現在線診斷功能，保證系統的正常運行，部分主要代碼如下：

3.6 仿真模塊

仿真模塊主要根據數控程序進行計算機模擬運行，根據模擬的運動軌跡來判斷原先的程序是否合理，有沒有出錯。加工墊片外輪廓的運動軌跡仿真例子如圖10所示。部分主要代碼如下：

圖10 仿真模塊實例

4 結束語

論文是基于windows平臺，利用Visual C++6.0編程工具，利用ACR9000運動控制器，介紹了一款開放式數控系統軟件平臺的設計。所開發的系統軟件工作穩定,響應周期短,可移植性強。實現了人機交互界面與運動控制器的連接，以及機床的基本功能。由于它是個開放式數控系統,所以以后在應用過程中,需要什么功能,便可以在原有軟件系統上進一步進行發。下一步將繼續完善軟、硬件系統,使其更適合超聲加工的特點。

[1] 吳明軍,張旭輝,王孫安. 基于Linux的開放式數控系統軟件平臺研究[J]. 組合機床與自動化加工技術. 2006.

[2] 王睿鵬. 基于PC的開放式數控系統[J]. 計算機技術與應用. 2006.

[3] 吳繼忠,譚平. 開放式數控系統探索[J]. 計算技術與信息發展. 2009.

[4] 張連軍,何春俐. 開放式數控系統的發展現狀[J]. 機械管理開發. 2010.

[5] 龔敏,陳友東.數控技術及開放式數控系統[J]. 機械設計與制造. 2006.

[6] 宋坤.Visual C++開發實戰寶典[M]. 清華大學出版社.2010.

[7] 陳德妙,張桂香. 基于Windows2000下開放式數控系統軟件的開發[J]. 組合機床與自動化加工技術. 2005.

[8] 王大宇,劉吉彪. Parker公司ACR9000運動控制器在二自由度滑臺中的應用[J]. 工程機械文摘. 2008.

[9] 王世寰,張克國. 可擴展插補指令的開放式數控系統[J].組合機床與自動化加工技術. 2007.

[10] 王永章,杜君文,程國全.數控技術[M]. 高等教育出版社. 2001.

[11] 程國標,郭躍飛. 開放式數控系統研究[D]. 復旦大學.2008.