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摘要：本文詳細介紹了Windows環境下轉塔式數控沖床監控與編程系統的總體結構設計。系統測試和運行結果表明，該系統達到了預期的設計目標。
關鍵詞：轉塔式數控沖床；監控；編程；Windows

1前言

隨著計算機技術的發展，Windows作為一個多窗口、多任務的新型的圖形窗口操作環境，具有許多DOS不可比擬的優點。它可完成任務、文件輸出設備等的并行管理工作，并提供了強大的功能以及友好的圖形用戶界面(GUI)，它不僅廣泛用作管理事務型工作的支持平臺，而且也被工業領域的工程人員所關注。隨著工業PC大舉進入數控領域，數控沖床監控和編程系統的開發也愈來愈多地應用PC機的最新硬件和軟件成果。隨著CNC技術和計算機技術的發展，在Windows環境下，采用先進的“5C”(Computer、Control、Communication、CRT、C/C++語言)技術，開發數控沖床的監控和編程系統，已成為一個潮流和方向。

基于工業PC、采用多處理器的結構、在Windows環境下開發沖床數控系統，這方面國外已經開始研制并推出了相應的產品。為在競爭日益激烈的市場中取得一席之地，我們必須汲取國外的成功經驗，直接應用當今微電子、計算機技術的最新成果，盡快研制出適應用戶要求、功能很強的高性能沖床數控系統，并努力使其具有“先進性、實用性、商品化”三大特點，以不斷增強在市場上的競爭能力。

2數控沖床CNC系統的總體設計

本數控沖床CNC系統的設計采用了國際上流行的工業PC平臺，同時考慮到滿足人機交互友好和實時控制的要求，該系統采用工業PC雙CPU前后臺的結構，由上位機IPC586 和控制機IPC486構成，如圖1所示。后臺上位機完成管理、監控、編程等功能，直接面對用戶。前臺控制機完成數據處理、實時控制以及狀態檢測等功能。前后臺之間通過串行通訊的方式交換信息。CNC系統的應用軟件包括上位機和控制機的應用軟件，分別運行于Windows NT操作環境和DOS操作環境下，各自完成獨立的功能。上位機的人機交互控制命令根據一定的通訊協議格式，轉換為控制機可識別的通訊編碼，通過串行通訊方式傳送至控制機，由控制機進行數據處理，并將其處理結果輸送至沖床進行實際加工控制，同時該結果和沖床的實時運行狀態信息也將通過串行通訊傳送至上位機，反饋給用戶。

圖1 CNC系統結構

3監控與編程系統的功能要求

根據CNC系統的總體設計要求和任務劃分，監控和編程系統的控制和操作功能要求包括系統運行、加工文件管理、顯示管理、系統診斷、編程、系統設置和管理等。

(1)系統運行

包含以下內容：

1)自動加工：有參考點設置、自動連續加工、自動跳選加工、自動起始碼段加工和單步加工；
2)加工仿真：同上；
3)手動控制：包括連續進給、選模步進、模具連續、步進進給和手動速度；
4)MDI控制：指手動程序輸入。

(2)加工文件管理

指加工文件的輸入和輸出。

(3)顯示管理

包括X、Y向位移顯示、使用刀具顯示、零件加工圖形顯示、I/O顯示和加工程序顯示。

(4)診斷操作

包括通訊錯誤診斷、操作失誤判斷與報警和加工文件編程錯誤判斷等。

(5)NC編程

包括圖形自動編程和手工編程。

(6)系統設置和管理

包括系統設置和刀具管理。

在本轉塔式數控沖床的CNC系統中，用戶通過監控和編程系統，進行人機交互控制，并從中獲取沖床的加工信息。要求人機界面友好，因此采用了Windows的操作環境。

4監控與編程系統的總體設計

(1)監控與編程系統的設計原則

監控和編程系統的設計原則為面向生產和面向用戶：

1)面向生產，使監控和編程系統能完成所要求的各項控制、管理和編程功能，面向控制和監測，實現實時控制和多任務。在系統的研究和開發中，采用了Windows NT的多線程技術，并引入了面向對象的設計思想。

2)面向用戶，要求人機界面友好，易于移植、擴展和修改。人機界面是用戶對系統質量評價的重要方面，美觀、簡潔、易懂和操作方便的人機界面是系統開發的一個重要方面。系統開發時人機界面的工作量很大，控制領域的軟件系統一方面要接收用戶指令，一方面還要處理來自被控對象的實時監控信息，所以對系統的可靠性要求比較高。人機界面為系統的實時要求和人的非實時性提供了必要的緩沖，保證了系統的可靠性和實時性。

(2)監控與編程系統的總體結構設計

監控和編程系統的數據流圖如圖2所示，其中虛線方框內的手動處理、I/O處理、自動處理、仿真處理和回零處理等過程由控制機完成，其數據詞典分類如下：

1)數據類：圖形和加工數據、設置數據、MDI手動數據、自動和手動數據；
2)文件類：NC文件、GRA文件(圖形和加工數據文件)和刀具文件；
3)指令類：輸入指令、輸出指令、手動控制指令、I/O檢查指令、自動控制指令和回零控制指令；
4)控制信息類：手動控制信息、自動控制信息、回零控制信息和I/O檢查控制信息；
5)NC代碼類等：結果坐標、刀具參數、NC代碼、NC代碼段和I/O狀態。

圖2 監控和編程系統數據流圖

監控和編程系統的總體結構分為三部分：監控子系統、編程子系統和刀具管理子系統，其中編程子系統包括圖形編程和手工編程兩部分。手工編程只需調用Windows中已有的編輯器如Notepad即可實現。監控和編程系統的結構如圖3所示。監控、編程和刀具管理三個子系統分別完成系統的一部分功能，相對獨立，不同子系統在數據結構、控制算法和控制模式等方面具有不同的性質和特點，同時，整個系統又是各子系統的有機組合，有著密切的聯系，因而各子系統之間必須存在著信息交換和協調問題。在進行系統的研究和設計時，應盡量減少各部分之間的耦合，以利于各子系統功能的實現；同時應保持各系統之間清晰的信息接口，以增強系統的重構和擴展能力。圖形編程系統菜單結構見圖4，刀具管理系統的總體結構見圖5。

圖3 監控和編程系統總體結構

圖4 圖形編程系統菜單結構

圖5 刀具管理系統的總體結構

隨著當今制造業靈活快速制造的發展，數控沖床也向著具有多種復合功能、更加穩定可靠、更大柔性、適應多品種小批量的方向發展，有建立沖壓過程的柔性制造系統的發展趨勢。本文在進行數控系統監控和編程系統的研究和開發時，力求增強系統柔性，將監控和編程系統作為一個內部彼此聯系、相互作用、相互制約的集成性整體。本系統各部分的功能相對獨立，刀具管理系統進行刀具庫和刀塔的管理和控制，根據刀具和刀塔參數生成刀具文件；圖形編程系統根據輸入的圖形和加工信息生成NC程序文件；監控系統則對沖床加工進行監控和控制。另一方面，整個系統又是一個相互聯系、相互制約的集成性整體，圖形編程時，要以刀具管理系統所生成的刀具文件為依據進行人機交互刀具選擇；而在對沖床進行自動加工控制時，需要輸入相應的NC程序，而且在加工前要進行刀具檢查，檢查該NC程序所需刀具和刀塔上安裝的刀具是否一致。圖6所示為本系統各部分之間的聯系。

圖6 監控和編程系統的內部聯系

系統的總體控制流程如圖7所示。系統開啟，上位機與控制機、沖床聯機后，即可進行沖床監控，同時進行在線編程和刀具管理；也可單獨進行離線編程和刀具管理。

圖7 系統總體控制流程

如上所述，本系統被劃分為監控、編程和刀具管理子系統，而在各子系統的研究和開發過程中，作者引入了面向對象的設計思想，并采用流行的Windows NT技術解決了一些核心問題。

(3)監控與編程系統開發的技術方案

在監控和編程系統的開發中，作者選用了Microsft Windows NT 4.0操作系統，開發平臺選用了Microsoft Visual C++4．0。

1)由于本監控和編程系統為工業控制領域系統，所以操作系統的安全性顯得非常重要。Windows NT完全利用了Intel 80386芯片保護模式的安全特性，操作系統的各級模塊運行在不同的權限等級當中，互相不能干擾，各進程也運行在完全獨立的虛擬機(VMM)中，對操作系統和其它進程無法干預。Windows 95和Windows NT有許多相同之處，但Windows 95設計的目標是為PC主流系統配置操作系統，以普及為主，而Windows NT則以高技術、高性能為目標，其完善的性能監控以及事件登錄服務，使它較Windows 95更好管理，更安全、穩定、強壯。在本系統的開發中選用既具有Windows 95操作系統友好的人機界面，又具有非常穩固的安全性的Microsoft Windows NT 4.0操作系統。

2)編程語言采用的是面向對象的C++語言，所選用的Microsoft Visual C++4.0是一個非常通用、流行而且功能強大的軟件編程平臺。

5結論

本文介紹了 Windows環境下轉塔式數控沖床監控與編程系統的總體設計，并詳細地介紹了其功能要求、設計原則、總體結構和技術方案。該系統已經開發完成，監控和編程系統的全方位、多層次的測試表明，該系統基本達到了設計的功能和性能要求，轉塔式數控沖床CNC系統的軟硬件集成調試表明系統運行良好，達到了預期的目標。本文完成的監控和編程系統界面友好，功能較強，可根據生產實際情況修改和擴展，應用于實際生產中，該系統適合我國國情，具有良好的應用前景。