开放式纯软件数控系统OpenCNC应用与实现的总体方案

　　传统的数控装置，是用硬件电路搭成的封闭系统(黑箱)。其特点是：①封闭性，其软硬件资源属于专有技术，不对用户开放；②非专业人员维护较困难；③软件的人机界面不及目前流行的图形用户界面方便；④网络与数据采集、发布功能弱。

　　纯软件数控技术就是用控制软件+通用计算机+其它易购的通用硬件，完成传统的数控装置所有功能以及传统的数控装置无法实现的其它功能的一种新技术。该技术的典型产品OpenCNC@数控软件由美国制造数据系统公司于1993年用于生产。其特点是：①价格便宜。②开放性，不与任何硬件捆绑，不需要任何运动控制卡。OpenCNC@在普通的PC机上即可运行，不需要专门的工业计算机。其它相关硬件(编码器反馈卡、数模转换卡及I／O卡)也都是市场上随时可购到·的通用器件。③高可靠性，OpenCNC@已在数家公司(如福特、波音、克莱斯勒等)的车间环境运行了十几年，与硬件数控装置相比故障率显著减少。④友好的人机界面，Windows@风格的图形用户界面大大方便了加工程序的编辑、参数的设置及加工状态的显示等。⑤开放的API，用户可根据控制对象的不同，使用VisualBasic@创建特定的应用软件和人机界面。⑥应用领域广泛，OpenCNC@可用于各类金属切削机床、机器人、半导体制造业以及印刷电路板制造业等需要精确定位设备的行业。⑦强大的网络功能。⑧实时数据采集与发布功能。⑨每6个月版本更新和升级1次。

2 纯软件数控系统的结构

　　该系统结构如图1所示，软件部分是分层设计的，高优先级别的控制任务是插补运算，与刀具路径准备(中间层)及用户界面(上层)各层之间相互隔离。重要事件模块用于直接收集生产、维护及质量数据，并且直接进入到公司的管理软件(如MRP)。这些数据的获取和发布不需要人工干预或专用的硬件。

 
图1 纯软件数控系统的结构

3 开放式软件数控系统所应具备的基本特征

　　(1)软件CNC、软件PLC和软件HMI(人机界面)集成在一个软件包中；

　　(2)所有的软件与硬件不捆绑；

　　(3)不需要专用硬件及运动控制卡；

　　(4)不论两轴还是十轴，快速插补速率相同；

　　(5)开放的API可使用户方便地集成第三方软件；

　　(6)用户可用Microsoft Visual Basic创建宏指令；

　　(7)发布的API可使用户定制自己的操作界面；

　　(8)支持所有IEC一61131—3 PLC语言。

4 开放式软件数控系统OpenCNC的主要技术性能

　　由于采用了将多轴插补(multi—axis interpolation)和伺服更新(servo update)合而为一的软件结构，使得OpenCNC能够在高速切削下获得好的表面粗糙度。

　　该系统的部分主要技术指标如下：处理速度：1500行／s(或670μm/行)；插补／伺服更新速率：500μm；最高主轴转速：999999 r／min；高速情况下不跳行；十轴联动插补；用户可根据特定需要，定义任意多的M代码；可容易地与第三方软件无缝集成。

5 OpenCNC在数控机床上的应用

　　本文的工作主要是应用OpenCNC作为控制系统，改装一台数控铣床，其逻辑结构如图2所示。在搭建实际系统前，可用OpenCNC SDK进行离线仿真。

 
图2基于0penCNC的数控铣床控制原理

6 触摸屏中文操作界面

　　中文操作界面是本系统的核心部分之一，由VB6写成。按钮设计尽量模仿硬件操作面板。操作界面由许多不同窗口组成，可根据当前的操作模式打开或关闭，但主操作面板(图3)总是打开状态，开机后首先出现的就是该界面。由于采用了触摸屏，操作者可在触摸屏上触摸相应的按钮控件，即可完成有关的操作。

 
图3主操作面授板
 

　　6.1 主操作面板

　　主操作面板主要分为以下几部分：

　　(1)文件操作：选择并打开被加工工件的程序；

　　(2)信息显示：坐标位置；当前执行的程序行(Nb，Ns)，进给速度(F)，主轴速度(s)及所选刀具(T)等信息的显示。

　　(3)程序自动执行按钮：包括运行、进给保持和重置。

　　(4)单步／连续执行按钮：指示灯红时为单步执行，指示灯绿时为连续执行。

　　(5)冷却开／关按钮，指示灯红时为冷却液关闭，指示灯绿时为冷却液开启。

　　(6)操作模式转换：包括返回参考点，手动操作，手动数据输入，自动运行及程序编辑。触摸按钮后将会有新的窗口出现，且该按钮变亮，操作者可在新的窗口内进行相应的操作。

　　6.2 其它操作面板

　　由于操作界面较多，为简单起见，本文只介绍两个操作面板：返回参考点(图4)及手动操作面板(图5)。

 
图4回零操作窗口
 
图5手动操作窗口

　　(1)返回参考点：触摸主操作面板上的参考点按钮，参考点窗口弹出。在该窗口内分别触摸任一方向复选框(X，Y，Z)，选择后，触摸“开始回零点”，则机床回到指定方向的零点。或触摸XYZ复选框，按下“开始回零点”按钮后，机床各轴同时回零。回到零点后，主操作面板上的回零指示灯变红，同时机床坐标值变为零。按钮，手动操作窗口弹出。该窗口主要用于完成以下操作：以慢移模式移动机床各轴，以倍增模式移动机床各轴，以手动脉冲发生器模式使主轴转动及主轴定向。在慢移模式(Jog)下，触摸进给编辑器的上下按钮可使进给量(mm／min)每次增减100。进给量设定后，按下任一方向按钮，工作台或刀具即可向设定的方向运动。在倍增模式下，机床移动的最小倍率是0.001，可用于各轴的微动。

7 结语

　　纯软件数控技术OpenCNC是目前全球唯一的全开放式纯软件数控系统，其主要特点是不需要专门的工业计算机、控制软件不与任何硬件捆绑、完全的开放结构。该产品中的多项专有技术已经在北美、德国、法国、英国及意大利等国申请了专利，并于1993年在美国首次应用于生产，取得了将近十年在车间环境运行的成功记录。目前正在北美和西欧推广使用，已经有数家企业安装了该系统。目前尚未见国内有使用同类产品的报道，笔者在应用方面进行了初步的尝试，特别是设计了适合于我国用户的全中文界面，给使用带来了很大方便。