数控系统软件的结构

数控系统的软件结构（CME988）

1．多轴多通道数控软件结构

CME988数控系统是在DOS（或Windows）环境下运行的多轴多通道数控软件。一个通道就是一个完整的CNC控制功能,即可以控制一台机床,它包括机床的坐标轴X、Y、Z、…，主轴，刀库位置控制，PLC功能等。通道数和每个通道内的控制轴数，可由参数设定。
从理论上讲，系统的通道数可以很多，但实际上，由于每个通道都占一定的硬件空间和硬软件的运行时间，所以不可能无限多。本系统的硬件结构是单CPU结构，可选用四通道工作方式，最多联动轴为8轴。系统最小控制周期＝3ms+2ms/通道数，其中3ms为系统运行所需的基本时间，与通道数无关，每个通道还需占用2ms时间。系统多通道软件结构框图，如图19－7所示。

图19－7 多通道软件结构示意图

为使数控系统控制多个通道，尽可能选用速度较快的PC。为了方便用户使用，系统软件采用两组设定。第一级为系统配置级，第二级为参数配置级。系统配置级给定系统配置的上限，如最大通道数、每通道的最大轴数、系统的控制周期。在参数配置级，用户可以在给定系统的最大配置范围内，以参数方式设置机床的控制轴数、进给轴名称、是否要刀库位置控制、是否要主轴调速等控制。其示意框图如图19－8所示。

图19－8 CNC系统应用软件生成
注：m=1～12，n=1～8,k=3～32ms

2．一个通道的软件结构

CME988软件的框图如图19－9所示。它有五个基本功能软件模块：CNC模块、PLC模块、会话编程模块、扩展数控语言模块和FMS网络通信模块。这些模块是用C语言编写，与计算机和操作系统无关，这些模块具有可移植性。
在DOS操作系统下，实现CME988软件的实时多任务操作系统，由该实时多任务操作系统调度五个基本软件功能模块，使五个软件功能模块能在DOS操作系统支持下运行。

图19－9 CME988软件框图

   和PC外部设备（如显示器、磁盘驱动器和键盘等）的连接，是通过BIOS软件模块（或用C语言编写）来实现的。该部分软件具有一定的兼容性，使其适应PC外设不断发展的要求，例如适应高分辨率的显示器、新型网卡等。
   CNC输入输出接口模块软件，是将CNC系统与机床进给伺服、主轴伺服、PLC进行信息交换。这部分软件是对用户开放的，将根据位置控制和DI／DO的设计不同而不同。
    （1）CNC软件模块其主要功能有：
    1）1～4个通道的控制。
    2）每通道最多8轴联动。
    3）直线、圆弧、螺旋线插补。
    4）刀具长度补偿、半径补偿、刀尖补偿和3D刀偏补偿。
    5）随机刀具管理，刀具寿命管理。
    6）伺服漂移补偿，螺距误差补偿。
    7）导轨直线度补偿，导轨垂直度补偿。
    8）反向间隙补偿。
    9）对称加工、比例缩放和软限位。
    10）运行状态自动记录，系统故障诊断。
    11）窗口和菜单方式操作，中英文提示。
    12）3维／2维图形仿真，可存储图形数据。
    13）多种车削、铣削和钻削固定循环。
   （2）扩展数控语言软件模块这种语言类似于有些CNC系统供应商提供的用户宏程序功能，但比宏程序功能更丰富和灵活。机床制造商和使用机床的最终用户，可以利用扩展数控语言自行开发特殊的控制功能。例如用扩展数控语言开发特种固定循环，也可以用这种语言把CME988扩展到用于步冲机、火焰切割机、弯管机等领域。扩展数控语言的主要功能有：
    1）数学运算。
    2）逻辑运算。
    3）指定机床各轴运动指令。
    4）指定主轴运动指令。
    5）与PLC输入／输出接口交换数据。
    6）通道之间的数据交换与运行同步。
    7）磁盘数据管理和运行状态记录。
    8）子程序调用和跳转指令。
    9）系统运行控制，例如通道启动、暂停和复位等。
    10）利用扩展数控语言可以完成刀具长度的自动补偿。
    11）完成工件安装定位误差的自动补偿。
    12）完成刀具的自动更换。
    13）在扩展数控语言支持下，可用一台CME988系统的一个通道为主通道，控制多个CNC系统，完成柔性制造单元的控制任务，如图19－10所示。

图19－10 柔性制造单元连接方式

   （3）会话编程系统软件模块本模块提供在CNC软件模块背景下操作，面向加工工艺的图形交互会话编程系统（针对车床、加工中心）。编程由中、英文菜单引导，由图形窗口支持。此系统还能读入由AUTOCAD系统生成的CAD几何数据（DXF），附加必要的工艺信息，直接生成数控加工程序。
   （4）FMS通信软件模块它提供适用于FMS控制系统或车间管理的通信协议，接口硬件可以根据数据通信的速度要求，选择RS232接口或者是ARCNET通信网卡。ARCNET是一种标准的PC外部设备，通信速度高，可带多个节点，可靠性高，特别适用于PC在工业环境下的联网使用。FMS通信协议的主要功能有：
    1）执行CNC操作命令，启动、复位和暂停等。
    2）查询CNC系统的运行状态。
    3）CNC系统文件的管理，如发送、接收、复制和删除等。
    4）传送PLC操作指令，输入和输出。
    图19－11是由ARCNET联网方式的柔性制造系统。

图19－11 柔性制造系统示意图

   （5）PLC软件模块 PLC模块是完全向数控系统用户开放的模块。PLC程序的编制是用C语言完成的。C语言具有丰富的功能，使PLC程序的编制简捷直观，逻辑性强，调试方便，是一般CNC系统内藏PLC的指令系统无法比拟的。为更方便编制PLC程序，该模块还增设了一些专用功能。为避免直接和CNC内核打交道，采用公用变量来使CNC和PLC间进行信息交换，用户只需对这些变量进行操作，即可完成与CNC程序的数据交换。
    定义了26种功能指令，如输入、输出、定时器、脉冲发生器等。
    通过PLC进行轴控制。
    为使PLC程序的编制简明快捷，设计了名为US.C的所谓“用户PLC程序框架”，用户在编制自己的PLC时，只需在US.C的适当部分填上自己的控制语句即可。
    用C语言编制的PLC程序经编译和系统软件进行连接，生成最后的把CNC和PLC模块连接在一起的控制程序，连接流程如图19－12所示。

图19－12 软件连接示意图

PLC程序的调用大致可划分为两个阶段。初始化PLC程序，存于init-PLC-user(){初始化内容}部分中，{ }中的程序只在系统加电时执行一次，该部分完成一些和机床的初始化状态相关的操作。另一阶段是系统每8ms执行一次其余的PLC程序。