基于CPAC的數(shù)控系統(tǒng)功能模塊化封裝*

楊冬香，張愛華

（1.五邑大學(xué)智能制造學(xué)部，廣東江門 529020；2.五邑大學(xué)數(shù)學(xué)與計算科學(xué)學(xué)院，廣東江門 529020）

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)對于制造裝備來說相當(dāng)于大腦，它反映著裝備的智能化自動化水平[1]。成熟的數(shù)控系統(tǒng)功能齊全，但是價格昂貴，同時也不能滿足目前制造市場上對數(shù)控系統(tǒng)多樣化、個性化的功能需求[2]。因此，開發(fā)符合自身功能要求的低成本開放式數(shù)控系統(tǒng)符合目前市場上生產(chǎn)企業(yè)的需求。

雖然制造市場對數(shù)控系統(tǒng)功能需求不盡相同，但是數(shù)控系統(tǒng)的基本譯碼、刀具補償、插補等功能不可或缺。因此，從降低開發(fā)成本出發(fā)，將數(shù)控系統(tǒng)的基本代碼、刀具補償、插補等進行模塊化封裝，作為一種通用的程序模塊，可供相同平臺用戶調(diào)用組合，是一種行之有效的新的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)思路。

CPAC是計算機可編程自動化控制器的簡稱，它是固高科技有限公司推出的應(yīng)用于工業(yè)裝備控制的軟硬件開發(fā)平臺，廣泛應(yīng)用于自動化裝備數(shù)字控制系統(tǒng)的開發(fā)領(lǐng)域[3]。在CPAC軟件平臺對數(shù)控系統(tǒng)的常用代碼模塊進行模塊化封裝，作為有固定輸入輸出的程序塊。封裝好的程序塊可以類似于軟件底層函數(shù)，用于其他基于CPAC的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)程序之中，這樣可以大大地減少數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)時間。

1 CPAC軟硬件平臺介紹

CPAC硬件平臺由運動控制器、人機界面和遠(yuǎn)程I/O模塊3部分組成[4]。其核心控制器由FPGA和DSP 組成，支持多種運動模式，如點位模式、JOG 模式、電子齒輪模式、FOLLOW模式、插補模式、PT模式和PVT模式等，支持位置控制方式和速度控制方式，帶有16路通用數(shù)字輸入、16路通用數(shù)字輸出點。

CPAC軟件平臺（Otostudio）是一種基于IEC61131-3工業(yè)控制語言標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)工具，支持文本化和圖形化混合編程，用戶可以用結(jié)構(gòu)文本做復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算和運動控制，同時用梯形圖實現(xiàn)邏輯控制和過程控制。

Otostudio 程序類型多樣，有主程序、子程序、功能塊、功能。對于其中的關(guān)系在開發(fā)之前要清楚。每個程序必然包含一個主程序，這是程序運行的前提。子程序和主程序的變量是可見的，主程序可以調(diào)用子程序、功能塊及功能。功能塊對應(yīng)輸入變量和輸出變量，有返回值。功能沒有返回值。

功能塊是Otostudio 平臺本身具備的一種程序形式，其平臺本身具備有運動模式等封裝好的功能塊，可以供平臺使用者按需調(diào)用。本文利用平臺功能塊這一程序形式，對常用數(shù)控代碼解釋和編譯等功能進行封裝，形成可供用戶選擇調(diào)用的程序功能塊。

2 程序功能塊封裝思路和實現(xiàn)

程序功能塊FUNCTION_BLOCK不同于完整數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，其獨立于數(shù)控系統(tǒng)，封裝后可供平臺所有用戶調(diào)用，用戶只需給定滿足程序功能塊要求的輸入?yún)?shù)即可。

本文依據(jù)常用數(shù)控代碼來劃分程序塊，如G00/G01/G02/G03、G41/G42/G40、G90/G91 等，然后利用 Otostuidio 的功能塊完成其程序塊封裝。具體開發(fā)思路如下：

（1）命名創(chuàng)建功能塊；

（2）確定功能塊輸入和輸出參數(shù)并進行定義；

（3）調(diào)用Otostudio 底層函數(shù)，按照其編程規(guī)則，根據(jù)程序代碼功能，編寫其譯碼程序；

（4）結(jié)束功能塊。

以下以G01 指令程序塊、譯碼功能塊為例，闡述其封裝流程。

2.1 G00快速點定位

平臺仿真運行實驗刀具按照系統(tǒng)設(shè)定好的進給速度從刀具當(dāng)前的位置快速移動到程序段給定的位置。各坐標(biāo)軸無需聯(lián)動，沒有運動軌跡要求。G00程序塊封裝流程如圖1所示。

圖1 G00程序塊封裝流程

圖2 G01程序塊封裝流程

首先通過GT_PrfTrap（Axis），輸入軸號變量Axis，設(shè)定指定軸的點位運動模式。定義結(jié)構(gòu)體STRUCT TTrapPrm，存儲點位運動參數(shù)，并采用GT_SetTrapPrm （Axis,ADR（Trap-Prm））設(shè)置給定軸的運動參數(shù)。通過GT_SetVel（Axis,Vel）設(shè)置給定軸的速度，GT_SetPos（Axis,Pos）設(shè)置給定軸的目標(biāo)位置。所有參數(shù)定義完畢，采用GT_Update（Axis）啟動給定軸的點位運動，完成程序塊的定義。

2.2 G01直線插補

該指令可使機床沿X、Y、Z 方向?qū)崿F(xiàn)單軸的運動，或在各坐標(biāo)平面內(nèi)實現(xiàn)兩軸聯(lián)動走出平面直線軌跡，也可使機床三軸聯(lián)動走出空間直線軌跡。

緩存區(qū)中的數(shù)據(jù)是會實時更新的，當(dāng)數(shù)據(jù)進行插補運動之后，會被釋放出來，給后續(xù)新的數(shù)據(jù)提供存儲空間，用戶設(shè)定的插補數(shù)據(jù)會儲存在緩存區(qū)中等待執(zhí)行，接著啟動插補運動，運動控制器則會依次執(zhí)行用戶所傳遞的插補數(shù)據(jù)，直到所有的插補數(shù)據(jù)全部運動完成。

因為要實現(xiàn)的是能三軸聯(lián)動的直線插補運動，所以這里選用的是三維直線插補指令GT_LnXYZ 以及啟動插補運動指令GT_CrdStart。雖然每個緩存區(qū)FIFO 都含有4 096 段插補數(shù)據(jù)的空間，由于不確定用戶所給的G 代碼程序會不會超出緩存區(qū)空間，所以每次在傳遞插補數(shù)據(jù)之前調(diào)用指令GT_Crd-Clear 來清理儲存區(qū)里面的數(shù)據(jù)內(nèi)存，確保用戶有足夠的存儲空間可以使用。G01程序塊封裝流程如圖2所示。

2.3 譯碼功能塊

目前，國際上通用的數(shù)控機床的加工程序主要基于標(biāo)準(zhǔn)ISO6983的G、M代碼語言編寫而成的。最常用的程序段字地址格式如下所示[2]:

Nxxx Gxx Xxx Yxx Zxx Fxx Sxx Txx Mxx

在Otostudio 中，NC 代碼文件的打開是通過指令SysFileOpen來實現(xiàn)的：

DwWritten: =SysFileRead （Hfile,ADR （buffer[origin]）,SIZEOF（buffer）-（origin-1））;

WHILE index＜cycle_size+1 AND Buffer[index]＜＞0 DO

sBuffer[index]:=ASCII_TO_STRING（Buffer[index]）;

index:=index+1;

END_WHILE;

由于數(shù)組buffer[]存放字符所對應(yīng)的ASCII 值，必須將ASCII值轉(zhuǎn)化為字符（ASCII_TO_STRING），為下面NC代碼的編譯做準(zhǔn)備。

轉(zhuǎn)換之后，NC代碼的內(nèi)容會以一個一個字符的形式被存放在數(shù)組sBuffer[index]中。讀取和識別準(zhǔn)備功能G指令的類型和輔助功能M指令的類型并把G、M指令后面的坐標(biāo)值、進給速度、半徑、轉(zhuǎn)速、時間等作為輸入?yún)?shù)賦值給所封裝好的相應(yīng)程序代碼功能塊，完成譯碼和驅(qū)動執(zhí)行。

3 程序功能塊在數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中的應(yīng)用

為驗證功程序功能塊的有效性，本文利用CPAC和Otostudio搭建了簡單的數(shù)控系統(tǒng)軟硬件框架結(jié)構(gòu)，并調(diào)用前期開發(fā)的程序功能塊，快速實現(xiàn)了二維輪廓銑削、二維刀具補償和孔類加工循環(huán)等功能，如圖3所示。

圖3 基于CPAC的數(shù)控系統(tǒng)界面與調(diào)用程序功能

在進行簡單個性化界面編制的基礎(chǔ)上，本數(shù)控系統(tǒng)對NC代碼的讀入、解釋和驅(qū)動執(zhí)行，都通過調(diào)用功能塊完成。

輸入如下代碼：

G00 X400 Y200;

G01 X0 Y0 F100;

數(shù)控系統(tǒng)調(diào)用譯碼功能塊和程序代碼功能塊，驅(qū)動顯示模塊走出圖4所示線框，同時驅(qū)動CPAC輸出軸做相應(yīng)轉(zhuǎn)動。

圖4 數(shù)控系統(tǒng)刀具軌跡線框圖

4 結(jié)束語

本文從縮短數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期、降低開發(fā)成本出發(fā)，提出以程序功能塊的方式，封裝通用代碼或功能模塊，以供相同平臺用戶開發(fā)使用。同時，根據(jù)這一思想，基于CPAC軟硬件平臺，實現(xiàn)了通用程序功能塊的開發(fā)，并在基于此平臺的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中得到應(yīng)用，驗證了程序功能塊的通用性和有效性。