1　前言

　　隨著計算機技術的發(fā)展，Windows作為一個多窗口、多任務的新型的圖形窗口操作環(huán)境，具有許多DOS不可比擬的優(yōu)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(yè)領域的工程人員所關注。隨著工業(yè)PC大舉進入數(shù)控領域，數(shù)控沖床監(jiān)控和編程系統(tǒng)的開發(fā)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(fā)展，在Windows環(huán)境下，采用先進的“5C”(Computer、Control、Communication、CRT、C/C++語言)技術，開發(fā)數(shù)控沖床的監(jiān)控和編程系統(tǒng)，已成為一個潮流和方向。
　　
　　基于工業(yè)PC、采用多處理器的結構、在Windows環(huán)境下開發(fā)沖床數(shù)控系統(tǒng)，這方面國外已經(jīng)開始研制并推出了相應的產(chǎn)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(jīng)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(shù)控系統(tǒng)，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(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的總體設計

　　本數(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的設計采用了國際上流行的工業(yè)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(tǒng)采用工業(yè)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(jiān)控、編程等功能，直接面對用戶。前臺控制機完成數(shù)據(jù)處理、實時控制以及狀態(tài)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(tǒng)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(huán)境和DOS操作環(huán)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(jù)一定的通訊協(xié)議格式，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(tài)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(tǒng)結構

3　監(jiān)控與編程系統(tǒng)的功能要求

　　根據(jù)CNC系統(tǒng)的總體設計要求和任務劃分，監(jiān)控和編程系統(tǒng)的控制和操作功能要求包括系統(tǒng)運行、加工文件管理、顯示管理、系統(tǒng)診斷、編程、系統(tǒng)設置和管理等。
　　(1)系統(tǒng)運行
　　包含以下內(nèi)容：
　　1)自動加工：有參考點設置、自動連續(xù)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(xù)進給、選模步進、模具連續(xù)、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(tǒng)設置和管理
　　包括系統(tǒng)設置和刀具管理。
　　在本轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床的CNC系統(tǒng)中，用戶通過監(jiān)控和編程系統(tǒng)，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(huán)境。
4　監(jiān)控與編程系統(tǒng)的總體設計

(1)監(jiān)控與編程系統(tǒng)的設計原則
　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的設計原則為面向生產(chǎn)和面向用戶：
　　1)面向生產(chǎn)，使監(jiān)控和編程系統(tǒng)能完成所要求的各項控制、管理和編程功能，面向控制和監(jiān)測，實現(xiàn)實時控制和多任務。在系統(tǒng)的研究和開發(fā)中，采用了Windows NT的多線程技術，并引入了面向?qū)ο蟮脑O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(tǒng)質(zhì)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(tǒng)開發(fā)的一個重要方面。系統(tǒng)開發(fā)時人機界面的工作量很大，控制領域的軟件系統(tǒng)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(jiān)控信息，所以對系統(tǒng)的可靠性要求比較高。人機界面為系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性和實時性。
　　(2)監(jiān)控與編程系統(tǒng)的總體結構設計
　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖2所示，其中虛線方框內(nèi)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(shù)據(jù)詞典分類如下：
　　1)數(shù)據(jù)類：圖形和加工數(shù)據(jù)、設置數(shù)據(jù)、MDI手動數(shù)據(jù)、自動和手動數(shù)據(jù)；
　　2)文件類：NC文件、GRA文件(圖形和加工數(shù)據(jù)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(shù)、NC代碼、NC代碼段和I/O狀態(tài)。

圖2　監(jiān)控和編程系統(tǒng)數(shù)據(jù)流圖

　　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的總體結構分為三部分：監(jiān)控子系統(tǒng)、編程子系統(tǒng)和刀具管理子系統(tǒng)，其中編程子系統(tǒng)包括圖形編程和手工編程兩部分。手工編程只需調(diào)用Windows中已有的編輯器如Notepad即可實現(xiàn)。監(jiān)控和編程系統(tǒng)的結構如圖3所示。監(jiān)控、編程和刀具管理三個子系統(tǒng)分別完成系統(tǒng)的一部分功能，相對獨立，不同子系統(tǒng)在數(shù)據(jù)結構、控制算法和控制模式等方面具有不同的性質(zhì)和特點，同時，整個系統(tǒng)又是各子系統(tǒng)的有機組合，有著密切的聯(lián)系，因而各子系統(tǒng)之間必須存在著信息交換和協(xié)調(diào)問題。在進行系統(tǒng)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(tǒng)功能的實現(xiàn)；同時應保持各系統(tǒng)之間清晰的信息接口，以增強系統(tǒng)的重構和擴展能力。圖形編程系統(tǒng)菜單結構見圖4，刀具管理系統(tǒng)的總體結構見圖5。

圖3　監(jiān)控和編程系統(tǒng)總體結構

圖4　圖形編程系統(tǒng)菜單結構

圖5　刀具管理系統(tǒng)的總體結構

　　隨著當今制造業(yè)靈活快速制造的發(fā)展，數(shù)控沖床也向著具有多種復合功能、更加穩(wěn)定可靠、更大柔性、適應多品種小批量的方向發(fā)展，有建立沖壓過程的柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。本文在進行數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控和編程系統(tǒng)的研究和開發(fā)時，力求增強系統(tǒng)柔性，將監(jiān)控和編程系統(tǒng)作為一個內(nèi)部彼此聯(lián)系、相互作用、相互制約的集成性整體。本系統(tǒng)各部分的功能相對獨立，刀具管理系統(tǒng)進行刀具庫和刀塔的管理和控制，根據(jù)刀具和刀塔參數(shù)生成刀具文件；圖形編程系統(tǒng)根據(jù)輸入的圖形和加工信息生成NC程序文件；監(jiān)控系統(tǒng)則對沖床加工進行監(jiān)控和控制。另一方面，整個系統(tǒng)又是一個相互聯(lián)系、相互制約的集成性整體，圖形編程時，要以刀具管理系統(tǒng)所生成的刀具文件為依據(jù)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(tǒng)各部分之間的聯(lián)系。

圖6　監(jiān)控和編程系統(tǒng)的內(nèi)部聯(lián)系

　　系統(tǒng)的總體控制流程如圖7所示。系統(tǒng)開啟，上位機與控制機、沖床聯(lián)機后，即可進行沖床監(jiān)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(tǒng)總體控制流程

　　如上所述，本系統(tǒng)被劃分為監(jiān)控、編程和刀具管理子系統(tǒng)，而在各子系統(tǒng)的研究和開發(fā)過程中，作者引入了面向?qū)ο蟮脑O計思想，并采用流行的Windows NT技術解決了一些核心問題。

(3)監(jiān)控與編程系統(tǒng)開發(fā)的技術方案

　　在監(jiān)控和編程系統(tǒng)的開發(fā)中，作者選用了Microsft Windows NT 4.0操作系統(tǒng)，開發(fā)平臺選用了Microsoft Visual C++4．0。

1)由于本監(jiān)控和編程系統(tǒng)為工業(yè)控制領域系統(tǒng)，所以操作系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)配置操作系統(tǒng)，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(jiān)控以及事件登錄服務，使它較Windows 95更好管理，更安全、穩(wěn)定、強壯。在本系統(tǒng)的開發(fā)中選用既具有Windows 95操作系統(tǒng)友好的人機界面，又具有非常穩(wěn)固的安全性的Microsoft Windows NT 4.0操作系統(tǒng)。

2)編程語言采用的是面向?qū)ο蟮腃++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(huán)境下轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床監(jiān)控與編程系統(tǒng)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(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成，監(jiān)控和編程系統(tǒng)的全方位、多層次的測試表明，該系統(tǒng)基本達到了設計的功能和性能要求，轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床CNC系統(tǒng)的軟硬件集成調(diào)試表明系統(tǒng)運行良好，達到了預期的目標。本文完成的監(jiān)控和編程系統(tǒng)界面友好，功能較強，可根據(jù)生產(chǎn)實際情況修改和擴展，應用于實際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)適合我國國情，具有良好的應用前景。