pc機(jī)進(jìn)入數(shù)控領(lǐng)域，極大地豐富了數(shù)控系統(tǒng)的硬軟件資源，有利于實(shí)現(xiàn)總線式、模塊化、開(kāi)放化的數(shù)控系統(tǒng)，使其具有很高的性能價(jià)格比。隨著Windows系統(tǒng)的發(fā)展與普及，開(kāi)發(fā)WindowB CE）下的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)成為廣大CNC同行的共識(shí)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)已有不少?gòu)S家開(kāi)發(fā)了幾種基于Windows的控制系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)的控制系統(tǒng)各有優(yōu)點(diǎn)，但從數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，仍有許多需要改進(jìn)之處。

 

　　等新型操作系統(tǒng)。軟件開(kāi)發(fā)思想與技術(shù)落后，始終處于甚至低于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的水平。沒(méi)有充分利用面向?qū)ο蟮男吕碚摗⑿录夹g(shù)。

 

　　其次，數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中存在設(shè)計(jì)不規(guī)范，可靠性與可維護(hù)性差，沒(méi)有采用一種開(kāi)放式、模塊化軟件設(shè)計(jì)方法。

 

　　本文所介紹的系統(tǒng)軟件，利用Windows的多線程機(jī)制和中斷機(jī)制解決數(shù)控軟件的實(shí)時(shí)多任務(wù)處理；利用面向?qū)ο蟮男吕碚摗⑿录夹g(shù)，采用一種開(kāi)放式、模塊化軟件設(shè)計(jì)方法，使軟件具有開(kāi)放性。本系統(tǒng)軟件能使插補(bǔ)、伺服控制、NC程序編制同時(shí)進(jìn)行，能較好地滿足數(shù)控系統(tǒng)的要求，并且已形成了產(chǎn)品，應(yīng)用效果良好。

 

　　2CNC軟件的總體設(shè)計(jì)為了使數(shù)控軟件具有明顯的開(kāi)放數(shù)控特點(diǎn)，使數(shù)控軟件易于組裝、擴(kuò)充、維護(hù)，我們采用了工程化的設(shè)計(jì)方法，利用面向?qū)ο蟮燃夹g(shù)開(kāi)發(fā)一套基于Windows32位數(shù)控軟件。軟件設(shè)計(jì)遵循模塊化、層次化、動(dòng)態(tài)配置的原則。

 

　　開(kāi)放式控制系統(tǒng)應(yīng)采用分層的體系結(jié)構(gòu)。分層使得各層實(shí)現(xiàn)隔離，層與層之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)可移植性和可用第三方軟件，只用更換相應(yīng)層即可。本系統(tǒng)的縱向**層次為界面層，它完成系統(tǒng)的監(jiān)控管理：輸人、I/O處理、顯示、診斷和監(jiān)控。此界面層由界面和各回調(diào)函數(shù)組成。回調(diào)函數(shù)的功能是完成界面上控件的事件驅(qū)動(dòng)操作。回調(diào)函數(shù)的調(diào)用操作，由操作系統(tǒng)管理。

 

　　系統(tǒng)的縱向第二層次為功能單元層，包括譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)、插補(bǔ)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、運(yùn)動(dòng)控制器類(lèi)。譯碼層將數(shù)控指令解釋成為數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部數(shù)據(jù)格式。刀補(bǔ)層進(jìn)行刀具補(bǔ)償。插補(bǔ)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)完成數(shù)據(jù)插補(bǔ)，產(chǎn)生加工數(shù)據(jù)、速度處理、輔助功能設(shè)備控制D運(yùn)動(dòng)控制器類(lèi)完成位置伺服的控制D譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)分別由多個(gè)軟件芯片組成。此功能單元層的調(diào)用操作放在回調(diào)函數(shù)中。

 

　　系統(tǒng)的縱向第三層次為支撐層，包括運(yùn)動(dòng)控制器卡、運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、I/O卡、操作系統(tǒng)、PC機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制器卡主要完成位置伺服的任務(wù)。運(yùn)動(dòng)控制器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡和I/O卡的直接操作。本系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如所示。

 

　　在該數(shù)控系統(tǒng)的軟件中，采用了前后臺(tái)型的結(jié)構(gòu)形式。前臺(tái)程序即實(shí)時(shí)中斷程序，完成全部的實(shí)時(shí)功能（插補(bǔ)動(dòng)態(tài)連接庫(kù)、運(yùn)動(dòng)控制器類(lèi)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序），主要是插補(bǔ)功能。后臺(tái)程序的主要功能是插補(bǔ)前的準(zhǔn)備功能及調(diào)度管理（包括界面、I用戶縵入I譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)）。具體地講，是數(shù)控程序輸人、譯碼、刀具補(bǔ)償、顯示及上述任務(wù)之間的調(diào)度管理功能。后臺(tái)程序結(jié)構(gòu)是一個(gè)多線程結(jié)構(gòu)，完成多任務(wù)處理。在運(yùn)行過(guò)程中，前臺(tái)程序（中斷服務(wù)程序）不斷插人，共同完成零件加工任務(wù)。而位置伺服的任務(wù)主要由運(yùn)動(dòng)控制器完成。加工程序由計(jì)算機(jī)進(jìn)行譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理后，得到刀具中心的插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)將這些插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)和其他的指令數(shù)據(jù)以固定格式存放于一緩沖區(qū)中。每次中斷發(fā)生時(shí)，計(jì)算機(jī)根據(jù)這些指令數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理。如果存在插補(bǔ)指令，則實(shí)時(shí)計(jì)算出插補(bǔ)數(shù)據(jù)，并且送人緩沖區(qū)，運(yùn)動(dòng)控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)控制相應(yīng)軸的電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)計(jì)算機(jī)中的一幀指令數(shù)據(jù)被讀完后，在插補(bǔ)間隙自動(dòng)計(jì)算出新的插補(bǔ)指令數(shù)據(jù)，填人緩沖區(qū)。

 

　　文件編面厲作炻面刀具/醇設(shè)1面系統(tǒng)設(shè)置面手動(dòng)撅作子更面ipi撬作盍面自動(dòng)操作子頁(yè)面類(lèi)刀樸類(lèi)運(yùn)動(dòng)後I/O卡支層顏補(bǔ)動(dòng)塞M數(shù)控軟件體系結(jié)構(gòu)3實(shí)現(xiàn)方法3.1軟件系統(tǒng)的多任務(wù)實(shí)時(shí)控制策略CNC系統(tǒng)是一個(gè)專(zhuān)用的多任務(wù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

 

　　在它的控制軟件中，融合了許多軟件技術(shù)中的先進(jìn)技術(shù)，其中*突出的是多任務(wù)并行處理和實(shí)時(shí)處理CNC裝置通常作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程控制單元，應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中，它的軟件必須完成管理和控制兩大功能。系統(tǒng)的管理部分，包括輸人、I/O處理、顯示、診斷。系統(tǒng)的控制部分，包括譯碼、刀具補(bǔ)償、速度處理、插補(bǔ)、位置控制。在CNC裝置的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，多個(gè)任務(wù)中的若干個(gè)任務(wù)要同時(shí)進(jìn)行。

 

　　CNC軟件在工業(yè)自動(dòng)化的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了滿足生產(chǎn)的要求，必須具有實(shí)時(shí)性。

 

　　為了使我們的數(shù)控軟件具有并行處理和實(shí)時(shí)處理的能力，我們采用Windows95的多線程模型和中斷機(jī)制的控制策略。

 

　　為了使CNC系統(tǒng)軟件能在Windows環(huán)境下并行處理多任務(wù)，采用多線程來(lái)實(shí)現(xiàn)多任務(wù)控制。線程是32位操作系統(tǒng)的主要特點(diǎn)，它支持搶占式的多任務(wù)機(jī)制，是操作系統(tǒng)的基本調(diào)度單元。我們可將各管理和控制模塊置于獨(dú)立的線程中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控軟件系統(tǒng)的并行處理操作。在我們的數(shù)控軟件中，建立了主控制線程（監(jiān)控和界面線程）、顯示/面板操作線程和自動(dòng)加工線程。顯示/面板操作線程的預(yù)置時(shí)間片為50ms.自動(dòng)加工線程是由主線程啟動(dòng)和消除的。通過(guò)建立這三個(gè)線程，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行。

 

　　主控制線程主要完成監(jiān)控和界面管理、功能控制、系統(tǒng)管理等，并負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)啟動(dòng)和消除自動(dòng)加工線程。系統(tǒng)退出時(shí)，將消除顯示/面板操作線程。主控制線程是經(jīng)過(guò)Windows的消息排隊(duì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)其操作流程。

 

　　用戶輸入（程啟動(dòng)p：NC初始化一系統(tǒng)主菜單界面和事件循3不線程停止）文件輯的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性強(qiáng)的任務(wù)。由于中斷可以在任何時(shí)刻發(fā)生，而不限于使用設(shè)備的應(yīng)用程序運(yùn)行期間，所以，中斷服務(wù)程序必須在固定代碼段中。在大框架EMS內(nèi)存配置中，只有一種類(lèi)型的代碼，才能保證任何時(shí)刻均可用來(lái)進(jìn)行此類(lèi)中斷服務(wù)。這種類(lèi)型的代碼就是動(dòng)態(tài)連接庫(kù)（DLL）的固定代碼段中的代碼。因此，必須采用DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)中斷。在我們的系統(tǒng)中，采用DLL實(shí)現(xiàn)了硬件中斷，運(yùn)行可靠。

 

　　在我們的軟件中，在的自動(dòng)加工線程中，采用中斷機(jī)制來(lái)實(shí)時(shí)控制。自動(dòng)加工線程主要完成打開(kāi)NC文件、語(yǔ)法檢、譯碼、刀具補(bǔ)償、插補(bǔ)，產(chǎn)生加工數(shù)據(jù)。在這些功能中，插補(bǔ)必須實(shí)時(shí)完成，因而采用中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)加工線程的開(kāi)啟，在回調(diào)函數(shù)中完成。自動(dòng)加工線程的控制流程見(jiàn)，中斷服務(wù)程序控制流程見(jiàn)自動(dòng)加工線程由于動(dòng)態(tài)連接庫(kù)可以根據(jù)需要被應(yīng)用程序靈活地裝載、卸出，占用的系統(tǒng)資源將相應(yīng)減少，所以把插補(bǔ)中斷服務(wù)程序編譯連接成動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式使用。

 

　　由于面向?qū)ο蟮能浖_(kāi)發(fā)技術(shù)綜合了功能抽象與數(shù)據(jù)抽象，它較好地實(shí)現(xiàn)了軟件的可擴(kuò)性、多態(tài)性，并使軟件易于修改。我們采用面向?qū)ο蠓椒▽?duì)數(shù)控軟件進(jìn)行建模，分3個(gè)層次對(duì)其進(jìn)行描述與實(shí)現(xiàn)：系統(tǒng)、控制單元和基本類(lèi)，使CNC軟件可組裝、易擴(kuò)展。

 

　　基本類(lèi)是數(shù)控系統(tǒng)功能細(xì)粒度分解的結(jié)果，是組成開(kāi)放系統(tǒng)的*小單位。基本類(lèi)構(gòu)成面向?qū)ο髷?shù)控軟件的類(lèi)體系。具有標(biāo)準(zhǔn)化接口的基本類(lèi)，稱之為軟件芯片。

 

　　控制單元是由一系列功能相關(guān)的基本類(lèi)組成的、完成一定功能的軟件實(shí)體。控制單元可以嵌套。

 

　　系統(tǒng)是由一系列控制單元組成的某種類(lèi)型的數(shù)控系統(tǒng)軟件。

 

　　在我們的數(shù)控軟件開(kāi)發(fā)的類(lèi)，有運(yùn)動(dòng)控制器類(lèi)、譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)。它們都作為功能單元分別完成位置伺服功能、譯碼功能、刀補(bǔ)功能。譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)較復(fù)雜，由多個(gè)軟件芯片繼承組成。

 

　　3.3多緩沖區(qū)技術(shù)運(yùn)動(dòng)控制器類(lèi)、譯碼類(lèi)、刀補(bǔ)類(lèi)、動(dòng)態(tài)連接庫(kù)都是相對(duì)獨(dú)立的功能單元，它們相互有大量的數(shù)據(jù)交換，因此采用多緩沖區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

 

　　為了協(xié)調(diào)各線程、各任務(wù)之間的運(yùn)行，使各模塊相對(duì)獨(dú)立，在軟件中建立多個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，具體的實(shí)現(xiàn)方法是：為多緩沖區(qū)分配內(nèi)存，建立指向當(dāng)前緩沖區(qū)的讀、寫(xiě)指針，構(gòu)成一個(gè)環(huán)形多緩沖區(qū)；為每塊內(nèi)存設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，作為對(duì)各緩沖區(qū)進(jìn)行操作的判斷依據(jù)；每讀一個(gè)緩沖區(qū)，對(duì)該緩沖區(qū)設(shè)置已讀標(biāo)志，當(dāng)前讀指針向前移動(dòng)一個(gè)緩沖區(qū)；每寫(xiě)一個(gè)緩沖區(qū)，對(duì)該緩沖區(qū)設(shè)置已寫(xiě)標(biāo)志，當(dāng)前寫(xiě)指針向前移動(dòng)一個(gè)緩沖區(qū)；對(duì)于當(dāng)前操作未結(jié)束的緩沖區(qū)，設(shè)置正在操作標(biāo)志，禁止其他操作。

 

　　采用這種方法，將系統(tǒng)中必須在單個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)完成的運(yùn)算，“均化”在多個(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)完成，有效地利用了CPU的計(jì)算時(shí)間，提高了系統(tǒng)的工作效率。

 

　　3.4界面實(shí)現(xiàn)技術(shù)測(cè)控軟件的界面不僅具有Windows―般控件功能，而且還必須具有模擬一些實(shí)物的控件，如：電表顯7TC、旋鈕等。因此，采用LabWindows/CVI工具設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。采用LabWindows/CVI時(shí)以一種C語(yǔ)言設(shè)計(jì)界面非常方便。此工具設(shè)計(jì)的界面包括頭文件（。h）、界面文件（。uir）。在中，提供界面控件的回調(diào)函數(shù)。應(yīng)用程序可在回調(diào)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)所需要的功能。在此系統(tǒng)中，顯示/面板操作線程作為界面的定時(shí)器控件的回調(diào)函數(shù)。Windows按照定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間，定時(shí)調(diào)用定時(shí)器控件的回調(diào)函數(shù)。

 

　　4結(jié)論多線程模型與中斷機(jī)制相結(jié)合的控制策略和層次化的體系結(jié)構(gòu)，利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多緩沖區(qū)技術(shù)、界面實(shí)現(xiàn)技術(shù)，成功地在Windows環(huán)境下實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)控制要求，較好地實(shí)現(xiàn)軟件的可擴(kuò)充性、多態(tài)性、重構(gòu)性，并使軟件易于修改。該設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于我們開(kāi)發(fā)的數(shù)控軟件上，已取得了良好的效果。