基于Windows环境的CNC系统软件设计
摘要
随着计算机控制技术的不断发展，传统的制造业逐步进入现代制造模式中。而现代制造技术的核心是计算机数字控制(Computer Numerical Control)，即CNC技术。在CNC系统中，系统硬件是CNC技术的基础，而CNC系统软件则是系统的灵魂。论文针对传统CNC系统软件的不足之处，结合计算机软件最新开发技术，以数控机床为对象，系统研究基于WINDOWS环境的CNC系统软件及其开发技术。
与基于DOS平台的传统CNC系统软件相比，新型CNC系统软件采用Windows9X系统作为系统开发平台。相对于DOS环境下的CNC系统软件来说，基于Windows环境的CNC系统软件界面友好，操作方便，软件资源丰富，便于用户选择掌握使用。
传统CNC系统软件开发过程中多采用面向过程的开发模式，这种开发方法导致源程序难以重用，软件不容易扩充、升级，已经开发的软件资源很难在以后的系统开发中重用，软件利用率低。在进行新系统的开发时，编程工作只能重新开始做起，浪费了大量的人力、物力。
开发新型CNC系统软件时，充分利用面向对象理论，采用组件式开发方法。借助于C++Builder开发工具，首先设计出可以实现CNC系统基本功能的可视化数控基本组件，然后利用数控系统基本组件，组装成一个实际的数控系统。由于所有基本组件都是可继承、重用的，所开发的软件组件资源可以在系统的再开发中重新利用，解决了软件资源不能重用的问题。本论文到目前为止，已经设计完成了二维错误检查组件、二维译码组件、二维刀补组件、二维插补组件、端口操作组件、三维错误检查类组件、三维译码组件、三维刀补组件。并利用这些可视化基本组件，组建了一个简单的CNC系统，可以控制一台二轴的数控铣床，进行基本的插补运动，还能调整组件属性，控制一台三轴的数控钻铣床，进行一般的零件加工。
利用可视化CNC系统基本组件进行系统开发时，不需要做很多烦琐的编程工作，只须拖动CNC系统基本组件，设置组件的属性和方法，即可实现数控系统相应的功能，大大简化了数控系统的编程工作。
在Windows 9X系统下开发CNC系统的一个难点在于如何实现实时中断。Windows系统是一个多任务操作系统，其安全机制不允许WIN32程序直接操作中断。作者采用VxD技术，解决了Windows环境下的实时中断问题。
With the development of CNC technology, the traditional manufactures are going into the modern manufacturing mode . The core of the modern manufacturing technology is Computer Numerical Control , that is to say , it is CNC technology .In the CNC system ,the system hardware is the foundation of the CNC technology , but the CNC system software is the soul of the system. My thesis catches the shortcomings of the traditional CNC software and takes
the Numerical Control Machine tools as a research Object to develop the new CNC system software based on the WINDOWS platform .
Compared with the traditional CNC System Software based on the DOS platform , the new CNC System Software is based on the Windows 9X system. In the Windows system, the software interface is more friendly than in the DOS system , and it is more convenient to operate the software in the Windows system. In addition to those advantages , applications in the Windows System are much more than in the DOS system. Further more, it is very difficult to reuse the traditional CNC Softwares just because they were developed with the mode of Process Oriented Programming . When it is needed to develop a new CNC system , the programmers have to program from the beginning . So a lot of software resources are wasted .
When developing the new CNC system software , the author made a good use of the Object Oriented theory to develop the CNC System Components. Through developing the CNC System Components with C++Builder 5.0 ,people can assemble a CNC System with these Components . Further more , all the CNC System Components can be reused . By the present time, the author has designed 2D components of checking errors, 2D components of decoding, 2D components of tools' s compensatingN 2D components of interpolation, components of operating port, 3D components of checking errorss 3D components of decoding 3D components of tool' s compensating. With these visual basic components, the author has set up a simple CNC system. The CNC system can controls one NC milling machine with two shafts. It proves that the CNC system can do some basic interpolation movement. Through adjusting the property of components, the CNC system can control
one NC milling machine with three shafts to carry out some common machining tasks.
All the CNC System Components are visual on the panel .When developing a new system with them , what you should do is to select the proper Components and drag them to the form, setting their prosperities , and everything will be OK. Through this way , we can simplify the work of programming .
How to operate the real time interrupts in the Windows 9X is a difficult problem, because the security mechanisms of the Windows system don' t allow WIN32 applications to operate the interrupts directly .Through using VxD technology , the author solved the real time interrupts in the Windows environment .
与基于DOS平台的传统CNC系统软件相比，新型CNC系统软件采用Windows9X系统作为系统开发平台。相对于DOS环境下的CNC系统软件来说，基于Windows环境的CNC系统软件界面友好，操作方便，软件资源丰富，便于用户选择掌握使用。
传统CNC系统软件开发过程中多采用面向过程的开发模式，这种开发方法导致源程序难以重用，软件不容易扩充、升级，已经开发的软件资源很难在以后的系统开发中重用，软件利用率低。在进行新系统的开发时，编程工作只能重新开始做起，浪费了大量的人力、物力。
开发新型CNC系统软件时，充分利用面向对象理论，采用组件式开发方法。借助于C++Builder开发工具，首先设计出可以实现CNC系统基本功能的可视化数控基本组件，然后利用数控系统基本组件，组装成一个实际的数控系统。由于所有基本组件都是可继承、重用的，所开发的软件组件资源可以在系统的再开发中重新利用，解决了软件资源不能重用的问题。本论文到目前为止，已经设计完成了二维错误检查组件、二维译码组件、二维刀补组件、二维插补组件、端口操作组件、三维错误检查类组件、三维译码组件、三维刀补组件。并利用这些可视化基本组件，组建了一个简单的CNC系统，可以控制一台二轴的数控铣床，进行基本的插补运动，还能调整组件属性，控制一台三轴的数控钻铣床，进行一般的零件加工。
利用可视化CNC系统基本组件进行系统开发时，不需要做很多烦琐的编程工作，只须拖动CNC系统基本组件，设置组件的属性和方法，即可实现数控系统相应的功能，大大简化了数控系统的编程工作。
在Windows 9X系统下开发CNC系统的一个难点在于如何实现实时中断。Windows系统是一个多任务操作系统，其安全机制不允许WIN32程序直接操作中断。作者采用VxD技术，解决了Windows环境下的实时中断问题。
With the development of CNC technology, the traditional manufactures are going into the modern manufacturing mode . The core of the modern manufacturing technology is Computer Numerical Control , that is to say , it is CNC technology .In the CNC system ,the system hardware is the foundation of the CNC technology , but the CNC system software is the soul of the system. My thesis catches the shortcomings of the traditional CNC software and takes
the Numerical Control Machine tools as a research Object to develop the new CNC system software based on the WINDOWS platform .
Compared with the traditional CNC System Software based on the DOS platform , the new CNC System Software is based on the Windows 9X system. In the Windows system, the software interface is more friendly than in the DOS system , and it is more convenient to operate the software in the Windows system. In addition to those advantages , applications in the Windows System are much more than in the DOS system. Further more, it is very difficult to reuse the traditional CNC Softwares just because they were developed with the mode of Process Oriented Programming . When it is needed to develop a new CNC system , the programmers have to program from the beginning . So a lot of software resources are wasted .
When developing the new CNC system software , the author made a good use of the Object Oriented theory to develop the CNC System Components. Through developing the CNC System Components with C++Builder 5.0 ,people can assemble a CNC System with these Components . Further more , all the CNC System Components can be reused . By the present time, the author has designed 2D components of checking errors, 2D components of decoding, 2D components of tools' s compensatingN 2D components of interpolation, components of operating port, 3D components of checking errorss 3D components of decoding 3D components of tool' s compensating. With these visual basic components, the author has set up a simple CNC system. The CNC system can controls one NC milling machine with two shafts. It proves that the CNC system can do some basic interpolation movement. Through adjusting the property of components, the CNC system can control
one NC milling machine with three shafts to carry out some common machining tasks.
All the CNC System Components are visual on the panel .When developing a new system with them , what you should do is to select the proper Components and drag them to the form, setting their prosperities , and everything will be OK. Through this way , we can simplify the work of programming .
How to operate the real time interrupts in the Windows 9X is a difficult problem, because the security mechanisms of the Windows system don' t allow WIN32 applications to operate the interrupts directly .Through using VxD technology , the author solved the real time interrupts in the Windows environment .
引文
[1] 周凯·发展国产数控系统的技术途径·制造技术与机床·2000．3
[2] 张俊·数控系统的发展趋势——智能化数控系统·制造技术与机床·2000．4
[3] 郑立新·串行总线计算机系统·制造技术与机床·200．4
[4] 魏红根·数控软件质量控制·制造技术与机床·2000．3
[5] 郑盛梓·虚拟数控过程的研究·组合机床与自动化技术·2000．1
[6] 杨光友·基于特征输入的数控车床在线编程系统的研究·制技术与机床·2000．7
[7] 王宇晗·基于面向对象技术的数控软件模型及实现·组合机床与自动化加工技术·2000．7
[8] 韩秋实·数控凸轮轴磨床的加工仿真原理及软件研制·制造技术与机床·2000．8
[9] 陈烨·超高速数控机床控制系统的发展·制造技术与机床·2000．5
[10] 富历新·超声波切割机床的数控系统·制造技术与机床·2000．5
[11] 叶伯生·计算机数控系统原理、编程与操作·华中理工大学出版社
[12] 冯勇等·现代计算机数控系统·机械出版社
[13] 严爱珍·机床数控原理与系统·机械出版社
[14] 孙德茂·加强标准化，促进机床数控系统产业德发展·制造技术与机床·2000．6
[15] 裴景玉·基于Windows 95平台的实时控制技术·工业控制计算机·2000．13 (3)
[16] 赵敏·Dephi与MatLab接口软件的设计·计算机自动测量与控制·2000．8 (4)
[17] 刘天键·MATLAB环境下工控应用程序的仿真研究·工业控制计算机·2000．13 (1)
[18] 周惠群·用计算机去检测NC指令中的错误·组合机床与自动化加工技术·2000．9
[19] 周正干·提高数控系统加工速度和精度的几种方法·制造技术与机床·2000．12
[20] 戴晓华·开放式数控系统研究综述·组合机床与自动化加工技术·2000．1
[21] 吴华春·基于AutoCAD R14和VB5开发的数控自动编程系统·2000．3
[22] 田涛·Windows环境下工控软件人机界面的开发·测控技术·2000·19 (1)
[23] 钱为民·测控软件的一些思考·测控技术·2000·19 (2)
[24] 任玉田等·编著机床计算机数控技术·北京：北京理工大学出版·1996．9
[25] 周延佑·国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性·制造技术与机床·1999 (6)
[26] Constantine H. Houpis·Digital & Control Systems: Theory, hardware, software. America: Electronic Technical Publishing Services, 1992
[27] 冯显英等·基于PC总线的开放式CNC系统·组合机床与自动化加工技术，1998(8)
[30] G. Prischow et al. Open System Controllers—A Challenge for the Future of the Machine Tool Industry. Annals of the CIRP. 1993,42 (1)
[31] Stephen J. Rober and Yung C. Shin. Modeling and control of CNC machine using a PC-based open architecture controller. Mechatronics. 1995, 5 (4)
[32] Yun C. Chung et al. Modeling the surface swept by a generalized cutter for NC verification. Computer-Aided design. 1998 (8)
[33] Chih-Ching Lo. A mew approach to CNC tool path generation. Computer-Aided design. 1998 (8)
[34] 魏余芳等．微机数控系统设计．西南交通大学出版社，1996．5
[35] 文登敏．微机数控加工程序的编译．组合机床与自动化加工技术，1996 (3)
[36] Warren S. Seames. Computer Numerical Control. Deimar Publishing Inc, 1986
[37] 范俊广主编．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，1993．10
[38] 解旭东等．数控加工程序的计算机识别方法．组合机床与自动化加工技术，1998 (10)
[39] 王玉新编译．现代数控机床编程与操作．天津：天津科技翻译出版公司，1996．3
[40] 孙东阳等编写．数控编程．南京：南京大学出版社，1993．11
[41] 肖田元．通用NC代码翻译技术，系统仿真学报，1998 (10)
[42] 谢琼等．刀具半径补偿中的矢量法．工业控制计算机，1998 (4)
[43] 林奕鸿等编著．机床计算机数控技术．北京：机械工业出版社，1994．1
[45] 毕承恩主编．现代数控机床，上、下册．北京：机械工业出版社，1991．11
[46] 李玉炜．数控机床精度测量及其补偿计算．组合机床与自动化加工技术，1998 (1)
[48] 王永章等编著．机床的数字控制技术．哈尔滨：哈尔滨大学出版社，1995．7
[49] 廖效果，朱启逑主编．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，1992．9
[50] 吴祖育，秦鹏飞主编．数控机床．上海：上海科学技术出版社，1990．3
[51] 罗阳等．经济型闭环数控系统的插补方法．制造技术与机床，1999 (4)
[52] 夏红霞，钟珞．快速原型法及其应用．微电子学与计算机，1992，9 (8)：30—35．
[53] 仲萃豪等．应用软件的开发方法．计算机科学，1991 (1)
[54] 张海藩编著．软件工程导论．北京：清华大学出版社，1987．6．
[55] 郭宏蕾，闫先东．软件重用：技术管理和分析．软件世界，1996 (1)：13—18．
[56] 曲艳霞，郭福顺．可重用构件库管理的设计．小型微型计算机系统，1996 (1)：33—
[57] 吴会松，李淑华．面向对象开发方法的基本要求及评价标准．小型微型计算机系统，1997，18 (5)：45～53
[58] 与功能化开发方法相结合的、以细化为基础的对象分析及设计方法．《微型电脑应用》1997(2)：69—71
[59] 向对象程序设计．北京：北京大学出版社，1992：56～57，88～107，142～
[60] 张万里、陈战林等编著．C++Builder 5.0高级开发技巧与范例．电子工业出版社
[61] Borland／Inprise公司编著，C++Builder 5.0开发人员指南．机械工业出版社
[62] 刘海涛编著．Borland C++Builder 3入门与提高．清华大学出版社
[63] 徐新华编著．C++Builder 3编程指南．人民邮电出版社
[64] 彭礼孝编著．虚拟设备驱动程序开发起步与进阶．人民邮电出版社
[65] Chris Cant编著．Windows WDM设备驱动程序开发指南．机械工业出版社
[2] 张俊·数控系统的发展趋势——智能化数控系统·制造技术与机床·2000．4
[3] 郑立新·串行总线计算机系统·制造技术与机床·200．4
[4] 魏红根·数控软件质量控制·制造技术与机床·2000．3
[5] 郑盛梓·虚拟数控过程的研究·组合机床与自动化技术·2000．1
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[7] 王宇晗·基于面向对象技术的数控软件模型及实现·组合机床与自动化加工技术·2000．7
[8] 韩秋实·数控凸轮轴磨床的加工仿真原理及软件研制·制造技术与机床·2000．8
[9] 陈烨·超高速数控机床控制系统的发展·制造技术与机床·2000．5
[10] 富历新·超声波切割机床的数控系统·制造技术与机床·2000．5
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[12] 冯勇等·现代计算机数控系统·机械出版社
[13] 严爱珍·机床数控原理与系统·机械出版社
[14] 孙德茂·加强标准化，促进机床数控系统产业德发展·制造技术与机床·2000．6
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[16] 赵敏·Dephi与MatLab接口软件的设计·计算机自动测量与控制·2000．8 (4)
[17] 刘天键·MATLAB环境下工控应用程序的仿真研究·工业控制计算机·2000．13 (1)
[18] 周惠群·用计算机去检测NC指令中的错误·组合机床与自动化加工技术·2000．9
[19] 周正干·提高数控系统加工速度和精度的几种方法·制造技术与机床·2000．12
[20] 戴晓华·开放式数控系统研究综述·组合机床与自动化加工技术·2000．1
[21] 吴华春·基于AutoCAD R14和VB5开发的数控自动编程系统·2000．3
[22] 田涛·Windows环境下工控软件人机界面的开发·测控技术·2000·19 (1)
[23] 钱为民·测控软件的一些思考·测控技术·2000·19 (2)
[24] 任玉田等·编著机床计算机数控技术·北京：北京理工大学出版·1996．9
[25] 周延佑·国产数控系统的特点和机床数控化改造的迫切性·制造技术与机床·1999 (6)
[26] Constantine H. Houpis·Digital & Control Systems: Theory, hardware, software. America: Electronic Technical Publishing Services, 1992
[27] 冯显英等·基于PC总线的开放式CNC系统·组合机床与自动化加工技术，1998(8)
[30] G. Prischow et al. Open System Controllers—A Challenge for the Future of the Machine Tool Industry. Annals of the CIRP. 1993,42 (1)
[31] Stephen J. Rober and Yung C. Shin. Modeling and control of CNC machine using a PC-based open architecture controller. Mechatronics. 1995, 5 (4)
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[34] 魏余芳等．微机数控系统设计．西南交通大学出版社，1996．5
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[36] Warren S. Seames. Computer Numerical Control. Deimar Publishing Inc, 1986
[37] 范俊广主编．数控机床及其应用．北京：机械工业出版社，1993．10
[38] 解旭东等．数控加工程序的计算机识别方法．组合机床与自动化加工技术，1998 (10)
[39] 王玉新编译．现代数控机床编程与操作．天津：天津科技翻译出版公司，1996．3
[40] 孙东阳等编写．数控编程．南京：南京大学出版社，1993．11
[41] 肖田元．通用NC代码翻译技术，系统仿真学报，1998 (10)
[42] 谢琼等．刀具半径补偿中的矢量法．工业控制计算机，1998 (4)
[43] 林奕鸿等编著．机床计算机数控技术．北京：机械工业出版社，1994．1
[45] 毕承恩主编．现代数控机床，上、下册．北京：机械工业出版社，1991．11
[46] 李玉炜．数控机床精度测量及其补偿计算．组合机床与自动化加工技术，1998 (1)
[48] 王永章等编著．机床的数字控制技术．哈尔滨：哈尔滨大学出版社，1995．7
[49] 廖效果，朱启逑主编．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，1992．9
[50] 吴祖育，秦鹏飞主编．数控机床．上海：上海科学技术出版社，1990．3
[51] 罗阳等．经济型闭环数控系统的插补方法．制造技术与机床，1999 (4)
[52] 夏红霞，钟珞．快速原型法及其应用．微电子学与计算机，1992，9 (8)：30—35．
[53] 仲萃豪等．应用软件的开发方法．计算机科学，1991 (1)
[54] 张海藩编著．软件工程导论．北京：清华大学出版社，1987．6．
[55] 郭宏蕾，闫先东．软件重用：技术管理和分析．软件世界，1996 (1)：13—18．
[56] 曲艳霞，郭福顺．可重用构件库管理的设计．小型微型计算机系统，1996 (1)：33—
[57] 吴会松，李淑华．面向对象开发方法的基本要求及评价标准．小型微型计算机系统，1997，18 (5)：45～53
[58] 与功能化开发方法相结合的、以细化为基础的对象分析及设计方法．《微型电脑应用》1997(2)：69—71
[59] 向对象程序设计．北京：北京大学出版社，1992：56～57，88～107，142～
[60] 张万里、陈战林等编著．C++Builder 5.0高级开发技巧与范例．电子工业出版社
[61] Borland／Inprise公司编著，C++Builder 5.0开发人员指南．机械工业出版社
[62] 刘海涛编著．Borland C++Builder 3入门与提高．清华大学出版社
[63] 徐新华编著．C++Builder 3编程指南．人民邮电出版社
[64] 彭礼孝编著．虚拟设备驱动程序开发起步与进阶．人民邮电出版社
[65] Chris Cant编著．Windows WDM设备驱动程序开发指南．机械工业出版社