华中 8 型数控系统二次开发技术研究
2024-1-4 来源： 北京动力机械研究所 作者：王永飞 杜凯
【摘要】: 为应对高档数控系统主要依赖于进口且二次开发难的现状，通过对国产华中 8 型数控系统二次开发技术进行了深入研究。首先分析了华中 8 型数控系统软件基本结构，并将其二次开发形式与当前应用较为广泛的西门子 840DSL数控系统进行了对比。在此基础上，从软件整体功能层次结构与上下位机数据通讯两个方面，详细阐述了基于华中 8 型数控系统二次开发的软件实现，从而提供了切实可行的国产数控系统二次开发技术路线，对于国产数控系统的推广应用具有重要的现实意义。
【关键词】: 华中 8 型数控系统 数控系统二次开发 多连接版网络开发包 上下位机数据通讯
1.引言
随着精密磨削技术的快速发展，数控系统正由专用型封闭式系统向灵活的开放式数控系统转变。目前，国内外学者已在开放式数控系统上进行了大量的二次开发应用。张辉等进行了适用于塑窗型材柔性锯铣加工中心的 FANUC-0MD 系统次开发 ; 于拯等学者基于西门子 840D 数控系统的 OEM 软件开发包，开发了凸轮轴磨削软件 ;Shao 等学者基于西门子 840D 数控系统开发了用于球螺母磨削加工的工艺软件 ; 丁国龙等学者基于华中 8 型数控系统的上下位机体系结构开发了蜗轮加工软件。
FANUC-0MD 系统和西门子 840D 系统
以上关于数控系统二次开发的研究普遍以进口数控系统为主，而对国产数控系统的研究和应用较少。本文以国产华中 8 型数控系统为研究对象，分析了该数控系统的开发环境，并阐述了如何应用系统平台、调用系统内核进行二次开发，有助于国产数控系统的推广与应用。
2. 华中 8 型数控系统简介
华中 8 型数控系统是武汉华中数控股份有限公司在 CCMT 2012 展会上推出的新一代高档数控系统，如图 1 所示。与过去的数控系统相比，8 型全数字高档数控系统采用全数字现场总线技术，实现了从模拟接口、脉冲接口到总线控制、高速高精的技术跨越，并且构建了新型开放式二次开发平台，为用户提供了多层次的深度开发手段，是国产数控系统先进技术的代表之一。
图 1 华中 8 型数控系统
3. 华中 8 型数控系统的开发环境
3.1 华中数控系统的软件结构
华中 8 型数控系统的软件主要由如图 2 所示的人机交互界面 HMI、应用层数据接口 NCAPI与底层数据接口 NCU 三个层次组成。HMI 层是一个可视化接口层，为用户提供与系统进行通信和控制的 GUI 界面 ;NCAPI 层是系统提供的函数开发接口层，通过调用函数接口来实现对系统参数与内部变量，如宏变量、寄存器、刀具、参数等的访问 ;NCU 层是数控系统的核心，存储着用来完成二次开发任务的底层数据。
图 2 华中 8 型数控系统的软件结构
3.2 华中数控系统的二次开发形式
西门子 840DSL 数控系统是应用最为广泛的高档数控系统，该数控系统支持多种开发 形 式， 如 Easy Screen（ 扩 展 用 户 接 口 ）、WinCC Flexible（西门子组态软件）与OperateProgramming Package 开发包。其中，EasyScreen 编写代码参数较多，开发效率低，只适合开发简单的界面 ;WinCC Flexible 需另购WinCC Flexible 软件，功能扩展性受到一定限制 ;Operate Programming Package 开发包需购买开发包，并通过高级语言编程实现软件的开发。
华中 8 型数控系统也提供类似的开发形式，扩展性较好且与原数控系统界面结合性好。它不仅提供类似西门子的 Operate ProgrammingPackage 开发包的单机版二次开发，还提供开发形式更加灵活、与其他平台功能结合性强的多连接版网络开发包。该网络开发包采用 “上位机 -适配器 - 下位机” 三层结构，支持灵活的网络扩展，更容易实现数控加工多任务并行处理的控制流程，并且便于为云数控等平台服务，顺应智能化数控系统发展趋势。
多连接版网络开发包中包括基本数据接口、采样数据接口、报警数据接口、事件数据接口和G 代码程序管理接口等接口。其中，基本数据接口是用来获取寄存器、变量、参数这三类常用数据 ; 采样数据接口是方便用户加工过程中获取机床运行过程中各个轴的机床特性 ; 报警数据接口是用来监视当前设备的运行状态 ; 事件数据接口用于实现人机交互 ;G 代码程序管理接口提供对数控系统的 G 代码程序的管理，包括获取运行程序名、加载 G 代码等。在与数控系统成功通信的条件下，上位机根据待采集数据的参数类型调用相应的二次开发接口，并向下位机发出数据通信指令，下位机接收到指令后，会返回相应的数据值。
4. 基于华中 8 型数控系统二次开发的软件实现
4.1 软件整体方案设计
基于华中 8 型数控系统，建立了上下位机模式的整体软件方案，包括上位机软件功能、下位机软件功能以及上下位机之间的数据通讯的设计。上位机使用华中 8 型提供的网络开发包，开发基于 Windows 的可独立运行的软件，软件功能模块主要有系统菜单与核心功能菜单模块 ; 下位机选用华中 8 型数控系统作为控制核心，以华中适配器为传输媒介，向上位机软件反馈请求访问参数信息。其软件功能层次结构如图 3 所示。
图 3 软件功能层次结构
4.2 上下位机数据通讯实现
上位机中记录的数据主要为有效的可执行数控程序和程序生成之前的所有中间过程，而下位机是直接控制设备并获取设备状态的计算机，它主要负责并控制任务进行直接的数据交互，该控制流程涉及到多种数据类型系统变量，都需要在严格的时间点或时间间隔下进行访问。
在华中 8 型数控系统中，系统变量已被按照功能分为通道变量、轴变量、参数、寄存器、刀具管理等类型并连续存放在系统空间中，可以由宏变量访问，也可以通过二次开发接口访问。二次开发接口定义在系统的应用层数据接口层中，负责根据人机界面 HMI 的请求实时访问下位机系统的底层数据，及时应答前端的控制任务。
多连接版开发包通过中间层适配器可以支持多个不同通信协议的上位机，通过适配器同时连接到同一台 NC 装置上，从而实现多网络连接。在 Windows 平台下使用多连接版二次开发接口进行开发和应用，需要先启动适配器。首次运行适配器会自动获取本地 IP，并生成ServerConfig.xml 配置文件。适配器成功运行后界面如图 4 所示。
图 4 网络适配器运行成功界面
在适配器连接成功后，便可以利用华中 8 型数控系统预留的函数接口完成上下位机的数据通讯交互，并实现上位机对下位机的控制。常用函数接口如表 1 所示。
表 1 华中 8 型数控系统提供的常用函数接口
5. 结语
本文在分析华中 8 型数控系统软件基本结构的基础上，将其二次开发形式与国外先进的西门子 840DSL 数控系统进行对比，得出了华中 8 型数控系统更灵活、更支持网络扩展的结论。并且，设计了合理有效的上下位机模式软件方案，实现了上下位机间高效的数据通讯，明确华中 8 型数控系统二次开发技术路线，为国产数控系统二次开发技术的深度应用提供了有利支持。
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