金 陵，張衛(wèi)青，王興龍

(重慶理工大學(xué)汽車零部件制造與檢測(cè)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054)

隨著數(shù)控機(jī)床的高速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的通用功能已不能滿足高檔機(jī)床的特殊需求，對(duì)開放式的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)已成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的研究熱點(diǎn)［1－2］。

目前，我國(guó)大部分高端機(jī)床均采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，為了適應(yīng)個(gè)性化市場(chǎng)的需要，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)各種機(jī)床不同的控制要求，對(duì)西門子840D數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)方法進(jìn)行了一系列研究。其中，大部分學(xué)者利用 HMI Programming Package開發(fā)工具，通過HMI Advanced標(biāo)準(zhǔn)軟件開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用程序Regie及Sequence Control的嵌入式應(yīng)用軟件，但其開發(fā)方式存在一定局限性，一些標(biāo)準(zhǔn)類模板及窗體都不允許更改，語言動(dòng)態(tài)鏈接庫的建立也較為煩瑣。而單獨(dú)采用VC++開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的Windows應(yīng)用軟件則能很好地解決這些問題，且所開發(fā)的人機(jī)界面更加人性化、自由化、美觀化。因此，本文利用西門子數(shù)控系統(tǒng)提供的HMI軟件包，研究利用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VC進(jìn)行高端機(jī)床的專用人機(jī)界面制作，并開發(fā)了適用于840D數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面［3］。

1 人機(jī)界面總體框架

根據(jù)相關(guān)機(jī)床的加工特點(diǎn)及功能要求，設(shè)計(jì)整個(gè)界面的總體框架，如圖1所示。圖1中顯示了界面中各窗口的調(diào)用關(guān)系及各軟件與窗口狀態(tài)的聯(lián)系［3］。

圖1 界面總體框架

圖1中，主界面為狀態(tài)監(jiān)控，包括各坐標(biāo)軸坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示以及報(bào)警服務(wù)、循環(huán)、余程、加工狀態(tài)等框架;數(shù)據(jù)管理主要完成機(jī)床加工數(shù)據(jù)文件的導(dǎo)入導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件中各項(xiàng)參數(shù)的查看、編輯等功能;程序主要控制零件程序的運(yùn)行、顯示和編輯功能;結(jié)果分析是對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及結(jié)果的顯示。用戶可以根據(jù)實(shí)際要求在主界面上繼續(xù)添加框架，每一個(gè)框架都是一個(gè)界面，每一個(gè)界面都是由數(shù)個(gè)對(duì)話框組成，它們之間都是相互聯(lián)系、協(xié)同工作的。

2 基于VC的界面開發(fā)方法

界面采用MFC基于對(duì)話框形式完成設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)通訊服務(wù)。通過數(shù)控通訊服務(wù)器(NCDDE Server)、數(shù)控內(nèi)核(NCK)、可編程序控制器(PLC)等組件實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面交互功能。開發(fā)前，只需在PC機(jī)上安裝VC++編程軟件，所開發(fā)出的標(biāo)準(zhǔn)Windows應(yīng)用程序即能在西門子數(shù)控系統(tǒng)下運(yùn)行。

根據(jù)相關(guān)機(jī)床的實(shí)際要求編輯各對(duì)話框界面，并且在VC環(huán)境下直接與NCU、PLC建立連接，實(shí)現(xiàn)界面與840D數(shù)控系統(tǒng)的通訊。所開發(fā)軟件的主要功能包括:人機(jī)界面上各軟件定義及與機(jī)床操作面板上鍵盤響應(yīng);對(duì)NCU中各種變量的訪問，如軸坐標(biāo)值、進(jìn)給率、余程等;NCU文件讀取及對(duì)R參數(shù)的訪問;對(duì)PLC中各種變量的訪問，如I/O口、標(biāo)志區(qū)M、數(shù)據(jù)塊DB等。各個(gè)應(yīng)用模塊都另行開發(fā)且脫離于西門子HMI Programming Package開發(fā)框架，即獨(dú)立于西門子數(shù)控系統(tǒng)的主控制和順序控制之外。與傳統(tǒng)的VB語言開發(fā)相比較，其通用性更強(qiáng)、開發(fā)更加自由，并且語言動(dòng)態(tài)顯示更加簡(jiǎn)便［4－8］。

2.1 多語言顯示

PC機(jī)上獨(dú)立開發(fā)的人機(jī)界面在數(shù)控系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，控件的文本不能顯示中文。不同于傳統(tǒng)開發(fā)方式，在VC環(huán)境下無需創(chuàng)建DLL語言動(dòng)態(tài)鏈接庫，采用UNICODE編程就可以在西門子系統(tǒng)下動(dòng)態(tài)顯示中文，并且能使界面同時(shí)支持多種語言。VC++6.0中，具體設(shè)置步驟:打開［工程］－＞［設(shè)置…］對(duì)話框，在 C/C++標(biāo)簽對(duì)話框的“預(yù)處理程序定義”中去除_MBCS，加上_UNICODE，UNIC－ODE，然后需要設(shè)置Unicode專用的程序入口點(diǎn)，即在Link頁的Output類別的Entry-Point里填上wWinMainCRTStartup。一般情況下輸入字符時(shí)加上_T宏，則能兼容ANSI和Unicode字符。

2.2 人機(jī)界面信息與NCU/PLC中變量的傳遞

在VC環(huán)境下，人機(jī)界面可直接利用西門子數(shù)控系統(tǒng)服務(wù)器提供的接口訪問 NCU、PLC、MMC103中的變量和文件，實(shí)現(xiàn)需要的NCK/PLC變量存取。同時(shí)，在執(zhí)行程序時(shí)，直接通過VC程序向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，指示機(jī)床動(dòng)作。

2.2.1 NCK/PLC 變量存取

在人機(jī)界面上，需要實(shí)時(shí)更新采集到的數(shù)據(jù)，把NCK中的變量及數(shù)據(jù)的有關(guān)信息及時(shí)反映到顯示屏上，從而使操作者能對(duì)機(jī)床狀態(tài)進(jìn)行管理和操作。NCK中采集的變量和數(shù)據(jù)主要包括系統(tǒng)變量、系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、通道專用數(shù)據(jù)、軸狀態(tài)數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù)、刀具和刀具庫數(shù)據(jù)、機(jī)床和設(shè)定數(shù)據(jù)、參數(shù)、伺服、診斷數(shù)據(jù)等。

1)根據(jù)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)的優(yōu)點(diǎn)及具體要求，在VC環(huán)境下通過DDE來建立連接，獲取當(dāng)前各軸的坐標(biāo)值、進(jìn)給速度、余程等數(shù)據(jù)。首先需要對(duì) DDE連接進(jìn)行初始化，以 ncdde/nuc840d作為連接的服務(wù)器名稱和主題，通過建立函數(shù)來讀取各軸數(shù)據(jù)。下面是在VC中讀取1個(gè)軸當(dāng)前坐標(biāo)值時(shí)用到的程序代碼:

還需通過DdeClientTransaction()函數(shù)向數(shù)控系統(tǒng)服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，服務(wù)器必須通過DDE回調(diào)函數(shù)處理請(qǐng)求并返回DdeCreateDataHandle()來發(fā)送數(shù)據(jù)。同時(shí)可以調(diào)用DdeGetData()來獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并動(dòng)態(tài)顯示在界面上。

2)由于VC++6.0的MFC中已集成了COM組件開發(fā)工具ATL(活動(dòng)模板庫)，因此在VC中選擇使用 OPC協(xié)議，通過與 OPC Alarm＆Event Server建立連接實(shí)現(xiàn)報(bào)警數(shù)據(jù)讀取。OPC是OLE for Process Control的縮寫，它采用客戶/服務(wù)器體系，是基于Microsoft的OLE/COM技術(shù)，為硬件廠商和應(yīng)用軟件開發(fā)者提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的接口。

首先，需要在MFC程序的StdAfx.h文件中添加ATL中心模塊類CComModule，并創(chuàng)建一個(gè)全局實(shí)例_Module，它的實(shí)現(xiàn)位于 atlbase.h和 atlimpl.cpp中，因此在程序中必須包含這2個(gè)文件。報(bào)警數(shù)據(jù)顯示的對(duì)話框所產(chǎn)生的類，命名為CAlarm類。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)回調(diào)對(duì)象的接收，還需添加一個(gè)派生于IOPCEventSink(事件訂閱的接收器接口)及 CComObjectRoot(內(nèi)部 ATL函數(shù)實(shí)現(xiàn))的類，命名為COPCEvent－ Sink。

在VC中，ATL主要處理引用計(jì)數(shù)的實(shí)現(xiàn)以及IUnknown的成員函數(shù)QueryInter-face()的功能，為此，必須在COPC－EventSink類中插入COM地圖。COM地圖主要描述了哪些接口會(huì)被回調(diào)對(duì)象使用并且可以通過 QueryInterface()返回。在COPCEventSink類中，相應(yīng)的聲明代碼如下:

除了這些接收器接口以外，在COPCEv－entSink類中，使用成員函數(shù)Connect()建立回調(diào)對(duì)象與OPC server的連接點(diǎn)的連接，利用成員函數(shù)Initialize()對(duì)回調(diào)對(duì)象進(jìn)行初始化，即建立一個(gè)報(bào)警數(shù)據(jù)變量。

相應(yīng)地，還需在CAlarm類中添加相關(guān)函數(shù)才能從OPC Alarm＆Event Server中接收?qǐng)?bào)警信號(hào)，并在對(duì)話框中顯示。具體步驟:

①創(chuàng)建OPC服務(wù)器實(shí)例，并建立連接。通過成員函數(shù)ConnectServer()與服務(wù)器建立連接，連接之前客戶端需要服務(wù)器的 CLSID，可以通過CLSIDFromProgID()函數(shù)來獲取信息，其中ProgID為OPC.S-inumerik Events。這樣通過 CLSID及Co-CreateInstance()函數(shù)便可創(chuàng)建服務(wù)器實(shí)例，其中以IUnknown作為請(qǐng)求接口。

②請(qǐng)求數(shù)據(jù)訂閱操作接口。通過成員函數(shù)GetInterfaces()實(shí)現(xiàn)，以 IUnknown的成員函數(shù)QueryInterface()獲取。

③在OPC服務(wù)器上創(chuàng)建報(bào)警數(shù)據(jù)訂閱，并連接到接收器對(duì)象。通過成員函數(shù)CreateSubscription()實(shí)現(xiàn)，其中利用 IOPCEventServer::CreateEventSubscription()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)報(bào)警數(shù)據(jù)訂閱。若創(chuàng)建成功，即與服務(wù)器中一個(gè)接收對(duì)象連接，此時(shí)，當(dāng)有一個(gè)新的報(bào)警產(chǎn)生時(shí)客戶便可以接收到服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。同時(shí)，通過 CComObject::CreateInstance()函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)COPCEventSink類的實(shí)例，此時(shí)，服務(wù)器返回的回調(diào)對(duì)象便在COPCEventSink類中的成員函數(shù)Initialize()中進(jìn)行初始化，然后通過成員函數(shù)Connect()將回調(diào)對(duì)象與創(chuàng)建的數(shù)據(jù)訂閱接口連接。

最后，通過COPCEventSink類中的成員函數(shù)OnEvent()將所創(chuàng)建的報(bào)警數(shù)據(jù)訂閱所返回的信號(hào)(數(shù)據(jù))顯示在對(duì)話框的List Control控件上。所顯示的報(bào)警數(shù)據(jù)在界面上實(shí)時(shí)更新，包括報(bào)警時(shí)間、來源、報(bào)警號(hào)、消息等。

2.2.2 文件傳遞及程序調(diào)用

人機(jī)界面在進(jìn)行齒面測(cè)量時(shí)，必須將某些程序和文件復(fù)制并存到NCK中，反之亦然。在VC環(huán)境下同樣利用COM組件技術(shù)，創(chuàng)建一個(gè)派生于IDispatchImpl及 CComObject－ Root的類，命名為CMCDomainCallback，添加的COM地圖聲明代碼如下:

在所用的對(duì)話框類中，添加成員函數(shù)ConnectToDomainServer()，創(chuàng)建IMC中的DomainServer實(shí)例，并建立連接。以CopyNC()以及MapACC_NC()函數(shù)發(fā)送復(fù)制文件請(qǐng)求。其中，向系統(tǒng)服務(wù)器中復(fù)制文件的詳細(xì)代碼如下:

CopyNC(bstrSourceFile，bstrTargetFile，MCDOMAIN_COPY_NC);

相應(yīng)地，同樣利用 COM組件創(chuàng)建 IMC中Command實(shí)例，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)NC/PLC的程序調(diào)用服務(wù)。如通知NCK執(zhí)行一個(gè)指令，VC中代碼為:#PI_START，/NC，201，/_N_MPF_DIR/_N_123_MPF，_N_SELECT#。

將所有的功能集成在每一個(gè)對(duì)話框中。對(duì)話框設(shè)計(jì)完成后，就可以生成VC的標(biāo)準(zhǔn)Windows應(yīng)用程序，并在數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)中運(yùn)行。

3 結(jié)果驗(yàn)證

本研究根據(jù)上節(jié)描述的開發(fā)方法，以錐齒輪磨齒機(jī)在機(jī)測(cè)量軟件開發(fā)為例，在VC環(huán)境下制作了人機(jī)界面，并將所開發(fā)的人機(jī)界面在840D數(shù)控系統(tǒng)上進(jìn)行模擬。如圖2、3所示，NCK變量存取、報(bào)警服務(wù)、多語言等均顯示成功，驗(yàn)證了基于VC的840D數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面開發(fā)方法的正確性。

圖2 主界面監(jiān)控狀態(tài)

圖3 人機(jī)界面調(diào)整參數(shù)編輯界面

4 結(jié)束語

本文研究了VC環(huán)境下高端機(jī)床專用人機(jī)界面制作方法，采用UNICODE編程實(shí)現(xiàn)界面多語言顯示，使用DDE技術(shù)及OPC協(xié)議來對(duì)NCK/PLC變量進(jìn)行存取，利用COM組件技術(shù)進(jìn)行文件傳遞以及程序調(diào)用。根據(jù)此方法，以錐齒輪磨齒機(jī)在機(jī)測(cè)量軟件開發(fā)為例制作了人機(jī)界面，并將人機(jī)界面在840D數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行模擬，驗(yàn)證了基于VC的840D數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)界面開發(fā)方法的正確性。

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