基于ADXI4的全软型开放式数控系统研究与开发*

毕俊喜，薛志安

(内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特　010051)



基于ADXI4的全软型开放式数控系统研究与开发*

毕俊喜，薛志安

(内蒙古工业大学 机械学院，呼和浩特010051)

ADXI4 CNC是一种基于PC解决方案的全软件开放式CNC系统，它所有的功能均由软件实现。在通过对ADXI4系统硬件结构和软件结构的分析后，依据爱迪纳公司提供的ADXI4开发包在VB6.0上进行软件的二次开发，开发出了全软型四轴联动数控系统，并在实验平台上进行了软件的调试运行试验，实现了预期的目标。

ADXI4 CNC;全软型开放式数控系统;二次开发

0　引言

在 Windows 平台上开发数控系统是目前数控系统发展的趋势[1]，我们可以充分利用PC的软硬件优势以及开放性体系结构，来实现数控系统的模块化、标准化、可移植化和网络化等特点[2]，同时减少硬件规模、降低成本。

ADXI4 CNC是由爱迪纳控制技术有限公司开发的基于PC的全软型开放式数控系统，其核心技术来源于美国的Soft Servo System(3S)公司的S-100M、S-120M、S-140M全软型数控系统。为了提高系统的实时性，爱迪纳公司的技术人员为Windows系统嵌入了IntervalZero公司的RTX(Real-Time Extension)实时子系统[3]，其时钟分辨率可达到0.1μs。RTX实时扩展技术使得ADXI4伺服控制程序可运行在PC上，由CPU执行所有的实时伺服任务。ADXI4 CNC的多任务实时软件结构完全替代了运动控制卡来完成高实时性的伺服控制任务，有效的消除了硬件带来的可靠性差，成本高等问题。利用该软伺服内核技术，用户可以在Windows系统下进行二次开发，开发出有自己特色的CNC产品。

1　ADXI4 CNC系统结构

1.1硬件结构

ADXI4 CNC的核心技术是软件运动控制(Soft Motion)和实时以太网总线(EtherCAT)两者结合的零硬件开放式构架，系统无需运动控制卡即可完成任务传输,通过计算机CPU的强大功能,完成全部所需的实时伺服控制和CNC任务，如：反馈回路,G代码处理和PLC,图形用户界面和网络通讯等[4]。图l为ADXI4配置结构图。

DX-110A为数控系统接口模块，可作为模拟主轴0-10V接口、5V脉冲手轮接口和控制面板的16位输入/16位输出。IX-320是数字输入输出模块，32位输入/32位输出，可外接分线器和继电器模块。

整个系统通信采用EtherCAT总线，使用网线RJ45依次把伺服驱动器、DX-110A和IX-320等设备端的总线接口以单向链的方式串联起来，无需其他硬件，可以同时控制多达64轴。EtherCAT的三层网络结构有很好的实时性，其以标准的以太网卡作为物理层，在PC上进行通讯协议内容的驱动，使技术人员离开硬件设备开发数控系统成为了可能[5]。EtherCAT带宽100M，30μs更新1000个I/O，100个伺服轴的通讯仅需100μs[6]，分布时钟(DC)技术使轴的同步偏差小于1ms。采用EtherCAT平台的特点有：传输速率快、接线简单、硬件成本低等。可选配EtherCAT伺服驱动器的有德国路斯特SOJ、SERVOC，日本山洋R Advanced，安川Sigma5等，同时根据实际负载可匹配相应的伺服电机。

图1　ADXI系列配置结构图

1.2软件系统

ADXI4 CNC系统需要在纯净的WindowsXP/7系统下运行。在ADXI4软件系统结构中(图2所示)，主机内的软件分为：Windows系统层，实时子系统层，以及两者之间的接口层DLL(Dynamic Link Library)动态连接库，其中计算机CPU给实时子系统层最高的独占的中断优先级。

实时子系统层包含三个模块：运动控制引擎、PLC引擎和G代码解释器[7]。其中运动控制引擎是实时子系统层的核心，负责对所有任务的调度和控制，可完成：插补、速度控制、位置控制、误差补偿、NC路径的生成和PID控制等[8]。

PLC引擎是ADXI4系统中的软PLC的应用平台，它的的扫描周期是5ms，拥有38条指令功能和12条基本命令，能够访问所有的I/O点，可检测运动状态和发送运动指令，并能与Fanuc PLC指令和梯形图逻辑兼容。

G代码解释器是用来处理ADXI4系统中的G代码的，可将整个G代码文件全部写入系统中。其处理速度为1000条指令每秒。

ADXI4 CNC还为用户提供了宏程序功能，用户可以使用变量进行算数运算、逻辑运算和函数的混合逻辑运算，还可进行分支程序和条件循环语句的无限制嵌套。宏程序功能方便了复杂零件加工程序的编制以及精简了程序量。ADXI4 CNC是通过调用API函数中的4 个宏定义函数，即sssGetLocalMacroVar、sssGeGlobalMacroVar、sssGetPermanentMacroVar、sssSetPermanentMacroVar 来实现局部变量、全局变量、变量引用、变量赋值的功能[9]。ADXI4 CNC伺服控制周期为0.25～1ms，最大定位速度为300m/min，高速/高精度加工可达60 m/min[10]，其基本功能有：

1)软PLC功能；

2)转角加减速功能，确保高速加工高精度；

3)3D动态前瞻轮廓控制(3D-DLACC)，高速高精加工时预处理1000程序段；

4)法线方向控制和斜边切割；

5)标准G代码，每秒可处理1000程序段；

6)可使用绝对值/光栅反馈信号；

7)6个工件坐标系；

8)刀具长度补偿和刀具半径补偿；

9)螺距补偿；

10)象限突起补偿；

11)直线度补偿；

12)圆弧插补速度控制；

13)刀具中心点控制(TCP)。

图2　ADXI4软件技术模块图

2　ADXI4 CNC软件二次开发

爱迪纳控制技术有限公司为全软型数控系统二次开发提供了ADXI4 CNC软件开发包，ADXI4开发包拥有：应用软件接口模块库(SWAPI/MAPI)，SWAPI/MAPI源代码等。在开发软件系统、培训技术人员和测试软件时，可以选择模拟引擎运行直接在个人PC上进行操作或训练。

ADXI4 CNC方便、简化了系统的二次开发，如使用VB6.0和VB.net编程工具可开发出满足自己工作需要的全软型数控系统及相关应用程序。

通过使用爱迪纳公司提供的ADXI4 CNC软件开发包，在VB6.0环境中对原有的数据系统进行了二次开发，获得了符合要求的操作界面。图3为未进行二次开发时的ADXI4 CNC软件系统主界面，其为五轴联动数控系统，通过修改软件代码，减少一轴，软件就成为四轴联动数控系统；同理，可通过更改软件代码可使软件成为三轴联动数控系统。图4为开发后的四轴联动数控系统主界面。本文主要研究开发关于四轴联动控制系统，保证系统满足用户的特殊需求并可以正常运行。

图3　ADXI4 CNC主界面图

图4　四轴主界面图

3　四轴联动数控系统调试

四轴数控系统在实验台工控机上运行之前，需要在VB6.0中把它的引擎由Simulation Engines改为RealTime Engines。在S100M-PubFunctions模块中为DriverType赋值：

DriverType=0

使DriverType的值由默认的1变为0，即可为软件系统更换引擎，并在VB6.0软件中生成sizhousukong.exe文件。

在软件导入工控机后，我们打开软件，选择MDI模式，输入如下一段简单的NC程序:

G90G01F2000

X10000Y10000Z10000A10000

M99

单击运行后，软件界面如图5所示。

图5　四轴数控调试界面图

4　结束语

本文所研究的在ADXI4 CNC开发包的基础上，进行二次开发得到的四轴联动数控系统，利用了开放式数控系统便于进行二次开发来满足用户各种特殊需要的优点，并在实验平台上实现了四轴机床的基本功能，为ADXI4 CNC在实际四轴机床上的应用奠定了一定的理论基础，具有一定使用与推广价值。与传统的数控系统相比，ADXI4 CNC实现了控制器的PC化和控制方案的软件化，具有较好的发展前景。

[1] L Zhou,J L Yuan,P Gao,et al.A new architecture of open CNC system based on compiling mode[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014,73(9-12):1597-1603.

[2] 王程鹏.开放式数控系统的现状与发展趋势[J].科技传播,2013(3):190-191.

[3] 谢劲松,梁宏斌.五轴数控铣床软PLC控制系统的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2014(3):82-85.

[4] 陈菡菡.基于ServoWorks全软件数控系统及其在雕铣机上的应用研究[D].厦门：厦门大学,2008.

[5] 马春敏,康存锋,黄旭东,等.软数控技术的发展与产品制造信息化[J].制造技术与机床,2011(9):33-38.

[6] 刘艳强,王健,单春荣.基于EtherCAT的多轴运动控制器研究[J].制造技术与机床,2008(6):100-103.

[7] 白晓灿,陈永明.纯软件开放式数控系统在桥切机数控化改造中的运用[J].机电工程技术,2010,39(6):113-114,164.

[8] 李寅.纯软件开放式数控系统的研究及其在加工中心上的应用[D].厦门：厦门大学,2009.

[9] 章明众,李寅,陈华,等.开放式数控系统宏程序替代功能的开发与应用[J].机床与液压，2011,39(4):43-44.

[10]Soft Servo System，Inc.ServoWorks API(API)Reference Manual[Z].2013.

(编辑李秀敏)

Research and Development on the Opened all Soft Type CNC System Based on ADXI4

BI Jun-xi,XUE Zhi-an

(Institute of Mechanical Engineering,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot 010051,China)

ADXI4 CNC is a solution of open CNC system software based on PC,which all the functions are accomplished by software. After the adoption of the ADXI4 system hardware and software architecture analysis,based on ADXI4 Amoy Dynamics company provides software development kit for secondary development on VB6.0, we developed a four axis linkage numerical control system,and the software was debugged in the experiment platform and achieved the expected goals.

ADXI4 CNC;all soft type open CNC system;secondary development

1001-2265(2016)07-0102-03DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.029

2015-09-17；

2015-10-21

内蒙古自然科学基金项目(2016MS0539)

毕俊喜(1974—)，男，呼和浩特人，内蒙古工业大学副教授，博士，研究方向为数控技术；通讯作者：薛志安(1989—)，男，呼和浩特人，内蒙古工业大学硕士研究生，研究方向为数控技术，(E-mail)974448960@qq.com。

TH166;TG165

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