基于大連光洋GNC60 系列數控系統的刀具磨削設計軟件協同部署*

劉慶宏 董大鵬 劉靜文 張力剛 劉 鑫

(大連光洋科技集團有限公司，遼寧 大連 116600)

1 GNC60 系列數控系統簡介

該系列數控系統以國家“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項科(專項課題2009ZX04009-012)的成果GNC60 數控系統為基礎，針對西門子840D 等國際一流數控系統功能特點，結合高檔數控機床市場需求分析，逐步完善GNC60 數控系統功能而形成的系列產品，目前該系列包括GNC60、GNC61、GNC62 等產品。GNC60 系列數控系統重點開發五軸誤差測量與補償，針對車削、銑削、磨削加工的智能化GMDL 會話編程，以及伺服參數在線整定和各種約束條件的五軸插補、側銑加工、實時防碰撞等功能、在已經實現的IEC61131-3 梯形圖語言的基礎上，擴展結構文本、ST 語言、IL 語言等編程方式，有力地支持了我國數控機床產業的技術進步和核心競爭力提升，是產業升級和產業結構調整的關鍵環節，為推動我國數控機床產業實現跨越式發展，為國家的戰略經濟安全提供穩定、可靠、先進的高檔數控裝備筑造了堅實的基礎。

GNC 系列數控系統在進行構架之初，極具前瞻性地選擇了IntelX86/X64CPU 體系結構作為硬件，并采用通用操作系統WindowsNT 系列操作系統作為軟件基礎平臺，最大限度地保證了數控系統的通用性和開放性。

2 刀具設計軟件GTOOL 簡介

數控刀具磨削機床必須基于NC 程序進行刀具磨削加工，而由于刀具加工程序十分復雜，通常需要五軸聯動加工，用戶實際使用中不可能像傳統三軸機床一樣手動編寫程序進行刀具加工。同時，由于刀具外型通常由若干參數約束，而不是像常規的復雜零件通過表面曲面的形式描述，并且在設計過程中需要經常修改這些約束參數，所以通用型CAM 軟件的“導入模型-設置加工走刀軌跡策略-生成加工程序”的操作流程也不適合于刀具設計，加之通用CAM 軟件生成的走刀軌跡具有一般性，也不適合刀具磨削。

因此，五軸刀具磨床必須得到配套的專用刀具磨削軟件的支持，否則僅有五軸工具磨床并不能生產出合格的刀具。國際上成功的刀具磨削機床生產廠商，也都提供專用的刀具設計軟件，而且一般封閉性極強，僅可用于自家機床，不可用于其他廠家的刀具磨床。國外刀具機床供應商對國內刀具生產商提供的刀具加工機床和刀具設計軟件不僅價格偏高，而且進行了種種限制，嚴重制約了中國刀具設計生產技術的發展。綜上所述，基于刀具產業對國家工業的重要性，研發可以進行多種刀具設計的刀具磨削軟件勢在必行。但由于刀具磨削軟件技術難度大，涉及內容復雜，屬于一種特殊的CAM 軟件，具有一般CAM 軟件的大型化、綜合化等特點，軟件開發工程量大，不僅需要開發單位擁有較強的代碼設計組織能力，還需要大量的刀具加工工藝支持，以及較強的數學建模和數學模型求解能力。筆者公司看準這一市場需求，經過嚴密論證，組織人力物力開展了刀具設計軟件的開發工作。該項工作于2012年起與株洲鉆石切削刀具股份有限公司等單位合作，大連光洋科技集團有限公司作為主要參與方，主要負責刀具磨削機床的生產以及配套刀具設計軟件的開發工作。

以此為項目背景，經過多年的潛心開發，目前大連光洋科技工程集團公司的刀具磨削設計軟件——GTOOL 軟件，已經可以支持常見的刀具類型，如圓柱平頭銑刀、圓柱球頭銑刀、圓柱倒圓銑刀、圓柱倒角銑刀、錐度平頭銑刀、錐度球頭銑刀、錐度倒角銑刀、錐度倒圓銑刀、麻花鉆、直槽鉆、階梯鉆、鉸刀等類型刀具設計，并可以完成從刀具設計到仿真虛擬驗證等工作。經評估，可以滿足常用刀具設計生產要求，已經投放市場。

3 整合工作需求提出

用戶公司用戶計劃采用我公司TG3515 系列五軸刀具磨床進行不間斷連續加工生產，對此用戶提出了一系列針對連續加工生產的特殊要求:

(1)刀具設計軟件(GTOOL 軟件)不僅要能夠在刀具設計人員的電腦上運行，還必須可以運行在GNC數控系統硬件平臺上，以保證車間現場工人可以隨時方便地修改刀具設計參數或者砂輪參數，無需額外配置電腦，以提高生產效率。

(2)GNC60 系列數控系統要可以保證連續循環運行GTOOL 軟件生成的刀具加工代碼，通過自動上下料機械手的配合，實現刀具的不間斷無人值守加工。

(3)刀具不間斷加工過程中，可能出現砂輪磨損等情況，會影響刀具加工尺寸精度。需要在不間斷加工運行過程中實時修改刀具尺寸或砂輪尺寸參數進行補償，保證磨削加工的刀具尺寸精度始終在公差范圍內。該修改過程不可以打斷正常加工過程，即不許暫停或停止加工。修改的結果不可以影響當前正在加工的刀具(避免不同參數加工同一把刀，引起廢刀)，但一定要在之后下一把刀的加工過程中生效。

以上要求，直接影響用戶對機床的評估，如果無法滿足，則判定機床不合格，不予采購。而筆者公司的TG3515 系列刀具磨床，雖然配備了自動上料機械手，但之前未考慮到用戶提出的連續加工要求。因此在接到用戶的這一需求后，筆者公司相關團隊考慮的是如何在最短的時間內從軟件方面完成用戶要求。

4 整合工作具體實現

分析用戶的需求，我們充分利用了GNC 系列數控系統的硬件標準化、軟件開放化的特征，采用綜合統籌，逐個擊破的方案，最終實現了用戶的需求。

4.1 GTOOL 軟件部署

用戶需求最基本的一步是實現GTOOL 軟件在GNC60 硬件環境下部署。這一需求在GTOOL 軟件設計之初并沒有提出，因此軟件設計開發過程中并沒有充分考慮該項需求。GTOOL 系列軟件設計為可以運行于安裝MicroSoft 公司的Windows 7 及以上操作系統的PC 硬件平臺上。在此，得益于GNC 系列數控系統的硬件標準化和軟件開放化的特性，GNC60 系列數控系統采用了Intel 的X64 構架工控機硬件作為系統基礎硬件，并運行于Windows XP 系統之上。雖然WindowsXP 系統是Windows 7 系統之前的版本，但由于其均為MicroSoft 公司的NT 系列操作系統，具有一定的繼承性。通過測試，GTOOL 軟件的絕大部分模塊可以直接兼容。少量不兼容模塊，通過少量的修改后重新編譯也可以兼容運行。因此本來應該是最艱難的第一步，刀具設計軟件的跨平臺部署工作僅數小時即可完成。

部署完成后，在GNC60 系列數控系統的硬件平臺之上，軟件部分的構架如圖1 所示，GRTK 部分(gona real time kernel)為數控系統實時內核，其上運行著GNC 系列數控系統的實時任務，如運動控制、PLC 控制等;Window 環境下(非實時)運行著GNC 數控系統的非實時部分，如HMI 等，同時運行著GTOOL 軟件。

4.2 刀具連續加工功能

GTOOL 軟件的成功部署，保證了可以實現在線修改刀具參數并生成NC 程序，接下來需要解決用戶提出的連續刀具加工問題。目前GTOOL 軟件生成的NC程序，對應一把刀具的全部加工過程。因此，該項需求實際上是要求CNC 對某個NC 程序實現多次反復調用。在GNC 系列數控系統的框架下，這個需求可以通過若干方案解決，例如，可以通過在GTOOL 軟件生成的NC 程序中加入循環指令的方式，也可以通過PLC程序實現同一個NC 程序的反復調用，或者通過另寫1個主程序調用子程序的方式實現重復調用。這里，GNC60 系列數控系統為機床使用者提供了充分的選擇余地，因此可以充分考慮其他方面的限制，做出選擇。

4.3 程序更新生效

考慮到用戶的進一步要求，需要在線修改刀具參數保證刀具精度，這一需求在GTOOL 軟件成功部署在GNC60 平臺下之后，變成了“對于GTOOL 軟件生成的NC 程序，每次CNC 重新執行之前進行更新讀取”的工作。對于不打斷加工運行流程的前提下重新讀取這一需求，綜合考慮連續加工的可能方案，最終選擇了主程序/子程序調用的方案，子程序為GTOOL 生成的刀具加工程序，由主程序負責循環調用子程序。因為GNC60 系列數控系統可以保證每次調用子程序，都會重新讀取子程序，所以這個方案是需要額外工作最少就能實現連續加工、及時更新的方案。其他方案，如NC 程序中直接加入循環指令，或者PLC 進行重復的NC 程序調用，都需要額外做更多的工作。

此處的主程序NC 代碼如下:

這里通過GNC 系列數控系統預留的宏參數(#變量)，提供給用戶輸入連續加工的刀具數目，由于GNC60 系列數控系統對于NC 程序中嵌入宏編程語法的支持較好，主程序寫完后可以不用修改，每次通過修改宏變量滿足用戶的不同控制需求。

4.4 線程互鎖保護

至此，用戶提出的需求基本已經完成。但這里還有1 個隱藏的問題需要解決。由于GNC 數控系統的NC 文件讀取模塊和GTOOL 軟件是2 個獨立的進程，都需要訪問刀具加工NC 程序(GNC 數控系統是讀取，GTOOL 設計軟件是寫入)，因此該NC 程序文件屬于多個線程共享的臨界資源，需要加以保護，否則可能出現訪問沖突，即GTOOL 軟件在更新寫入刀具加工NC程序的同時，GNC60 系列數控系統恰巧需要再次調用該子程序，進行讀入工作，或者相反，數控系統讀入尚未完成時，GTOOL 設計軟件需要寫入，都可能造成文件訪問出錯，出現軟件出錯停止加工，甚至數控系統讀入NC 程序混亂導致嚴重事故。

雖然由于GNC 系列數控系統和GTOOL 軟件都采用了一些策略減少沖突，例如數控系統方面采用了統一的快速讀入NC 程序至緩存，之后釋放對NC 程序文件所有權的方式讀入NC 程序，縮短了CNC 讀取NC程序的時間窗口;而GTOOL 軟件也采取了先將每一道工序生成的文件寫入緩存，全部工序計算完成后統一寫入NC 文件的方式，縮短了寫入NC 程序的時間窗口。但這些策略都不能從根本上解決問題，尤其是在生產車間7×24 h 連續運行的情況下。因此必須額外提供對于NC 程序的保護功能。

進程之間的資源保護，可以通過進程間的通信實現。通常Windows 環境下進程間通信有共享內存、socket、消息等方案，但考慮到穩定性和可靠性，尤其是考慮到GNC 系列數控系統部分內核運行在實時環境下，優先選擇了共享內存。同樣，得益于GNC60 系列數控系統的開放性，該系列數控系統提供了滿足IEC1131 規定的5 種語言的軟PLC 開發環境，并且具備基于PLC 的共享內存訪問功能。通過PLC 與GTOOL 軟件約定共享內存地址和含義，GTOOL 很快實現了與PLC 程序通過共享內存實現的資源互鎖保護。經過測試和實際應用證明，該功能可靠有效，避免了NC 文件訪問沖突，保證了GNC 數控系統與GTOOL刀具設計軟件長期并行運行的穩定性。

5 結語

以上功能經用戶確認滿足要求，連續加工并在線修改刀具參數證明可靠有效，并已經簽訂供貨合同。基于GNC60 系列數控系統的軟硬件環境，筆者所在團隊在大約兩天的時間內完成了用戶提出的復雜需求。利用GNC60 系列數控系統的開放性，深入挖掘其各項高級功能，在沒有改動數控系統內核的情況下，應用其NC 程序的子函數調用、預定義的共享內存等功能，迅速提供了滿足用戶需求的解決方案。不僅保證了用戶的生產效率，也充分驗證了GNC 系列數控系統的開放性優勢，更為GNC60 系列數控系統的拓展應用提供了1 個經過驗證的樣板方案。

［1］斯托林思.操作系統:精髓與設計原理［M］.北京:機械工業出版社，2010.

［2］大連光洋.GNC60 系列數控系統編程手冊［Z］.2012.