1 研究背景

　　在當(dāng)前的中國制造業(yè)中，隨著對產(chǎn)品精度和生產(chǎn)效率要 求的不斷提升，傳統(tǒng)的離線檢測方式已逐漸無法滿足現(xiàn)代制 造業(yè)的需求。華中數(shù)控系統(tǒng)作為國內(nèi)重要的數(shù)控系統(tǒng)之一 ， 其二次開發(fā)與在機(jī)測量技術(shù)的研究顯得尤為重要。隨著科技 的發(fā)展，制造業(yè)對零件的精度和效率要求越來越高。傳統(tǒng)的 三坐標(biāo)測量機(jī)雖然精度高，但在大型零件的測量中存在二次 裝夾和重定位困難的問題，這不僅耗時(shí)而且可能導(dǎo)致測量誤 差。而在機(jī)測量技術(shù)以其低成本、加工過程中可檢測、無需 搬運(yùn)與反復(fù)裝夾等優(yōu)勢，為復(fù)雜曲面零件的精密制造提供了 新的技術(shù)手段。這種技術(shù)允許在加工過程中直接進(jìn)行測量， 減少了物流和時(shí)間成本，同時(shí)避免了因二次裝夾導(dǎo)致的誤 差。盡管在機(jī)測量技術(shù)具有明顯優(yōu)勢，但在實(shí)際操作過程中 仍存在技術(shù)難題。接觸式在機(jī)測量雖然精度較高，但其單點(diǎn) 碰觸采集模式限制了檢測效率，無法滿足全尺寸批量化檢測 需求。非接觸式傳感器的位姿標(biāo)定精度直接影響測量精度， 且受投射方向和測量景深等因素影響，這些問題亟需解決。

　　為了應(yīng)對高檔數(shù)控系統(tǒng)主要依賴于進(jìn)口且二次開發(fā)難 的現(xiàn)狀，對國產(chǎn)華中8型數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)技術(shù)進(jìn)行了深入 研究。通過分析華中8型數(shù)控系統(tǒng)軟件基本結(jié)構(gòu)，并與西門 子840DSL數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行對比，詳細(xì)闡述了基于華中8型數(shù) 控系統(tǒng)的二次開發(fā)軟件實(shí)現(xiàn)，為國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提 供了技術(shù)路線。未來的在機(jī)測量技術(shù)將更加注重通用性、集 成性、智能性和高速高精度性?？刂葡到y(tǒng)和測量軟件將實(shí)現(xiàn) 高度集成，各種傳感器將集成到測量系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)智能化測 量，并提高數(shù)據(jù)采集速度和精度。這些研究對于提升國內(nèi)制 造業(yè)的競爭力和實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0具有重要意義。

       2 華中數(shù)控系統(tǒng)概述

　　在2012年的CCMT展會上，武漢華中數(shù)控股份有限公司 推出了其最新的高端數(shù)控系統(tǒng)——華中8型。這款新一代的數(shù) 控系統(tǒng)相較于以往的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的重大突破。它采 用了全數(shù)字現(xiàn)場總線技術(shù)，完成了從模擬和脈沖接口到總線 控制的轉(zhuǎn)變，并提升了系統(tǒng)的高速和精確度。此外，華中8 型數(shù)控系統(tǒng)還建立了一個(gè)新型的開放式二次開發(fā)平臺，為用 戶帶來了更多樣化和深入的開發(fā)選項(xiàng)，是國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)先進(jìn) 技術(shù)的代表之一，如圖1所示。

圖 1 華中 8 型數(shù)控系統(tǒng)

　　2.1系統(tǒng)架構(gòu)

　　華中數(shù)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩大核心構(gòu)成。在硬件方 面，它包括了控制器、輸入輸出接口以及伺服驅(qū)動系統(tǒng)等關(guān) 鍵組件。軟件方面，則涵蓋了操作系統(tǒng)、數(shù)控程序和用戶接 口等要素。這種靈活的架構(gòu)設(shè)計(jì)允許開發(fā)者輕松地進(jìn)行功能 上的擴(kuò)展和增強(qiáng)。

　　具體到華中8型數(shù)控系統(tǒng)的軟件部分， 它由三個(gè)主要層次構(gòu)成：人機(jī)交互界面(HMI)、應(yīng)用層數(shù)據(jù)接口 (NCAPI)和底層數(shù)據(jù)接口(NCU)。HMI層提供了一個(gè)可 視化的界面，允許用戶通過圖形用戶界面(GUI)與系統(tǒng)進(jìn) 行交互和控制。NCAPI層則是一個(gè)函數(shù)開發(fā)接口層，它允許 用戶通過調(diào)用特定的函數(shù)接口來訪問和操作系統(tǒng)的參數(shù)和內(nèi) 部變量，例如宏變量、寄存器、刀具和參數(shù)等。而NCU層則 是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，它包含了所有用于支持二次開發(fā)的 底層數(shù)據(jù)，如圖2所示。

　　2.2 二次開發(fā)環(huán)境

　　華中數(shù)控系統(tǒng)具備對多種編程語言的支持能力，包括 QT、C++和Python等，這為開發(fā)者提供了廣泛的選擇來滿 足不同的開發(fā)需求。通過利用系統(tǒng)提供的API接口，開發(fā)者 可以輕松地進(jìn)行功能擴(kuò)展和二次開發(fā)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的功 能和性能。在數(shù)控系統(tǒng)領(lǐng)域，西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)因其 廣泛的應(yīng)用而聞名，它支持多種開發(fā)形式。例如，用戶可 以通過Easy Screen來擴(kuò)展用戶接口，利用WinCC Flexible (西門子的組態(tài)軟件)進(jìn)行系統(tǒng)配置，或者使用Operate Programming Package開發(fā)包來進(jìn)行更深層次的開發(fā)工 作。這些工具和接口為用戶提供了強(qiáng)大的靈活性，以適應(yīng)各 種復(fù)雜的工業(yè)自動化需求。Easy Screen在編寫代碼時(shí)需要 設(shè)置較多的參數(shù)，這導(dǎo)致其開發(fā)效率相對較低，因此它更適 合用于創(chuàng)建一些簡單的用戶界面。至于WinCC Flexible，用 戶需要額外購買這款軟件，這在一定程度上限制了其功能擴(kuò)展的可能性。而Operate Programming Package開發(fā)包同樣需 要購買，用戶需要通過高級編程語言來實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)工作。 這些因素都影響了這些開發(fā)工具的普及度和使用便捷性。

　　華中8型數(shù)控系統(tǒng)提供了與西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng) 相似的開發(fā)方式，但具有更好的擴(kuò)展性和與原有數(shù)控系 統(tǒng)界面的融合性。它不僅提供了類似于西門子Operate Programming Package開發(fā)包的單機(jī)版二次開發(fā)能力，還 提供了更為靈活、能夠與其他平臺功能緊密結(jié)合的多連接版 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包采用了“上位機(jī)-適配器-下位 機(jī)”的三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支持網(wǎng)絡(luò)的靈活擴(kuò)展，使得數(shù)控加工中 多任務(wù)并行處理的控制流程變得更加容易實(shí)現(xiàn)，并且便于為 云數(shù)控等平臺提供服務(wù)，符合智能化數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

　　多連接版網(wǎng)絡(luò)開發(fā)包提供了一系列的接口，以支持不同 數(shù)據(jù)類型的交互和管理。這些接口包括：

　　基本數(shù)據(jù)接口：這個(gè)接口用于訪問數(shù)控系統(tǒng)中的寄存 器、變量和參數(shù)等常用數(shù)據(jù)。

　　采樣數(shù)據(jù)接口：它允許用戶在加工過程中實(shí)時(shí)獲取機(jī)床 各軸的特性數(shù)據(jù)，以監(jiān)控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)。

　　報(bào)警數(shù)據(jù)接口：通過這個(gè)接口，用戶可以監(jiān)視設(shè)備的運(yùn) 行狀態(tài)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理任何異常。

　　事件數(shù)據(jù)接口：這個(gè)接口用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，增強(qiáng) 用戶體驗(yàn)。

　　G代碼程序管理接口：它允許對數(shù)控系統(tǒng)的G代碼程序進(jìn) 行管理，包括獲取當(dāng)前運(yùn)行的程序名稱和加載新的G代碼等。

　　在與數(shù)控系統(tǒng)建立通信連接后，上位機(jī)(即用戶界面 或控制軟件)會根據(jù)需要采集的數(shù)據(jù)類型，調(diào)用相應(yīng)的二次 開發(fā)接口。然后，上位機(jī)會向下位機(jī)(即數(shù)控系統(tǒng)的硬件部 分)發(fā)送數(shù)據(jù)通信指令。下位機(jī)在接收到這些指令后，會處 理請求并返回所需的數(shù)據(jù)值。這樣的設(shè)計(jì)使得數(shù)據(jù)的采集和 處理更加高效和靈活。

　　3 設(shè)計(jì)方案

　　基于華中8型數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)完整的上下位機(jī)軟 件架構(gòu)方案，涵蓋了上位機(jī)和下位機(jī)的軟件功能以及它們之 間的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)。在這個(gè)架構(gòu)中：

　　上位機(jī)軟件功能：上位機(jī)軟件利用華中8型提供的網(wǎng)絡(luò) 開發(fā)包，在Windows操作系統(tǒng)上開發(fā)可獨(dú)立運(yùn)行的應(yīng)用程 序。該軟件包含多個(gè)功能模塊，主要包括系統(tǒng)菜單和核心功能菜單模塊，以實(shí)現(xiàn)用戶界面的交互和管理。

　　下位機(jī)軟件功能： 下位機(jī)則以華中8型數(shù)控系統(tǒng)為核 心，通過華中適配器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇椋?fù)責(zé)執(zhí)行具體的 數(shù)控任務(wù)，并向上傳回上位機(jī)請求的參數(shù)信息。

　　數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)：上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)通訊設(shè)計(jì)確保了 信息的流暢傳遞，上位機(jī)軟件可以根據(jù)需要向下位機(jī)發(fā)送指 令，下位機(jī)則將執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)信息反饋給上位機(jī)，形成一 個(gè)閉環(huán)的控制和反饋系統(tǒng)。

　　這樣的設(shè)計(jì)方案使得整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)既能夠?qū)崿F(xiàn)高效的數(shù) 據(jù)處理，又能夠提供用戶友好的操作界面，滿足現(xiàn)代數(shù)控系 統(tǒng)對于高性能和易用性的需求。其軟件功能層次結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

　　Qt是一個(gè)專用于開發(fā)簡易 GUI 應(yīng)用程序的工具套件。 Qt 的核心是一個(gè) C++ 類庫，它將 Windows 和 Linux 專用的 API 壓縮在一起，替換為平臺通用的接口，如圖4所示。

　　4 綜合應(yīng)用

　　4.1技術(shù)研究

　　分別制作刀具測量和工件測量兩個(gè)界面。接下來將分別 介紹各自功能實(shí)現(xiàn)。

　　刀具測量界面，可自定義測量的不同方向，通過選擇會 以圖片的形式展示所選的測量方向。界面會讀取系統(tǒng)當(dāng)前的 測量刀具號和刀具刀沿號以展示。用戶仍需自行選擇補(bǔ)償更新方式，以下拉框的形式展示。加入了單獨(dú)的區(qū)域展示刀具 當(dāng)前的數(shù)據(jù)信息，不可編輯。通過點(diǎn)擊按鈕用戶可以切換測 量或者標(biāo)定模式。加入對刀儀伸出和對刀儀縮回按鈕，并有 指示燈實(shí)時(shí)顯示閥的工作狀態(tài)。用戶設(shè)置好參數(shù)后點(diǎn)擊RUN 按鈕就能自動標(biāo)定或測量。

　　工件測量界面，也分為標(biāo)定和測量兩部分。其中測頭刀 具號界面自行讀取，零偏可更改，工件類型、測量方法、標(biāo) 定類型和測量類型可用下拉框選擇。不同的是工件直徑和工 件表面坐標(biāo)Z需要自己填寫。通過不同的選擇，會鏈接到對 應(yīng)的圖片，直觀的展示測量標(biāo)定的狀態(tài)。用戶僅需點(diǎn)擊RUN 按鈕就能自行運(yùn)行宏程序，以完成測量標(biāo)定。

　　4.2界面調(diào)試

　　界面部分調(diào)試是在虛擬機(jī)windows環(huán)境QT下進(jìn)行的， 進(jìn)入華中數(shù)控系統(tǒng)二次開發(fā)包hncapp/app文件夾下，點(diǎn)擊 qthnc.pro文件進(jìn)入QT Creator項(xiàng)目界面。右鍵點(diǎn)擊qtmain. pro添加新文件→Qt→Qt設(shè)計(jì)師界面類→choose→widget→ 下一步，設(shè)置類名WgUserWidget。mainwidget.cpp 中加入(#include“wguserwidget. h”和GENERATE_ WIDGET("WgUserWidget", WgUserWidget);) 。 wguserwidget. h中加入#include “containerwidget. h”，更改public Widget為public ContainerWidget。 wg user widget . cpp中更改Widget(parent)為 ContainerWidget(parent)。再編輯wguserwidget.ui界 面， /hncapp/bin文件夾下dispcfg.xml和menucfg_t.xml 配置文件也需更改。

　　4.2.1刀具測量界面

　　經(jīng)過前期在461客戶現(xiàn)場的需求調(diào)研，發(fā)現(xiàn)461現(xiàn)場的 需求與車床在機(jī)測量技術(shù)的通用應(yīng)用相符合(圖5、6)。

　　5 結(jié)束語

　　在對華中數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)進(jìn)行研究和實(shí)際操作之 后，我們成功地實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的目標(biāo)，并且取得了一些的成 果。華中數(shù)控8型和9型系統(tǒng)都支持基于QT界面的開發(fā)，這使 得機(jī)床制造商能夠根據(jù)用戶的具體需求，有針對性地開發(fā)出 各種功能。通過這種方式，我們優(yōu)化了用戶方人員的需求， 推動了整個(gè)行業(yè)向高端定制化方向發(fā)展。此外，QT界面開 發(fā)不僅能在windows操作系統(tǒng)上進(jìn)行編輯和打包，還能在 ubuntu系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)同樣的功能，這大大提高了開發(fā)的靈活 性和兼容性。拖拽式的設(shè)計(jì)理念進(jìn)一步幫助開發(fā)人員節(jié)省了 時(shí)間和成本，使得開發(fā)過程更加高效。

　　在數(shù)據(jù)提取方面，華中數(shù)控系統(tǒng)提供了豐富的接口函 數(shù)，使得開發(fā)人員可以方便地獲取所需的數(shù)據(jù)，訪問宏變量 和寄存器。這些功能的實(shí)現(xiàn)為提高機(jī)床的性能和智能化水 平提供了有力的支持。展望未來，我們將持續(xù)致力于技術(shù)的 優(yōu)化和升級工作，以滿足工業(yè)領(lǐng)域不斷變化和升級的需求， 推動我國數(shù)控技術(shù)向更高層次、更廣闊的領(lǐng)域發(fā)展。我們堅(jiān) 信，通過不懈的努力和持續(xù)的創(chuàng)新，華中數(shù)控系統(tǒng)必將在智 能制造和工業(yè)4.0的浪潮中發(fā)揮更加重要的作用，為我國制 造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。