线切割数控系统 CAM 功能开发

在第三章我们完成了 Windows CE 系统的的内核定制与软件移植，本实验室开发的 CAWEP 软件实现了从图形绘制、编辑到运动仿真、代码输出等功能，并未真正意义上实现线切割机床的控制，本章我们在已有软件的基础上，进行研究与开发，完善现有软件的 CAM 模块，软硬结合实现线切割机床的控制。

4.1 线切割 CAM 功能介绍

本文在完成了现有 Windows CE 的开发环境搭建与现有软件的移植，现有软件完成了 CAD/CAM 功能，要想实现线切割机床的智能与自动控制，我们必须从软件与硬件两个层面分别实现 CAM 功能。CAM 功能是指利用计算机辅助完成，从生产准备到产品制造整个过程的一系列活动，利用计算机将制造过程与生产设备相联系，进行制造过程的计划、管理以及对生产设备的控制与操作的运行，其软件控制系统中需要完成数据转换的功能，硬件部分与床身运动模块结合到一起完成机床运动控制的功能[44]。

线切割机床的 CAM 功能是嵌入式数控系统最重要的一部分。从软件层面描述，其是在工程图绘制、编辑完成的基础上，进行参数设置、轨迹生成、代码输出和加工仿真四步操作，将工程图进行图元编辑、轨迹偏移，插补运算运算之后，将图元信息转化为数控代码，是软件系统实现自动编程的关键。CAM 流程如图 4-1 所示。

在第二章本文详细分析了各个硬件模块，要从硬件层面实现 CAM 功能，既要完成机床工作台、走丝系统、工作液系统、电源系统这四个硬件模块的控制，其中走丝、工作液、电源系统的相关控制，都可以交予变频器完成，剩余最重要的部分就是工作台的控制。工作台控制关键是让步进电机拖动工作台运动，完成与电极丝的相对运动，运动轨迹既是设计的外形轮廓。

对于工作台的控制，在已有 CAM 模块的基础上，添加新的功能窗口，与已有的运动控制器其相结合，在厂家提供的库与部分代码的基础上，进行二次开发，实现对运动控制器的控制，使其将软件生成的加工信息，转化成步进驱动去所需要的脉冲信号与方向信号，并将信号输出，完成步进电机的运动控制。工作台控制的实现，是软硬结合的开发过程，是机床实现运动控制的关键，嵌入式端运动控制功能的实现过程，本章第三节将详细介绍运动控制实现的过程。

4.2 Windows CE 电火花嵌入式数控系统功能分析

所谓的嵌入式数控系统，其实质是将通用数控系统的功能，以嵌入式的方式实现，其应具备可实现从产品设计到生产转化一体的功能，系统本身又要满足嵌入式可定制的特点。而功能实现的关键是在硬件满足要求的前提下，将两者的优势相结合，作为开发者，我们需要从基础层面去分析与掌握两者的异同点。

数控系统是专用的计算机数字控制系统的简称，它是采用计算机实现数字程序控制的技术，这种技术是利用计算机的执行运算能力，将控制程序转化为运动件的运动轨迹，和对外设的操作时序逻辑控制功能。操作指令的存贮、运算、逻辑判断等各种控制机能均由计算机芯片与搭载的软件完成，配置对应接口电路，将生成的指令传送给执行元件带动设备运行，从而实现数控设备动作的控制[45]。嵌入式系统装置由嵌入式芯片（计算机系统）和外接控制接口组成，芯片运行的控制系统是整个嵌入式系统的核心，外接接口连接被控对象，使得被控对象可以接受芯片发出的控制指令，完成相应的的运动操作或规定任务。嵌入式数控系统结构框架如图 4-2

所示。

由以上可知，电火花线切割嵌入式数控系统，要将整个电火花加工过程模，拟到软件系统中，从图形绘制、编辑，电加工参数设置仿真，最后输出可直接用于加工指令，并将指令通过外接电路传输到硬件驱动设备上，完成加工运动，实现生产过程的智能化与自动化。本文使用移植的软件系统，实现了软件层面的大部分功能，要想使得嵌入式数控功能的运动控制功能的实现，其核心将软件层面的代码信息转化成相应的电信号，并能驱动电机运动，完成轨迹控制。

本文使用实验室自行开发与移植的 Windows CE 嵌入式端的电火花线切割作为主控软件，可以贴合实际控制要求，完成软件端的全部设计开发。本章实现线切割机床工作台的运动控制的嵌入式控制功能，从线切割实际加工需要出发，综合考虑软硬件的优缺点，实现良好的控制效果。

4.3 线切割 CAM 功能研发与实现

针对工业应用系统的软件设计，最重要的因素是运行稳定与运行效率高，MFC

契合工控系统的要求，基于 Windows CE 操作系统 CAWEP 软件的后续开发，本文是在 Visual Studio 2005 中搭建 Windows CE 的开发环境，在原软件移植的基础上，使用 MFC 基础类库，用 C/C++进行编写与开发应用程序框架，完成线切割系统的

CAM 功能模块。

4.3.1 机床运动控制分类分析

随着电子系统的功能愈发强大、完备，软硬件协同开发设计技术，越来越受到人们的重视，逐渐常态化，其在系统目标要求的指导下，综合分析系统软硬件功能及现有资源，充分发挥两者的优点，使其达到最佳的状态。要想设计工作台的运动控制系统，必须了解清楚机床工作台需要完成哪些运动，以及这些运动控制的实质。

笔者将线切割床身的运动大致归纳为以下种类：

1）回零与限位，回零与限位运动都是工作台的保护、定位运动，可以通过设置机械原点与限位开关的方式，完成这两种运动，一般机床床身都有这两种装置，要实现该种运动的控制，就需将原点与限位信号给到软件主控系统。

2）机床工作台运动可分为定长、定点、定速等运动模式，实现方式有点动方式与连续运动的方式，这些运动模式一般用于机床的测试，其实质是对步进电机控制的测试，要完成这些运动的控制，驱动层需要有良好的驱动代码储备。

3）机床工作台启停、加减速及切割运动，这三类运动是线切割机床运动控制的重难点，加工过程中，机床工作台启停，加减速与电极丝相对运动的切割运动，这些因素直接决定加工的质量。这些运动的完成，既是控制步进电机的启停、换向、加减速以及插补运动。

4.3.2 线切割软件 CAM 功能实现

在 VS2005 中使用 PB6.0 插件搭建好 Windows CE 的开发环境后，新建一个名为

CAWEP 的新项目，选 VC++智能设备中的中的 MFC 智能设备应用程序后，会弹出程序向导，在选择程序运行库函数平台 SDK 与程序类型后，在解决方案管理器中可以看到 CAWEP 项目，将现有的头文件，源文件，资源文件都复制到新建 CAWEP

项目中，修改部分 Windows CE 不兼容的函数后，之后可在 VS2005 中生成移植的软件，在菜单栏生成项目，即可生成文件。

生成结果成功后，可在 release 文件夹下，找到可执行的 CAWEP.EXE 文件，可将 CAWEP.EXE 文件烧写到运行 Windows CE 的开发板中运行。本文在搭建开发环境是安装了 CE 模拟器，只需将生成 CAWEP.EXE 文件部署到模拟器中，部署完毕之后，在菜单栏调试选项中，完成调试成功执行，就可以得到软件运行的实况模拟，在软件开发过程中时，使用模拟器模拟软件在硬件中的运行，是最好的调试与优化软件的方式，软件运行如图 4-3 所示。

在移植完成之后，对 CAM 功能进行开发之前，需要对 CAWEP 程序结构深入了解，并结合 VS2005 集成开发功能进行软件 CAM 功能的研发。熟练学习掌握

VS2005 的使用方法，以及良好的 C/C++语言知识，可帮助加快开发的进度。在资源视图中的 CAWEP.rc 文件夹下归类整理了 CAWEP 的各类资源：Dialog 文件夹其中包含了已有所有的对话框，可以查看各类定义与修改按钮功能，我们新添加的控制模块对话框，也在该文件夹下建立，可通过对应的对话框按钮，在源文件中找到相应的对话框定义，编辑开发代码；Menu 文件夹下是软件的主界面设计，及相关的预留接口，在软件主界面的预留接口下，嵌入所设计开发的模块，并完成定义，即可添加功能。图 4-4 为软件系统开发主界面。

在 VS2005 下的 Win CE6.0 开发环境中，添加新的 CAM 功能的流程是：先在

Menu 主界面下，找到对应接口并为接口命名，新建接口后完成相关的设置与定义，会生成新的类库与 MFC 框架，统一命名新生成函数的 IDD，在后续开发中，方便修改源码，更新与调试软件功能。在 Dialog 文件夹下可找到在新建的 MFC 框架，此时通过工具箱工具，设计想要的控制界面，双击控制组件可在源文件夹与头文件夹下生成对应的程序源码框，我们只需在源文件与头文件中针对不同的功能按钮进行开发即可。

上一节我们分析了机床运动类型控制的需求，对于回零与限位的控制，机床床身一般有限位开关与零点定位的传感器，只需将接入对应的硬件接口，即可完成对应的控制。定长、定点、定速等运动模式，都是控制机床 X 轴与 Y 轴以不同的方式运动距离，属于运动控制的检验与调试阶段，完成这些运动功能，是实现连续自动运动控制的首要一步，我们将测试功能作为一个独立界面，加到原有软件中，实现该部分的功能，称之为运动测试。

在主界面的 Menu 选项中，我们新建了一个名为打开连接的名为打开连接连接的按钮，并将生成的源文件命名为 MyOpenNet.cpp，建立了对应的 MFC 框架，新建 MFC 框架中每个按钮都在 MyOpenNet.cpp 中有定义，完成对应的功能开发即可。

针对测试功能界面，设计了如图 4-5 所示的控制界面，可在图示的输入窗口输入相关参数，完成运动功能的检测，本窗口界面实现了运动控制器连接，X-Y 运动检测及直线与圆弧插补运动检测的功能。

完成界面设计后，即可在对应源码文件下进行开发，将运动控制器支持的库文件，加载到 CAWEP 开发环境中中，即可使用库中所提供的 API 进行对应功能的开发。在加载库的过程中，路径的配置对应用程序软件的生成有一定的影响，在完成配置之后，即可开始对应功能的代码开发。指定两轴作相对位置圆弧插补函数

C45CE_rel_arc_move(u16 *axis,long*rel_pos,long *rel_cen, u16 arc_dir);，编写入口参数即可完成指定两轴的圆弧插补，功能实现源码如下图 4-6 所示。

运动控制器的函数库提供了常见运动功能的函数调用命令，我们选择调用 X-Y

轴的运动控制函数，直线圆弧插补函数，源码编译完成之后，点击生成按钮，即可生成可执行的 EXE 文件。在生成过程中，如果运动控制器的函数库是通过路径调用，最后执行的时候，要将 EXE 文件与函数库的 DLL 文件放在一个文件夹下，如果是将库文件加载到源文件中，生成的 EXE 文件即可执行，将生成的可执行文件加载到运行 Windows CE 系统的开发板中的实况如图 4-7 所示。

在完成运动检测模块的开发，对其进行验证之后，我们进一步完成线切割运动控制模块的开发。与运动侧测试不同，运动控制需要连续自动的运动，而不是点控的运动，开发该模块功能，我们需要了解软件的数据储存的原理及运动原理。步进电机接收到一个命令就运动一个固定的位移，所以想从软件内部实现真正的 CAM

功能，需要在完成工程图相关处理之后，将储存工程图信息的数据，给到运动控制函数，使得每一个对应的位置数据可以得到一个对应的运动。

软件在用户绘制、编辑完工程图纸之后，完成相关的设置，工程图的信息以圆弧或者线段的形态存在，并与其位置信息一同存储在 CTypedPtrlist 类中，我们需要使用的所有数据都在该类中。m_tracklist 是定义的一个全局变量链表，用来储存当前需要调用的数据信息，我们定义函数先找到数据链表的头位置，然后使用循环判断内部数据的类型（直线或是圆弧）和数据的数量（加工轨迹的条数），将最后判断的数据类型传递给硬件调用函数，即可完成数据的连续导入，从而完成运动的连续控制。图 4-8 为数据调用实现的部分代码。

将工程图纸生成的数据信息，连续且完整的调用给运动控制函数，使得运动可以连续完成，是实现自动化控制最关键的一步。本控制软件的功能实现，在硬件功能指引下，软硬结合开发出适宜于线切割机床的运动控制功能，从软件内部完成数据传，达到了从数据生成到加工运动的一体化，真正意义上是实现了电火花线切割机床的 CAM 功能。完成 CAM 功能代码的初步编辑之后，将生成的可执行文件烧写到控制主板下，控制系统在嵌入式平台上运行如图 4-9 所示。

4.4 本章小****结

本章完成了电火花线切割机床的 CAM 功能，实现了工作台运动控制的自动化。

我们软硬结合的角度出发，分析了先要完成真正意义上线切割自动化的功能需求；分析了软件层面需要实现的功能，及运动控制类型的分类；介绍了软件开发开发工具及开发流程；最后在硬件控制的需求下，完成了软件的开发，实现了线切割机床运动测试与运动控制，基本满足了自动化控制的需求。