开放式数控系统软件平台实现技术的研究

论文摘要

随着微电子技术的迅猛发展，数控系统的硬件日趋标准化、模块化、硬件可靠性越来越有保障，相对来说软件质量越来越受到重视，而开放式数控系统软件平台的设计已经成为开发数控系统的关键部分。开放式数控系统软件平台由PLC软件平台和人机界面编辑软件平台组成。编译器是“PLC集成开发平台”中最重要的部分，通过编译器的“翻译”用户程序才能变成PLC硬件能理解的内容，本文利用梯形图—指令表算法将形象化的梯形图语言自动转化为指令表。在进行人机界面软件平台基本图元的绘制时，要用到很多基本图元的实现算法，其中Bresenham直线算法和Bresenham圆弧算法最为典型。本文首先阐述了数控系统的一些基本概念，指出了本文研究的背景、研究的内容和意义。然后结合亿图数控系统的基本特点以及开放式数控系统软件平台自身的特点和实际要求，阐述了课题研究的相关基础，分析了开放式数控系统软件平台应具有的功能和设计原则。接着介绍了实现该平台所使用的开发工具。在软件平台实现论述部分，本文首先对PLC软件集成开发平台进行了模块化方法设计，把PLC软件集成环境分解成项目管理模块、编辑模块、编译模块、模拟仿真模块等，同时，设计出PLC软件开发平台各模块间的数据流向，处理好模块之间的消息传递和驱动。PLC软件平台进行模块化之后，具体实现了各个模块的功能。编辑器选用了形象、直观的梯形图语言作为编程语言，采用面向对象的建模方法，建立PLC系统类层次结构和元件库模型对象，以图形输入方式来编制梯形图程序。编译器以树结构为中介将梯形图和PLC指令联系起来，实现了从梯形图到PLC指令的转换。转换以梯级为单位，采用“正向深度优先扫描算法”来构造逻辑树结构，然后对树结构进行遍历，得到相应的PLC指令集。接着建立了人机界面编辑平台框架结构以及三大对象模型，并分析了这三大对象模型之间的关系。依据模型详细阐述了人机界面编辑平台各功能实现的具体方法，主要包括了软件界面设计的阐述，以及如何实现图元的创建、拾取、编辑、修改属性等功能。还实现了工程画面有效管理的技术。同时讲述了工程文件的数据格式和实现存储和载入的方法。分析了数控器显示画面的数据结构，并根据此数据结构的特点设计了工程画面数据编译方案，说明了在编译过程中几个问题的处理方法。通过对PLC工作原理的分析和研究，仿真器实现了PLC指令解释器的实现算法的仿真，模拟了PLC运行过程，从而实现了系统的离线仿真，同时，以数控折弯机为例做实例分析，讲解了界面编辑系统在具体运用中的效果。总之，开放式数控系统软件平台开发了PLC梯形图的编辑环境，实现了梯形图到PLC指令代码的转换，并设计了仿真部分，弥补了原有同类型软件的不足，同时在综合考虑到数控这个领域的特点以及不同用户的个别和共同的需求以后，开发出了数控系统对话界面上需要的各种“零件”，在用户使用时就可以像“搭积木”一样把这些“零件”组合成各种图形界面就可以了。论文主要创新点：(1)开放式数控系统软件平台具有集成矢量绘图功能；(2)利用树结构设计了梯形图语言与语句表语言的互换算法，根据此算法设计了梯形图编译器，可将形象化的梯形图语言自动转化为指令表。在编译的过程中，该平台能对梯形图进行语法检查，给出错误信息，符合规范的梯形图就能转换成相应的指令集；(3)设计了PLC模拟仿真数控操作界面，实现了PLC指令解释器的仿真，提供模拟PLC输入输出的工具，模拟PLC运行过程，实现了系统的离线仿真，可以对用户PLC程序的逻辑错误进行检查、修改。(4)数控操作界面具有多语言支持功能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 概述
• 1.1 数控系统发展的历史
• 1.2 开放式系统与开放式数控系统
• 1.3 开放式数控系统的现状
• 1.3.1 国外开放式数控系统状况
• 1.3.2 我国数控发展简况
• 1.4 开放式数控系统的组成结构
• 1.5 课题来源
• 1.6 主要研究内容
• 1.7 本章总结
• 第2章 开放式数控系统软件平台理论基础
• 2.1 开放式数控系统中的PLC软件平台
• 2.1.1 数控系统中的可编程控制器
• 2.1.2 IEC61131-3国际标准
• 2.1.3 梯形图—指令表转化算法
• 2.2 开放式数控系统中的界面编辑软件平台
• 2.2.1 数控系统人机交互界面分类
• 2.2.2 数控系统常用的显示界面及其比较
• 2.2.3 数控人机界面的基本特点
• 2.2.4 矢量图元算法
• 2.3 本章小结
• 第3章 开放式数控系统 PLC软件平台设计
• 3.1 开放式数控系统 PLC软件平台整体设计
• 3.2 编辑器的设计
• 3.2.1 编辑器的设计原则
• 3.2.2 系统类层次结构
• 3.2.3 元件库对象的设计
• 3.2.4 元件基类设计
• 3.2.5 各元件类的设计
• 3.2.6 编辑器的具体实现
• 3.3 编译模块的开发
• 3.3.1 语法检查
• 3.3.2 编译结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 开放式数控系统界面编辑软件平台的设计
• 4.1 软件平台功能分析
• 4.2 界面编辑软件平台的框架设计
• 4.3 图形编辑系统的对象模型的设计
• 4.3.1 图元库对象的设计
• 4.3.2 图元操作工具对象的设计
• 4.3.3 图元操作命令对象的设计
• 4.3.4 三大对象模型的综合建模
• 4.4 界面编辑软件平台主要功能的实现
• 4.4.1 图元的创建
• 4.4.2 图元的拾取
• 4.4.3 图元的几何变换
• 4.4.4 图元的删除、复制、剪切、粘贴
• 4.4.5 编辑操作的撤销、恢复
• 4.4.6 实现修改图元属性方法
• 4.4.7 工程画面的管理
• 4.4.8 工程文件存储、载入的实现
• 4.5 编译模块的设计
• 4.5.1 数控器显示画面数据结构
• 4.5.2 编译方案设计
• 4.6 本章小结
• 第5章 开放式数控系统软件平台的仿真与应用
• 5.1 开放式数控系统软件平台
• 5.2 PLC软件平台的仿真实现
• 5.2.1 PLC工作原理
• 5.2.2 PLC指令解释器的实现算法
• 5.2.3 仿真程序的具体实现
• 5.2.4 仿真结果
• 5.3 界面编辑软件平台应用实例分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 论文主要创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录一 作者攻读博士期间发表的论文
• 附录二 作者攻读博士期间完成及参与的科研项目