潘海鴻，葉文海，陳 琳，張秋杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南守 530004）

特種復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)G代碼編譯器設(shè)計*

潘海鴻，葉文海，陳 琳，張秋杰

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，南守 530004）

為解決自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)的譯碼問題，針對該復(fù)合數(shù)控系統(tǒng)在同一機(jī)床坐標(biāo)系下既要實現(xiàn)銑削功能還要能夠完成激光切割的特點，提出采用分段提取、逐行分析的方法設(shè)計一種適用于平面復(fù)合加工的G代碼編譯器。該G編譯器設(shè)計過程中除考慮處理傳統(tǒng)銑削加工指令外，還要考慮激光和專用夾具控制指令的代碼檢測和譯碼，并以數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體形式存放編譯后的加工數(shù)據(jù)。通過實際加工實驗驗證了所開發(fā)的G代碼編譯器的可行性。

特種復(fù)合加工中心；數(shù)控系統(tǒng)；G代碼編譯器

0 引言

數(shù)控技術(shù)結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)床技術(shù)與信息技術(shù)，是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。隨著科技的發(fā)展，與傳統(tǒng)封閉式數(shù)控技術(shù)相比開放式全閉環(huán)數(shù)控更符合未來發(fā)展趨勢［1］。“PC+NC（運動控制器）”型開放式數(shù)控系統(tǒng)［2-3］具有很好外部擴(kuò)展性、適應(yīng)性和靈活性，能根據(jù)用戶要求定制特種復(fù)合加工系統(tǒng)。自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心結(jié)構(gòu)上為“PC+NC”型開放式數(shù)控系統(tǒng)，即運動控制器為主體，PC作為上位機(jī)運行系統(tǒng)控制軟件處理非實時性任務(wù)［4］，如響應(yīng)用戶消息、G代碼的編譯［5］等。

數(shù)控加工代碼是指導(dǎo)數(shù)控系統(tǒng)加工的關(guān)鏈信息。目前，對數(shù)控代碼進(jìn)行處理的方式主要有兩種：解釋和編譯［6-7］。解釋需要將代碼表示成某種中間形式再加以執(zhí)行，譯碼效果有限；編譯則直接將代碼轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)上可執(zhí)行的數(shù)據(jù)流，由控制器直接讀取執(zhí)行，譯碼效果理想。在“PC+運動控制器”型開放式數(shù)控系統(tǒng)中，上位機(jī)PC負(fù)責(zé)將G代碼編譯成為可供運動控制器直接讀取的目標(biāo)程序格式，完成加工信息與非加工信息分離和有效管理。

針對自主研發(fā)的鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工數(shù)控系統(tǒng)要求在同一機(jī)床坐標(biāo)系下既要實現(xiàn)銑削功能還要完成激光切割的特點，設(shè)計一種G代碼編譯器，實現(xiàn)對加工G代碼的檢錯、譯碼及數(shù)據(jù)管理。

1 G代碼編譯器總體設(shè)計

G代碼編譯器是數(shù)控系統(tǒng)連接上（PC）下（運動控制器）位機(jī)的重要模塊［8］，該模塊主要完成對符合標(biāo)準(zhǔn)或特定格式要求的G代碼進(jìn)行編譯，然后以結(jié)構(gòu)體形式存放在上位機(jī)申請的動態(tài)數(shù)組中等待打包下發(fā)給運動控制器。所設(shè)計編譯器整體流程如圖1所示，在編譯器內(nèi)部實現(xiàn)對G代碼的詞法、語法分析和指令模態(tài)下傳，并對存在問題的程序段進(jìn)行錯誤提示。

圖1 G代碼編譯整體流程圖

2 G代碼編譯器的實現(xiàn)

自主研發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)控制對象為特種復(fù)合加工中心，該設(shè)備的結(jié)構(gòu)包括通用三軸銑削數(shù)控加工中心部分、激光軸部分和專用夾具部分。因此，G代碼編譯器設(shè)計時除了滿足常規(guī)數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)G代碼指令譯碼要求外，還需識別激光軸和專用夾具控制指令。

2.1 詞法分析程序的實現(xiàn)

數(shù)控加工代碼由字母與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)組成，對其進(jìn)行詞法分析需完成數(shù)據(jù)分離、提取和格式轉(zhuǎn)換工作。根據(jù)特種復(fù)合加工中心的結(jié)構(gòu)特點，在詞法分析程序定義的G代碼字符集中增加激光軸標(biāo)識符Q和M21、M53等激光、夾具控制指令。所設(shè)計的G代碼編譯器詞法分析步驟如下：

（1）以程序段為單位對G代碼逐行讀取，將程序段存至臨時字符串?dāng)?shù)組中。從程序段中讀取一個字符，忽略其大小寫，判斷該字符是否在定義的數(shù)控系統(tǒng)G代碼字符集中。若不在，則標(biāo)記錯誤類型以及錯誤位置，并跳出編譯循環(huán)提示用戶錯誤信息；若存在，提取該字符后的數(shù)據(jù)信息。

（2）根據(jù)讀取的字符類型將其數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。根據(jù)字符的類型調(diào)用函數(shù)atoi（）或者atof（）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為int型或float型。當(dāng)出現(xiàn)非常規(guī)數(shù)字（如出現(xiàn)兩個正負(fù)號或一個以上小數(shù)點），則標(biāo)記錯誤類型以及錯誤位置，并跳出編譯循環(huán)提示用戶錯誤信息。

2.2 語法分析程序的實現(xiàn)

詞法分析僅對G代碼程序字進(jìn)行檢測，但無法確保程序段語法的正確性。因此，需要對詞法分析所識別出的功能字和數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)G代碼數(shù)控指令的規(guī)則和語法進(jìn)行檢查。針對特種復(fù)合加工中心的主軸與激光軸的移動位于同一方向的結(jié)構(gòu)特點，在程序段語法分析時增加了對進(jìn)給軸的互鎖檢查。G代碼編譯中對程序段進(jìn)行如下語法分析：

（1）程序段號檢查：將當(dāng)前程序段號與前一段對比，若不符合遞增規(guī)律，則標(biāo)記錯誤類型；

（2）程序段模態(tài)指令檢查：標(biāo)記程序段中同組模態(tài)指令出現(xiàn)次數(shù)。當(dāng)該程序段同時存在多個同組指令，如G02 G03 X100，則標(biāo)記錯誤類型；

（3）冗余指令檢查：判斷程序中是否出現(xiàn)冗余指令或字符，如同一行中出現(xiàn)兩個X坐標(biāo)字，則標(biāo)記錯誤類型；

（4）指令數(shù)據(jù)和進(jìn)給軸行程范圍檢查：若存在數(shù)值超程，如主軸轉(zhuǎn)速超過上限10000 r/min，則標(biāo)記錯誤類型；

（5）進(jìn)給軸互鎖檢查：若程序段中同時存在主軸和激光軸的運動指令，則標(biāo)記錯誤類型。

當(dāng)語法分析過程中錯誤類型標(biāo)記不為空，則跳出編譯循環(huán)并提示用戶錯誤信息和程序段位置。詞法、語法分析程序?qū)崿F(xiàn)流程見圖2。

圖2 詞法、語法程序分析流程圖

2.3 指令模態(tài)下傳的實現(xiàn)

在G代碼中有一些模態(tài)功能［9-10］指令，如 G00、 G01等。這類指令將會保持有效直到被下一條具有相同模態(tài)功能的指令所替換，調(diào)用函數(shù)CheckSen（）實現(xiàn)程序段間的模態(tài)傳遞。具體實現(xiàn)流程見圖3，其中SenErr是模態(tài)下傳時出現(xiàn)錯誤的標(biāo)記。

圖3 G代碼模態(tài)下傳流程圖

3 編譯數(shù)據(jù)存儲

譯碼過程中需對所提取的加工代碼數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，因此設(shè)計結(jié)構(gòu)體GCODE保存G代碼程序段編譯完成后所得數(shù)據(jù)，并以動態(tài)數(shù)組存儲G代碼文件的全部譯碼數(shù)據(jù)。GCODE結(jié)構(gòu)體如下：

4 實驗驗證

以鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心開放式數(shù)控系統(tǒng)為實驗平臺，通過圖形仿真與實例加工來驗證所設(shè)計G代碼編譯器的可行性。

繪制加工零件并生成對應(yīng)G代碼，將該G代碼導(dǎo)入鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工中心數(shù)控系統(tǒng)上位機(jī)控制軟件，導(dǎo)入的部分G代碼如圖4所示，經(jīng)過編譯代碼后的軌跡仿真和實例加工的樣例分別如圖5a和圖5b所示。

圖4 導(dǎo)入的部分G代碼

圖5 上位機(jī)控制軟件仿真和實例加工樣例圖

5 結(jié)束語

針對自主研發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有鈑金刻銑與激光切割復(fù)合加工的特點，設(shè)計出一種既滿足一般通用性又滿足刻銑與激光切割復(fù)合加工要求的G代碼編譯器。該編譯器能夠?qū)代碼進(jìn)行詞法和語法分析，并提示譯碼過程中的錯誤信息。實際加工實驗結(jié)果表明所開發(fā)的G代碼編譯器能準(zhǔn)確實現(xiàn)數(shù)據(jù)提取與解析，完成加工信息的轉(zhuǎn)換。該研究可為后續(xù)開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)提供一定的借鑒作用。

［1］劉思勝，李松生，陳萍.數(shù)控G代碼解釋器和仿真模塊的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2012（1）：172-174.

［2］周凱.PC數(shù)控原理、系統(tǒng)與應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［3］房書文，張桂香.PC內(nèi)嵌NC型開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件的研制開發(fā)［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2005（11）：53-55.

［4］張政，吳序堂，馬書根，等.基于軟件化體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床主控系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2003，39（2）：93-97.

［5］周剛，鄔義杰，潘曉弘.數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊實時調(diào)度方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2009，45（1）：162-166.

［6］賈旭，盧曉紅，王鑫鑫，等.基于PMAC的微銑床數(shù)控系統(tǒng)中G代碼編譯研究［J］.組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)，2012（3）：104-107.

［7］張學(xué)飛，李健.開放式數(shù)控系統(tǒng)G代碼的編譯模塊設(shè)計［J］.機(jī)械設(shè)計與制造，2010（10）：87-88.

［8］伍抗逆，李斌，陳吉紅.面向開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺的NC代碼解釋器開發(fā)［J］.中國機(jī)械工程，2006，17（2）：168-171.

［9］劉書華.數(shù)控機(jī)床與編程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［10］林礪宗，蘭剛，宋啟盛，等.面向固高數(shù)控卡的G代碼系統(tǒng)［J］.模具技術(shù)，2009（1）：5-8.

（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

The Design of G Code Compiler for Special Compound M achining Center NC System

PAN Hai-hong，YE Wen-hai，CHEN Lin，ZHANG Qiu-jie
（College of Mechanical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China）

In order to solve the code compilation problem of self-developed laser cutting sheet metal with engraved milling machining center open NC system，the method of sub-extraction and line by line analysis was proposed to design a G-code compiler.When this G-code compiler is designed for flat composite processing，the characteristics of complex NC system in the same machine coordinate system to achieve milling and laser cutting must be considered.This designed G-code compiler not only fits to realize the traditional milling instructions，but also fits to realize G code detection and decoding of laser and special fixture control instructions.The compiled data was stored in the form of data structure.The experiments indicate that the developed G-code compiler is feasibility.

special compound machining center；NC system；G-code compiler

TH166；TG659

A

1001-2265（2015）06-0071-03 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.06.020

2014-09-02，

2014-10-20

國家自然科學(xué)基金（51465005）；南寧市科技攻關(guān)（20141018）

潘海鴻（1966—），男，壯族，廣西壯族自治區(qū)武鳴市人，廣西大學(xué)教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向為數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人控制技術(shù)，（E-mail）hustphh@163.com；通訊作者：陳琳（1973—），女，山東青島人，廣西大學(xué)教授，研究方向為數(shù)控技術(shù)、數(shù)字信號檢測與處理、伺服電機(jī)控制，（E-mail）gxdxcl@163.com。