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基於 FANUC 機床（chuáng）數控（kòng）係統（tǒng）界麵軟件二次開發的研究

2023-9-15 來源：上海機床（chuáng）廠（chǎng）有限公司作者：顧凱端

1.引言（yán）

數控係統及其人機界麵的出現使機床加工操作變得便捷與高效，而隨著行業發展，對加工精度、加工效率和工藝柔（róu）性的要求越來越高，數控通用人機界麵已（yǐ）無法滿足這（zhè）些（xiē）需求，因此對機床數控係統人（rén）機界麵軟件的二次開發成了數控機（jī）床生產廠家的重要任務。

目前市場上的數控機床人機界麵多（duō）為嵌入式（shì），麵板尺寸小，操作（zuò）工行動受到（dào）場地的局限，無法遠距離實時進行工藝參（cān）數調整（zhěng）、監控等操作，從生產效率和安全性來說都存在一定的缺陷，自動化、生產效率受到（dào）了限製。FANUC 和SIEMENS 等國（guó）外數控廠商進口的數控係統，其隨係統（tǒng）提供的人機界麵是麵向通用數控操作場景的，無法方便地製定機床配套工藝，不能滿足用（yòng）戶的定製化需求。數控廠商在其配套的通（tōng）用人機界（jiè）麵（miàn）的基礎上（shàng），提供了（le）人機界麵（miàn）開發接口，機床製造廠家就可以對人（rén）機界麵進行二次開發，擴展人機界麵功能，提高人機界麵（miàn）軟件的專用性、易用性（xìng），以更大限度地發揮（huī）機床的價值。

本文選取 FANUC Series 0i-MF 數（shù）控係統作為二次開發基（jī）礎平台（tái），采用麵向對象的方（fāng）法進行軟（ruǎn）件框架設計，二次開發接口為 FOCAS 庫（即FANUC Open CNC API Specifications，簡稱FOCAS），利用 QT 提供基礎編程庫，確定程序達（dá）到的功能有（yǒu）顯（xiǎn）示界麵（miàn）、軟硬件通訊、機床參數寫入、機床參數讀取以（yǐ）及係統報警監視等，實現對數控係統（tǒng）的二次開發。

2. 開發（fā）工具和總體框架

2.1 開發環境的選擇

FANUC 0i-MF 數控係統提供了二次開發接（jiē）口（kǒu）（即 FOCAS），包含了數控連接和數控數據、PMC 數據讀寫功能，以及界麵開發接口，即意味著基（jī）於此數控（kòng）係統的人機界麵二（èr）次開發（fā）自由度很大（dà），架構選取自由。可運行 FOCAS 庫的操作係統目前主要是 Microsoft Windows，Windows操作係統使用簡單（dān），係統穩定（dìng），用戶群體大，開發工具豐富，所以是 FANUC 數控二次開發（fā）首選。

軟件功能與界麵庫可選用 MFC、.NET 和 Qt，MFC 雖然由微軟開發功能強大，但已經（jīng）過時不再維護，所以不建議選用，.NET 是微軟（ruǎn）主力開（kāi）發庫，但性能遜色（sè）於 C++ 開發的應（yīng）用程序，Qt作為 C++ 語言開發的功能界麵庫，既能方便地進行界（jiè）麵開發，又有 C++ 便捷的底層訪問能力，其可靠性和寬鬆的開源協議使（shǐ）得 Qt 庫（kù）在工業界得到（dào）了廣泛的應用。結合 Windows 操作係統、FOCAS 庫和 Qt 編程庫的選取，微軟的 VisualStudio 就（jiù）是較合適的開發工具（jù）了，安裝有 Qt 插件的 Visual Studio 2015 可方便地（dì）創建 Qt 應用程序解決方（fāng）案，借助開發工具（jù）強大的功（gōng）能，可輕鬆開展 FANUC 機床數控係統界麵軟件的二次開發工作。測試環境可選用 FANUC 數控係統實體機或 FANUC CNC Guide。開發環境及工（gōng）具如表 1 所示。

表 1 開發環境與工具表（biǎo）

2.2 總體框架的確立

由於要實現的二次開發的（de）功能較為（wéi）明確，所以采用清晰的分層（céng）架構，分（fèn）層架構結構簡單明了（le），各層（céng）職責分明。分層架構主（zhǔ）要分為通（tōng）信層、功（gōng）能層、界麵層。通信層負責軟件功能層與數控係統的之間（jiān）的數據交互，功（gōng）能層負責軟（ruǎn）件的功能實現，向（xiàng）下與通信層交互數據，向上給界麵層提（tí）供功能接口，界麵層向下負責對功能層的調用，向上負責與操（cāo）作者的交互。二次開發的軟件總體框架圖如圖 1 所示。

圖 1 總體框（kuàng）架圖

3. 開發過程（chéng）及結果（guǒ）

3.1 硬件連接

首先進行（háng）硬（yìng）件連接，把 FANUC 0i-MF 數控單元的以太網網口（ETHERNET）通過網（wǎng）線連（lián）接至 PC 屏，達成將人機操作界麵屏幕放大、分離式操作的目的 ; 其次，建立與數控單元的通訊（xùn）連接，如利用 Visual Studio 2015 導（dǎo）入 FOCAS動態鏈接（jiē）庫，編（biān）寫程序（xù）調用（yòng）功能函數，與（yǔ）測試端 NC Guide 進行通訊 ; 再次，利用 FOCAS 庫函數設計機床參數數據寫入功能 ; 最後利用 QtDesigner 設計軟件界麵。

3.2 界麵分析

界麵設計是整體框架（jià）的基礎（chǔ），本文設計的人機（jī）界麵采用多個窗（chuāng）口組合展示機床狀態，展示程（chéng）序號、三根軸四種坐（zuò）標（biāo）係的展示窗口、機床加工狀（zhuàng）態以及通訊設置（zhì）按鈕和界麵切換（huàn）按（àn）鈕。

人機（jī）界麵利用單行文本框，采用（yòng）統一（yī）格式，把數據名標（biāo）注在（zài）文本框左側，用於直觀地顯示讀取（qǔ）的信息。合理布局四個坐標顯示（shì）窗口的空隙和比例大小。為增加人機交互友好，下方控（kòng）件按鈕（niǔ）分別對應調用（yòng）通訊窗口和不同類（lèi）型的坐標窗口切換，通過信號（hào）與槽的機製進行實現。

本文針對的數控係統（tǒng）是（shì） FANUC 0i-MF 係列，僅支持以太網通訊，而在（zài） FOCAS 控件庫中，已經完成了對通訊協議的開發並將其封裝，作為（wéi）開發者，需要做（zuò）的是導入 FOCAS 控件庫，調用以太網通訊函數，其會通過代理函數（shù），向功能函數（shù）發（fā）送請（qǐng）求，自動建立（lì）通訊。

為體現麵（miàn）向對象（xiàng）的設計方法，將窗口封裝成單個類，通過在機床總界麵（miàn）依次創建窗口，在槽中利用枚舉類的邏輯判斷來刪除或插入窗口達到切（qiē）換窗口坐標顯（xiǎn）示的目的，實現人機交互。

3.3 人機界麵框架（jià）設計

人（rén）機界麵設計分為硬（yìng）件連接和軟件設計兩部分，其中硬件連接用於實現人機界麵的分離式設計，通過外部（bù）接口，將（jiāng） FANUC 0i-MF 控製單元與上位機 PC 屏的網口相連。軟件部分負責實現數控機床（chuáng）監控狀態的功（gōng）能，見圖 2。

圖 2 軟硬件連接流程圖

人機界麵（miàn）模（mó）塊分為通（tōng）訊層、功能層和界（jiè）麵層，見（jiàn）圖 3，通訊層負責建立通訊和斷開通（tōng）訊。功能層主要負責對（duì）不（bú）同類型三軸坐標和加工狀（zhuàng）態的讀寫。界麵層分（fèn）為通訊窗（chuāng）口、坐標顯示窗口和機床窗口這三（sān）部分。

圖 3 人機界麵程（chéng）序框架

3.4 軟（ruǎn）件（jiàn）二次開發設計

在 VS2015 開發環（huán）境下，使用 Qt5 作為開發庫，使用（yòng） VS 中的 QT GUI 框架開發機床人機界麵，利用 FOCAS 1/2 Library 提供的函數作（zuò）為接口，首先利用以太網（wǎng）建立通訊連接，然後建立數（shù）據寫入的接口連接（jiē），實現對機床狀態（tài）的讀（dú）取（qǔ），最後完成界麵層（céng）的布局，使用多對話框窗口水平或垂直布局，參照 FANUC 係統原始操作界麵（miàn），能夠來回切換坐標顯示窗口，完成（chéng）對數據的顯示（即可視化）。接下來參考圖 4 所示的機床界麵監控總體框架從通訊層、功能層（céng）和界麵層逐一分析。

圖 4 機床界（jiè）麵監控總體框架

3.4.1 通訊層

機床界麵要能夠動態顯示機床數據，則須使界麵與 CNC 係統通訊。FANUC 提供了 FOCAS通訊協議 , 使（shǐ） PC 端與 FANUC 係統建立了通訊。在用戶 PC 端（duān）的開發環境應用程序中，調取 FANUC 提供的（de） FWLIB32/64.DLL 動態鏈接庫，由於 HSSB 需額外購買硬件（jiàn）來建立連接，因此沒有采用 HSSB 庫，而是選（xuǎn）擇以太網庫。

FWLIB32/64.DLL 鏈接庫包含了 FOCAS 的控件庫，其目的是將目標包（bāo）裝（zhuāng），通（tōng）過（guò）句（jù）柄來獲取（qǔ）目標對象的屬性。在以太網庫中，通過將 CNC 的 IP地址參數（shù）傳遞給 CNC allclibhndl3 函數來創（chuàng）建TCP/IP 連接。

以太網板（bǎn）中的數據窗口（kǒu）函數會通過（guò） TCP/IP棧數據傳輸與用戶 PC 端進行以太網連接。兩者在連接過程中用戶 PC 端會（huì）將數據窗口函數的代理函數向以太網板發送打包請求，包括獲取（qǔ）數據屬性、數據數量（liàng）等，以太網板響應請求、反饋發送（sòng）數據內容、錯誤代碼等。CNC 與以（yǐ）太（tài）網板通過 OPEN CNC I/F 在局部（bù）網絡中進行數據傳輸（shū）。

以太網的通訊功能在基類為 QDialog 的對話框窗口類 LoginDiolag 獲取參數和在（zài）機床界麵 FanucFrm 類中對通訊的（de）槽定義來實現。

根據 FOCAS 庫的 FWLIB64.h 頭（tóu）文件和文獻手冊，可以看（kàn）到需要連（lián）接和斷開以太網連接要使用函數（shù） “cnc_allclibhndl3” 和 “cnc_freelibhnd”。

cnc_allclibhndl3 其功能是分配庫的句柄（bǐng）並使用指定 IP 地址或主機名連（lián）接 CNC，實（shí）現以太網通信，需（xū）要以（yǐ）下參數 :

（1）輸入 :ipadsdr，使（shǐ）用字符串方式來確定（dìng）需要連接的 CNC 測（cè）試端的 IP 地址或者是（shì）主機名。

（2）輸入（rù） :port，確定 TCP 需要連接的（de）端口，通常固（gù）定為 8193.

（3）輸入 :timeout，設定超時的時間，若設為0則忽略超時（shí），庫函（hán）數會一直等（děng）待。

（4）輸（shū）出 :FlibHndl，指定一（yī）個包含庫句柄信息的指針（zhēn）型或者整型變量。

cnc_freelibhndl 其功能是當程序終止時需要釋放庫句柄，防止數據累積報錯，即為中斷通訊連接，該函數（shù）需（xū）要輸入 FlibHndl 參數，當程序結束時，需要釋放的庫句柄。

由此可以看（kàn）出，程序以建立以太網通訊算作開始，以中（zhōng）斷通訊連接、釋放庫函數作為結束，這兩者分別調用 cnc_allclibhndl3 與 cnc_freelibhndl 都在通訊層實現（xiàn）。

通訊函數需要庫句柄、CNC 測試端的 IP 地址、端口（kǒu）號等其他參數傳遞給 CNC 以太網通信函數進行連接。在 FWLIB64 庫文件中，查FANUC 樣例手冊，可找到以太網通訊對應的 cnc 函數cnc_allclibnd3。在該函（hán）數中輸入對應的參數即可建立連接。通過 cnc_freelibhndl 斷開（kāi）連接、輸入 IP 地址（zhǐ）、端口號、時間延（yán）時等，要得知通訊連接是否建立（lì）成功可（kě）通過（guò）接受返回值（zhí）來判斷彈出何（hé）種類型的提示窗。

3.4.2 功能層

需要實現的功能有顯示程序狀態，顯示三軸的絕對坐（zuò）標係、相對坐標係、剩餘行程距離，顯示伺服軸轉速（sù），顯示加工狀態（tài）。

根據 FOCAS 提供的 FWLIB64.DLL 中，要實現上述機床狀態的監（jiān）控主要分為三（sān）部分 :

（1）使用 FOCAS 庫函（hán）數，從 CNC 測試端讀取（qǔ）機床參數（shù）。

（2）將從 CNC 測試端的機床參數數（shù）值賦值給變量，通過傳輸，利用程序中讀寫的變量在（zài）界麵層顯示。

（3）將數據上（shàng）傳。從機床數據讀取、機床（chuáng）數據（jù）用變量賦值寫入，數據動態更新依次進行。其中機床數據讀取使（shǐ）用（yòng） DataCollection 類（lèi），機床數據用變量賦值寫（xiě）入用 MachinePosition 類。

要從 CNC 測試端讀取數據，調用使用FOCAS 提供的 FWLIB64.h 頭文件中的 cnc 函數獲取參數數值 ; 其次，是要（yào）想辦法把儲存在該函數裏變量中（zhōng）的數值傳遞給與界麵顯示文本相關的函數（shù）。

以獲取絕對坐標係（xì）的 X，Y，Z 三軸數值為例，使用數據采集類的（de）成員函數 “voidabsolute(unsigned short h)” 作（zuò）為讀（dú）取 cnc 測試端參數的指令，其參（cān）數句柄 h 就好（hǎo）比鑰（yào）匙，在（zài）調用 absolute 函數後把（bǎ）實參全局句柄 h 賦給absolute 函數的（de）形參（cān）未定（dìng）義的短句柄 h 後，解（jiě）鎖指令，進行讀取。

在 absolute 函數中（zhōng），需要讀取絕對坐標係的三軸坐標數值，根據 FOCAS 庫函數，應（yīng）使用cnc 函數 “cnc_absolute”。

cnc_absolute: 讀（dú）取用 “ 軸（zhóu） ” 指定軸的絕（jué）對位置數據（jù）。絕對位置存（cún）儲在 “ODBAXIS” 的“data[0]” 中。其參數有 :

（1）輸入 :FlibHndl，指定庫句柄。

（2）輸入 :axis，指定要讀取（qǔ）的軸數，其中ALL_AXES 對（duì）所有軸（ALL_AXES:-1），1,..,m 對（duì）單個軸（m: 控製軸數）。

（ 3 ）輸入 : length ，指定數據塊的（de）長度（ODBAXIS 結構的大小）。

（4）輸出 : 指向（xiàng） ODBAXIS 結構的指針，包括控製軸的絕對（duì）位置數據。

參照手冊提供的 cnc_absolute 參（cān）數，在調用時，可（kě）以一次獲取一係列數控軸的坐標數值，最（zuì）後隻讀取需要的目標（biāo）軸的數值即可。

使用ret儲存返回值，用於判斷輸入的參數是否報錯，若無錯誤，應（yīng）為 EW_OK。之後，用浮點型變量 absoluteXf、absoluteYf、absoluteZf 分別儲存從（cóng） CNC 測試端獲取的 X，Y，Z 軸的數值，使用 Data[0] 讀取（qǔ）單個軸的（de）數值，從而避免了 Y 軸和 Z 軸出現重複讀取的（de）問題。最後，獲取的數據成功儲存在變量（liàng） absoluteXf、absoluteYf、absoluteZf 中。

如此就能（néng）實現對機床三軸絕對坐（zuò）標（biāo）係的監控功能（néng），而接下來的相對坐（zuò）標係、機床坐標係、剩餘行（háng）程距（jù）離、進給速率（lǜ）、循環時間等（děng）數據的讀（dú）取邏輯和（hé）讀取絕對坐標（biāo）係的流程相同。

3.4.3 界麵層

通過 Qt 特（tè）有的信號與槽機製，采取通過對槽進行默（mò）認命名格式自動將（jiāng）控件信號與槽關聯 ;也可以利用 connect 函數（shù），手動建立信號與槽的連接，一個信號（hào）可指定（dìng）一個或者多個槽函數接收。首先針對通訊窗口界麵進行設計，利用QT Designer 編輯窗口界麵（miàn） ui，根據 cnc_allclibhndl3 函數的對應參數，分別添加單（dān）行編輯框 QLineEdit，並在左側添加標簽，注釋對應需要輸入的內容，分別為 IP 地（dì）址、端口號和延時，使用水平布局和（hé）空格調整布（bù）局 ; 其次，要實現（xiàn）參數與文本連接的第一步首先是要獲取編（biān）輯框輸入的數值，設計一個函數專（zhuān）門用來讀取（qǔ）編輯框數值，其（qí）中通過（guò）不同編輯框對應的指針變量名分別指向對應（yīng）編輯框的文本獲取函數 “text”，從而獲取用戶（hù）輸入的內容。

之（zhī）後利用（yòng） getIPStr 函數作為 cnc_allclibhndl3的參數，即可實現將輸入的數值傳遞給 cnc 函數。要能夠讓 cnc 函數（shù）讀取到用戶輸入的數值，需要利用 connect 機製，在 cnc_allclibhndl3 前添加條件。設計 “連接” 和 “斷開” 按鈕，同時以太網通訊的槽（cáo） onslot_Connect 的定義中，添加（jiā）前置條件（jiàn）和調用 cnc 函數。

接下來是三軸坐（zuò）標係顯示窗口，包括 :

（1）利用 QT Designer 編輯 GUI。

（2）根據需求，創建（jiàn）四個坐標界麵，分別（bié）用對象名 absolute_frm、relative_frm、machine_frm、left_frm，依次對應絕對、相對、機床和綜合坐標係窗（chuāng）口（kǒu）。需要標明對象（xiàng）窗口所顯示的（de）坐（zuò）標係的類型是什麽。利用 TextLable 的對象名調用文本設置函數，使得設計命名函數 SetPosName有命名文本的功能。

（3）將文本框的數值同（tóng）功能層獲取函數進行關聯，分為（wéi）兩步，通過（guò）對象調用命令函（hán）數，以及調用獲取函數。

以絕（jué）對坐標係為例，定義數據采集對（duì）象（xiàng），使（shǐ）用指針（zhēn） dcThread 指（zhǐ）向采（cǎi）集對（duì）象，並分配起始地址，如此可以通過調用（yòng） dcThread 指針（zhēn）達到等同於調用 DataCollection 的效果。

利用 dcThread 調用命令函（hán）數，如void absolute(h)，將全局句柄放入作為參數，即開始（shǐ）讀（dú）取 CNC 測試端的絕對坐標係數值（zhí），並將（jiāng）數值賦值給（gěi）中間函數 setAbs 的（de）變量，再由中間函數的變量賦值給獲取函數 getAbs 的參數（shù）。若直接將儲存 cnc_absolute 讀取數值的變量作為（wéi）文本內容，則會因為類（lèi）的（de）不同（tóng）而無法讀取。

想要將編輯框數據與（yǔ） cnc 函數獲取的數值（zhí）同步，定義變量 ax，ay，az，調用 getAbs 函數，並將 ax，ay，az 代入參數，並（bìng）由 getAbs 的默認參數賦值給變量。由此，可（kě）以通（tōng）過 “setText”函數設置默認文本，將變量作為（wéi）參數放入其中，實現動態讀取數據、界麵更新的效（xiào）果。而相對坐標係、機床坐（zuò）標係、剩餘行（háng）程距離（lí）的三軸坐標顯示原理和絕對坐標係相同。

3.5 結果顯示

機床顯示界麵（miàn）是一個總體界（jiè）麵，它集合了機床狀態監控的各（gè）種內容。其主要目的有兩種（zhǒng） :

(1) 動態顯示機床進給速率（lǜ）、轉速、加工件數、循環時間、運行時間（jiān），將功能層與界麵層關聯。

(2) 將三軸坐標顯示窗口（kǒu）嵌入機床顯示界麵，通訊窗（chuāng）口利用按鈕與機床顯示界麵關聯。

機床進給速率、轉速、加工（gōng）件（jiàn）數、循環時間、運行（háng）時間（jiān）動態讀取原理和三軸坐標係（xì）顯示窗口中（zhōng）絕對坐標係的原理（lǐ）相同（tóng）。

三軸坐標顯示窗口嵌入機床顯示界麵需要（yào）實現界（jiè）麵層（céng）分析中（zhōng）所述要求，能夠全（quán）部顯示以及能夠單獨顯示。為此，可以通過點擊不（bú）同按鈕作為觸發條件，並集（jí） “和” 進行判斷，由此來切（qiē）換顯示窗（chuāng）口。經過調（diào）試，動態顯示的機床界麵如圖 5 所示。

圖 5 動（dòng）態顯示的機（jī）床界麵

4. 結語

使用 VS2015 和 Qt 跨平台開發，以 FANUC0i-F 為具體測試對象，進行了基於 FANUC 數控係統機床軟件的二（èr）次開發工作，結論如（rú）下 :在硬件方麵，通過硬件（jiàn）外部接口與 PC 端的（de）連接，達成了遠程（chéng）操作顯示界麵、分離操（cāo）作的目的。目前（qián） CNC 側和 PC 屏電腦間采用局域網傳輸，今後可以考慮使用廣域網傳輸，進一（yī）步增加通訊距離 , 豐富（fù）應用場景。

在軟件方麵，使用 C++ 編程（chéng）語言、DLL 動態鏈接庫調用、FOCAS 庫函數、QT 庫框（kuàng）架（jià）編程實現了以太網通訊的功能，成功通過內部接口（kǒu）完（wán）成通訊 ; 實（shí）現了機床坐標動態讀取、進給速率、轉速的實時讀取 ; 能夠對運行時間、加工件數（shù）、循環時（shí）間進行計數 ; 實（shí）現了對（duì）機床基本功能狀態的監控 ; 實（shí）現了通過按鈕關聯通訊窗口（kǒu）、彈出隱藏以及嵌入式等操作，簡化了機床（chuáng）界麵。

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