3D打印控制系统G代码解释器的设计与实现刘潇潇;车军;赵娜;韩壮;孙进【摘要】针对3D打印控制系统中G代码转换的问题,结合控制系统中运动控制板卡和G代码结构特征,利用C#语言设计开发了一种基于GRETA正则表达式的G 代码解释器,实现了对G代码的预处理、检查分析和解释,使其转换成板卡可识别的运动指令,完成对工作台的控制.实例验证了解释器的正确性和有效性.G代码解释器的实现对3D打印控制系统开发具有重要意义.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】5页(P37-40,45)【关键词】3D打印;G代码解释器;运动控制板卡;正则匹配【作者】刘潇潇;车军;赵娜;韩壮;孙进【作者单位】兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院,兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】TP271+.4由于3D打印技术优势明显，发展前景广阔，近年来得到了各行各业的高度重视，发展飞速.该技术采用逐层堆积的方式将三维模型制造成实体零件的一种技术，其工作过程是先将零件的三维模型进行离散处理，得到一系列含有二维截面轮廓信息的G代码文件，按照已定的路径逐层堆叠，最终加工出完整的产品[1-3].3D打印控制系统多采用“IPC(工控机)+运动控制板卡”模式，在此系统中，利用PCI总线将G代码传递给运动控制板卡，经由板卡将指令传送给驱动器，从而完成整个加工过程，由于板卡无法直接识别G代码，必须通过G代码解释器将其转换成板卡可识别的语言再进行指令传输，现有解释器种类繁多，系统代码指令互不兼容，并且难以扩展.并且解释器的设计对打印精度与成型质量有较大的影响[4].故设计一种可移植性较高、兼容性较好的G代码解释器是开发整个3D打印控制系统的关键工作.1 G代码解释器G代码解释器的主要功能为检查G代码正确性与加工信息提取两部分.在进行G代码解释前，需检查G代码是否正确，以确保3D打印控制系统工作台准确无误地按照已定路径运动，通过编程可实现G代码的自查，从而提高检查效率，确保其准确性.G代码是由功能代码按一定规则构成的，而各功能代码均有各自的使用方法和语法特征，因此必须掌握G代码的这些方法和语法特征，方可准确地检查分析G代码，并提取出加工信息.G代码解释器功能包括以下四点.1.1 预处理G代码文件载入后，先进行预处理，删除空格、注释等非必要的字符.避免在解释G代码过程中，由于这些非必要字符而引起误操作，影响3D打印工作的准确性和最终产品的精度.1.2 词法分析词法分析是对G代码字符进行扫描识别，逐个分析并进行初级错误检查，根据代码的词法构成规则对字符进行分解，识别出各类指令代码.其步骤是：从G代码第一个字符起，从左至右逐个搜索字符，依据搜索字符辨别不同指令代码，使用正则表达式进行匹配，匹配不成功即为非法字符，继续往下读取；若匹配成功，则表明词法正确[5].非法字符主要表现在：代码以数字或非法字符开头、非坐标指令位于负号前、非数字位于负号后、非数字位于小数点前、字母后数据缺失等.1.3 语法分析为了辨别出G代码语法中的错误，并将其显示出来，需要进行语法分析.语法分析是按语言文法的方式，对G代码语法构成进行深入分析，并检查G代码中各功能指令的组合是否满足要求.单个字符正确无法确保指令正确，同时单个正确的指令也未必能组成准确的程序段.因此该阶段的工作是把G代码各个指令拼装成各功能指令组合，并对此进行检查分析，判断是否符合3D打印加工程序的格式.语法错误格式主要有：非法指令代码、功能相近或功能相斥的指令代码重用或加工指令中没有位置指令等[6-7].1.4 提取加工信息提取加工信息是在检查合格的G代码中提取出板卡驱动工作台运动的指令，包括工作台X、Y、Z轴的位移量、加工速度与辅助功能信息等，通过调用板卡动态链接库的API函数控制工作台运动，完成G代码控制加工[8]，在提取过程中，根据实际运动参数的特点对每段指令代码进行精确划分，确保能够提取出所有板卡限定范围内的运动参数[9].G代码解释器的流程图如图1所示.图1 G代码解释器流程图Fig.1 G code explainer flow chart2 G代码解释器的结构2.1 解释器结构文中涉及的3D打印控制系统采用“IPC(工控机)+运动控制板卡”模式，此系统通过PCI总线将IPC与研华运动控制板卡PCI-1245E连接，通过程序调用封装在板卡内的各运动函数，从而控制工作台各轴电机运动，根据上述运动原理可知，需使用解释器完成G代码与板卡运动指令之间的转换，即实现通过G代码驱动3D打印控制系统工作台运动[10].板卡PCI-1245E提供了操作简易的插补功能，仅需设定参数和发出运动指令即可完成加工任务，整个过程由板卡自带的芯片控制，无需其他操作，在板卡驱动电机工作的同时也不会增加处理器的运动负载，处理效率高，满足了3D打印控制系统对操作实时性的高要求[11].2.2 G代码结构由于3D打印控制系统这一特殊环境，G代码与其他领域的G代码有所区别，但基本结构一致，G代码由G功能指令、坐标值、辅助加工指令、加工参数和注释语句组成[12].1) G功能指令.主要有G00(快速移动)、G01(直线插补)、G90(绝对坐标)、G91(相对坐标)等；2) 坐标值.X、Y、Z(坐标)等；3) 辅助加工代码.P指令(延时时间)；4) 加工参数.如E指令(送丝长度)和F指令(进给速度)等.3 设计与实现本文以C#为平台，根据正则表达与运动控制板卡中的控制指令对G代码解释器进行设计开发，利用GRETA正则表达式进行词法和语法分析，并以string类作为存储容器，存储解释之后的代码以供板卡调用，保证了解释器的通用性和兼容性，G 代码解释一般分为四个子过程：源代码载入、预处理、检查分析和解释.3.1 源代码载入本文将G代码文件读取到相应的string中，在进行读写操作前，打开文件，再对打开文件时设定的string进行操作.string filename=string.Empty;OpenFileDialog ofd=new OpenFileDialog();ofd.Filter="G代码文件(*.Gcode)|*.Gcode";if (ofd.ShowDialog()==DialogResult.OK)filename=ofd.FileName;string path=filename;string[] contents=File.ReadAllLines(path,Encoding.Default);for(int i=0;i<contents.Length;i++)3.2 预处理G代码文件可以手工生成，也可以通过切片软件生成，以文本文件的格式保存.本文利用C#语言的操作函数，G代码中每一行均以“；”结尾，各字符之间均以空格隔开，利用这一特征，巧妙地使用Split函数删去多余的空格和注释语句，并将预处理结果显示在RichTextBox中，便于编程人员观察，及时发现问题并作出修改.for(int i=0;i<contents.Length;i++)//去注释{string[] strNew = contents[i].Split(′;′);if (strNew[0].Length≥2){strNew[0]=strNew[0]+" ";}rtbGcodeShow.Text+=strNew[0]+ "\n";}3.3 检查预处理之后，使用GRETA正则表达式库进行词法分析和语法分析，其关键在于构造出准确的正则表达式[13]，GRETA包含的对象和函数可使字符串模式匹配和搜索变得更简便.为保证处理效率及实用性，本文把词法分析与语法分析结合在一起，实际应用中也验证了这种结合方法具有实用性强、处理效率高和扩展性好的优点[14].G代码功能代码中，下列关键字用于进行词法分析和语法分析.var r=new Regex(@"^*(G[0-9\.\-]+).*$");//G指令r=new Regex(@"([X]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//X轴坐标值r=new Regex(@"([Y]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//Y轴坐标值r=new Regex(@"([Z]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//Z轴坐标值r=new Regex(@"([E]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//3D打印送丝量r=new Regex(@"([F]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//速度指令r=new Regex(@"([P]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//延时指令3.4 解释本文解释G代码的过程就是提取加工信息并将其存储于设定string的过程，板卡逐行调用并驱动工作台各轴运动.提取到的加工信息使用字符串string保存，程序如下：r = new Regex(@"([X]):?([-+]?[0-9]*\.?[0-9]*)");//正则匹配出X坐标if(r.IsMatch(value)){Match m=r.Match(value);comments.Add(m.Groups[2].Value.ToString());xdim = m.Groups[2].Value.ToString();//使用字符串存储匹配结果}3.5 轨迹显示与控制信号输出本文提取到工作台各轴坐标值、进给速度等信息后，将加工信息转换成相应的脉冲数，再调用板卡的运动函数来实现控制信号输出控制.由于此过程涉及到工作台电机参数、丝杆导程等，G代码解释器设计了相应值的接口，方便操作者根据不同类型电机、丝杆导程等进行修改[15-16]，加强解释器的可移植性和扩展性能，程序如下：double x_dim=Convert.ToDouble(xdim);//类型转换double x=Params * x_dim;//将坐标值转化成脉冲数nx[i]=x.ToString();//将脉冲数存放在数组中，以便板卡调用Result=Motion.mAcm_AxMoveAbs(m_Axishand[0],nx[i]);//板卡调用此外，还增加了显示运动轨迹的功能，可方便操作者直观、清晰地了解工作台具体运动情况.轨迹图相关代码如下：MLApp.MLApp matlab=null; TypematlabAppType=System.Type.GetTypeFromProgID("Matlab.Application"); matlab=System.Activator.CreateInstance(matlabAppType) asMLApp.MLApp;string command;//设置调用Matlab实现的功能String path=Directory.GetCurrentDirectory();4 实例验证为进行G代码解释器的实例验证，本文读取切片之后的齿轮模型G代码文件进行代码解释后，最终生成板卡可识别的指令.验证过程中采取了先解释后执行的方式，最终验证了G代码解释器的正确性.验证过程试验平台如下：1) 控制软件采用自主开发的G代码解释器；2) 硬件系统包括工控机、PCI-1245E运动控制板卡、3D打印控制系统工作台等.解释器界面如图2所示，硬件系统如图3所示.图2 解释器界面Fig.2 Explainer interface图3 硬件系统Fig.3 Hardware system本文利用该G代码解释器解释代码并传递指令到PCI-1245E运动控制板卡驱动工作台运动，效果较好，运动轨迹如图4所示.图4 运动轨迹图Fig.4 Motion track diagram5 结论根据3D打印控制系统硬件构成与G代码特征，结合C#开发平台、GRETA正则表达、PCI-1245E运动控制板卡的相关函数，设计并开发G代码解释器，实现了G代码读取、检查分析和解释，并兼具轨迹显示和控制信号输出等功能.通过与板卡通讯的实例验证，本文的G代码解释器能够对工作台运动进行有效控制，证明了其正确性与稳定性，该解释器还具有较高的可移植性与拓展性，对3D打印控制系统开发具有十分重要的意义.【相关文献】[1] 李秋实.3D打印控制方案设计与实现[D].武汉:湖北工业大学,2016.[2] 杨婉霞,邓志杰,杨梅.基于DSP和CAN总线的步进电机控制系统[J].兰州交通大学学报,2007,26(4):130-132.[3] 吴春兰,韩晓红.3D打印技术对我国制造业带来的机遇探讨[J].兰州交通大学学报,2014,33(2):128-130.[4] 甘明,袁正萍,林桂清.基于WinCE嵌入式数控系统NC代码解释器的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2009(11):72-74.[5] 刘党校.网络雕刻机NC代码解释器设计与实现[D].西安:西安工业大学,2013.[6] 任松涛,秦现生,白晶.NC代码解释器的开发[J].机械设计与制造工程,2007,36(5):54-57.[7] 王尚斌.虚拟数控加工过程控制系统的设计与实现[D].沈阳:中国科学院研究生院沈阳计算技术研究所,2009.[8] 郭雅婕,杨鹏,宣伯凯.基于工控机和运动控制卡的G代码解释器研究[J].计算机与数字工程,2014,42(8):1403-1406.[9] 赵俊伟,李汉超,代军,等.基于正则表达式的串并联机床运动控制G代码解释器研究[J].河南理工大学学报(自然科学版),2017,36(3):86-91.[10] 庄源昌,高罗卿,吴新明.平台可移植的数控系统G代码解释器的设计[J].组合机床与自动化加工技术,2014(7):103-105.[11] 胡忠仲.基于多轴运动控制卡的开放式工业机器人控制系统设计[D].合肥:合肥工业大学,2015.[12] 梁远标,郭钟宁,张俊伟.C++的G代码解析算法研究[J].机械设计与制造,2016(3):150-152.[13] 柳叶青,邓振生,陈真诚,等.基于运动控制卡的控制系统的设计与实现[J].微计算机信息,2010(4):55-57.[14] 吉华,李彦,肖世广.Linux下G代码解释器的设计与实现[J].计算机应用研究,2006,23(12):200-202.[15] 王心光.虚拟数控加工通用G代码编译器的研究[D].杭州:浙江大学,2005.[16] 高静远,张鹏,周金瑞.基于VC的开放式数控系统NC代码解释器及扩展功能的设计及实现[J].机床与液压,2012,40(13):118-120.。
