基于運(yùn)動(dòng)控制卡的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)*

劉 雷，劉建群

(廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006)

0 引言

傳統(tǒng)雕刻是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝，雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率低、成本高、制品的隨意性強(qiáng)，一致性差，嚴(yán)重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。隨著市場(chǎng)的需求和計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機(jī)產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機(jī)遇，開始了向自動(dòng)化方向發(fā)展，由于其價(jià)格遠(yuǎn)比數(shù)控機(jī)床便宜，在廣告、木材加工、飾品加工、模具加工等領(lǐng)域越來(lái)越受到廣大用戶的青睞［1］。隨著各種新型材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來(lái)越多，使得計(jì)算機(jī)數(shù)控雕刻機(jī)有了更大的用武之地。所以，數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。目前，國(guó)外的雕刻機(jī)主要有美國(guó)的“雕霸”、日本的“御牧”以及法國(guó)的“嘉寶”等，他們的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)已相當(dāng)成熟，但是其價(jià)格非常昂貴。在國(guó)內(nèi)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的雕刻機(jī)技術(shù)也有很大的進(jìn)步，已經(jīng)有了上海洛克公司生產(chǎn)的“啄木鳥”、北京精雕公司生產(chǎn)的“精雕”和南京科能公司生產(chǎn)的“威克”等多個(gè)品牌［2］，也占有一定的市場(chǎng)。本課題研究的雕刻機(jī)控制系統(tǒng)采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”的模式，系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性。

1 雕刻機(jī)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

目前，基于PC的系統(tǒng)是比較容易實(shí)現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)，本雕刻機(jī)就是采用PC機(jī)與固高公司GT400多軸運(yùn)動(dòng)控制卡開發(fā)的一個(gè)開放式數(shù)控系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)組織如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

GTS-400運(yùn)動(dòng)控制卡是高性能的伺服運(yùn)動(dòng)控制卡，它可以同步控制四個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其核心由DSP和FPGA組成，可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。運(yùn)動(dòng)控制卡提供C語(yǔ)言等函數(shù)庫(kù)和Windows動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，將這些控制函數(shù)與自己本系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合雕刻機(jī)要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)雕刻加工的各種要求。

運(yùn)動(dòng)控制卡的工作模式有兩種，脈沖模式和模擬量模式。在脈沖量信號(hào)輸出方式下，又可以分兩種，脈沖+方向信號(hào)模式和正/負(fù)脈沖信號(hào)模式［4］，在本系統(tǒng)中使用脈沖+方向信號(hào)模式。

伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器采用松下MINAS A5系列，可滿足各種高速、高精度和高性能機(jī)器的要求。

2 雕刻機(jī)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的控制軟件是在Windows XP平臺(tái)上以Visual C++6.0為開發(fā)工具，PC機(jī)主要負(fù)責(zé)文件的讀取和圖形的處理工作，運(yùn)動(dòng)控制卡負(fù)責(zé)各軸的運(yùn)動(dòng)控制，系統(tǒng)主要包括NC代碼管理，加工運(yùn)行，人機(jī)交互等幾大模塊，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.1 NC代碼管理

NC代碼包含了數(shù)控機(jī)床實(shí)際加工零件時(shí)所需的一切信息，零件加工的工藝順序，運(yùn)動(dòng)軌跡與方位，工藝參數(shù)以及輔助功能。每一個(gè)NC代碼主要包含了各種準(zhǔn)備功能的G指令、輔助功能的M指令、坐標(biāo)功能字、進(jìn)給功能字F、主軸轉(zhuǎn)速功能字S、刀具功能字T和其它指令，本系統(tǒng)所能識(shí)別的指令見表1。

表1 系統(tǒng)所能識(shí)別的指令

(續(xù)表)

每一段NC代碼程序表示了一個(gè)零件外形幾何線條的加工或者是一些輔助功能，因此，無(wú)論是通過(guò)軟件自動(dòng)生成的NC代碼或者是人工手動(dòng)編寫的NC代碼，在加工之前都要進(jìn)行錯(cuò)誤檢查，以確保零件在加工過(guò)程的安全性［5］。NC代碼的錯(cuò)誤檢查主要有兩個(gè)方面，詞法檢查和語(yǔ)法檢查［6］。

詞法檢查主要是檢查NC代碼中每一指令字中的地址符，及其后面的數(shù)字類型、數(shù)字范圍是否符合NC代碼中的規(guī)則。詞法方面的錯(cuò)誤主要有以下幾種：在程序中不能出現(xiàn)未定義的地址符號(hào);地址符后面是否是數(shù)字;X，Y，Z方向的坐標(biāo)值不能超過(guò)機(jī)床本身最大的工作行程;同一行NC代碼中，同一組的模態(tài)代碼不能重復(fù)出現(xiàn)等。

另外，在文字和影視中，小編更傾向于影視。原因其實(shí)很簡(jiǎn)單……一是因?yàn)榻佑|武俠的時(shí)候，看的主要就是電視劇，于是對(duì)武俠影視作品有一種天然的親近感，二是大俠們的古裝造型，真的很好看。

語(yǔ)法檢查主要是檢查數(shù)控指令是否符合數(shù)控系統(tǒng)的語(yǔ)法規(guī)則。語(yǔ)法方面的錯(cuò)誤主要有以下幾種：圓弧插補(bǔ)的參數(shù)是否正確;圓弧的起點(diǎn)、終點(diǎn)和圓心是否正確構(gòu)成圓弧等。

保存NC代碼信息的類CCodeData結(jié)構(gòu)如下：

要保存所有的NC代碼信息，可以用一個(gè)鏈表CList＜CCodeData，CCodeData＆ ＞ g_CNCList來(lái)保存，鏈表的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)保存一行NC代碼的信息［7］。

NC代碼對(duì)于計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)就是一堆字符，無(wú)法直接加工，必須將解釋翻譯成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的程序才可以用來(lái)加工，NC代碼的錯(cuò)誤檢查和解釋翻譯軟件流程如圖3所示。

圖3 NC代碼的錯(cuò)誤檢查和解釋翻譯流程

首先，打開NC代碼文件，利用CStdioFile類讀取NC代碼文件中的內(nèi)容并顯示在RichEdit控件中，或者可以直接在RichEdit控件中手動(dòng)輸入NC代碼。

其次，在RichEdit控件中選擇一行代碼，并將其保存到一個(gè)字符數(shù)組中，分析數(shù)組中的每一個(gè)字符，檢查是否有詞法、語(yǔ)法錯(cuò)誤。如果有錯(cuò)誤，則提示此行錯(cuò)誤，并說(shuō)明錯(cuò)誤類型，如：“此行X坐標(biāo)重復(fù)!”。如果沒(méi)有錯(cuò)誤，使用C語(yǔ)言的庫(kù)函數(shù)atoi()或atof()將一行代碼中的各種加工信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的G指令、輔助功能M、F等和X、Y、Z等的坐標(biāo)信息，保存到CCodeData類的一個(gè)對(duì)象，添加到鏈表g_CNCList的一個(gè)結(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)選擇下一行代碼進(jìn)行檢查，直到所有代碼檢查完為止。

2.2 加工運(yùn)行

2.2.1 運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)控制卡采用的是固高公司的GTS-400運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式可以實(shí)現(xiàn)4軸的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，從而完成零件的加工運(yùn)動(dòng)。該插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)模式具有以下一些功能：可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ);可以同時(shí)有兩個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng);每個(gè)坐標(biāo)系含有兩個(gè)緩存區(qū)，可以實(shí)現(xiàn)緩存區(qū)暫停、恢復(fù)等功能;具有緩存區(qū)延時(shí)和緩存區(qū)數(shù)字量輸出的功能;具有前瞻預(yù)處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)小線段高速平滑的連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)［4］。

在軟件中，將運(yùn)動(dòng)控制部分的功能編寫到CMotionControl類中，調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)gts.dll，主要包括對(duì)控制卡的初始化設(shè)置、點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)、回原點(diǎn)、端口的輸入與輸出等。

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，先要對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行初始化：

(1)開運(yùn)動(dòng)控制卡：GT_Open();

(2)復(fù)位運(yùn)動(dòng)控制卡：GT_Reset();

(3)配置運(yùn)動(dòng)控制卡：GT_LoadConfig("GTS400.cfg");

在運(yùn)動(dòng)控制卡的初始狀態(tài)下，所有軸都處于單軸運(yùn)動(dòng)模式，因此，要進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，就要建立坐標(biāo)系，即工件坐標(biāo)系，調(diào)用GT_SetCrdPrm()指令將各個(gè)軸映射到對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)系中，控制各個(gè)軸來(lái)完成插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。

開始時(shí)，從鏈表g_CNCList讀取CNC信息，使用運(yùn)動(dòng)控制卡的插補(bǔ)函數(shù)，將插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)代碼發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制卡的插補(bǔ)緩存區(qū)，啟動(dòng)插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床開始加工。

插補(bǔ)緩存區(qū)有4096段插補(bǔ)數(shù)據(jù)的空間，在數(shù)據(jù)量比較大的時(shí)候，如果當(dāng)插補(bǔ)緩存區(qū)已滿的時(shí)候，再向緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，丟失插補(bǔ)數(shù)據(jù)，會(huì)發(fā)送無(wú)法預(yù)料的危險(xiǎn)，因此需要調(diào)用GT_CrdSpace()指令查詢插補(bǔ)緩存區(qū)的剩余空間，只有當(dāng)緩存區(qū)還有空間的時(shí)候，才能繼續(xù)向緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 速度前瞻預(yù)處理

對(duì)于小線段的插補(bǔ)加工，為保證刀具與加工工件接觸面的光滑，應(yīng)該盡量保證在軌跡運(yùn)動(dòng)過(guò)程中切向速度恒定，同時(shí)要保證一定的軌跡精度，然而在每一條線段的終點(diǎn)與下一條線段的連接處都會(huì)出現(xiàn)或大或小的拐點(diǎn)，在加工到這些拐點(diǎn)處必需做減速處理，以避免造成較大的沖擊，影響機(jī)械和電機(jī)的壽命同時(shí)也影響加工的精度。速度應(yīng)當(dāng)降到多少，是否應(yīng)該降到零，根據(jù)線段長(zhǎng)度、速度、加速度、拐點(diǎn)速度變化以及加工工藝參數(shù)來(lái)計(jì)算出各段終點(diǎn)的速度。這種在加工前對(duì)速度做規(guī)劃的處理方式就稱之為速度前瞻預(yù)處理。做這種處理的目的是為了解決高速度與高精度之間的問(wèn)題，做到在不影響加工精度、機(jī)械和電機(jī)壽命的同時(shí)使加工速度達(dá)到最大。使用和不使用前瞻預(yù)處理功能模塊的速度如圖4所示。

圖4 使用和不使用前瞻預(yù)處理功能模塊的速度比較圖

2.3 人機(jī)交互界面和運(yùn)行實(shí)例

雕刻機(jī)的人機(jī)交互界面是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面顯示在PC機(jī)的顯示器上，為操作者提供一個(gè)直觀的操作界面，軟件的操作界面和運(yùn)行實(shí)例如圖5所示，其中的泰迪熊模型為刀具路徑的三維預(yù)覽。操作界面主要包括參數(shù)設(shè)置、功能顯示、圖形顯示等。在參數(shù)設(shè)置界面上可以方便地設(shè)置機(jī)床參數(shù)和電機(jī)參數(shù)。功能顯示包括機(jī)床坐標(biāo)、工件坐標(biāo)和工件坐標(biāo)原點(diǎn)的設(shè)置按鈕，以及當(dāng)前的加工速度和調(diào)節(jié)加工速度倍率，手動(dòng)控制按鈕，還有菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄等。圖形顯示主要包括三維圖形預(yù)覽和雕刻機(jī)加工時(shí)軌跡實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤的顯示。

圖5 軟件的操作界面和運(yùn)行實(shí)例

3 結(jié)論

基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的開放性和靈活性，在開發(fā)過(guò)程中，充分利用了運(yùn)動(dòng)控制卡強(qiáng)大的計(jì)算能力和伺服控制能力及PC機(jī)上Visual C++的高效靈活的編程能力，既快速調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的庫(kù)函數(shù)，又可以方便地增加新的功能模塊。

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