數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國(guó)

(山東科技大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究

韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國(guó)

(山東科技大學(xué) 先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上料機(jī)構(gòu)工作特點(diǎn)和要求，采用“PC+運(yùn)動(dòng)控制卡”模式構(gòu)建了開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)，研究其在伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用VS2008提供的MFC作為工具進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)底層控制程序。通過調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡提供的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)伺服控制系統(tǒng)軟件。

運(yùn)動(dòng)控制卡；伺服控制系統(tǒng)；MFC；運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)

0 前言

運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)是跨學(xué)科的綜合技術(shù)，機(jī)電一體化的核心。位置控制的實(shí)現(xiàn)一般直接采用單片機(jī)或微機(jī)，但外圍電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的開發(fā)周期。對(duì)控制的精度和速度要求越來越高，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已達(dá)不到快速產(chǎn)品開發(fā)的要求。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了種類繁多的運(yùn)動(dòng)控制卡，能夠滿足運(yùn)算速度快、高精度的控制要求，非常適合專用數(shù)控設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)。

采用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是基于PCI總線的PCI-DMC1410 運(yùn)動(dòng)控制卡和功能函數(shù)庫(kù)、PC機(jī)、控制多軸的伺服電動(dòng)機(jī)、并依照預(yù)定軌跡和運(yùn)動(dòng)參數(shù)作定位運(yùn)動(dòng)[4]。具有開放性、通用性等特點(diǎn)，方便移植到各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)中去，如雕刻機(jī)、專用數(shù)控機(jī)床等，并利用VS2008提供的MFC為工具，開發(fā)設(shè)計(jì)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床板料拆垛上料機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

1 基于運(yùn)動(dòng)控制卡的上料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件組成

1.1DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡

DMC1410是基于PCI總線的脈沖式運(yùn)動(dòng)控制卡，可實(shí)現(xiàn)多達(dá)四個(gè)步進(jìn)/伺服電動(dòng)機(jī)的控制如圖1所示。PCI總線是一種先進(jìn)的高性能32/64位地址數(shù)據(jù)重用本地總線，具有即插即用硬件直線插補(bǔ)、S型速度控制曲線等功能。位置指令可用單通道脈沖(脈沖+方向)或雙路脈沖(CW脈沖+CCW脈沖)方式輸出，可以差分式或單頭式信號(hào)，具有高集成度、高可靠性等特點(diǎn)。

圖1 DMC1410結(jié)構(gòu)控制圖

此運(yùn)動(dòng)控制卡可完成連續(xù)軌跡和點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。速度控制和位置控制是通過點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。位置控制模式下包含了2種加減速方式：梯型曲線加減速和S型曲線加減速。

1.2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和原理

板料拆垛是自動(dòng)化沖壓的第一道工序。從備料車間運(yùn)送到?jīng)_壓車間的板料，首先通過上料機(jī)構(gòu)中的板料分離裝置自動(dòng)將毛胚垛料實(shí)現(xiàn)分離，然后通過板料抓取裝置-拾端器進(jìn)行抓取。抓取之后再放到指定地方。上料機(jī)構(gòu)系統(tǒng)完成板料的抓取、拆垛和放置，在工作過程中需要精確的位置、角度定位。在板料的抓取和放置過程中需要較高的精度和速度，一般傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)滿足不了更高的要求。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件由以下四部分組成：運(yùn)動(dòng)控制卡、PC機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電動(dòng)機(jī)。運(yùn)動(dòng)控制卡為雷賽科技的DMC1410 的四軸運(yùn)動(dòng)控制卡。步科ED-430伺服驅(qū)動(dòng)器和+60S-0040-30XXX-4LG小慣量三相伺服電動(dòng)機(jī)。PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡一起構(gòu)成控制單元，PC機(jī)主要管理信息流和數(shù)據(jù)流，控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和人機(jī)交互界面的管理等方面的工作。控制卡插在PC機(jī)主板上的PCI插槽內(nèi)。運(yùn)動(dòng)控制卡上專用CPU與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。自動(dòng)升降的處理、脈沖和方向信號(hào)的輸出、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等都可由運(yùn)動(dòng)控制卡完成。驅(qū)動(dòng)器與運(yùn)動(dòng)控制卡的連接板相連，采用編碼器速度控制，并將收到運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖信號(hào)，通過內(nèi)部電路控制電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。如此構(gòu)成一個(gè)半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。構(gòu)成如圖2所示。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 梯形速度曲線運(yùn)動(dòng)模式

圖3 梯形速度和加速度曲線圖

梯形速度曲線如圖3所示。通常位置控制采用這種速度控制模式。在運(yùn)動(dòng)過程中先以恒定的加速度進(jìn)行加速，然后達(dá)到指定值時(shí)開始勻速運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行一段距離后再恒定的加速度進(jìn)行減速。梯形速度曲線，包括3個(gè)階段：恒加速階段、勻速階段、恒減速階段。

運(yùn)行速度之所以以梯形曲線變化，主要因?yàn)閼T性的作用。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子和被拖動(dòng)的物體不可能在瞬間達(dá)到指定速度，因此必須有一定的加速過程。由圖4可以看出梯形曲線加減速過程中，啟動(dòng)時(shí)、達(dá)到設(shè)定速度時(shí)、從最高速度下降時(shí)和最后停止時(shí)的這4個(gè)瞬間，表現(xiàn)出速度轉(zhuǎn)折及相對(duì)應(yīng)的加速度突變。

以梯型曲線進(jìn)行加減速的主要優(yōu)點(diǎn)是在運(yùn)動(dòng)過程當(dāng)中可以自動(dòng)修改目標(biāo)位置和速度；其控制方法和計(jì)算簡(jiǎn)單；適合進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算；有較短的加減速時(shí)間。此方法適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢，且對(duì)加減速過程要求不高的場(chǎng)合[1]。

1.4S型速度曲線運(yùn)動(dòng)模式

如圖4所示，S型速度曲線運(yùn)動(dòng)模式的加速度是一個(gè)連續(xù)的變化過程。加速度或減速度線性地增加或減少，所以在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性方面較好。

圖4 S型速度和加速度曲線圖

此運(yùn)動(dòng)模式中減速與加速是兩個(gè)對(duì)稱的過程，整個(gè)運(yùn)行過程分為7個(gè)階段:加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。從S型速度和加速度曲線可以看出，速度和加速度都是時(shí)間t的連續(xù)函數(shù)。從啟動(dòng)到加速過程有光滑過渡過程，這種運(yùn)動(dòng)模式?jīng)_擊小，噪聲小，可延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械系統(tǒng)的使用壽命。

梯形曲線加減速在運(yùn)動(dòng)過程中可以隨時(shí)修改目標(biāo)位置和速度；S曲線加減速只能修改目標(biāo)位置。在加速度相等的情況下梯形曲線具有較短的加減速時(shí)間，而S曲線的運(yùn)動(dòng)比較平滑，應(yīng)針對(duì)具體的場(chǎng)合選擇相應(yīng)的加減速模式。

2 上料機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于Windows平臺(tái)的系統(tǒng)軟件是基于搶占式的多任務(wù)操作系統(tǒng)[2]，具有友好的圖形界面和豐富的開發(fā)資源，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)時(shí)不需要用戶干預(yù)。采用模塊化設(shè)計(jì)，便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。根據(jù)需求將該系統(tǒng)劃分成位置模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、系統(tǒng)管理模塊、信息顯示以及異常檢測(cè)處理等6大模塊。VS2008是一個(gè)功能強(qiáng)大的可視化編程工具，是目前常用的程序開發(fā)平臺(tái)之一。DMC1410提供Windows驅(qū)動(dòng)程序，能夠在VS2008環(huán)境下調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，而寄存器級(jí)別的應(yīng)用函數(shù)為開發(fā)人員提供更多的便利，使底層的開發(fā)更加容易[3]。圖5為系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

啟動(dòng)系統(tǒng)后進(jìn)行初始化，然后設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，參數(shù)設(shè)置主要負(fù)責(zé)設(shè)置上料機(jī)x、y、z軸運(yùn)動(dòng)控制的脈沖輸出，控制脈沖發(fā)送的速度。參數(shù)設(shè)置完成后，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制模塊程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，狀態(tài)顯示模塊將各軸運(yùn)行狀態(tài)，如速度、位置等信息顯示。各功能模塊通過主框架程序相互協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成一個(gè)完整統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.2 軟件的模塊化實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化方法使得上料機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件便于維護(hù)，并且具有可重構(gòu)性、可擴(kuò)充性。模塊化設(shè)計(jì)即在程序的編寫過程中不是逐條逐句寫入各種語句和控制指令。而是用框架將軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出比如主程序、子程序、子過程等。將各個(gè)框架之間的輸入、輸出、鏈接等關(guān)系定義并調(diào)試好，由此得到以功能塊為單位的一系列算法描述[4]。模塊化設(shè)計(jì)可以降低程序的復(fù)雜程度，便于設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)。模塊化的開發(fā)過程中,要做好目錄結(jié)構(gòu)、命名規(guī)范、全局和特例的界限劃分。這樣才能容易實(shí)現(xiàn)封閉獨(dú)立性、可重復(fù)性、可修改性、統(tǒng)一性等較高的要求。對(duì)系統(tǒng)模塊還有需要注意以下幾個(gè)問題：系統(tǒng)更換的可能性和必要性；在功能及結(jié)構(gòu)方面有一定的獨(dú)立性和完整性；模塊間的銜接要素要易于聯(lián)接與分離。按模塊化設(shè)計(jì)思想對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊劃分，將運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)分成以下幾個(gè)模塊(圖6)：

1) 初始化模塊，對(duì)拆垛上料機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化工作，主要包括界面、運(yùn)動(dòng)控制卡和各項(xiàng)參數(shù)等的初始化。

2) 參數(shù)設(shè)置模塊，完成對(duì)相關(guān)機(jī)構(gòu)速度、加速度、運(yùn)動(dòng)位置的設(shè)定。模具庫(kù)管理及伺服報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)。

3) 運(yùn)動(dòng)控制模塊，主要包括運(yùn)動(dòng)模式的選擇、接收限位、開關(guān)等信號(hào)、回零、對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)拆垛上料機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制。

4) 狀態(tài)顯示，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信息。

5) 系統(tǒng)管理以及異常檢測(cè)處理模塊。

圖6 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)軟件模塊圖

控制系統(tǒng)軟件還需要一個(gè)方便、友好的控制系統(tǒng)人機(jī)界面圖7為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床板料拆垛上料機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面。

圖7 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)操作界面結(jié)構(gòu)控制圖

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)界面主要作用是通過各種方式把系統(tǒng)的各種功能信息展示出來，并把用戶的輸入和選擇變成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞給控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用戶界面應(yīng)該是界面友好、親和力強(qiáng)，能夠最大限度的反饋系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵狀態(tài)，讓操作者更好的掌握系統(tǒng)的運(yùn)行過程。

2.3 程序的實(shí)現(xiàn)

用戶可以編制出相對(duì)應(yīng)要求的控制系統(tǒng)界面，并調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡上相應(yīng)的一部分函數(shù)，就可以開發(fā)出滿足要求的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。依據(jù)所設(shè)計(jì)的操作界面以及要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)控制功能，可通過響應(yīng)函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)話框中x、y、z軸3個(gè)按鈕，要對(duì)初速度、加速度、運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置和有選擇性的讀取。

實(shí)現(xiàn)過程如下:

如果實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)動(dòng)模式時(shí)三軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng),調(diào)用運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)響應(yīng)函數(shù)中的v_move(axis, str_vel, max_vel, Tacc)，結(jié)束運(yùn)動(dòng)時(shí)調(diào)用v_stop(axis, Tdec),停止各軸的運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)語

基于PCI總線上的PCI - DMC1410四軸運(yùn)動(dòng)控制卡為核心的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。為了克服傳統(tǒng)的數(shù)字運(yùn)動(dòng)控制裝置外圍電路復(fù)雜，計(jì)算速度慢的缺陷，設(shè)計(jì)了高速，高精度運(yùn)動(dòng)控制。此外，該系統(tǒng)具有通用性，能夠方便地移植到各種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的開發(fā)中。

[1] 胡建華，廖文和，周儒榮. CNC系統(tǒng)中幾種升降速控制曲線的研究與比較[J]. 南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào). 1999, 31(6):706-711.

[2] 金雪云，等.Visual C++教程[M].北京.清華大學(xué)出版社，2005.

[3] 張杰，黃益群.基于PC的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開發(fā)[J].伺服控制，2007:47-48.

[4] 閆建國(guó).基于DSP的無人飛機(jī)飛控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2009,29(1)：221-236.

Motion Control System of Feeding Mechanism of CNC Turret Punch Based on Motion Control Card

HAN Ying-ying, ZHONG Pei-si, WEI Jun-ying, LIU Mei,LU Zhen-guo

(Advanced Manufacturing Technology Center, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China)

This paper constructs the hardware of open type CNC system based on the mode of “PC + Motion Control Card”by using DMC1410 PCI motion control card and studies the use of hardware in the servo control system. The MFC provided VC++6.0 is used as a tool for secondary exploitation to develop the bottom control procedures. It designs the servo control system software through calling motion function library of motion control card.

motion control; servo control system; MFC; movement function library

山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2011EEM014)

韓迎迎(1985-)，女，山東濱州人，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

TG385

B

1671-5276(2014)02-0069-03

2013-03-07