基于GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的研究

譚 肖

（湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

由于對(duì)數(shù)控加工多樣化要求的不斷提高，對(duì)加工的專業(yè)化要求也越來(lái)越高［1，2］，如何有效地利用PC機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算能力、簡(jiǎn)潔的人機(jī)界面成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要問(wèn)題。當(dāng)前的PC機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)結(jié)合主要有兩種方法：一種是通過(guò)簡(jiǎn)單的I/O模塊組成簡(jiǎn)易的數(shù)控系統(tǒng)，此系統(tǒng)成本低，但在程序編寫(xiě)的問(wèn)題上較為復(fù)雜；另一種是通過(guò)控制器控制并行的雙CPU上、下位機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)，此模式具有很大的編程靈活性，便于用戶自主開(kāi)發(fā)［3，4］。本文運(yùn)用固高GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制卡建立開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)并與XY實(shí)驗(yàn)平臺(tái)連接，構(gòu)成一個(gè)開(kāi)發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、控制精度高、價(jià)格低廉的開(kāi)放式數(shù)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 總體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于GT400-SG的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。由圖1可以看出，基于控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)主要是利用PC機(jī)的人機(jī)界面，通過(guò)PCI連接運(yùn)動(dòng)控制卡，控制驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，從而達(dá)到控制數(shù)控機(jī)床的目的［5］。

圖1 基于GT400-SG的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

1.2 GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器

GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器主要由DSP、FPGA和PCI橋構(gòu)成，由于PCI設(shè)備為即插即用設(shè)備，因此不需要基地址選擇跳線和中斷選擇跳線。GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器需與接口端子板配合使用，通過(guò)轉(zhuǎn)接板與PC連接。圖2為運(yùn)動(dòng)控制器與接口端子板連接圖。

圖2 運(yùn)動(dòng)控制器與接口端子板連接示意圖

2 運(yùn)動(dòng)控制器的工作原理

2.1 控制軸的定義

GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器具有4個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制通道，可同時(shí)控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，我們將這4個(gè)控制通道簡(jiǎn)稱為4個(gè)控制軸。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制命令和庫(kù)函數(shù)

GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器提供C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)以及動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，完成上、下位機(jī)的通訊，以此來(lái)驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器工作。用戶可以在上位機(jī)（主機(jī)）中調(diào)用相應(yīng)的庫(kù)函數(shù)，發(fā)出運(yùn)動(dòng)控制命令，完成軌跡規(guī)劃、采樣刷新等復(fù)雜運(yùn)算和操作，并轉(zhuǎn)換為運(yùn)動(dòng)脈沖信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)。

運(yùn)動(dòng)控制器命令分成3類：面向控制軸的命令、面向坐標(biāo)系的命令和其他命令?？刂戚S根據(jù)主機(jī)的要求設(shè)置成5種不同的運(yùn)動(dòng)模式：S曲線模式、梯形曲線模式、速度控制模式、電子齒輪模式和坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)模式。

停止運(yùn)動(dòng)的方式主要有急停方式和平滑停止方式。這兩種不同的方式是通過(guò)兩個(gè)不同的主機(jī)命令GT＿AbptStp（）和GT＿SmthStp（）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。GT＿AbptStp（）命 令 控 制 軸 的 速 度 設(shè) 為0。而GT＿SmthStp（）命令控制軸的運(yùn)動(dòng)平滑停止，此時(shí)，設(shè)定一個(gè)加速度進(jìn)行減速直至速度為0，減速過(guò)程與加速過(guò)程對(duì)稱。

主機(jī)需要對(duì)各控制軸設(shè)置不同的運(yùn)動(dòng)模式和控制參數(shù)來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)。GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器采用雙緩沖機(jī)制來(lái)完成參數(shù)的設(shè)置和更新。為實(shí)現(xiàn)控制軸多個(gè)參數(shù)的更新以及多個(gè)控制軸參數(shù)的同步更新，GT400-SG控制器把控制軸參數(shù)和相關(guān)的控制命令下載到運(yùn)動(dòng)控制器的儲(chǔ)存器中；當(dāng)上位機(jī)（主機(jī)）發(fā)出刷新命令時(shí)，控制器將在下一個(gè)采樣周期將這些參數(shù)和命令復(fù)制到有效寄存器中，使其生效。這種由刷新命令控制的雙緩沖機(jī)制有效地減小了數(shù)據(jù)更新時(shí)程序報(bào)錯(cuò)的概率。

3 運(yùn)動(dòng)控制

3.1 加減速控制

加、減速控制是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)插補(bǔ)器的重要組成部分，是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。常見(jiàn)的加、減速控制方式有直線加減速（T曲線加減速）、三角函數(shù)加減速、指數(shù)加減速和S曲線加減速等。其中，在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用最廣泛的為直線加減速和S曲線加減速算法。下面運(yùn)用GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器下的XY平臺(tái)針對(duì)S曲線加減速和T曲線加減速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖3為對(duì)S曲線加減速的參數(shù)設(shè)置，圖4為T曲線加減速運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置，圖5為S曲線加減速的位移、速度以及加速度的曲線變化圖，圖6為T曲線的位移、速度、加速度曲線圖。

圖3 S曲線加減速運(yùn)動(dòng)的參數(shù)設(shè)置

圖4 T曲線加減速運(yùn)動(dòng)的 參數(shù)設(shè)置圖

3.2 電子齒輪

電子齒輪模式實(shí)際上是一個(gè)多軸聯(lián)動(dòng)模式，其運(yùn)動(dòng)效果與兩個(gè)機(jī)械齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)類似。電子齒輪可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)運(yùn)動(dòng)軸按設(shè)定的齒輪比同步運(yùn)動(dòng)。另外，電子齒輪功能還可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)運(yùn)動(dòng)軸以齒輪比跟隨一個(gè)函數(shù)，而這個(gè)函數(shù)由其他的幾個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)決定；一個(gè)軸也可以以設(shè)定的比例跟隨其他兩個(gè)軸的合成速度。

圖5 S曲線加減速曲線變化圖

圖6 T曲線加減速變化曲線圖

當(dāng)前軸工作在電子齒輪模式下時(shí)，主要需設(shè)置一個(gè)參數(shù)，即電子齒輪減速比，其范圍為－16 384～16 384，當(dāng)前軸會(huì)按照設(shè)定的速度比值跟隨主動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)。電子齒輪模式下的參數(shù)設(shè)置見(jiàn)圖7。

圖7 電子齒輪模式下的參數(shù)設(shè)置

隨后對(duì)主動(dòng)軸進(jìn)行S曲線或T曲線的運(yùn)動(dòng)模式設(shè)置（與上述的T曲線和S曲線運(yùn)動(dòng)設(shè)置相同），開(kāi)啟軸后，進(jìn)行運(yùn)行，得出從動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)位移、速度和加速度曲線，如圖8所示。

圖8 電子齒輪模式下的從動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)曲線圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用固高GT400-SG運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)筑了一個(gè)上下位機(jī)形式的開(kāi)放式數(shù)控平臺(tái)，并對(duì)該數(shù)控平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制做出了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，完成了加減速等運(yùn)動(dòng)控制。整個(gè)數(shù)控平臺(tái)采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制卡完成插補(bǔ)計(jì)算、位置控制、速度控制等實(shí)時(shí)任務(wù)，以PC機(jī)實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面、靈活的系統(tǒng)配置、增強(qiáng)的外部軟件接口，為今后的精密加工實(shí)驗(yàn)提供了科學(xué)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

［1］鄭玉林.基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［D］.武漢：武漢工業(yè)學(xué)院，2007：32-34.

［2］張劍，殷蘇民.基于運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研制［J］.機(jī)床與液壓，2003（3）：214-217.

［3］席典剛，晏群，劉思勝.基于PC＋I(xiàn)/O軟件化開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)框架研究［J］.機(jī)床與液壓，2011，39（10）：78-82.

［4］占小猛，楊林，任仲偉.基于DMC運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)研究［J］.機(jī)械制造與自動(dòng)化，2011（2）：126-130.

［5］MA Xiong-bo，HAN Zhen-yu，WANG Yong-zhang，et al.Development of a PC-based open architecture software-CNC system［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2007，20（3）：341-346.