ORAC數(shù)控車床進給單元插補控制設計

范鵬飛

(合肥工業(yè)大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009)

隨著超大規(guī)模集成電路和計算機水平的高速發(fā)展，數(shù)控機床制造商不僅注重提高產(chǎn)品品質，而且希望節(jié)約研發(fā)成本和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。通過模擬仿真可以達到這一目的。在產(chǎn)品研發(fā)初期，插補控制仿真技術可以用于進給單元大部分性能參數(shù)改進和動態(tài)性能測試［1］。

利用MP-C152 運動控制卡以及利于數(shù)控系統(tǒng)不斷升級更新的Windows 平臺和VC + +軟件對傳統(tǒng)插補控制系統(tǒng)進行改進，研發(fā)出了新的數(shù)控機床進給單元插補控制系統(tǒng)，彌補了經(jīng)濟性、實用性的不足。

1 系統(tǒng)硬件設計

現(xiàn)有的ORAC 數(shù)控車床的數(shù)控系統(tǒng)是印刷電路板式的，為了提高工作效益，通過在印刷電路板上增加運動控制卡MP-C152，利用工控機在Windows 環(huán)境下實現(xiàn)數(shù)控車床進給單元的插補控制。除運動控制卡、輸入輸出卡代替原來下位機印制電路板控制部分以外，其他硬件如電機和驅動器等不變，還是用原來機床上的硬件。

1.1 IPC 簡介

工業(yè)控制微機IPC (Industrial Personal Computer)泛指ISA、PCI 等PC 總線型工業(yè)控制計算機。生產(chǎn)商通過增加密封保護、板壓條、過濾器和額外風扇等措施，形成了IPC 的雛形。如今IPC 可經(jīng)受高低溫沖擊、潮濕、振動、電磁干擾、粉塵等惡劣作業(yè)環(huán)境的考驗，同時它擁有豐富的硬件、軟件和程序資源，這是其他計算機系統(tǒng)無法相比的。該插補控制裝置選擇IPC 作為平臺。

1.2 MP-C152 運動控制卡簡介

該運動控制卡是一種安裝在PC 或IPC 中，以脈沖和方向輸出方式專門控制步進電機［2］和伺服電機的板卡。運動控制卡［3］接受主CPU 的指令，進行運動軌跡控制，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關信號的檢測等。運動控制卡可控制多軸步進電機或數(shù)字式伺服電機，并支持多卡共用，可實現(xiàn)多軸的控制。每個軸都可以輸出脈沖和方向信號，并可輸入原點、減速、限位開關等信號，以實現(xiàn)回原點、限位保護等功能。開關信號由控制卡自動檢測并作出反應。

1.3 通信模式設計

數(shù)控機床的通信模式可以分為單機模式和上下位機模式，而后者是全方位的開放式結構，設計快捷方便，滿足遠程控制所要求的實時性。故ORAC 數(shù)控車床進給單元選擇上下位機模式，并用MP-C152 運動控制卡來控制二軸電機的工作，而且該卡與工控機的通信接口已經(jīng)調(diào)整設定好，即直接把MP-C152 運動控制卡插到PCI 插槽中實現(xiàn)上下位機的通信。

1.4 硬件結構和工作原理

進給單元硬件結構如圖1 所示。硬件由弱電型數(shù)控裝置和強電型輸出驅動及其控制電路組成，其中的數(shù)控裝置由標準的PC 機、MP-C152 運動控制卡及I/O 接口電路板等組成，強電型輸出驅動及其控制電路由步進電機、步進電機驅動器、強電控制電路及限位行程開關和操作面板等組成。插在PC 機PCI 插槽上的運動控制卡和PC 機相連，而PC 機再通過50 根I/O 信號線相連，從而控制X、Z 兩個方向的步進電動機，實現(xiàn)對數(shù)控車床的控制。

圖1 硬件結構

1.5 硬件組成結構設計

改造后的ORAC 數(shù)控車床進給單元如圖2 所示，主要由以下幾個部分組成:

(1)ADlink 工業(yè)控制計算機一臺;

(2)ADlink 運動控制卡MP-C152 一塊;

(3)ADlink 帶光電隔離的16 位I/O 卡7200 一塊;

(4)ORAC 數(shù)控車床一臺。

進給單元硬件采用PC 總線和模塊化的結構設計，MP-C152 運動控制卡插在PC 總線擴展槽上，計算機與MP-C152 控制卡之間以查詢方式進行通信。工控機主要完成系統(tǒng)管理、NC 程序自動生成、編譯和解釋、間隙補償?shù)裙δ?。MP-C152 卡主要有步進電機位移及速度控制、限位開關響應、刀具半徑補償、外部信號輸入和機床控制信號輸出、插補運算等功能。

圖2 數(shù)控車床進給單元

2 系統(tǒng)軟件設計

IPC 機數(shù)控系統(tǒng)軟件設計的核心工作是窗體的規(guī)劃和控制代碼的編寫。而窗體的規(guī)劃主要圍繞主界面的功能進行，各個窗體控件的具體調(diào)用與其關聯(lián)的執(zhí)行操作控制代碼的編寫是開發(fā)數(shù)控系統(tǒng)的關鍵。

2.1 插補算法

所謂插補就是根據(jù)給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法。目前常用的插補算法為脈沖增量插補和數(shù)字增量插補［4］。

通過比較，決定直線插補采用脈沖增量插補逐點比較法［5］，即每走一步都要和給定軌跡比較一次，根據(jù)比較結果來決定下一步的進給方向，使刀具向減小偏差的方向并趨向終點移動，刀具所走的軌跡應該和給定軌跡非常相“象”。而圓弧插補則選擇數(shù)字增量插補中的DDA 圓弧插補算法［6］，插補過程為: (1)插補準備。主要是計算輪廓步長及其相應的坐標增量;(2)插補計算。實時計算出各插補周期中的插補點(動點)坐標值;(3)終點判別。插補流程如圖3 所示。

圖3 插補流程

2.2 開發(fā)平臺的選擇

開發(fā)平臺的選擇包括操作系統(tǒng)的選擇和編程語言的選擇兩部分。

對于操作系統(tǒng)，選擇Windows，因為它具有友好的圖形用戶界面和豐富的軟件資源，支持基于線程的搶先式多任務機制，操作、配置、調(diào)試都非常方便等。對于編程語言則選擇方便調(diào)取MP-C152 運動控制卡庫函數(shù)的VC+ +語言，以提高軟件的開發(fā)效率及運行效率。

2.3 方案設計

數(shù)控系統(tǒng)軟件結構模式［7］主要有兩種:前后臺型結構模式和中斷型結構模式。該數(shù)控系統(tǒng)系統(tǒng)軟件采用前后臺型結構模式，按實時性相對強弱將系統(tǒng)任務劃分為兩部分:上層管理程序和底層控制程序，如圖4、5 所示。

圖4 軟件結構

圖5 系統(tǒng)軟件工作原理圖

2.4 功能模塊

主要有用戶輸入輸出界面操作模塊、文件管理模塊、MP-C152 卡設備驅動模塊、插補控制模塊、圖形操作模塊等，通過這些模塊的組合可以實現(xiàn)插補控制，達到理想的效果。

3 模擬仿真

3.1 涉及到的程序設計技術

主要有對話框的應用程序框架及動態(tài)鏈接庫技術。ORAC 數(shù)控系統(tǒng)基于Windows 平臺，為了設計大量的用戶操作界面，采用基于對話框的應用程序框架比較合適，便于系統(tǒng)軟件的設計和人機交互。由于系統(tǒng)的實時性要求，編譯程序需要動態(tài)聯(lián)編，所以底層控制程序要用動態(tài)鏈接庫技術［8］。

3.2 人機界面與模擬仿真

系統(tǒng)界面基本要求:用戶界面可以實現(xiàn)對數(shù)控車床進給單元插補控制。直線插補時，當輸入的參數(shù)分別為X1=－10，Z1=－10，X2=50，Z2=50，步長為2，點擊確定后，經(jīng)過一段時間的插補，即可出現(xiàn)如圖6 的仿真圖形。

圓弧插補時，當輸入的參數(shù)分別為X1=0，Z1=50，X2=0，Z2=－50，步長為2，點擊半徑后顯示半徑值為50，再點擊確定后，經(jīng)過一段時間的插補，即可出現(xiàn)如圖7 的仿真圖形。

圖6 直線插補仿真

圖7 圓弧插補仿真

4 結論

利用MP-C152 運動控制卡研制了一個基于Windows2000 平臺的開放式數(shù)控車床進給單元插補控制模擬仿真軟件，實現(xiàn)了直線插補和圓弧插補的模擬仿真，從而對ORAC 數(shù)控車床進行控制。文中的研究不僅降低了該數(shù)控機床進給單元的開發(fā)難度和成本，也適應了經(jīng)濟性的要求，取得了預期的成果。

［1］孫名佳，文智，曉波．基于Simulink 的機床伺服進給系統(tǒng)仿真技術研究［J］．制造業(yè)自動化，2013，34(4):115－118．

［2］劉寶志．步進電機的精確控制方法研究［D］．濟南:山東大學，2010:42－47．

［3］項小東，白國振．基于運動控制卡的伺服控制系統(tǒng)開發(fā)研究［J］．機電工程技術，2010(11):20－22．

［4］趙?。當?shù)控系統(tǒng)的插補算法及加減速控制方法研究［D］．天津:天津大學，2004:10－31．

［5］方石銀．CNC 系統(tǒng)逐點比較直線插補的新算法［J］．吉林師范大學學報，2010(2):123－125．

［6］許良元．DDA 圓弧插補軟件的設計研究［J］．機械工程與自動化，2005(4):74－78．

［7］賈敏忠，詹有基，謝明紅．Windows 平臺上數(shù)控系統(tǒng)軟件結構的研究［J］．福建工程學院學報，2006(1):86－88．

［8］田杰，范鵬飛，黃文進，等．凸輪機構綜合創(chuàng)新實驗裝置研究［J］．合肥工業(yè)大學學報:自然科學版，2011(7):985－988．