基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜益剛，張文志，劉穎晗

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.安徽省亳州市譙城區(qū)顏集鎮(zhèn)人民政府，安徽 亳州 236827）

0 引言

近年來，我國在數(shù)控沖床領(lǐng)域發(fā)展較快，數(shù)控沖床的保有量不斷提高，數(shù)控沖床的種類也在不斷增加。目前，我國使用的數(shù)控沖床大多數(shù)是數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床，按照驅(qū)動(dòng)沖頭工作的原理可以把數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床分為機(jī)械驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床、液壓驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床。運(yùn)動(dòng)控制就是對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的位置、速度、位移等進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制管理，使其按照預(yù)期的運(yùn)動(dòng)軌跡和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。本文重點(diǎn)介紹基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床總體結(jié)構(gòu)主要包括操作部分、控制部分和執(zhí)行部分。按照要求，需要完成的設(shè)計(jì)任務(wù)主要有操作面板功能設(shè)計(jì)、按鍵與旋鈕編碼電路設(shè)計(jì)、NC代碼解釋和運(yùn)動(dòng)仿真。首先，選擇合適的運(yùn)動(dòng)控制器作為設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要組成；其次，設(shè)計(jì)出合理的操作面板，面板功能主要包括加工功能、狀態(tài)功能和運(yùn)動(dòng)功能，并確定各功能鍵的數(shù)目；最后，編寫一段NC代碼程序并對(duì)其進(jìn)行解釋。

1.2 運(yùn)動(dòng)控制器的選擇

根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制部分的設(shè)計(jì)要求，選擇深圳固高公司生產(chǎn)的GT－400－SP－PCI－G型運(yùn)動(dòng)控制器，它提供了C語言函數(shù)庫和窗口動(dòng)態(tài)鏈接庫。當(dāng)編程時(shí)，可以調(diào)用這些庫函數(shù)，也可以將其與編寫的數(shù)控沖床加工程序集成在一起來滿足數(shù)據(jù)處理、用戶使用等要求。

1.3 操作面板功能設(shè)計(jì)

目前數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)大多將手動(dòng)操作面板的輸入／輸出作為開關(guān)量I／O的一部分，統(tǒng)一由主機(jī)或CPU進(jìn)行控制。為此，根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的工作原理和實(shí)現(xiàn)的功能，繪制出數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床操作面板按鍵功能圖，如圖1所示。

圖1 數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床操作面板按鍵功能

主要按鍵有：“X＋”鍵、“X－”鍵、“Y＋”鍵、“Y－”鍵、“T＋”鍵、“T－”鍵、“～”鍵、“單沖”鍵、“連沖”鍵、“循環(huán)沖”鍵、“蠶食”鍵、“陣列”鍵、“連沖停止”鍵、“夾鉗夾緊和夾鉗松開”鍵、“換刀夾緊和換刀松開”鍵、“手動(dòng)選刀”鍵、“自動(dòng)運(yùn)行”鍵、“自動(dòng)定位”鍵、“程序編輯”鍵、“機(jī)床回零”鍵、“空行程”鍵、“機(jī)床鎖住”鍵、“機(jī)床狀態(tài)”旋鈕和“倍率”旋鈕等。

1.4 按鍵與旋鈕編碼電路設(shè)計(jì)

當(dāng)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的操作面板功能設(shè)計(jì)完成后，由于實(shí)際需要的I／O口數(shù)超過了所購買端子板上的I／O口數(shù)，因此需要找到一種合適的方法進(jìn)行I／O口的擴(kuò)展，以滿足數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床的功能需要。即首先理解操作面板的電路原理圖、運(yùn)動(dòng)控制器的接線圖及其端子板的內(nèi)部連線圖，然后對(duì)I／O口進(jìn)行擴(kuò)展，最后再進(jìn)行按鍵與旋鈕的編碼電路設(shè)計(jì)。

如圖2所示，以單片機(jī)來擴(kuò)展輸入口，由操作面板按鍵將信號(hào)輸入單片機(jī)，經(jīng)主機(jī)編碼將信號(hào)傳給運(yùn)動(dòng)控制器，從而控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。該方案簡(jiǎn)單，節(jié)省了成本，滿足了所需要求，因此將此方案作為本次按鍵與旋鈕編碼電路的設(shè)計(jì)方案。

圖2 以單片機(jī)來擴(kuò)展輸入口

1.5 NC 代碼解釋

NC代碼解釋是數(shù)控加工過程中的一個(gè)重要組成部分，其主要目的是對(duì)NC代碼程序做正確的解釋和語法錯(cuò)誤的檢測(cè)，通過這一過程，獲得對(duì)加工過程有用的數(shù)據(jù)信息。

對(duì)NC代碼解析一般分為3個(gè)步驟：①對(duì)代碼程序進(jìn)行詞法分析，檢查其中是否有詞法錯(cuò)誤；②對(duì)程序代碼的語法進(jìn)行分析，該步驟是建立在詞法分析的基礎(chǔ)上的，其目的是逐步檢查程序代碼的正確性及是否存在高級(jí)錯(cuò)誤；③將程序代碼翻譯成加工信息，完成加工過程。

將編寫好的NC代碼保存到文件中，然后將文件讀入系統(tǒng)中，這樣系統(tǒng)就可以從文件中獲得NC代碼程序，并對(duì)其進(jìn)行處理。系統(tǒng)開始以字符的形式保存這些代碼程序，然后根據(jù)設(shè)定好的格式轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)這些數(shù)據(jù)信息做數(shù)學(xué)處理，以提取出對(duì)加工有用的信息。

1.6 數(shù)控加工過程仿真設(shè)計(jì)

數(shù)控加工過程的模擬仿真主要有對(duì)CL文件進(jìn)行模擬仿真和對(duì)NC代碼程序進(jìn)行模擬仿真兩種方式。本設(shè)計(jì)采用的是對(duì)NC代碼程序的模擬仿真，它可以檢測(cè)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性，并判斷加工參數(shù)選擇的合理性等。由于數(shù)控程序代碼可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)，因此基于NC代碼的數(shù)控程序模擬仿真更接近于實(shí)際，下面主要對(duì)NC數(shù)控代碼模擬仿真做簡(jiǎn)要分析。仿真開始后，系統(tǒng)會(huì)對(duì)讀進(jìn)來的NC代碼程序進(jìn)行編譯，以得到系統(tǒng)可以識(shí)別的加工語言，同時(shí)系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定好的程序獲取模具庫信息、設(shè)置參數(shù)等，然后系統(tǒng)自動(dòng)開始二維的實(shí)時(shí)仿真，操作人員可以通過顯示屏清晰地看到?jīng)_床模具的運(yùn)動(dòng)軌跡、沖壓成形的形狀以及是否有碰撞干涉等不合理現(xiàn)象。

該模塊的具體功能為：NC程序檢測(cè)、編譯解釋；對(duì)加工對(duì)象的狀態(tài)進(jìn)行仿真，顯示機(jī)床部件及刀具的運(yùn)動(dòng)位置及運(yùn)動(dòng)軌跡；對(duì)刀具、夾鉗、工作臺(tái)之間的碰撞及干涉情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)；顯示自動(dòng)換刀的過程。

2 結(jié)語

本文介紹了基于運(yùn)動(dòng)控制器的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并對(duì)數(shù)控沖床運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了更深層次的開發(fā)，從而高效地利用數(shù)控沖床設(shè)備，以達(dá)到精確快速加工的目的。

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