基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)研究

唐明明,鐘佩思，車霞

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

基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床數(shù)控系統(tǒng)研究

唐明明,鐘佩思，車霞

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

基于PC + 運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。以伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)為主要研究對(duì)象，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器、運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡中的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)的單軸運(yùn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)等功能。在VC++6.0高級(jí)語(yǔ)言支持下，介紹了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制、運(yùn)動(dòng)控制、狀態(tài)檢測(cè)顯示等功能，并對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化和模具庫(kù)管理進(jìn)行了介紹。

運(yùn)動(dòng)控制卡；伺服電機(jī)；數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床；數(shù)控系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

現(xiàn)階段，在我國(guó)轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面的開(kāi)發(fā)與研究主要基于兩種模式：1) 基于PC+PLC的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；2) 基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。由于PC+PLC的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備移動(dòng)部件的速度控制和位置控制，外圍電路比較復(fù)雜，計(jì)算速度比較慢，所以人們更傾向于使用運(yùn)算速度快，可以滿足高精度的速度和位置控制的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，因而基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)隨著運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展而得到了廣泛應(yīng)用。此外，本系統(tǒng)采用的是伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器的加減速運(yùn)動(dòng)控制，伺服電機(jī)作為一種把電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，能夠隨著脈沖信號(hào)的頻率和數(shù)量控制設(shè)備移動(dòng)部件的速度和距離，通過(guò)方向信號(hào)控制設(shè)備移動(dòng)的方向，是一種既經(jīng)濟(jì)又簡(jiǎn)單的控制極速方案。

1 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的工作原理

本系統(tǒng)采用PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方案，利用Visual C++6.0語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)程序和界面的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制功能。本系統(tǒng)通過(guò)人工在PC機(jī)上操作接口傳遞給機(jī)器控制軟件，機(jī)器控制軟件將操作信息轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)參數(shù)并根據(jù)這些參數(shù)調(diào)用DLL庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，運(yùn)動(dòng)函數(shù)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出控制指令給控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡再根據(jù)控制指令發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)(脈沖、方向信號(hào))給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)器部件的運(yùn)動(dòng)。

2 控制系統(tǒng)硬件組成

2.1 硬件設(shè)備的組成

系統(tǒng)在硬件上由PC機(jī)、DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及伺服電機(jī)組成。DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡為雷賽公司自主研發(fā)的脈沖式四軸運(yùn)動(dòng)控制卡，可輸出脈沖信號(hào)和方向信號(hào)，用以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡具有即插即用、連續(xù)運(yùn)動(dòng)、直線插補(bǔ)、單軸運(yùn)動(dòng)等功能；具有梯形和S型加減速運(yùn)動(dòng)曲線，最大脈沖輸出頻率為1.2MHz,具有16路輸入和12路輸出的通用I/O接口，輸入輸出信號(hào)均采用光電隔離大幅度提高了運(yùn)動(dòng)控制卡的可靠性能和抗干擾性能。DMC1410卡也支持即插即用功能。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制卡主要功能

通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的操作實(shí)現(xiàn)對(duì)走刀軌跡的設(shè)定、各軸回原點(diǎn)、點(diǎn)動(dòng)控制、機(jī)床啟停、刀具選擇，在加工狀態(tài)的顯示，加工任務(wù)的管理實(shí)現(xiàn)各軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、以及連續(xù)運(yùn)動(dòng)，并可通過(guò)設(shè)定速度和加速度的參數(shù)數(shù)值，讓運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)梯形或者S型加減速運(yùn)動(dòng)控制。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制卡的實(shí)時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)二軸直線插補(bǔ)、三軸直線插補(bǔ)、多軸聯(lián)動(dòng)等操作。DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡可以輸出兩類脈沖信號(hào)：1) 脈沖+方向形式(單脈沖)；2) 正脈沖+反脈沖(雙脈沖)形式。每軸都有兩個(gè)減速剎車信號(hào)+SD 和-SD，在檢測(cè)到減速信號(hào)后，電機(jī)減速至低速運(yùn)行。

通用數(shù)字輸出信號(hào)OUT用于控制繼電器、電磁閥、指示燈等開(kāi)關(guān)器件。

通用數(shù)字輸入信號(hào)INPUT用于接近開(kāi)關(guān)、光電開(kāi)關(guān)、按鍵等傳感器的信號(hào)輸入。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)

系統(tǒng)是基于Windows XP系統(tǒng)支持平臺(tái)，以Visual C++6.0作為開(kāi)發(fā)工具，進(jìn)行程序設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，是一種基于驅(qū)動(dòng)方式的消息件的程序設(shè)計(jì)系統(tǒng) , 當(dāng)用戶需要完成某種特定功能時(shí), 點(diǎn)擊相應(yīng)的功能按鈕, 就會(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的消息。然后，操作系統(tǒng)將對(duì)消息進(jìn)行循環(huán)并開(kāi)始檢索消息,并將消息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的對(duì)象。每個(gè)相應(yīng)的接收對(duì)象都有相對(duì)應(yīng)的消息映射, 用于將消息與處理函數(shù)聯(lián)系起來(lái)。當(dāng)目標(biāo)對(duì)象接收到消息映射時(shí), 將開(kāi)始搜索對(duì)應(yīng)的消息映射, 尋找互相匹配的消息處理函數(shù)并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

系統(tǒng)所支持的DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡,主要有初始化函數(shù)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)、單軸運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)、直線插補(bǔ)函數(shù)、圓弧插補(bǔ)函數(shù)、回原點(diǎn)函數(shù)以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)等各種豐富的函數(shù)。由于DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡支持12塊DMC1410B運(yùn)動(dòng)卡同時(shí)運(yùn)行工作，因此一臺(tái)PC機(jī)可以完成多達(dá)48軸的伺服電機(jī)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

在軟件方面運(yùn)動(dòng)控制卡提供了大量的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，用以滿足用戶在應(yīng)用中的各種要求。用戶只需根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的具體要求，調(diào)用相關(guān)的運(yùn)動(dòng)控制卡函數(shù)庫(kù)中的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)，就可以滿足多種要求的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

函數(shù)列舉如下：

(1) 初始化函數(shù)

d1000_board_init 軟件初始化

(2) 連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)

d1000_start_tv_move 以梯形速度曲線控制一個(gè)軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)

d1000_start_sv_move 以S形速度曲線控制一個(gè)軸連續(xù)運(yùn)動(dòng)

d1000_immediate_stop 以梯形或S形急停一個(gè)軸

d1000_decel_stop 以梯形或S形減速停止一個(gè)軸

(3) 單軸運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)

d1000_start_t_move 以梯形速度曲線控制相對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)

d1000_start_sa_move 以S形速度曲線控制絕對(duì)坐標(biāo)的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)

(4) 直線插補(bǔ)函數(shù)

d1000_start_t/ta_line 任意2、3、4軸相/絕對(duì)坐標(biāo)的直線插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)

(5) 圓弧插補(bǔ)函數(shù)

d1000_start_t/ta_arc 任意2軸進(jìn)行相/絕對(duì)坐標(biāo)的圓弧插補(bǔ)

(6) 回原點(diǎn)函數(shù)

d1000_home_move 回原點(diǎn)運(yùn)動(dòng)

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 實(shí)時(shí)控制

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)作為一個(gè)實(shí)時(shí)性多任務(wù)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要完成的任務(wù)有很多，主要包括機(jī)床的啟停、直線圓弧插補(bǔ)運(yùn)算、速度和位置控制等。在這些任務(wù)中，對(duì)實(shí)時(shí)性的要求高低不同，因此，根據(jù)這一點(diǎn)可以利用系統(tǒng)多線程、多任務(wù)、搶占式的技術(shù)特點(diǎn)將各個(gè)系統(tǒng)任務(wù)分配給不同的線程，并賦予各個(gè)不同線程的優(yōu)先級(jí),當(dāng)優(yōu)先級(jí)高的線程, 即需要執(zhí)行實(shí)時(shí)性要求比較高的任務(wù)時(shí),可以自動(dòng)終止其他低線程優(yōu)先級(jí)的工作，而轉(zhuǎn)向執(zhí)行這一線程，這樣就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需求的實(shí)時(shí)性了。

為了完成運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，系統(tǒng)采用了定時(shí)循環(huán)檢測(cè)的方式。在運(yùn)行程序中添加消息定時(shí)器來(lái)完成消息的映射過(guò)程，并通過(guò)編寫(xiě)與之相對(duì)應(yīng)的OnTimer()功能函數(shù)。其中，OnTimer()函數(shù)是實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵函數(shù)，根據(jù)定時(shí)器所設(shè)置的時(shí)間參數(shù)，循環(huán)執(zhí)行以下功能：

1) 判斷x,y軸極限位置。

2)x-y軸實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示。

3) 回零點(diǎn)的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制，其中回零時(shí)先x軸后y軸。

3.2.2 運(yùn)動(dòng)控制

由于DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡可實(shí)現(xiàn)單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)。因此，可以對(duì)單軸點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確地位置控制或速度控制。DMC1410在表述運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)可以用絕對(duì)坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)這兩種模式，這兩種模式各有優(yōu)點(diǎn)，如：在絕對(duì)坐標(biāo)模式中用一系列坐標(biāo)點(diǎn)定義一條曲線，如果要修改中間某點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，不會(huì)影響后續(xù)點(diǎn)的坐標(biāo)；而在相對(duì)坐標(biāo)模式中，用一系列坐標(biāo)點(diǎn)定義一條曲線，用循環(huán)命令可以重復(fù)這條曲線軌跡多次。在DMC1410函數(shù)庫(kù)中距離或位置的單位為脈沖；速度單位為脈沖/s；時(shí)間單位為s。

DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡提供了位置控制模式下兩種加減速方式：一種是梯形曲線加減速，一種是S型曲線加減速。

1) 梯形曲線加減速 通常位置控制采用梯形這種速度控制模式。運(yùn)動(dòng)速度之所以要按梯形曲線變化，是因?yàn)椋弘姍C(jī)轉(zhuǎn)子和被拖動(dòng)的物體具有慣性，不可能在瞬間達(dá)到指定速度，因此應(yīng)該有一定的加速過(guò)程。減速時(shí)亦是類似，否則電機(jī)會(huì)因?yàn)樗查g力矩不足而出現(xiàn)丟步、過(guò)沖或振蕩現(xiàn)象，如圖1所示。

圖1 梯形速度曲線

2) S型曲線加減速 雖然梯形速度曲線簡(jiǎn)單，但它的速度曲線不平滑，其加速度有突變，因而運(yùn)動(dòng)中有沖擊現(xiàn)象，容易引起機(jī)器噪聲和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的磨損。在梯形速度曲線上，運(yùn)動(dòng)的不平滑主要表現(xiàn)在四個(gè)瞬間的速度轉(zhuǎn)折及相對(duì)應(yīng)的加速度突變，這四個(gè)瞬間分別是：?jiǎn)?dòng)時(shí)、達(dá)到最高速度時(shí)、從最高速度下降時(shí)和最后停止時(shí)。

若將加速度改為線性變化，則速度曲線相應(yīng)將變得光滑。加速和減速階段均變?yōu)椤癝”形狀。采用此種速度曲線，運(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)，且有助于縮短加速過(guò)程、降低運(yùn)動(dòng)裝置的震動(dòng)和噪聲，以及延長(zhǎng)機(jī)械傳動(dòng)部分的壽命，如圖2所示。

圖2 S型速度曲線

梯形曲線允許在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中修改位置和速度參數(shù)；S型曲線只允許在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中修改位置參數(shù)。當(dāng)在加速度時(shí)，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。因此，應(yīng)當(dāng)針對(duì)具體應(yīng)用場(chǎng)合選擇相應(yīng)的加減速曲線模式。

3.2.3 狀態(tài)檢測(cè)

用戶可以從運(yùn)動(dòng)控制卡的狀態(tài)寄存器中讀取控制軸的狀態(tài)、連續(xù)運(yùn)動(dòng)的軌跡控制狀態(tài)以及指令狀態(tài)。通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)來(lái)查詢運(yùn)動(dòng)控制軸的工作模式和工作狀態(tài)。

下面對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)函數(shù)進(jìn)行描述：

d1000_check_done 檢測(cè)指定軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

語(yǔ)法定義：

C/C++：

DWORD d1000_check_done (short axis)；

參數(shù)描述：

Axis：軸號(hào)，范圍0～(n×4-1)

返回值：

0：正在運(yùn)行

1：脈沖輸出完畢停止

2：指令停止(如調(diào)用了d1000_decel_stop函數(shù))

3：遇限位停止

4：遇原點(diǎn)停止

3.3 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)動(dòng)功能需求和運(yùn)動(dòng)控制卡系統(tǒng)的支持，主要可以分為以下幾個(gè)主要模塊：參數(shù)設(shè)置模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、狀態(tài)顯示模塊、代碼顯示模塊、系統(tǒng)管理模塊等。參數(shù)設(shè)置模塊主要負(fù)責(zé)各運(yùn)動(dòng)主軸的脈沖輸入出設(shè)置以及對(duì)刀具的選擇等, 運(yùn)行控制模塊則主要控制移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)的方式, 狀態(tài)顯示模塊主要負(fù)責(zé)將系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)( 位置坐標(biāo)、速度大小等) 及運(yùn)行時(shí)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示, 代碼顯示模塊則主要負(fù)責(zé)對(duì)代碼的顯示、報(bào)錯(cuò)以及錯(cuò)誤代碼的更改，系統(tǒng)管理模塊主要負(fù)責(zé)文件管理等。程序通過(guò)各模塊之間的相互協(xié)調(diào)控制, 共同構(gòu)成一個(gè)完整的基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框架

4 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與模具管理

4.1 最近距離法和便宜法

基于最近距離法和便宜法路徑優(yōu)化的算法在各行業(yè)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛，通過(guò)對(duì)典型工藝路徑優(yōu)化算法基本原理的分析和總結(jié)，研究制定轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床加工工藝路徑優(yōu)化方法并給出相應(yīng)的算法說(shuō)明。轉(zhuǎn)塔數(shù)控沖床主要進(jìn)行各種孔的加工，例如圓孔、方形孔、腰圓孔及各種復(fù)雜孔。利用零件圖形信息，采用人工交互式的方式進(jìn)行路徑的優(yōu)化。采用特定算法的優(yōu)化方法，減少加工時(shí)間和加工路徑，提高生產(chǎn)效率降低生產(chǎn)成本。

4.2 模具庫(kù)管理

模具的種類很多、形式各異，要達(dá)到數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)的搜索匹配的功能要求，需對(duì)模具的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行合理的定義和歸類。主要包括對(duì)各種模具如三角形，圓形，正方形，五角星形，以及不規(guī)則圖形模具的設(shè)定。

5 結(jié)語(yǔ)

以DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡為主導(dǎo)，基于Windows XP系統(tǒng)平臺(tái)，利用Visual C++6.0作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工具，用以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的管理和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)軌跡以及加工代碼的顯示。構(gòu)筑了一個(gè)基于PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所形式的數(shù)控沖床平臺(tái), 其對(duì)基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控系統(tǒng)具有一定的實(shí)用性和通用性。系統(tǒng)采用DMC1410B運(yùn)動(dòng)控制卡完成運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)計(jì)算、運(yùn)動(dòng)位置的控制、運(yùn)行速度的控制等實(shí)時(shí)任務(wù), 以PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)方便快捷的人機(jī)界面、系統(tǒng)配置，充分發(fā)揮了PC 機(jī)豐富的軟硬件資源,縮短了開(kāi)發(fā)周期,反映了數(shù)控沖床系統(tǒng)的優(yōu)越性。以運(yùn)動(dòng)控制卡為核心構(gòu)建數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)， 本數(shù)控系統(tǒng),允許其他用戶運(yùn)用新的技術(shù)和方法，對(duì)其進(jìn)行更多的開(kāi)發(fā)和擴(kuò)充新的功能模塊, 以便使系統(tǒng)功能更加完善，更加先進(jìn), 功能更強(qiáng)大。

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Research on NC Turret System Based on Motion Control Card and Its Development

TANG Ming-ming，ZHONG Pei-si，CHE Xia

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

Based on a CNC turret punch press motion control system of the PC + motion control card,this paper takes the stepping motor movement as the main research object and uses the motion control card, driver, motion control function library and calling motion control functions of the movement control card to achieve its single shaft movement and continuous movement functions. Under the vc + + 6.0 high-level language support, it also introduces the development process of the system, its optimization and mould library management and the way which is used to realize the real-time control, motion control, detecting state display and other functions.

motion conrtol card;servo motor;NC turret punch press;control system;motion control

唐明明(1986-)，男， 山東兗州人，碩士研究生，研究方向：先進(jìn)制造技術(shù)。

TG385

B

1671-5276(2014)02-0192-03

2013-03-11