基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

張莉彬

摘 要：

主要研究了基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的方案與關(guān)鍵技術(shù)。在分析了開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀并闡述了PC 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及開放式數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成的基礎(chǔ)上，完成了低成本、可重構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計及系統(tǒng)開放式軟硬件體系的建立，系統(tǒng)控制器通過編程完成對輸入、輸出量的規(guī)劃過程，通過 PID 控制伺服電機(jī)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)軌跡輸出的優(yōu)化控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)交互控制機(jī)制的開發(fā)，該模塊化可重構(gòu)系統(tǒng)在降低系統(tǒng)成本的同時顯著提高了使用性能，具備較高的實(shí)際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：

計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng); 開放式數(shù)控系統(tǒng); 運(yùn)動控制; 實(shí)現(xiàn)路徑

中圖分類號： TP273

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Key Technologies of Open CNC System Based on PC

ZHANG Libin

（School of Computer Engineering， Xi‘a(chǎn)n Aeronautical Polytechnic Institute，? Xian， Shanxi 710023， China）

Abstract：

This paper mainly studies the scheme and key technologies of PC-based open CNC system function. It analyzes the application status of open CNC system and expounds the structure of PC numerical control system and the structure of open CNC system. The paper designs low-cost， reconfigurable open CNC system and establishes open software and hardware components of the system. The system controller completes the planning process of input and output by programming， and controls the output of servo motor through PID. The optimized control target of the servo motor trajectory output realizes the development of the interactive control mechanism. The modular reconfigurable system significantly improves the performance of the system and reduces the system cost. It has high practical application value.

Key words：

computer numerical control system; open numerical control system; motion control; implementation path

0 引言

制造系統(tǒng)面臨著瞬息萬變的市場需求及生產(chǎn)要素配置的快速更替，對批量定制個性化、多樣化產(chǎn)品的需求不斷提高，數(shù)控系統(tǒng)隨著國內(nèi)工業(yè)化進(jìn)程的加快正發(fā)生快速的變革，需變革數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計理念以滿足這些需求，由傳統(tǒng)單一獨(dú)立向開放共享方向發(fā)展，具體需進(jìn)一步提高數(shù)控系統(tǒng)的開放性、靈活重構(gòu)及高效集成能力。研究可重構(gòu)的模塊化運(yùn)動系統(tǒng)以滿足多層次需求具有較大的實(shí)際應(yīng)用價值。為順應(yīng)制造領(lǐng)域新發(fā)展趨勢，本文完成了一種開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建，該系統(tǒng)兼顧基本功能和可配置功能，能夠滿足特定控制需求，可根據(jù)實(shí)際需要通過界面?zhèn)€性化具體參數(shù)的設(shè)置實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的設(shè)定。

1 現(xiàn)狀分析

隨著制造業(yè)生產(chǎn)水平的不斷提高，對數(shù)控運(yùn)動控制系統(tǒng)的要求隨之提高，尤其是工業(yè)4.0時代的到來，促使制造模式同新一代信息技術(shù)（包括云計算、物聯(lián)網(wǎng)等）的深度融合，催生出了具備虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化等特征的先進(jìn)制造模式，顯著提升了制造系統(tǒng)的現(xiàn)代化及智能化水平。作為先進(jìn)制造技術(shù)的主要構(gòu)成計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)逐漸得到普及應(yīng)用，目前數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)大多針對某一特定生產(chǎn)加工領(lǐng)域進(jìn)行設(shè)置，不同系統(tǒng)的軟件編寫和交流方式不同，導(dǎo)致各數(shù)控系統(tǒng)的互不相容，限制了不同領(lǐng)域中互連與共享功能的實(shí)現(xiàn)。隨著制造業(yè)競爭的日益激烈及制造業(yè)的高速發(fā)展對能夠加深不同行業(yè)間相互交流溝通的機(jī)床先進(jìn)控制系統(tǒng)的需求不斷提高，傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)功能相對單一已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代化生產(chǎn)加工需求。信息化及快捷制造已成為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。良好的兼容性，相比于傳統(tǒng)數(shù)控技術(shù)CNC硬件模塊的兼容性顯著提高，支持多語言編程控制，在不影響系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行無縫切換[1]。具備高度一致語言編程的開放式數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)成為行業(yè)研發(fā)的重點(diǎn)，該系統(tǒng)采用Windows 操作系統(tǒng)具備流暢的人機(jī)界面，在采購配備 CNC 系統(tǒng)的機(jī)床成本降低的同時數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性和操作性能不斷提高，使其成為數(shù)控系統(tǒng)首選。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（CNC）主要優(yōu)勢表現(xiàn)在：具備互操作功能，通過接口及通訊技術(shù)的使用即可實(shí)現(xiàn)不同功能模塊間的相互交流，通過操作平臺上的通用接口實(shí)現(xiàn)平等操作及通訊權(quán)利的獲取;良好的可移植性，系統(tǒng)設(shè)備同功能軟件間相互獨(dú)立，主要通過使用通用編程語言及通用接口技術(shù)完成對系統(tǒng)相應(yīng)功能（如主軸及刀具進(jìn)給速度的的控制）的編寫，使系統(tǒng)可適用于不同機(jī)床;數(shù)控系統(tǒng)的功能具備較高的設(shè)置靈活性，易于修改及后續(xù)功能拓展（包括軟硬件的縮減與添加），從而更好的滿足不同使用用戶的需求。融合了可編程控制器與PC 機(jī)的 CNC 系統(tǒng)通過對相關(guān)程序進(jìn)行編寫（采用獨(dú)立控制器）實(shí)現(xiàn)對對機(jī)床的控制（包括運(yùn)動及邏輯），采用插槽插件實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制器的構(gòu)建?；诠I(yè)計算機(jī)并使用Windows 操作系統(tǒng)的數(shù)控編輯模塊實(shí)現(xiàn)了功能上的擴(kuò)展和兼容，在確保運(yùn)動控制實(shí)時性的同時提升了軟件兼容性，是數(shù)控現(xiàn)代化發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵配置。軟件譜寫式 CNC 系統(tǒng)，同樣通過軟件完成基于實(shí)時控制算法的運(yùn)動控制模塊的編寫，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)床主軸及邏輯的控制，人機(jī)操作界面簡捷便利，通過工業(yè)總線模式實(shí)現(xiàn)同外界間的通訊[2]。本文主要完成了基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建，系統(tǒng)的主控制器選用了PC104 ，該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)基于工業(yè)計算機(jī)，將CNC 接口嵌入到板拓展槽中（無需要改造）從而確保完備數(shù)控加工功能的實(shí)現(xiàn)，具備 PC 機(jī)的運(yùn)算優(yōu)勢。

2.1 工作原理

在運(yùn)動控制領(lǐng)域伺服系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，特別適用于部分對位置要求較高的進(jìn)給運(yùn)動，傳統(tǒng)工業(yè)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)大多采用液壓缸或氣缸，無法滿足對位置的精準(zhǔn)控制需求，采用伺服電機(jī)的閉環(huán)控制功能可有效彌補(bǔ)這一不足，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動位置的控制。伺服控制器的研究重點(diǎn)在于通過軟硬件體系的構(gòu)建完成控制系統(tǒng)的開放可重構(gòu)功能，從而實(shí)現(xiàn)對輸出的精準(zhǔn)控制。向用戶提供一種可快速構(gòu)建的多元化運(yùn)動控制方案。使傳統(tǒng)控制模式中功能浪費(fèi)、實(shí)時性較差問題得以有效解決。為達(dá)到開放式可重構(gòu)設(shè)計目標(biāo)，本文針對試驗(yàn)機(jī)的伺服電機(jī)控制系統(tǒng)主要包括三部分即設(shè)計數(shù)據(jù)采集卡、硬件平臺的搭建及控制軟件的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

其中，伺服電機(jī)及相關(guān)傳感器主要通過硬件平臺實(shí)現(xiàn)控制信號輸出及基本的數(shù)據(jù)采集處理等功能，相關(guān)功能模塊通過硬件完成增減過程;軟件平臺主要功能在于實(shí)時監(jiān)控及顯示電機(jī)運(yùn)行參數(shù)（界面顯示包括文字、圖像及數(shù)據(jù)幾種形式），通過設(shè)置電機(jī)運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)對電機(jī)運(yùn)行軌跡的有效控制。系統(tǒng)主控制器采用一種嵌入式主板，該主板基于 PC104 主線，通過 PC104 總線堆棧實(shí)現(xiàn)同一個ART數(shù)據(jù)采集卡及ART編碼器計數(shù)卡（可采集旋轉(zhuǎn)編碼器）間的互連。并通過硬接線方式完成其他外部功能模塊（包括顯示器、USB 串口等）同主控器間的連接[3]。軟件平臺完成位置及速度信號的采集后通過 iPlot 插件實(shí)現(xiàn)其在軟件界面上的顯示（具體以坐標(biāo)圖像形式），系統(tǒng)流程如圖2所示。

2.2 硬件設(shè)計

（1） 伺服電機(jī)，本文選用了具備優(yōu)異閉環(huán)控制位置與速度性能的松下 A4作為伺服電機(jī)，能夠快速響應(yīng)加減速動態(tài)，有利于提高系統(tǒng)整體包括抗過載能力在內(nèi)的性能，其編碼器脈沖信號輸出精準(zhǔn)，編碼計數(shù)器在電機(jī)轉(zhuǎn)動一圈對應(yīng)輸出脈沖數(shù)為 2500（查詢伺服電機(jī)參數(shù)表可知），每個脈沖約為 0. 144°（即每增加一個脈沖對應(yīng)電機(jī)正轉(zhuǎn)0. 144°，表示控制精度）。通過電機(jī)轉(zhuǎn)動角度到脈沖數(shù)的換算實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置或角度的高精度位置控制;該伺服電機(jī)電源驅(qū)動范圍在12-24 V，對控制對象通過電壓到轉(zhuǎn)速（從0X0000 到 0XFFFF）及轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)驅(qū)動過程[4]。

（2） 基于 PC104 總線的ART編碼器計數(shù)器卡，具有靈活的中斷源選擇，同PC104 接口可直接相連，含四元 AB 相位編碼計數(shù)器（32 位，共四個）及四軸正交編碼計數(shù)器，定時器包含多個時間范圍可供選擇，隔離的數(shù)字量輸入及輸出各4 路。線性編碼器內(nèi)部傳感器輸入以及旋轉(zhuǎn)編碼器指數(shù)均可作為數(shù)字量輸入（由各通道接收），可有效滿足位置及運(yùn)動的監(jiān)控等。連接伺服電機(jī)驅(qū)動器后即可從0x200、0x202讀取32 位準(zhǔn)確的計數(shù)器脈沖數(shù)（高和低各16 位）[5]。根據(jù)控制區(qū)間中相應(yīng)十六進(jìn)制數(shù)（由地址 0x280 寫入）輸出對應(yīng)速度控制信號。

（3） 可提供 4 路電壓信號輸出的ART數(shù)據(jù)采集卡（屬于通用 D/A 轉(zhuǎn)換模板），4 路 模擬量輸出通道（16 位）及多種輸出范圍，具備精度高、量程多、轉(zhuǎn)換快等優(yōu)勢，其所具有的上電置零功能可使被控裝置出現(xiàn)錯誤動作情況得以有效避免。采用光電隔離技術(shù)的ART有效避免了相關(guān)誤差和干擾（由總線及地線引起），可滿足伺服電機(jī)控制需求。可通過撥碼開關(guān) SW對ART的板基地址進(jìn)行選擇和設(shè)置（可設(shè)成被16 整除的二進(jìn)制碼，范圍在200H ～3F0H間），ART占用連續(xù) 4 個 I/O 地址，本系統(tǒng)使用該卡的初始化默認(rèn)基地址即280H，則系統(tǒng)數(shù)據(jù)地址為 0x280、寫入速度控制數(shù)及讀取地址為 0x282。

（4）? 采用結(jié)構(gòu)緊湊尺寸小的PC104 主控制器（一種工業(yè)控制總線，標(biāo)準(zhǔn)模塊的物理尺寸為96x90 mm），專門用于嵌入式控制系統(tǒng)，采用堆棧式的連接方式，層疊封裝模式提升了抗震性，總線通過上層針和下層孔的形式堆疊連接;采用總線驅(qū)動方式（4 mA 即可使模塊正常工作）使電源消耗及元件數(shù)量得以有效降低[6]。使用較為靈活的PC104 板卡的規(guī)范使用方式為：獨(dú)立的模板堆棧方式，可用作總線底板（全兼容）的模板，無需通過插槽和針相互堆疊連接不同腳板卡，具體以本板作為系統(tǒng)總底板，并通過插線或串口方式同其他元件相連;或?qū)⒈景遄鳛橐粋€獨(dú)立元件使用（高度集成了若干功能），在另一包含主要的總線邏輯及各種應(yīng)用接口的功能母板上插連該本板，顯著提升了使用方式的靈活性，實(shí)際測試及調(diào)試過程可根據(jù)實(shí)際需要對相應(yīng)模塊進(jìn)行更換，便于后期選件的更換及產(chǎn)品的升級。

2.3 PID 定位控制

本文所設(shè)計系統(tǒng)的輸出量主要功能在于對電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，速度大小以偏差為依據(jù)進(jìn)行確定，為確保伺服電機(jī)運(yùn)動過程（從初始位置到達(dá)目標(biāo)位置）精確平穩(wěn)，本文選用了增量式 PID 控制算法，其控制流程如圖3所示。

電機(jī)在各控制周期所需到達(dá)位置的增量即為增量式 PID 的輸出，伺服電機(jī)通過該方法的使用實(shí)現(xiàn)了精確控制過程，切換操作方式所產(chǎn)生的沖擊強(qiáng)度得以有效降低，控制器僅以控制增量作為輸出即可，降低了誤動作發(fā)生時產(chǎn)生的影響，增量相關(guān)的誤差采樣值僅考慮最近幾次即可（無需連續(xù)累加），從而使輸出效果更加精確。在 VC + + 集成開發(fā)環(huán)境下，對MFC 控制系統(tǒng)通過 C + + 語言的使用完成軟件編程過程，主要由運(yùn)動數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設(shè)置構(gòu)成，圖形可視化處理則通過locomp 工業(yè)空間完成，通過WinIO 函數(shù)庫完成數(shù)據(jù)采集過程，通過WinIO 程序庫的調(diào)用（位于Windows 程序中）直接讀寫I/O 口、物理內(nèi)存[7]。

3 實(shí)驗(yàn)檢測與分析

ART的單脈沖信號輸入連接方法，如圖4所示。

將計數(shù)脈沖信號輸入到通道 A ，計數(shù)方向源位通道 B ，通道 A信號在B 為高電平（取值為1）狀態(tài)下會出現(xiàn)上升沿時減少的計數(shù)值，通道 A 信號在B 為低電平（取值為0）狀態(tài)下會出現(xiàn)上升沿時增加計數(shù)值。ART采集數(shù)據(jù)時以絕對地址 = 基地址 + 偏移地址的形式分配地址。選用地址為200H，從0X202數(shù)據(jù)地址中讀取與寫入脈沖數(shù)（以板卡初始化設(shè)定為依據(jù)）。對伺服電機(jī)根據(jù)所搭建的 PID 閉環(huán)控制通過設(shè)定position完成位置及運(yùn)動的精確設(shè)定與控制過程，以需輸出 sin 正弦軌跡為例，將sin 正弦信號寫入position中，通過sin（）函數(shù)的調(diào)用（位于math. h 函數(shù)庫中，S = A·sin（t）），對圖形發(fā)生器進(jìn)行模擬，時間軸的虛擬（連續(xù)增加）采用編程方式完成，根據(jù)sin運(yùn)動軌跡輸出）如圖5所示實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖像的獲取[8]。結(jié)果表明該試驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)了對電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度的精準(zhǔn)控制及系統(tǒng)軟件界面上的實(shí)時顯示，軌跡輸出動態(tài)曲線波動較小，說明了電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，在編程界面中實(shí)現(xiàn)了函數(shù)的隨時更改與調(diào)用，系統(tǒng)可自由擴(kuò)展，可有效滿足現(xiàn)代數(shù)控需求。

4 總結(jié)

針對數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)，本文以低成本、可重構(gòu)、開放式作為主要設(shè)計目標(biāo)，完成了基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)的構(gòu)建，對伺服電機(jī)通過對位置 PID 調(diào)節(jié)器的設(shè)計實(shí)現(xiàn)了速度軌跡的優(yōu)化，控制對象可以是一個或多個伺服電機(jī)，使系統(tǒng)對伺服電機(jī)的直接控制功能（包括位置、速度、速度軌跡規(guī)劃等）得到顯著提升，在系統(tǒng)軟件界面上以實(shí)際工況需求為依據(jù)通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)有效的控制過程，系統(tǒng)實(shí)用性較強(qiáng)且易于操作。實(shí)現(xiàn)了對伺服電機(jī)運(yùn)行的監(jiān)控，使控制系統(tǒng)對運(yùn)動的高精度需求得以有效滿足。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)時性和穩(wěn)定性。此外，本文系統(tǒng)還可進(jìn)行二次開發(fā)，根據(jù)實(shí)際需要采用編程方式在目標(biāo)位置輸入端對接相應(yīng)運(yùn)動曲線的數(shù)學(xué)模型即可使伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲線的輸出過程。

參考文獻(xiàn)

[1]

于東，畢筱雪，劉勁松，等.開放式、智能化“藍(lán)天數(shù)控”系統(tǒng)及應(yīng)用實(shí)踐[J].航空制造技術(shù)，2019（6）：22-29.

[2] 張立新，鄭飂默，李鎖. 多地域數(shù)控系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸方案的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)， 2017（9）：80-83.

[3] Gran Adamson，Magnus Holm，Philip Moore，et al. A Cloud Service Control Approach for Distributed and Adaptive Equipment Control in Cloud Environments[J]. Procedia CIRP， 2016（8）：644-649.

[4] J J De Santiago-Perez，R A Osornio-Rios，R J Romero-Troncoso，et al. FPGA-based hardware CNC interpolator of Bezier， splines， B-splines and NURBS curves for industrial applications[J].Computers & Industrial Engineering， 2016 （4）：925-932.

[5] 李彬. 基于貝葉斯方法數(shù)控系統(tǒng)可靠性評估方案探討[J]. 大眾科技， 2017（12）：24-27.

[6] 徐超，徐翔鳴. 基于單位四元數(shù)的機(jī)器人多姿態(tài)可控的插補(bǔ)算法[J]. 工業(yè)控制計算機(jī)， 2017（6）：40-42.

[7] 丁許，何寧，李亮，等. 基于PMAC的微細(xì)銑床數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床， 2016（8）：176-180.

[8] 林靖杰，林述溫.基于PC與Linux的開放式數(shù)控系統(tǒng)配置功能研究[J].電氣開關(guān)，2019（1）：66-69.

（收稿日期： 2019.07.16）