經(jīng)濟型網(wǎng)絡(luò )化數控系統的開(kāi)發(fā)與應用

0 引言

當今數控技術(shù)的發(fā)展，提出了網(wǎng)絡(luò )化、智能化、開(kāi)放式的發(fā)展趨勢[1]，使簡(jiǎn)易數控系統難進(jìn)新起的教育市場(chǎng)，職業(yè)技術(shù)教育事業(yè)迫切需求高性?xún)r(jià)比的數控系統。同時(shí)，由于要大力推進(jìn)農村勞動(dòng)力轉移培訓，促進(jìn)就業(yè)和再就業(yè)必須依靠職業(yè)教育和培訓。調查表明，我國要成為“世界工廠(chǎng)”，需要培訓和造就數十萬(wàn)數控技術(shù)應用領(lǐng)域的操作人員、編程人員和維修人員。這也進(jìn)一步強化了教育事業(yè)高性?xún)r(jià)比的數控系統的迫切需求。經(jīng)濟型數控系統突出體現在它的高性?xún)r(jià)比上，既緊跟數控技術(shù)的發(fā)展趨勢，又能充分滿(mǎn)足中國市場(chǎng)的需求。目前，由于中國很多企業(yè)存在資金嚴重不足的狀況，所以經(jīng)濟型數控系統將有大量的需求[2]。

1 運動(dòng)控制器構成方案

基于 PC 總線(xiàn)的控制器以DSP 作為核心處理器，以PC 機作為信息處理、人機交互和聯(lián)網(wǎng)通信平臺，運動(dòng)控制器以插卡形式嵌入PC 機，即“PC+運動(dòng)控制器”的模式[3]。將PC 的高效數據處理能力、友好的人機交互、強大的聯(lián)網(wǎng)通信功能和開(kāi)放式的特點(diǎn)與DSP 的高速數據處理功能有機地融合在一起，可以實(shí)現更加高級的控制算法、運動(dòng)規劃、實(shí)時(shí)插補算法、伺服濾波控制、誤差補償和更復雜的運動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計算，使控制系統更加高速、平穩、高精度和智能化。采用功能強大的專(zhuān)用ASIC 可以充分利用前人的研究成果，縮短在應用層面的差距，而且可以縮短開(kāi)發(fā)、調試周期、節省人力成本，在客觀(guān)上也提高了系統的可靠性。這點(diǎn)非常類(lèi)似硬件組態(tài)和軟件組態(tài)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。因此，筆者選用專(zhuān)用運動(dòng)控制DSP 集成電路來(lái)構建運動(dòng)控制器，它既結合DSP 高速數據處理特性，又發(fā)揮了專(zhuān)用ASIC 電路的技術(shù)優(yōu)勢。由于在功能類(lèi)似的集成電路中MCX314AS 具備使用方便和性能價(jià)格比高的優(yōu)勢，故選用MCX314AS 作為運動(dòng)控制器的核心IC。

1.1 運動(dòng)控制器的設計與實(shí)現

運動(dòng)控制器結構原理如圖1所示。

圖1多軸運動(dòng)控制器結構框圖

1.2 專(zhuān)用DSP 的功能簡(jiǎn)介

專(zhuān)用 DSP 運動(dòng)控制芯片MCX314AS 是日本NOVA 公司推出的高集成度工業(yè)級4 軸（X、Y、Z、U 軸）3 聯(lián)運動(dòng)控制專(zhuān)用DSP 集成電路（144QFPQFP 封裝），能用于步進(jìn)電機或伺服電機系統的位置、速度和插補控制，可以進(jìn)行各軸(X 軸、Y 軸、Z 軸、U 軸)獨立的定位控制、速度控制，也可在4 軸中選擇任意的2 軸作圓弧插補、2/3 軸作直線(xiàn)插補，插補精度是±0.5LSB。其還有伺服電機反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報警信號）、加/減速驅動(dòng)、軟硬件限位、自動(dòng)原點(diǎn)搜索、同步動(dòng)作、輸入信號濾波等功能[4][5]。

1.3 運動(dòng)控制器硬件設計

多軸運動(dòng)控制器的核心是PC 機和兩片高集成度的專(zhuān)用運動(dòng)控制集成電路MCX314AS。MCX314AS 通過(guò)PCI 總線(xiàn)與PC 機相連，通過(guò)讀寫(xiě)MCX314A 內部的寄存器（命令寄存器、數據寄存器、狀態(tài)寄存器和模式寄存器）而實(shí)現相應的運動(dòng)控制的功能。

1.3.1 運動(dòng)控制器的外圍接口電路設計

運動(dòng)控制器與驅動(dòng)器、反饋編碼器、限位開(kāi)關(guān)、急停輸入等現場(chǎng)輸入輸出信號的接口電路形式有以下5 種類(lèi)型。

(1)編碼器信號輸入接口

編碼器反饋的ECA/ECB/ECZ 信號經(jīng)差動(dòng)線(xiàn)驅動(dòng)輸出驅動(dòng)運動(dòng)控制器側的高速光耦，輸入給MCX314AS。通過(guò)差動(dòng)傳輸方式有力地抑制編碼傳輸過(guò)程中受到的干擾。

(2)限位開(kāi)關(guān)、減速、急停等開(kāi)關(guān)量輸入信號接口

限位開(kāi)關(guān)、減速、在位、報警、急停等開(kāi)關(guān)量輸入信號經(jīng)過(guò)光電耦合隔離后，輸入給MCX314AS引腳。MCX314AS 內部含施密特輸入和積分濾波電路，外部無(wú)需再接常規的抗干擾電路。

(3)驅動(dòng)脈沖輸出接口

MCX314AS 的驅動(dòng)脈沖輸出信號經(jīng)差動(dòng)線(xiàn)驅動(dòng)器AM26LS31 轉換成差動(dòng)信號傳輸給電機驅動(dòng)器。系統復位后nPP 和nPPM 輸出低電平。為適應輸入信號為單端方式的驅動(dòng)器，設置了跳線(xiàn)，取AM26LS31 的正邏輯輸出端與驅動(dòng)器連接。通過(guò)設置各軸的WR2 寄存器的D6 位將驅動(dòng)脈沖的輸出模式設置為CW/CCW（正/方向脈沖方式）或PULSE/DIR 方式，以滿(mǎn)足驅動(dòng)器對輸入信號的要求。

(4)開(kāi)關(guān)量輸出接口

為了提高帶負載能力，將MCX314AS 的各軸開(kāi)關(guān)量輸出信號OUT4 "7，經(jīng)過(guò)達林頓晶體管陣列電路ULN2803 放大，驅動(dòng)負載。

(5)模擬量輸出接口

為了與以模擬信號為輸入給定的驅動(dòng)器接口，將 MCX314AS 的脈沖（含脈沖信號和方向信號）經(jīng)F/V 轉換模塊轉換成模擬電壓信號-10V～+10V。

1.4 控制器軟件設計

項目軟件系統采用具有良好可重用性與可擴展性特點(diǎn)的組件式設計思想。在主控系統之下將系統劃分為數據管理類(lèi)、交互信息管理類(lèi)、預處理類(lèi)、核心控制類(lèi)組件等主要組件。根據結構化、模塊化的要求，在WINDOWS 操作系統下，利用VC++編寫(xiě)API 函數。

1.4.1 COM 組件設計

（1）數據管理類(lèi)組件包括用戶(hù)數據管理、加工數據、知識庫等組件。

（2）交互信息管理類(lèi)組件包括人機交互、輸入代碼編輯、加工過(guò)程實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)監控等組件。

（3）預處理類(lèi)組件包含代碼解釋、刀具補償、位置計算等組件。

（4）核心控制類(lèi)組件包括插補計算、伺服控制、輸入/輸出等組件。

1.4.2 API 函數設計

以API 函數調用形式，將微控器對MCX314AS 的操作細節進(jìn)行封裝，使得程序更加結構化、便于移植和維護。API 函數包括運動(dòng)控制器初始化、單軸驅動(dòng)、兩軸平面直線(xiàn)插補、3 軸空間直線(xiàn)插補、平面圓弧插補、位置反饋、通用開(kāi)關(guān)量I/O 等。下面列出主要的API 函數的原型。

void InterpXY(int acc0,int startv0,int speed0,long pulseX,long pulseY); //兩軸直線(xiàn)插補

void InterpXYZ(int acc0,int startv0,int speed0,long pulseX,long pulseY,long pulseZ);//3 軸直線(xiàn)插補

void InterpCW(int speed0, long centerX,long centerY,long pluseX, long pusleY); //平面順圓弧插補

void InterpCCW(int speed0, long centerX, long centerY, long pluseX, long pusleY); //平面逆圓插補

void GPIOOUT(unsigned int out); //通用開(kāi)關(guān)量輸出

unsigned int GPIOIN(int axis); //通用開(kāi)關(guān)量輸入

2 經(jīng)濟型銑床的數控改造

數控機床可以實(shí)現加工的自動(dòng)化，比傳統機床提高了生產(chǎn)效率，而且加工零件的精度高，尺寸分散度小[6]。將所設計的通用嵌入式運動(dòng)控制器用于一臺立式銑床X8126 的數控改造試驗。改造中保留了原有的主軸系統和冷卻系統，用交流伺服電機驅動(dòng)系統對銑床進(jìn)行X、Y、Z 三軸數控改造。

2.1 數控加工程序

符合ISO－840 國際標準的NC 指令代碼編程是一種較通用的數控編程方法。常用的指令有準備功能G 代碼、輔助功能M 代碼、主軸速度S 代碼、刀具T 代碼等。數控程序就是由這些功能代碼和數據構成。Pro/Engineer、北航海爾CAXA 等CAD/CAM 軟件能夠依據零件CAD 輪廓生成相應的加工軌跡，生成數控代碼程序。這些代碼通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給機床進(jìn)行加工。

2.2 硬件組成

如圖2所示，基于PC 和MCX314AS 的運動(dòng)控制器是系統的控制核心。MCX314AS 輸出的脈沖/方向信號經(jīng)接口板（26AMLS31 變成差動(dòng)信號）與驅動(dòng)器對應的脈沖/方向端子相連。各軸限位開(kāi)關(guān)信號和原點(diǎn)信號、急停信號經(jīng)接口板光電隔離后連接MCX314AS 的nLMTP、nLMTM、Xin0和EMGN 引腳。

圖2 改造后的銑床數控結構圖

2.3 軟件設計

PC 作為數控系統的人機交互界面，完成數控代碼編輯（或通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序）、語(yǔ)法檢查、代碼預處理功能，能和運動(dòng)控制卡進(jìn)行通信，并能接收到控制卡的（邏輯）位置反饋和驅動(dòng)狀態(tài)信息，實(shí)現對整個(gè)系統的監控。上位PC 的程序用Visual C++開(kāi)發(fā)完成。在已經(jīng)奠定了運動(dòng)控制器的軟、硬件基礎平臺后，實(shí)現數控應用的關(guān)鍵點(diǎn)在于進(jìn)行數控加工程序的譯碼。定義一個(gè)數據結構體CNCcodeBuf，將一個(gè)數控代碼行的譯碼結果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA～GF、MX～MY 組別，以節省存儲空間，提高譯碼效率。






一行代碼譯碼完成后，代碼數據存儲于變量CNCBuf 中，然后將其變換為對API 函數的調用。

2.4 試驗實(shí)例

為了試驗數控代碼的運行效果，用北航海爾的 CAXA 軟件設計一個(gè)“TEST”字符串的加工輪廓（CAXA 軟件自動(dòng)刀具補償），生成數控G 代碼。PC 對G 代碼處理后下載到運動(dòng)控制器中運行。記錄筆記錄的加工軌跡符合設計的預期效果。

新型數控系統主要技術(shù)經(jīng)濟指標：可靠性高，MTBF 達到10000 小時(shí)；性?xún)r(jià)比高，預計研制的新型數控系統的價(jià)格將比現行數控系統的價(jià)格低30%以上；數控性能好，（基本數控系統達到）：可控坐標軸：X、Y、Z、A 四軸；聯(lián)動(dòng)軸：直線(xiàn)為X、Y、Z、A 四軸，圓弧為XY、ZX、YZ 任選兩聯(lián)軸；脈沖當量：X=0.001mm、Y=0.001mm、Z=0.001mm；最高速度：X、Y、Z=6000mm/min；切削速度：1-3000mm/min；最小輸入單位：0.001mm。

3 結束語(yǔ)

為促進(jìn)我國數控技術(shù)的進(jìn)一步提高，加速數控技術(shù)人才培養的進(jìn)程，筆者瞄準國際數控技術(shù)發(fā)展的前沿，首先抓住教育市場(chǎng)，以研制出具有自主知識產(chǎn)權，具有新型、高性?xún)r(jià)比、經(jīng)濟實(shí)用、高可靠性的數控系統產(chǎn)品為切入點(diǎn)，起點(diǎn)高，速度快，能夠滿(mǎn)足中國市場(chǎng)的需求。