經(jīng)濟(jì)型網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

0 引言

當(dāng)今數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，提出了網(wǎng)絡(luò)化、智能化、開放式的發(fā)展趨勢[1]，使簡易數(shù)控系統(tǒng)難進(jìn)新起的教育市場，職業(yè)技術(shù)教育事業(yè)迫切需求高性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)。同時(shí)，由于要大力推進(jìn)農(nóng)村勞動力轉(zhuǎn)移培訓(xùn)，促進(jìn)就業(yè)和再就業(yè)必須依靠職業(yè)教育和培訓(xùn)。調(diào)查表明，我國要成為“世界工廠”，需要培訓(xùn)和造就數(shù)十萬數(shù)控技術(shù)應(yīng)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(qiáng)化了教育事業(yè)高性價(jià)比的數(shù)控系統(tǒng)的迫切需求。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)突出體現(xiàn)在它的高性價(jià)比上，既緊跟數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢，又能充分滿足中國市場的需求。目前，由于中國很多企業(yè)存在資金嚴(yán)重不足的狀況，所以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)將有大量的需求[2]。

1 運(yùn)動控制器構(gòu)成方案

基于 PC 總線的控制器以DSP 作為核心處理器，以PC 機(jī)作為信息處理、人機(jī)交互和聯(lián)網(wǎng)通信平臺，運(yùn)動控制器以插卡形式嵌入PC 機(jī)，即“PC+運(yùn)動控制器”的模式[3]。將PC 的高效數(shù)據(jù)處理能力、友好的人機(jī)交互、強(qiáng)大的聯(lián)網(wǎng)通信功能和開放式的特點(diǎn)與DSP 的高速數(shù)據(jù)處理功能有機(jī)地融合在一起，可以實(shí)現(xiàn)更加高級的控制算法、運(yùn)動規(guī)劃、實(shí)時(shí)插補(bǔ)算法、伺服濾波控制、誤差補(bǔ)償和更復(fù)雜的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)計(jì)算，使控制系統(tǒng)更加高速、平穩(wěn)、高精度和智能化。采用功能強(qiáng)大的專用ASIC 可以充分利用前人的研究成果，縮短在應(yīng)用層面的差距，而且可以縮短開發(fā)、調(diào)試周期、節(jié)省人力成本，在客觀上也提高了系統(tǒng)的可靠性。這點(diǎn)非常類似硬件組態(tài)和軟件組態(tài)的特點(diǎn)和優(yōu)勢。因此，筆者選用專用運(yùn)動控制DSP 集成電路來構(gòu)建運(yùn)動控制器，它既結(jié)合DSP 高速數(shù)據(jù)處理特性，又發(fā)揮了專用ASIC 電路的技術(shù)優(yōu)勢。由于在功能類似的集成電路中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(yùn)動控制器的核心IC。

1.1 運(yùn)動控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1多軸運(yùn)動控制器結(jié)構(gòu)框圖

1.2 專用DSP 的功能簡介

專用 DSP 運(yùn)動控制芯片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(yùn)動控制專用DSP 集成電路（144QFPQFP 封裝），能用于步進(jìn)電機(jī)或伺服電機(jī)系統(tǒng)的位置、速度和插補(bǔ)控制，可以進(jìn)行各軸(X 軸、Y 軸、Z 軸、U 軸)獨(dú)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(bǔ)、2/3 軸作直線插補(bǔ)，插補(bǔ)精度是±0.5LSB。其還有伺服電機(jī)反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報(bào)警信號）、加/減速驅(qū)動、軟硬件限位、自動原點(diǎn)搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能[4][5]。

1.3 運(yùn)動控制器硬件設(shè)計(jì)

多軸運(yùn)動控制器的核心是PC 機(jī)和兩片高集成度的專用運(yùn)動控制集成電路MCX314AS。MCX314AS 通過PCI 總線與PC 機(jī)相連，通過讀寫MCX314A 內(nèi)部的寄存器（命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和模式寄存器）而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的運(yùn)動控制的功能。

1.3.1 運(yùn)動控制器的外圍接口電路設(shè)計(jì)

運(yùn)動控制器與驅(qū)動器、反饋編碼器、限位開關(guān)、急停輸入等現(xiàn)場輸入輸出信號的接口電路形式有以下5 種類型。

(1)編碼器信號輸入接口

編碼器反饋的ECA/ECB/ECZ 信號經(jīng)差動線驅(qū)動輸出驅(qū)動運(yùn)動控制器側(cè)的高速光耦，輸入給MCX314AS。通過差動傳輸方式有力地抑制編碼傳輸過程中受到的干擾。

(2)限位開關(guān)、減速、急停等開關(guān)量輸入信號接口

限位開關(guān)、減速、在位、報(bào)警、急停等開關(guān)量輸入信號經(jīng)過光電耦合隔離后，輸入給MCX314AS引腳。MCX314AS 內(nèi)部含施密特輸入和積分濾波電路，外部無需再接常規(guī)的抗干擾電路。

(3)驅(qū)動脈沖輸出接口

MCX314AS 的驅(qū)動脈沖輸出信號經(jīng)差動線驅(qū)動器AM26LS31 轉(zhuǎn)換成差動信號傳輸給電機(jī)驅(qū)動器。系統(tǒng)復(fù)位后nPP 和nPPM 輸出低電平。為適應(yīng)輸入信號為單端方式的驅(qū)動器，設(shè)置了跳線，取AM26LS31 的正邏輯輸出端與驅(qū)動器連接。通過設(shè)置各軸的WR2 寄存器的D6 位將驅(qū)動脈沖的輸出模式設(shè)置為CW/CCW（正/方向脈沖方式）或PULSE/DIR 方式，以滿足驅(qū)動器對輸入信號的要求。

(4)開關(guān)量輸出接口

為了提高帶負(fù)載能力，將MCX314AS 的各軸開關(guān)量輸出信號OUT4 "7，經(jīng)過達(dá)林頓晶體管陣列電路ULN2803 放大，驅(qū)動負(fù)載。

(5)模擬量輸出接口

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

1.4 控制器軟件設(shè)計(jì)

項(xiàng)目軟件系統(tǒng)采用具有良好可重用性與可擴(kuò)展性特點(diǎn)的組件式設(shè)計(jì)思想。在主控系統(tǒng)之下將系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)管理類、交互信息管理類、預(yù)處理類、核心控制類組件等主要組件。根據(jù)結(jié)構(gòu)化、模塊化的要求，在WINDOWS 操作系統(tǒng)下，利用VC++編寫API 函數(shù)。

1.4.1 COM 組件設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)管理類組件包括用戶數(shù)據(jù)管理、加工數(shù)據(jù)、知識庫等組件。

（2）交互信息管理類組件包括人機(jī)交互、輸入代碼編輯、加工過程實(shí)時(shí)仿真、實(shí)時(shí)監(jiān)控等組件。

（3）預(yù)處理類組件包含代碼解釋、刀具補(bǔ)償、位置計(jì)算等組件。

（4）核心控制類組件包括插補(bǔ)計(jì)算、伺服控制、輸入/輸出等組件。

1.4.2 API 函數(shù)設(shè)計(jì)

以API 函數(shù)調(diào)用形式，將微控器對MCX314AS 的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行封裝，使得程序更加結(jié)構(gòu)化、便于移植和維護(hù)。API 函數(shù)包括運(yùn)動控制器初始化、單軸驅(qū)動、兩軸平面直線插補(bǔ)、3 軸空間直線插補(bǔ)、平面圓弧插補(bǔ)、位置反饋、通用開關(guān)量I/O 等。下面列出主要的API 函數(shù)的原型。

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

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

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

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

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

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

2 經(jīng)濟(jì)型銑床的數(shù)控改造

數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，比傳統(tǒng)機(jī)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(shè)計(jì)的通用嵌入式運(yùn)動控制器用于一臺立式銑床X8126 的數(shù)控改造試驗(yàn)。改造中保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，用交流伺服電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)對銑床進(jìn)行X、Y、Z 三軸數(shù)控改造。

2.1 數(shù)控加工程序

符合ISO－840 國際標(biāo)準(zhǔn)的NC 指令代碼編程是一種較通用的數(shù)控編程方法。常用的指令有準(zhǔn)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(shù)控程序就是由這些功能代碼和數(shù)據(jù)構(gòu)成。Pro/Engineer、北航海爾CAXA 等CAD/CAM 軟件能夠依據(jù)零件CAD 輪廓生成相應(yīng)的加工軌跡，生成數(shù)控代碼程序。這些代碼通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給機(jī)床進(jìn)行加工。

2.2 硬件組成

如圖2所示，基于PC 和MCX314AS 的運(yùn)動控制器是系統(tǒng)的控制核心。MCX314AS 輸出的脈沖/方向信號經(jīng)接口板（26AMLS31 變成差動信號）與驅(qū)動器對應(yīng)的脈沖/方向端子相連。各軸限位開關(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(shù)控結(jié)構(gòu)圖

2.3 軟件設(shè)計(jì)

PC 作為數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，完成數(shù)控代碼編輯（或通過網(wǎng)絡(luò)接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序）、語法檢查、代碼預(yù)處理功能，能和運(yùn)動控制卡進(jìn)行通信，并能接收到控制卡的（邏輯）位置反饋和驅(qū)動狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。上位PC 的程序用Visual C++開發(fā)完成。在已經(jīng)奠定了運(yùn)動控制器的軟、硬件基礎(chǔ)平臺后，實(shí)現(xiàn)數(shù)控應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于進(jìn)行數(shù)控加工程序的譯碼。定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體CNCcodeBuf，將一個(gè)數(shù)控代碼行的譯碼結(jié)果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA～GF、MX～MY 組別，以節(jié)省存儲空間，提高譯碼效率。






一行代碼譯碼完成后，代碼數(shù)據(jù)存儲于變量CNCBuf 中，然后將其變換為對API 函數(shù)的調(diào)用。

2.4 試驗(yàn)實(shí)例

為了試驗(yàn)數(shù)控代碼的運(yùn)行效果，用北航海爾的 CAXA 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)“TEST”字符串的加工輪廓（CAXA 軟件自動刀具補(bǔ)償），生成數(shù)控G 代碼。PC 對G 代碼處理后下載到運(yùn)動控制器中運(yùn)行。記錄筆記錄的加工軌跡符合設(shè)計(jì)的預(yù)期效果。

新型數(shù)控系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：可靠性高，MTBF 達(dá)到10000 小時(shí)；性價(jià)比高，預(yù)計(jì)研制的新型數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格將比現(xiàn)行數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格低30%以上；數(shù)控性能好，（基本數(shù)控系統(tǒng)達(dá)到）：可控坐標(biāo)軸：X、Y、Z、A 四軸；聯(lián)動軸：直線為X、Y、Z、A 四軸，圓弧為XY、ZX、YZ 任選兩聯(lián)軸；脈沖當(dāng)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(jié)束語

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