劉 雷，劉建群

(廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州 510006)

0 引言

傳統(tǒng)雕刻是一門技術(shù)性要求很高的手工技藝，雕刻品的質(zhì)量完全取決于雕刻師的技藝水平，所以生產(chǎn)的效率低、成本高、制品的隨意性強，一致性差，嚴重制約了雕刻行業(yè)的發(fā)展。隨著市場的需求和計算機數(shù)控技術(shù)及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控雕刻機產(chǎn)業(yè)也獲得了良好的發(fā)展機遇，開始了向自動化方向發(fā)展，由于其價格遠比數(shù)控機床便宜，在廣告、木材加工、飾品加工、模具加工等領(lǐng)域越來越受到廣大用戶的青睞［1］。隨著各種新型材料的不斷出現(xiàn)，能用于雕刻的材料越來越多，使得計算機數(shù)控雕刻機有了更大的用武之地。所以，數(shù)控雕刻機的應(yīng)用范圍將不斷擴大。目前，國外的雕刻機主要有美國的“雕霸”、日本的“御牧”以及法國的“嘉寶”等，他們的設(shè)計和制造技術(shù)已相當成熟，但是其價格非常昂貴。在國內(nèi)隨著計算機技術(shù)和制造技術(shù)的發(fā)展，我國的雕刻機技術(shù)也有很大的進步，已經(jīng)有了上海洛克公司生產(chǎn)的“啄木鳥”、北京精雕公司生產(chǎn)的“精雕”和南京科能公司生產(chǎn)的“威克”等多個品牌［2］，也占有一定的市場。本課題研究的雕刻機控制系統(tǒng)采用“PC+運動控制卡”的模式，系統(tǒng)具有很強的開放性。

1 雕刻機系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

目前，基于PC的系統(tǒng)是比較容易實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)，本雕刻機就是采用PC機與固高公司GT400多軸運動控制卡開發(fā)的一個開放式數(shù)控系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)組織如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

GTS-400運動控制卡是高性能的伺服運動控制卡，它可以同步控制四個運動軸，實現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運動。其核心由DSP和FPGA組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算。運動控制卡提供C語言等函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，將這些控制函數(shù)與自己本系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應(yīng)用程序模塊集成在一起，建造符合雕刻機要求的控制系統(tǒng)，以適應(yīng)雕刻加工的各種要求。

運動控制卡的工作模式有兩種，脈沖模式和模擬量模式。在脈沖量信號輸出方式下，又可以分兩種，脈沖+方向信號模式和正/負脈沖信號模式［4］，在本系統(tǒng)中使用脈沖+方向信號模式。

伺服電機和驅(qū)動器采用松下MINAS A5系列，可滿足各種高速、高精度和高性能機器的要求。

2 雕刻機系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的控制軟件是在Windows XP平臺上以Visual C++6.0為開發(fā)工具，PC機主要負責文件的讀取和圖形的處理工作，運動控制卡負責各軸的運動控制，系統(tǒng)主要包括NC代碼管理，加工運行，人機交互等幾大模塊，系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

2.1 NC代碼管理

NC代碼包含了數(shù)控機床實際加工零件時所需的一切信息，零件加工的工藝順序，運動軌跡與方位，工藝參數(shù)以及輔助功能。每一個NC代碼主要包含了各種準備功能的G指令、輔助功能的M指令、坐標功能字、進給功能字F、主軸轉(zhuǎn)速功能字S、刀具功能字T和其它指令，本系統(tǒng)所能識別的指令見表1。

表1 系統(tǒng)所能識別的指令

(續(xù)表)

每一段NC代碼程序表示了一個零件外形幾何線條的加工或者是一些輔助功能，因此，無論是通過軟件自動生成的NC代碼或者是人工手動編寫的NC代碼，在加工之前都要進行錯誤檢查，以確保零件在加工過程的安全性［5］。NC代碼的錯誤檢查主要有兩個方面，詞法檢查和語法檢查［6］。

詞法檢查主要是檢查NC代碼中每一指令字中的地址符，及其后面的數(shù)字類型、數(shù)字范圍是否符合NC代碼中的規(guī)則。詞法方面的錯誤主要有以下幾種：在程序中不能出現(xiàn)未定義的地址符號;地址符后面是否是數(shù)字;X，Y，Z方向的坐標值不能超過機床本身最大的工作行程;同一行NC代碼中，同一組的模態(tài)代碼不能重復(fù)出現(xiàn)等。

另外，在文字和影視中，小編更傾向于影視。原因其實很簡單……一是因為接觸武俠的時候，看的主要就是電視劇，于是對武俠影視作品有一種天然的親近感，二是大俠們的古裝造型，真的很好看。

語法檢查主要是檢查數(shù)控指令是否符合數(shù)控系統(tǒng)的語法規(guī)則。語法方面的錯誤主要有以下幾種：圓弧插補的參數(shù)是否正確;圓弧的起點、終點和圓心是否正確構(gòu)成圓弧等。

保存NC代碼信息的類CCodeData結(jié)構(gòu)如下：

要保存所有的NC代碼信息，可以用一個鏈表CList＜CCodeData，CCodeData＆ ＞ g_CNCList來保存，鏈表的每一個結(jié)點保存一行NC代碼的信息［7］。

NC代碼對于計算機來說就是一堆字符，無法直接加工，必須將解釋翻譯成計算機可以識別的程序才可以用來加工，NC代碼的錯誤檢查和解釋翻譯軟件流程如圖3所示。

圖3 NC代碼的錯誤檢查和解釋翻譯流程

首先，打開NC代碼文件，利用CStdioFile類讀取NC代碼文件中的內(nèi)容并顯示在RichEdit控件中，或者可以直接在RichEdit控件中手動輸入NC代碼。

其次，在RichEdit控件中選擇一行代碼，并將其保存到一個字符數(shù)組中，分析數(shù)組中的每一個字符，檢查是否有詞法、語法錯誤。如果有錯誤，則提示此行錯誤，并說明錯誤類型，如：“此行X坐標重復(fù)!”。如果沒有錯誤，使用C語言的庫函數(shù)atoi()或atof()將一行代碼中的各種加工信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的G指令、輔助功能M、F等和X、Y、Z等的坐標信息，保存到CCodeData類的一個對象，添加到鏈表g_CNCList的一個結(jié)點，然后繼續(xù)選擇下一行代碼進行檢查，直到所有代碼檢查完為止。

2.2 加工運行

2.2.1 運動控制

運動控制卡采用的是固高公司的GTS-400運動控制卡，運動控制卡的插補運動模式可以實現(xiàn)4軸的協(xié)調(diào)運動，從而完成零件的加工運動。該插補運動模式具有以下一些功能：可以實現(xiàn)直線插補和圓弧插補;可以同時有兩個坐標系進行插補運動;每個坐標系含有兩個緩存區(qū)，可以實現(xiàn)緩存區(qū)暫停、恢復(fù)等功能;具有緩存區(qū)延時和緩存區(qū)數(shù)字量輸出的功能;具有前瞻預(yù)處理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)小線段高速平滑的連續(xù)軌跡運動［4］。

在軟件中，將運動控制部分的功能編寫到CMotionControl類中，調(diào)用運動控制卡提供的動態(tài)鏈接庫gts.dll，主要包括對控制卡的初始化設(shè)置、點位運動、插補運動、回原點、端口的輸入與輸出等。

在系統(tǒng)啟動時，先要對運動控制卡進行初始化：

(1)開運動控制卡：GT_Open();

(2)復(fù)位運動控制卡：GT_Reset();

(3)配置運動控制卡：GT_LoadConfig("GTS400.cfg");

在運動控制卡的初始狀態(tài)下，所有軸都處于單軸運動模式，因此，要進行插補運動，就要建立坐標系，即工件坐標系，調(diào)用GT_SetCrdPrm()指令將各個軸映射到對應(yīng)的坐標系中，控制各個軸來完成插補運動。

開始時，從鏈表g_CNCList讀取CNC信息，使用運動控制卡的插補函數(shù)，將插補運動代碼發(fā)送到運動控制卡的插補緩存區(qū)，啟動插補運動，機床開始加工。

插補緩存區(qū)有4096段插補數(shù)據(jù)的空間，在數(shù)據(jù)量比較大的時候，如果當插補緩存區(qū)已滿的時候，再向緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)就會發(fā)送錯誤，導(dǎo)致數(shù)據(jù)溢出，丟失插補數(shù)據(jù)，會發(fā)送無法預(yù)料的危險，因此需要調(diào)用GT_CrdSpace()指令查詢插補緩存區(qū)的剩余空間，只有當緩存區(qū)還有空間的時候，才能繼續(xù)向緩存區(qū)發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 速度前瞻預(yù)處理

對于小線段的插補加工，為保證刀具與加工工件接觸面的光滑，應(yīng)該盡量保證在軌跡運動過程中切向速度恒定，同時要保證一定的軌跡精度，然而在每一條線段的終點與下一條線段的連接處都會出現(xiàn)或大或小的拐點，在加工到這些拐點處必需做減速處理，以避免造成較大的沖擊，影響機械和電機的壽命同時也影響加工的精度。速度應(yīng)當降到多少，是否應(yīng)該降到零，根據(jù)線段長度、速度、加速度、拐點速度變化以及加工工藝參數(shù)來計算出各段終點的速度。這種在加工前對速度做規(guī)劃的處理方式就稱之為速度前瞻預(yù)處理。做這種處理的目的是為了解決高速度與高精度之間的問題，做到在不影響加工精度、機械和電機壽命的同時使加工速度達到最大。使用和不使用前瞻預(yù)處理功能模塊的速度如圖4所示。

圖4 使用和不使用前瞻預(yù)處理功能模塊的速度比較圖

2.3 人機交互界面和運行實例

雕刻機的人機交互界面是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面顯示在PC機的顯示器上，為操作者提供一個直觀的操作界面，軟件的操作界面和運行實例如圖5所示，其中的泰迪熊模型為刀具路徑的三維預(yù)覽。操作界面主要包括參數(shù)設(shè)置、功能顯示、圖形顯示等。在參數(shù)設(shè)置界面上可以方便地設(shè)置機床參數(shù)和電機參數(shù)。功能顯示包括機床坐標、工件坐標和工件坐標原點的設(shè)置按鈕，以及當前的加工速度和調(diào)節(jié)加工速度倍率，手動控制按鈕，還有菜單欄、工具欄和狀態(tài)欄等。圖形顯示主要包括三維圖形預(yù)覽和雕刻機加工時軌跡實時動態(tài)跟蹤的顯示。

圖5 軟件的操作界面和運行實例

3 結(jié)論

基于PC+運動控制卡的雕刻機數(shù)控系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計目的，本系統(tǒng)具有很強的開放性和靈活性，在開發(fā)過程中，充分利用了運動控制卡強大的計算能力和伺服控制能力及PC機上Visual C++的高效靈活的編程能力，既快速調(diào)用運動控制卡的庫函數(shù)，又可以方便地增加新的功能模塊。

［1］韓立洋.基于Windows平臺三軸雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.科學時代，2010(9)：120－121.

［2］王忠平.基于DSP的數(shù)控雕刻系統(tǒng)研究及其仿真實現(xiàn)［D］.上海：上海交通大學，2007.

［3］張宏，李富平.基于PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究［J］.機械設(shè)計與制造，2008(6)：171－172.

［4］GTS系列運動控制器編程手冊［Z］.深圳：固高科技(深圳)有限公司，2009.

［5］胡志祖.基于VC的數(shù)控G代碼解釋器的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.中國重型裝備，2009(1)：31－34.

［6］許小明，王碩桂.基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)代碼編譯器的開發(fā)［J］.機床與液壓，2009(11)：41－44.

［7］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2007.