韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國

(山東科技大學 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床運動控制系統(tǒng)研究

韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國

(山東科技大學 先進制造技術(shù)研究中心，山東 青島 266590)

根據(jù)數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床上料機構(gòu)工作特點和要求，采用“PC+運動控制卡”模式構(gòu)建了開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺，研究其在伺服控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。利用VS2008提供的MFC作為工具進行二次開發(fā)，開發(fā)底層控制程序。通過調(diào)用運動控制卡提供的運動函數(shù)庫設(shè)計伺服控制系統(tǒng)軟件。

運動控制卡；伺服控制系統(tǒng)；MFC；運動函數(shù)庫

0 前言

運動控制技術(shù)是跨學科的綜合技術(shù)，機電一體化的核心。位置控制的實現(xiàn)一般直接采用單片機或微機，但外圍電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要較長的開發(fā)周期。對控制的精度和速度要求越來越高，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已達不到快速產(chǎn)品開發(fā)的要求。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了種類繁多的運動控制卡，能夠滿足運算速度快、高精度的控制要求，非常適合專用數(shù)控設(shè)備的運動控制系統(tǒng)開發(fā)。

采用的運動控制系統(tǒng)是基于PCI總線的PCI-DMC1410 運動控制卡和功能函數(shù)庫、PC機、控制多軸的伺服電動機、并依照預(yù)定軌跡和運動參數(shù)作定位運動[4]。具有開放性、通用性等特點，方便移植到各種運動控制系統(tǒng)開發(fā)中去，如雕刻機、專用數(shù)控機床等，并利用VS2008提供的MFC為工具，開發(fā)設(shè)計數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床板料拆垛上料機的運動控制系統(tǒng)。

1 基于運動控制卡的上料機構(gòu)運動控制系統(tǒng)硬件組成

1.1DMC1410B運動控制卡

DMC1410是基于PCI總線的脈沖式運動控制卡，可實現(xiàn)多達四個步進/伺服電動機的控制如圖1所示。PCI總線是一種先進的高性能32/64位地址數(shù)據(jù)重用本地總線，具有即插即用硬件直線插補、S型速度控制曲線等功能。位置指令可用單通道脈沖(脈沖+方向)或雙路脈沖(CW脈沖+CCW脈沖)方式輸出，可以差分式或單頭式信號，具有高集成度、高可靠性等特點。

圖1 DMC1410結(jié)構(gòu)控制圖

此運動控制卡可完成連續(xù)軌跡和點運動。速度控制和位置控制是通過點位運動實現(xiàn)。位置控制模式下包含了2種加減速方式：梯型曲線加減速和S型曲線加減速。

1.2 系統(tǒng)硬件的結(jié)構(gòu)和原理

板料拆垛是自動化沖壓的第一道工序。從備料車間運送到?jīng)_壓車間的板料，首先通過上料機構(gòu)中的板料分離裝置自動將毛胚垛料實現(xiàn)分離，然后通過板料抓取裝置-拾端器進行抓取。抓取之后再放到指定地方。上料機構(gòu)系統(tǒng)完成板料的抓取、拆垛和放置，在工作過程中需要精確的位置、角度定位。在板料的抓取和放置過程中需要較高的精度和速度，一般傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)滿足不了更高的要求。

運動控制系統(tǒng)的硬件由以下四部分組成：運動控制卡、PC機、伺服驅(qū)動器和伺服電動機。運動控制卡為雷賽科技的DMC1410 的四軸運動控制卡。步科ED-430伺服驅(qū)動器和+60S-0040-30XXX-4LG小慣量三相伺服電動機。PC機和運動控制卡一起構(gòu)成控制單元，PC機主要管理信息流和數(shù)據(jù)流，控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控和人機交互界面的管理等方面的工作。控制卡插在PC機主板上的PCI插槽內(nèi)。運動控制卡上專用CPU與PC機構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)。自動升降的處理、脈沖和方向信號的輸出、原點和限位等信號的檢測等都可由運動控制卡完成。驅(qū)動器與運動控制卡的連接板相連，采用編碼器速度控制，并將收到運動控制卡發(fā)出的脈沖信號，通過內(nèi)部電路控制電動機運轉(zhuǎn)。如此構(gòu)成一個半閉環(huán)的伺服控制系統(tǒng)。構(gòu)成如圖2所示。

圖2 運動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 梯形速度曲線運動模式

圖3 梯形速度和加速度曲線圖

梯形速度曲線如圖3所示。通常位置控制采用這種速度控制模式。在運動過程中先以恒定的加速度進行加速，然后達到指定值時開始勻速運動，運行一段距離后再恒定的加速度進行減速。梯形速度曲線，包括3個階段：恒加速階段、勻速階段、恒減速階段。

運行速度之所以以梯形曲線變化，主要因為慣性的作用。電動機轉(zhuǎn)子和被拖動的物體不可能在瞬間達到指定速度，因此必須有一定的加速過程。由圖4可以看出梯形曲線加減速過程中，啟動時、達到設(shè)定速度時、從最高速度下降時和最后停止時的這4個瞬間，表現(xiàn)出速度轉(zhuǎn)折及相對應(yīng)的加速度突變。

以梯型曲線進行加減速的主要優(yōu)點是在運動過程當中可以自動修改目標位置和速度；其控制方法和計算簡單；適合進行實時運算；有較短的加減速時間。此方法適用于控制系統(tǒng)處理速度較慢，且對加減速過程要求不高的場合[1]。

1.4S型速度曲線運動模式

如圖4所示，S型速度曲線運動模式的加速度是一個連續(xù)的變化過程。加速度或減速度線性地增加或減少，所以在機械運動的平穩(wěn)性方面較好。

圖4 S型速度和加速度曲線圖

此運動模式中減速與加速是兩個對稱的過程，整個運行過程分為7個階段:加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。從S型速度和加速度曲線可以看出，速度和加速度都是時間t的連續(xù)函數(shù)。從啟動到加速過程有光滑過渡過程，這種運動模式?jīng)_擊小，噪聲小，可延長電動機和機械系統(tǒng)的使用壽命。

梯形曲線加減速在運動過程中可以隨時修改目標位置和速度；S曲線加減速只能修改目標位置。在加速度相等的情況下梯形曲線具有較短的加減速時間，而S曲線的運動比較平滑，應(yīng)針對具體的場合選擇相應(yīng)的加減速模式。

2 上料機構(gòu)運動控制系統(tǒng)軟件

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于Windows平臺的系統(tǒng)軟件是基于搶占式的多任務(wù)操作系統(tǒng)[2]，具有友好的圖形界面和豐富的開發(fā)資源，實現(xiàn)多任務(wù)時不需要用戶干預(yù)。采用模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的維護和升級。根據(jù)需求將該系統(tǒng)劃分成位置模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、運動控制模塊、系統(tǒng)管理模塊、信息顯示以及異常檢測處理等6大模塊。VS2008是一個功能強大的可視化編程工具，是目前常用的程序開發(fā)平臺之一。DMC1410提供Windows驅(qū)動程序，能夠在VS2008環(huán)境下調(diào)用動態(tài)鏈接庫，而寄存器級別的應(yīng)用函數(shù)為開發(fā)人員提供更多的便利，使底層的開發(fā)更加容易[3]。圖5為系統(tǒng)軟件的設(shè)計流程圖。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

啟動系統(tǒng)后進行初始化，然后設(shè)置相應(yīng)的運行參數(shù)，參數(shù)設(shè)置主要負責設(shè)置上料機x、y、z軸運動控制的脈沖輸出，控制脈沖發(fā)送的速度。參數(shù)設(shè)置完成后，執(zhí)行運動控制模塊程序進行運動控制，狀態(tài)顯示模塊將各軸運行狀態(tài)，如速度、位置等信息顯示。各功能模塊通過主框架程序相互協(xié)調(diào)控制，構(gòu)成一個完整統(tǒng)一協(xié)調(diào)運動控制系統(tǒng)。

2.2 軟件的模塊化實現(xiàn)

軟件設(shè)計采用模塊化方法使得上料機運動控制系統(tǒng)軟件便于維護，并且具有可重構(gòu)性、可擴充性。模塊化設(shè)計即在程序的編寫過程中不是逐條逐句寫入各種語句和控制指令。而是用框架將軟件的主要結(jié)構(gòu)和流程描述出比如主程序、子程序、子過程等。將各個框架之間的輸入、輸出、鏈接等關(guān)系定義并調(diào)試好，由此得到以功能塊為單位的一系列算法描述[4]。模塊化設(shè)計可以降低程序的復(fù)雜程度，便于設(shè)計、調(diào)試和維護。模塊化的開發(fā)過程中,要做好目錄結(jié)構(gòu)、命名規(guī)范、全局和特例的界限劃分。這樣才能容易實現(xiàn)封閉獨立性、可重復(fù)性、可修改性、統(tǒng)一性等較高的要求。對系統(tǒng)模塊還有需要注意以下幾個問題：系統(tǒng)更換的可能性和必要性；在功能及結(jié)構(gòu)方面有一定的獨立性和完整性；模塊間的銜接要素要易于聯(lián)接與分離。按模塊化設(shè)計思想對系統(tǒng)進行模塊劃分，將運動控制系統(tǒng)分成以下幾個模塊(圖6)：

1) 初始化模塊，對拆垛上料機運動控制系統(tǒng)進行初始化工作，主要包括界面、運動控制卡和各項參數(shù)等的初始化。

2) 參數(shù)設(shè)置模塊，完成對相關(guān)機構(gòu)速度、加速度、運動位置的設(shè)定。模具庫管理及伺服報警模塊的設(shè)計。

3) 運動控制模塊，主要包括運動模式的選擇、接收限位、開關(guān)等信號、回零、對運動控制卡發(fā)送運動指令，實現(xiàn)對整個拆垛上料機的運動控制。

4) 狀態(tài)顯示，實時顯示當前運動狀態(tài)的信息。

5) 系統(tǒng)管理以及異常檢測處理模塊。

圖6 運動控制系統(tǒng)軟件模塊圖

控制系統(tǒng)軟件還需要一個方便、友好的控制系統(tǒng)人機界面圖7為數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床板料拆垛上料機運動控制系統(tǒng)操作界面。

圖7 運動控制系統(tǒng)操作界面結(jié)構(gòu)控制圖

運動控制系統(tǒng)的人機界面主要作用是通過各種方式把系統(tǒng)的各種功能信息展示出來，并把用戶的輸入和選擇變成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳遞給控制系統(tǒng)進行實現(xiàn)，用戶界面應(yīng)該是界面友好、親和力強，能夠最大限度的反饋系統(tǒng)運行的關(guān)鍵狀態(tài)，讓操作者更好的掌握系統(tǒng)的運行過程。

2.3 程序的實現(xiàn)

用戶可以編制出相對應(yīng)要求的控制系統(tǒng)界面，并調(diào)用運動控制卡上相應(yīng)的一部分函數(shù)，就可以開發(fā)出滿足要求的運動控制系統(tǒng)。依據(jù)所設(shè)計的操作界面以及要實現(xiàn)的運動控制功能，可通過響應(yīng)函數(shù)來實現(xiàn)。對話框中x、y、z軸3個按鈕，要對初速度、加速度、運動距離和運動模式進行相關(guān)的設(shè)置和有選擇性的讀取。

實現(xiàn)過程如下:

如果實現(xiàn)連續(xù)運動模式時三軸的獨立運動,調(diào)用運動函數(shù)庫響應(yīng)函數(shù)中的v_move(axis, str_vel, max_vel, Tacc)，結(jié)束運動時調(diào)用v_stop(axis, Tdec),停止各軸的運動。

3 結(jié)語

基于PCI總線上的PCI - DMC1410四軸運動控制卡為核心的運動控制系統(tǒng)。為了克服傳統(tǒng)的數(shù)字運動控制裝置外圍電路復(fù)雜，計算速度慢的缺陷，設(shè)計了高速，高精度運動控制。此外，該系統(tǒng)具有通用性，能夠方便地移植到各種運動控制系統(tǒng)的開發(fā)中。

[1] 胡建華，廖文和，周儒榮. CNC系統(tǒng)中幾種升降速控制曲線的研究與比較[J]. 南京航空航天大學學報. 1999, 31(6):706-711.

[2] 金雪云，等.Visual C++教程[M].北京.清華大學出版社，2005.

[3] 張杰，黃益群.基于PC的開放式多軸運動控制系統(tǒng)開發(fā)[J].伺服控制，2007:47-48.

[4] 閆建國.基于DSP的無人飛機飛控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計[J].計算機測量與控制，2009,29(1)：221-236.

Motion Control System of Feeding Mechanism of CNC Turret Punch Based on Motion Control Card

HAN Ying-ying, ZHONG Pei-si, WEI Jun-ying, LIU Mei,LU Zhen-guo

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

This paper constructs the hardware of open type CNC system based on the mode of “PC + Motion Control Card”by using DMC1410 PCI motion control card and studies the use of hardware in the servo control system. The MFC provided VC++6.0 is used as a tool for secondary exploitation to develop the bottom control procedures. It designs the servo control system software through calling motion function library of motion control card.

motion control; servo control system; MFC; movement function library

山東省自然科學基金資助項目(ZR2011EEM014)

韓迎迎(1985-)，女，山東濱州人，碩士研究生，研究方向：先進制造技術(shù)。

TG385

B

1671-5276(2014)02-0069-03

2013-03-07