王謙

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院　安徽·宿州　234000)

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基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)

王謙

（宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院安徽·宿州234000)

摘要：對基于PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究與開發(fā)，首先設(shè)計了此開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，然后通過硬件組建連接及軟件系統(tǒng)開發(fā)組建了一個基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)，并實現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，同時闡述了該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和軟件功能模塊的開發(fā)原理。實踐證明這種開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、靈活性強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；開放式結(jié)構(gòu)；運動控制卡

傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)有著體系封閉、兼容性差、功能不易擴(kuò)展、人機(jī)界面不豐富等缺點，給機(jī)床制造商的生產(chǎn)和最終用戶的使用、升級等帶來諸多不便，也使得數(shù)控系統(tǒng)很難應(yīng)用上計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的最新成果，這些都阻礙了數(shù)控技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。為解決上述問題，PC技術(shù)開始融入數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，從上世紀(jì)九十年代開始，國外許多企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)在基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)上做了大量的研究工作，取得了一系列的成果。研究成果表明，開放式數(shù)控系統(tǒng)可成功地解決上述問題，是未來數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1　開放式數(shù)控系統(tǒng)的組建結(jié)構(gòu)

1.1開放式數(shù)控系統(tǒng)的常見組建形式

目前大多數(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)都是以PC機(jī)為平臺進(jìn)行體系組建的。開放式數(shù)控系統(tǒng)可以利用PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化、高性能的硬件資源來選配自身硬件設(shè)備，體現(xiàn)其硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)性、靈活性和高運算速度；利用PC機(jī)豐富的軟件資源和強(qiáng)大的開發(fā)工具來進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)控制功能的開發(fā)、軟件功能的擴(kuò)展及人機(jī)界面、通訊聯(lián)網(wǎng)等功能的豐富。目前通過PC_NC形式來組建開放式數(shù)控系統(tǒng)的方式主要有三種: PC嵌入NC型、NC嵌入PC型、純PC全軟件型。

（1）PC嵌入NC型。這種結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的專用數(shù)控系統(tǒng)上擴(kuò)展出PC接口，PC通過計算機(jī)總線連接到傳統(tǒng)專用數(shù)控上。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是傳統(tǒng)專用數(shù)控不需要做改動就可以工作，嵌入的PC機(jī)則可以用來處理非實時的任務(wù)。但這種結(jié)構(gòu)保留了原有數(shù)控系統(tǒng)的封閉性，它的開放性只限于嵌入的PC部分。

（2）NC嵌入PC型。這種結(jié)構(gòu)是將整個NC功能硬件插入到PC的擴(kuò)展槽中，PC和NC之間通過PC總線進(jìn)行連接和通訊。這種結(jié)構(gòu)一般采用上、下位機(jī)的交互通訊模式。這種結(jié)構(gòu)具有上、下兩級的開放性，且開發(fā)成本較低。

（3）純PC全軟件型。這種結(jié)構(gòu)將數(shù)控系統(tǒng)看作是PC機(jī)上的一個應(yīng)用軟件，數(shù)控系統(tǒng)的所有控制功能均由安裝在PC機(jī)上的控制軟件來實現(xiàn)。它的硬件部分基本上只含PC機(jī)、伺服系統(tǒng)及相應(yīng)接口。這種數(shù)控系統(tǒng)具有完全開放的體系結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)的軟件開發(fā)具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。

上述三種組建形式中，PC嵌入NC型的開放程度較低且其仍依賴于傳統(tǒng)的封閉的數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)。純PC全軟件型的硬件成本最低，但是軟件的開發(fā)最復(fù)雜，不易于實現(xiàn)。NC嵌入PC型的結(jié)構(gòu)緊湊、開放程度較高、易于實現(xiàn)，因此在實際中被廣泛的應(yīng)用，是開放式數(shù)控系統(tǒng)體系的主要組建形式。

1.2基于PC+運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析

本文參照歐洲OSACA開放式數(shù)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)體系，以PC機(jī)為平臺，采用NC嵌入PC型的組建形式，設(shè)計開發(fā)了基于“PC+運動控制卡”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1　開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

這種開放式數(shù)控系統(tǒng)采用兩級計算機(jī)的上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)是PC機(jī)，下位機(jī)是運動控制卡。PC機(jī)負(fù)責(zé)人機(jī)交互、程序編輯和監(jiān)控等非實時處理，用戶在開發(fā)的人機(jī)交互界面中，可以建立與運動控制卡的通訊，設(shè)置運動控制卡的相關(guān)參數(shù)，通過安裝在PC機(jī)上的CAM軟件生成數(shù)控加工程序，并將其傳送給運動控制卡，可以讓運動控制卡執(zhí)行該程序，同時還可以監(jiān)視運動控制卡中的各種開關(guān)、運動信息等；運動控制卡負(fù)責(zé)機(jī)床的運動控制和邏輯控制等實時控制，它既要執(zhí)行PC機(jī)發(fā)來的運動程序和PLC程序，完成插補(bǔ)運算、位置控制、刀補(bǔ)、速度處理、PLC控制等實時控制，又要不斷地向人機(jī)交互界面反饋各軸當(dāng)前坐標(biāo)、各種開關(guān)、運動參數(shù)等信息。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊和控制靠開發(fā)專門的軟件來實現(xiàn)。

這種結(jié)構(gòu)具有上、下兩級的開放性。在軟件方面，可以利用PC機(jī)豐富的軟件資源和開發(fā)工具，對軟件功能進(jìn)行擴(kuò)展和豐富，可以對運動控制卡的函數(shù)庫進(jìn)行深層開發(fā)，以擴(kuò)充它的控制功能；在硬件方面，PC機(jī)的硬件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、通用化，完全滿足互換性的要求，運動控制卡通常有專用或通用的，而且廠商會不定時推出升級產(chǎn)品，開發(fā)者可根據(jù)實際需要有針對性的進(jìn)行選擇，以提升數(shù)控系統(tǒng)的適用性和性能。

2　硬件系統(tǒng)平臺的組建及連接

2.1硬件系統(tǒng)平臺的構(gòu)建設(shè)計

通常數(shù)控系統(tǒng)由數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩部分組成，各公司的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品也是將兩者作為一體的。數(shù)控裝置是控制機(jī)床運動的中樞系統(tǒng)，通常包括以下幾個部分:中央處理單元、ROM、RAM、I/O設(shè)備、操作面板、顯示器等；它的基本任務(wù)是根據(jù)接收到的NC控制指令，參考系統(tǒng)的編譯規(guī)則對指令進(jìn)行編譯，翻譯成伺服系統(tǒng)能夠識別的控制信號，并將結(jié)果由輸出裝置送到各坐標(biāo)控制的伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的基本任務(wù)是接收數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號，控制機(jī)床執(zhí)行部件以特定的運動參數(shù)完成零件的自動加工動作，它主要包括伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)。

本文是在原Leadway_v450數(shù)控加工中心的基礎(chǔ)上開發(fā)的基于“PC+運動控制卡”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，同樣從數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)兩個方面來搭建硬件系統(tǒng)平臺。伺服系統(tǒng)采用原加工中心自帶的，其伺服系統(tǒng)由主軸系統(tǒng)、伺服驅(qū)動器和伺服電機(jī)組成，而主軸系統(tǒng)也是由伺服驅(qū)動器驅(qū)動的，因此在這方面只需要做好運動控制卡與伺服驅(qū)動器的連接即可，讓運動控制卡可以控制原伺服驅(qū)動器。數(shù)控裝置方面由PC機(jī)、運動控制卡、端子板、鍵盤、鼠標(biāo)等外設(shè)構(gòu)成，其中運動控制卡是整個數(shù)控裝置的核心部件。硬件系統(tǒng)平臺的整體構(gòu)建設(shè)計如圖2所示:

圖2　硬件系統(tǒng)平臺的整體構(gòu)建設(shè)計

2.2固高運動控制卡簡介

在本文所開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)中，運動控制卡最終實現(xiàn)機(jī)床的數(shù)控功能，是整個數(shù)控裝置的核心部件。在滿足功能需求又兼顧經(jīng)濟(jì)性的條件下，本文運動控制卡選用的是深圳固高科技生產(chǎn)的GT_400_SV_PCI。該運動控制卡的核心處理器由ADSP2182數(shù)字信號處理器和FPGA組成，DSP具有優(yōu)越的高速數(shù)據(jù)處理功能，F(xiàn)PGA具有超強(qiáng)的邏輯處理功能，二者結(jié)合在一起使運動控制卡的性能更加地優(yōu)越，可以實現(xiàn)高性能的控制計算；該卡采用PCI總線與計算機(jī)相連，它可以同步控制四個運動軸，支持多軸直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)；該產(chǎn)品具有梯形曲線、S型曲線、JOG模式等點位運動規(guī)劃功能，它還具有電子齒輪同步運動規(guī)劃功能，可以實現(xiàn)高速點位運動控制和高性能的多軸協(xié)調(diào)運動控制。

軟件上，固高運動控制卡提供了由高級語言編寫的函數(shù)庫，該函數(shù)庫包含了數(shù)控機(jī)床基本的控制功能，并以動態(tài)鏈接庫的形式提供給開發(fā)者使用。開發(fā)者可以使用支持動態(tài)鏈接庫的軟件開發(fā)工具來開發(fā)應(yīng)用程序以實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能。

3　軟件系統(tǒng)的開發(fā)

3.1 NC功能控制軟件的總體層次設(shè)計

開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)包括操作系統(tǒng)和NC功能控制軟件兩個部分，軟件系統(tǒng)的開發(fā)主要是指NC功能控制軟件的開發(fā)。為了方便開發(fā)者進(jìn)行NC軟件的開發(fā)，通常將數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具備的所有功能以模塊化的方式進(jìn)行劃分，先劃分大的模塊，再逐級細(xì)分，最后將數(shù)控系統(tǒng)的所有功能劃分為一個個的基礎(chǔ)功能模塊，開發(fā)者只要能通過軟件開發(fā)將所有的基礎(chǔ)功能模塊實現(xiàn)，便可實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的所有功能。NC功能控制軟件其實就是由所有的基礎(chǔ)功能模塊組成的模塊庫。

參照傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，可以將數(shù)控系統(tǒng)軟件部分的功能劃分為系統(tǒng)管理類功能模塊和系統(tǒng)控制類功能模塊。系統(tǒng)管理類功能模塊主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)的監(jiān)管，保證系統(tǒng)的正常運行，以及為系統(tǒng)控制功能模塊提供必要的支持和服務(wù)，它包括系統(tǒng)通訊、系統(tǒng)初始化、參數(shù)管理、系統(tǒng)顯示、NC程序管理、故障診斷等模塊；系統(tǒng)控制類功能模塊主要負(fù)責(zé)提供數(shù)控系統(tǒng)完成加工功能所必須的服務(wù)，具體包括NC程序預(yù)處理、刀具補(bǔ)償、自動運行、手動運行、運動監(jiān)視、I/O控制等模塊。

3.2基礎(chǔ)功能模塊的軟件開發(fā)原理及實現(xiàn)機(jī)制

固高GT_400_SV_PCI運動控制卡提供了由高級語言VC++編寫的函數(shù)庫GT400.d11，并以動態(tài)鏈接庫的形式提供給用戶使用。該函數(shù)庫中含有200多個最基本的控制函數(shù)，基本囊括了運動控制卡所有的最基本、最底層的控制功能，用戶可以使用支持動態(tài)鏈接庫的高級編程語言如VC++、VB、De1Phi等來開發(fā)應(yīng)用程序，通過在應(yīng)用程序中調(diào)用庫中的函數(shù)來實現(xiàn)特定的控制功能。單個函數(shù)功能比較單一，實現(xiàn)某一基本數(shù)控功能往往需要調(diào)用多個函數(shù)組合才能完成。NC軟件基礎(chǔ)功能模塊的開發(fā)過程其實就是使用高級編程語言編寫程序、在程序中調(diào)用函數(shù)的過程；基礎(chǔ)功能模塊的實現(xiàn)過程其實就是通過編寫的程序讓運動控制卡完成調(diào)用函數(shù)的過程?；A(chǔ)功能模塊的開發(fā)原理及實現(xiàn)機(jī)制如圖3所示:

圖3　各基礎(chǔ)功能模塊的開發(fā)原理及實現(xiàn)機(jī)制

圖4所示為使用VC++編程語言針對坐標(biāo)軸回零功能模塊的開發(fā)所編寫的程序內(nèi)容，從圖中可以看出為實現(xiàn)這一基本功能模塊，程序中組合調(diào)用了函數(shù)庫GT400.d11中的多個基本函數(shù)（GT_開頭的均為函數(shù)庫中的函數(shù)）。

圖4　坐標(biāo)軸回零功能模塊的程序編寫

4　開放式數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試及軟件功能測試

硬件系統(tǒng)平臺的調(diào)試主要通過以下步驟完成，如圖5所示:

圖5　硬件系統(tǒng)平臺調(diào)試過程

經(jīng)過硬件平臺的調(diào)試，確定硬件平臺的連接沒有問題之后，本文對系統(tǒng)的多軸運動控制功能做了一個簡單測試。首先寫了一個簡單的三軸聯(lián)動G代碼程序（在XY平面的運動居多），然后通過開發(fā)的NC控制軟件編譯并驅(qū)動組建的開放式數(shù)控系統(tǒng)運行該程序，在主軸上裝了一支鉛筆用于描繪XY平面走刀軌跡，運行結(jié)束后對鉛筆描繪軌跡進(jìn)行了測量，G代碼程序的仿真驅(qū)動界面和實際運行軌跡如圖6和7所示:證明開發(fā)的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有三軸聯(lián)動軌跡控制功能，且精度良好。接著本文又對此數(shù)控系統(tǒng)的其他基本功能一一做了測試，都得到了實現(xiàn)。

圖6　G代碼程序仿真及驅(qū)動界面

圖7　G代碼程序?qū)嶋H運行軌跡

5　小結(jié)

在原Leadway_v450數(shù)控加工中心的基礎(chǔ)上開發(fā)了基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明所組建的開放式數(shù)控系統(tǒng)功能和性能滿足設(shè)計要求，這種開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、開發(fā)成本低、靈活性強(qiáng)、控制精度高等優(yōu)點，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實意義。同時由于運動控制卡的功能十分強(qiáng)大，許多功能還沒有開發(fā)利用，所以此開放式數(shù)控系統(tǒng)還具有較大的開發(fā)空間。

作者簡介：王謙，男，宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院助教，碩士研究生。

中圖分類號：TH-39

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

文章編號：1009-8534（2016）02-154-03