王宏甲,趙慶志,夏汝巖,張興武

(山東理工大學 機械工程學院,山東 淄博 255049)

基于差分插補原理的三坐標數(shù)控實驗臺的研制

王宏甲,趙慶志,夏汝巖,張興武

(山東理工大學 機械工程學院,山東 淄博 255049)

針對現(xiàn)有數(shù)控實驗臺在其開放性方面的不足,對PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡+PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)控制方案進行了研究,給出了該數(shù)控系統(tǒng)的硬件構成，重點針對PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的輸入輸出接口電路進行了規(guī)劃與設計.采用差分插補理論,開發(fā)了適于實驗臺的數(shù)控系統(tǒng).實驗表明，研制的三坐標數(shù)控實驗臺能夠很好地滿足設計要求.

開放式數(shù)控系統(tǒng)；接口電路設計；差分插補理論；三坐標

1 三坐標數(shù)控實驗臺總體方案設計

本實驗臺主要用于本科生及研究生的數(shù)控教學與研究,要求功能齊全、結構簡單、易于教學與推廣.尤其是其軟、硬件的開放性是實現(xiàn)在數(shù)控教學與研究過程中理實一體化的重要保證.依據(jù)這些要求,擬定其總體設計方案,如圖1所示.

圖1 三坐標數(shù)控實驗臺總體設計方案

圖2 三坐標數(shù)控實驗臺

三坐標數(shù)控實驗臺的實物如圖2所示,其主要由兩部分組成：機床本體以及基于PCI-1750板卡的接口電路.計算機數(shù)控系統(tǒng)通過PCI板卡以及相應的接口電路對機床進行控制.

2 三坐標數(shù)控實驗臺的機床本體

三坐標數(shù)控實驗臺的機床本體采用了立式三坐標的結構,其X軸、Y軸以及Z軸的行程分別為 110mm,110mm,50mm.通過調整各軸驅動器的相應撥碼開關，其X軸、Y軸以及Z軸的脈沖當量分別為0.001mm，0.001mm，0.005mm.通過PCI-1750數(shù)控采集卡以及相應的數(shù)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)各軸的運動控制及聯(lián)動.

2.1 主軸部分

本實驗臺主要用于進給伺服系統(tǒng)的教學與研究,所以沒有設計主軸部分,而是采用了一支毛筆來模擬主軸.采用膠條卡箍,將毛筆固定在Z坐標的滑臺上,通過向PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送脈沖和高低電平,可以實現(xiàn)毛筆上下運動的數(shù)字控制.此結構易于實現(xiàn)、成本低、控制方便,便于教學與研究型數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā).

2.2 進給伺服系統(tǒng)部分

該三坐標數(shù)控實驗臺主要用于進給伺服系統(tǒng)的教學與研究,采用毛筆模擬主軸,在工作臺上進行相應圖案的繪制,故進給伺服系統(tǒng)傳遞的扭矩不大,加工精度要求不太高,所以采用開環(huán)控制系統(tǒng)來實現(xiàn)坐標軸的運動控制.X軸、Y軸的進給運動是通過步進電機與絲杠直接連接來傳遞旋轉運動,絲杠與螺母進行配合,螺母通過螺釘安裝在工作臺上,實現(xiàn)工作臺的直線往復運動.步進電機與絲杠連接,采用彈性聯(lián)軸器,實現(xiàn)一定的位置補償.Z軸方向的進給運動,通過減速步進電機與絲杠進行連接,實現(xiàn)滑臺的上下運動.此處選擇減速電機主要是為了圓整脈沖當量.

關新華（1985-），女，山西交口人，博士，廣東財經大學地理與旅游學院講師，研究方向為服務營銷，旅游企業(yè)管理。

通過設計計算并結合實驗室的現(xiàn)有條件,選擇無錫三拓電氣設備有限公司生產的步進電機以及相應的驅動器.其中,X軸方向的電機型號為42HS4013A4C型兩相混合式步進電機,Y軸方向的電機型號為57HS7630A4D8型兩相混合式步進電機,這兩個步進電機的驅動器均選擇MB450A兩相混合式步進電機驅動器.Z軸方向的電機型號為20HS2806A4型兩相混合式步進電機,其配套驅動器的型號為M415B.所選驅動器均采用交流伺服驅動器的電流環(huán)進行細分控制,具備光電隔離信號輸入/輸出、自動半流功能,脫機命令輸入端子等特點.通過調整相應的撥碼開關,實現(xiàn)步距角以及輸出相電流等參數(shù)的設置.

3 基于PCI-1750板卡的接口電路

本文研制的三坐標數(shù)控實驗臺采用PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡+PC的開放式系統(tǒng)控制方案[5],其與計算機的接口電路主要是指外部設備與PCI-1750板卡的接口電路,主要包括混合式步進電機的接口電路以及限位開關等數(shù)字量信號的接口電路.

3.1 研華PCI-1750板卡簡介

研華PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡提供了16個隔離數(shù)字量輸入通道、16個隔離數(shù)字量輸出通道和1個適用于PCI總線的隔離計數(shù)器/定時器[6],針腳接口如圖3所示.PCI-1750支持2 500VDC的隔離保護和干接點,是高壓保護工業(yè)應用的理想選擇.PCI-1750的每個I/O通道都對應PCI/O端口中的一個位, 使PCI-1750的編程變得十分容易.該板卡還提供了1個計數(shù)器/定時器中斷和2根連接至PC的數(shù)字量輸入中斷線纜.因此用戶可通過軟件輕松進行各種配置.

圖3 PCI-1750針腳定義

通過將PCI-1750 與PC機相結合，搭建主從式控制結構.有關人機交互界面的管理以及控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控等方面的工作由PC機負責;PCI-1750 數(shù)據(jù)采集卡主要完成相應電機的運動控制,通過輸出的脈沖頻率來控制電機的速度,通過方向位的高低電平來控制電機運轉方向,與此同時實時采集限位開關、急停等外設信號實現(xiàn)相應的控制.

3.2 混合式步進電機與PCI板卡的接口電路

混合式步進電機通過其相應的驅動器與PCI-1750板卡進行連接,混合式步進電機與PCI板卡的接口電路主要是指步進電機驅動器與PCI板卡的連接.

X軸步進電機配套的驅動器為MB450A兩相混合式步進電機驅動器,其對應的控制信號可以是高電平有效,也可以是低電平有效.當高電平有效時,把所有控制信號的負端連在一起作為信號地,稱為共陰極法.當?shù)碗娖接行r,把所有控制信號的正端連在一起作為信號公共端,稱為共陽極法.由于PCI-1750板卡的輸出信號為低電平,所以采用共陽極接法進行驅動器與PCI板卡的連接,其接線如圖4所示.

圖4 X軸步進電機與PCI-1750板卡的接口電路

Y軸、Z軸的混合式步進電機與PCI板卡的接口電路與X軸相同,也采用共陽極法,在此不再贅述.

3.3 限位開關與PCI板卡的接口電路

限位開關信號的實時采集是數(shù)控系統(tǒng)的重要任務,是不可或缺的重要功能模塊[7].所以限位開關的接口電路是整個PCI接口電路的重要組成部分.

位置檢測器件主要分為接觸式與非接觸式.其中,接觸式開關主要有微動開關、行程開關等.非接觸式開關主要有光電式、電磁式以及霍爾式接近開關等[8].接近開關多采用半導體三極管做控制信號輸出,由于采用無觸點輸出方式,所以非接觸式接近開關具有反應速度快、使用壽命長、對觸點的壽命無影響且不會磨損或者損傷被檢測對象等優(yōu)點.所以,本實驗臺優(yōu)先選用非接觸式接近開關.出于教學目的,選取一路限位開關采用接觸式開關中的行程開關.其余三路限位開關均采用非接觸式開關中的霍爾式接近開關.

開關型數(shù)字量信號讀入計算機的方法主要有直接短接法、分壓法以及光電隔離法等[8].其中,直接短接法主要用于行程開關信號的檢測；分壓法以及光電隔離法主要應用于非接觸式接近開關信號讀入計算.

PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的16個隔離數(shù)字量輸入通道均支持干接點或者5～48VDC的電壓輸入.其中干接法結構簡單,易于實現(xiàn).本文主要采用干接法實現(xiàn)限位開關信號讀入計算機.PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的隔離數(shù)字量輸入的干接法主要是通過將隔離數(shù)字量輸入引腳與隔離接地引腳直接短接,計算機通過程序讀取到相應引腳位的電位信息,從而判斷限位開關的狀態(tài).

行程開關信號讀入計算機的接口電路設計如下：通過行程開關SQ將PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的隔離數(shù)字量輸入引腳IDI0與隔離接地IGND進行通斷,實現(xiàn)IDI0位狀態(tài)的高低電平發(fā)生變化,計算機CPU通過程序即可分辨出行程開關SQ的狀態(tài).

霍爾式接近開關的信號讀入計算機時,由于不能直接將PCI-1750數(shù)據(jù)采集卡的隔離數(shù)字量輸入引腳與隔離接地引腳直接短接,所以無法直接采用干接法.考慮到霍爾傳感器為有源器件,在本系統(tǒng)中,存在驅動步進電機的+24V電源,所以,可以考慮用霍爾傳感器驅動中間繼電器,用中間繼電器的常開觸點,將PCI板卡的隔離數(shù)字量輸入引腳與隔離接地引腳短接,使行程開關的信號讀入計算機.其接口電路的設計為：霍爾傳感器1、2引腳之間接24V直流電壓,1、3引腳之間接入中間繼電器J1的線圈.當有磁鐵的N級靠近傳感器有字的表面時,1號引腳相對3號引腳的電壓為24V,中間繼電器線圈動作,常開觸點閉合,隔離數(shù)字量輸入引腳IDI1與隔離接地引腳IGND短接,計算機CPU通過程序即可分辨出霍爾式接近開關的狀態(tài).

4 基于差分插補原理的數(shù)控系統(tǒng)及其實驗

4.1 差分插補原理簡介

差分插補原理基于多項式函數(shù)插值擬合的理論,是一種變量可分離的正高次代數(shù)曲線合成差分插補數(shù)控加工方法.該理論解決了目前數(shù)控系統(tǒng)中所用插補方法不能很好地滿足加工要求、進行直線或圓弧擬合時精度低、接點不連續(xù)、運算程序大等問題,具有插補功能更強、控制精度更高、操作使用更容易等優(yōu)點[4].通過采用差分插補原理,將直線、圓弧、橢圓、雙曲線以及拋物線等曲線的插補歸于統(tǒng)一的運算框圖,能夠完成直接插補[9].該原理使得數(shù)控系統(tǒng)的插補功能有了極大的改善.

4.2 基于差分插補原理的數(shù)控系統(tǒng)實驗

本文基于差分插補原理,針對三坐標數(shù)控實驗臺,使用VC++6.0開發(fā)了相應的數(shù)控系統(tǒng),其界面如圖5所示.利用基于差分插補原理的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了直線、圓弧、橢圓等曲線的直接插補[10].該數(shù)控實驗臺插補的曲線如圖6和圖7所示.

實驗表明，研制的三坐標數(shù)控實驗臺具有功能齊全、結構簡單、軟硬件開放、成本低、易于教學的特點，能夠滿足實際工作的要求.

圖5 數(shù)控系統(tǒng)界面

圖6 插補直線以及圓弧

圖7 插補圓以及橢圓

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(編輯：郝秀清)

Development of three coordinate NC experiment platform based on differential interpolation theory

WANG Hong-jia,ZHAO Qing-zhi,XIA Ru-yan,ZHANG Xing-wu

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

In view of the deficiency of the present numerical control experiment platform in its openness, the hardware structure of the NC system is presented by studying the control scheme of the open system with PCI-1750+PC.The planning and design of the input and output interface circuit for PCI-1750 is the key point. The NC system which is suitable for the experiment platform is developed by using the differential interpolation theory. The experimental results show that the three coordinate NC experiment platform can meet the design requirements well.

open numerical control system；interface circuit design；differential interpolation theory；three coordinate

2016-10-24

王宏甲，男，whj1988928@163.com； 通信作者：趙慶志，男，zhaoqzme@163.com

1672-6197(2017)06-0034-04

TG659

A