基于PC和運動控制卡的數控雕銑教學實驗系統開發

袁紅兵，譚鑫，趙動動

(南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094)

0 前言

隨著計算機技術的發展，數控編程技術在數控加工工藝規劃、刀具路徑生成、數控代碼動態模擬等方面取得了普遍應用，但在數控加工的實際環境中，由于零件加工工藝的復雜性和加工環境的不同，加工過程中可能會出現零件過切和干涉碰撞等現象。另一方面，由于數控機床的投資和運行成本較大，操作也更為復雜，由于操作不當存在發生意外碰撞的可能性，同時考慮數控機床臺 (套)數和零件耗材成本等方面的因素，希望在零件的實際加工前，采取必要的措施完善系統監測和報錯功能，當加工過程中出現異常情況時，系統能夠報錯停機，對設備進行必要的預防性保護，同時可以優化操作流程，完善系統功能。

基于PC的開放式數控系統具有如下特點:(1)標準化、通用化和模塊化:通過選擇不同的標準化功能模塊可以組成各種數控機床的控制系統，便于現有數控系統的擴展及升級;(2)高速、高可靠性;(3)智能化:引進自適應控制技術，系統可自動調整有關參數，以達到系統運行的最優化;(4)網絡化:具有強大的通訊聯網功能，保證數控系統與標準網絡(包括互聯網)的無縫連接，實現軟硬件資源共享;(5)易操作性［1-2］。

開放式數控系統由于自身的諸多優勢已呈現強勁的發展趨勢，并且引發了國內外大量的應用研究。一些以PC為基礎的CNC制造商，主要生產、銷售各種高性能運動控制卡和運動控制軟件。由于這些產品的開放性很好，用戶可以自行開發，把它用來構成自己的數控產品或使用在生產上，通過PC和運動控制卡以及相應的機床數控軟件，構成相應的數控系統產品［3-5］。固高科技有限公司的GT系列多軸運動控制卡是一種插卡式運動控制器，該系列產品基于計算機PCI總線，可控制1～4個伺服電機或步進電機。該系列產品具有梯型曲線、S型曲線，JOG模式點位運動規劃及電子齒輪同步運動規劃功能，同時具有多軸直線插補和圓弧插補運動規劃功能，特別適用于既有點位運動控制，也有插補運動控制要求的場合，其電子齒輪運動規劃功能滿足了有同步控制要求的應用場合［6］。

作者利用固高GT系列運動控制卡和固高四軸運動開發平臺，采用NC嵌入PC模式完成了一個數控雕銑教學實驗系統的開發。

1 基于PC和運動控制卡的數控雕銑系統環境的建立

作者選用固高GT-400-SG型運動控制卡和固高四軸運動開發平臺進行數控雕銑系統的開發。系統硬件結構如圖1所示。GT-400系列運動控制器可以同步控制4個運動軸，實現多軸協調運動。其核心由ADSP2181數字信號處理器和FPGA組成，可以實現高性能的控制計算。GT-400-SG型運動控制卡外形如圖2 所示［3］。

圖1 數控雕銑系統的硬件結構示意圖

圖2 GT-400-SG型運動控制卡外形

2 軟件總體設計與系統界面

固高四軸運動開發平臺提供了4路步進電機及其驅動、通用狀態指示、限位開關和輸入輸出I/O通道，在上述系統硬件平臺搭建和連接完成后，研究和開發的重點是上位機程序 (Windows平臺下的數控雕銑實驗系統)的開發，該系統具有如下功能:(1)進行NC程序代碼的詞法檢查和語法檢查;(2)各軸點動操作;(3)自動對刀;(4)程序執行暫停和繼續，程序執行斷點保存與恢復;(5)程序單步執行控制;(6)動態繪制刀具軌跡;(7)系統自診斷。

數控雕銑系統的基本功能由各個功能子程序實現，主要包括加工過程的協調控制、狀態參數的顯示、工藝參數設置和修改、程序中斷優先級控制、文件管理以及故障診斷和報警等。數控雕銑系統的運行流程如圖3所示。

圖3 數控雕銑系統的運行控制流程

系統界面是人機交互的窗口，其設計要在充分發揮系統功能的基礎上滿足布局合理、簡潔大方和便于操作的要求。另外系統還要給出必要的操作提示，將跟當前操作無關的功能和命令置為無效，以防止操作者誤操作。

所開發的數控雕銑系統界面如圖4所示。界面左上側的PictureBox圖像控件為軌跡顯示區域。在執行加工程序過程中，工件坐標系和刀具軌跡將動態顯示在這一區域。軌跡顯示區域的范圍可以通過調整刻度單位的大小來調節。刻度單位是指工件坐標系一個刻度單位代表的實際長度。界面左下側帶滾動條的TextBox文本框是NC代碼顯示區域。

界面右側從上往下依次是坐標顯示區域、操作控制區域和手動控制區域。坐標顯示區域用于顯示當前刀具點在機床坐標系下的坐標值和在工件坐標系下的坐標值。這些坐標值是通過在時鐘程序中實時地查詢各軸的位置值獲取的。刀具點的機床坐標與其工件坐標存在確定的對應關系，二者的差值即工件坐標原點在機床坐標系下的坐標值。

操作控制區域中是一些系統操作控制的功能按鈕和提示信息。“當前程序號”指示的是當前被執行的程序段號，進度條顯示程序編譯的進度，狀態提示欄用來提示當前操作，“清屏”用來清除軌跡顯示區域的圖像，灰色圖像控件模擬了一個指示燈，程序開啟和關閉時分別呈綠色和灰色。“開啟”按鈕用來打開系統，開啟并初始化運動控制卡、讀取上次退出時候保存的刀具位置值、讀取配置文件中的參數進行系統設置，進行軸的坐標映射等。“關閉”按鈕用來保存當前系統設置并關閉系統。“緊急停止”按鈕用來在系統發生錯誤時急停各軸運動，防止發生錯誤時損壞刀具和工件。手動控制區域可進行單軸運動，其中手動速度可自動調節。當刀具達到坐標極限位置時，對應方向的單軸運動被禁止。

圖4 系統操作界面及刀具軌跡動態顯示

3 系統主要功能的實現

數控雕銑系統采用Visual Basic語言開發，其主要功能是根據數控加工程序控制各軸實現連續軌跡的運動控制。編程實現時首先要鏈接固高運動控制卡對應的動態鏈接庫，并通過調用運動控制卡提供的庫函數實現運動控制卡和各個軸的初始化。下面介紹系統開發中的運動控制卡參數設定、雕銑系統相關參數設定、坐標映射、譯碼、詞法和語法檢查、刀具軌跡動態顯示等主要功能的實現。

運動控制卡的參數設置包括設置輸出脈沖形式、控制周期、限位信號觸發電平、原點信號觸發電平、編碼器計數方向等，在數控程序中通過設計函數Initial()來實現。

數控雕銑系統的相關參數設定主要是設置跟系統相關的一系列參數，采用外部ini配置文件的形式實現。需要通過調用Visual Basic中的Win API函數的GetPrivateProfileString和WritePrivateProfileString現實現配置文件的讀寫操作，限于篇幅不再贅述。

坐標映射用于實現將坐標系內描述的運動通過坐標映射關系映射到相應的軸上，從而建立坐標系運動和各軸運動的運動學傳遞關系，它是實現多坐標協調運動的基礎。固高運動控制卡提供的坐標映射命令函數原型:

short GT_MapAxis(short Axis_Num，double*map_count)。其中 Axis_Num為軸號 (取值1、2、3或4)，調用坐標映射命令后，該軸工作于坐標運動模式。該軸的實際位置記為Axis_N，單位為脈沖。數組map_count包括5個元素，順次記為 Cx、Cy、Cz、Ca和C，坐標軸X、Y、Z、A所對應的相應坐標記為x、y、z和a。上述函數描述的映射關系可用公式表示為:

Axis_N＝Cx×x＋Cy×y＋Cz×z＋Ca×a＋C

由此可看出被映射的控制軸的運動是坐標X、Y、Z和A的線性組合。實現坐標映射的程序代碼如下:

Dim cnt1、cnt2、cnt3 As TyMap ’TyMap為板卡函數庫中定義的數組

Dimi as integer

For i＝0 To 4

cnt1.C(i)＝0

cnt2.C(i)＝0

cnt3.C(i)＝0

Next i

cnt1.C(0)＝1000

cnt2.C(1)＝1000

cnt3.C(2)＝1000

Call Error(GT_MapAxis(1，cnt1))

Call Error(GT_MapAxis(2，cnt2))

Call Error(GT_MapAxis(3，cnt3))

將cnt1.C(0)、cnt2.C(1)和cnt3.C(2)都賦值為1 000是因為1 mm對應的脈沖數為1 000，這樣在發送多軸協調運動指令時就可以以mm為單位，更加方便。

數控代碼的譯碼是逐段提取NC程序代碼中的運動指令和信息，并將這些運動指令和信息保存在結構體數組中。數控代碼的詞法檢查主要是針對NC程序代碼中出現非法字符或者未定義的功能字。語法檢查主要是檢查NC代碼中不符合編程規則的語法錯誤。詞法檢查通過正則表達式對每一個程序段進行搜索匹配，生成錯誤報告。

Function cifatest(ByVal ncs As String)As String

Dim resultnc as String

……

Set rregexpG＝New RegExp

rregexpG.IgnoreCase＝False

rregexpG.Global＝True

……

End Function

NC代碼編譯器對其它數控功能字的處理方法與此類似。

固高GT系列運動控制卡提供了一個4K字的坐標系運動命令緩沖區，以實現多軸協調連續軌跡運動。另外運動控制卡還提供了一個命令狀態寄存器和一個坐標系運動規劃狀態寄存器，通過查詢這兩個寄存器的狀態值可以監測到各軸的狀態信息和多坐標運動狀態信息。

如圖4所示，為了更加直觀形象地描述刀具的運動情況，該數控雕銑系統將刀具軌跡動態的顯示在系統界面上。通過動態查詢各軸的位置值，確定這些刀具點的工件坐標值后將它們依次連接起來就形成了刀具的軌跡。

4 結束語

計算機技術，特別是軟件技術的快速發展為開放式數控系統技術的發展提供了強大的技術支持，使得基于PC的開放式數控系統具有很強的靈活性，因此開放式數控系統自誕生以來就得到業界的廣泛關注和好評，它是未來數控技術發展的注流方向之一［7］。

本文作者開發了一個基于PC和運動控制卡的數控雕銑教學實驗系統，在系統開發過程中充分利用了PC機豐富的軟硬件資源和強大的技術優勢，在搭建基于PC和運動控制卡的數控雕銑系統硬件環境的基礎上，進行了數控雕銑數控系統的總體設計和開發，完成了系統中運動控制卡參數設定、雕銑系統相關參數設定、坐標映射、譯碼、詞法和語法檢查、刀具軌跡動態顯示等主要功能的實現，較好地體現了基于PC的開放式數控系統的標準化、通用化和模塊化的特點，同時系統具有較好的智能性、易操作性和很強的可靠性與可擴展性。

［1］富宏亞，梁全.開放式數控技術及其在我國的發展狀況［J］.航空制造技，2010(4):53-56.

［2］畢俊喜.數控系統及仿真技術［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［3］秦忠，呂彥明，毛銳.基于運動控制卡的電路板雕刻機的開放式數控系統的研究［J］.機床與液壓，2009，37(6):45-47.

［4］劉長宏，宋鵬，劉巖川，等.基于運動控制卡的數控系統應用研究［J］.大連民族學院學報，2009，12(1):36-38.

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

［6］固高科技.GT系列運動控制器用戶手冊［Z］.深圳固高科技有限公司，2006.

［7］趙春紅.基于PC的開放式數控系統［D］.蘭州:西北工業大學，2008.