二維輪廓設計與運動控制系統設計與開發

王澤龍++黃發燈++邱丹敏

摘要：針對傳統運動控制系統存在的系統結構復雜，運動控制方式交互性較差等問題，提出基于Windows的二維輪廓運動控制策略，構建2軸運動控制平臺，設計并開發交互性友好的可快速創建二維輪廓、執行二維輪廓運動控制的人機界面，并通過平臺運行驗證所提方案的可行性和有效性。

Abstract： Based on problems such as complicated structure system， poor interaction of motion control modes existing in the traditional motion control system， this paper puts forward the 2D contour motion control strategy based on Windows， constructs two-axis motion control platform， designs and develops human-computer interface with friendly interactive， which can quickly create 2D contour， and perform 2D contour motion control， and through the platform operation， verifies the feasibility and effectiveness of the proposed scheme.

關鍵詞：二維輪廓設計；運動控制；IPC

Key words： 2D contour design；motion control；IPC

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）08-0094-02

0 引言

傳統的輪廓運動控制系統主要基于專用系統構建，需要較為專業的編程人員進行輪廓運動控制編程。桌面型運動控制系統的出現是運動控制平臺方案的一大改革。但現有桌面型系統主要針對專用功能機器開發，通用性較窄。

Windows平臺不僅具有良好的交互性，而且具有很好的開放性，利用基于Windows的運動控制卡，通過運動控制程序接口，能夠快速實現桌面型的運動控制軟件開發[1]。工業個人計算機（Industrial Personal Computer，IPC）除保留通用PC機的優點和功能外，在可靠性、抗干擾能力以及結構設計等方面更為可靠，在工業現場獲得廣泛的應用，并正不斷地開拓新的應用領域和市場[2]。運用基于Windows的IPC不僅能夠提供良好的交互界面，而且能夠實現復雜、高效的數據計算。

因此，開發一種基于Windows的通用性桌面型運動控制平臺，構建簡潔明了的人機交互方式，實現通過界面快速精確生成復雜圖形，進而控制并實現復雜圖形的運控控制，對桌面數控系統的推廣具有重要理論現實意義。

1 系統硬件搭建

系統硬件平臺方案如圖1所示。硬件設計上，使用帶觸摸功能的IPC作為人機交互界面，并實現數據的轉換和計算。采用通過RJ45網絡接口傳輸數據的IMC3041E運動控制卡進行運動控制。控制信號由IMC3041E運動控制卡發送給X、Y軸的步進電機驅動器，進而驅動X、Y軸運動軸執行軌跡運動。與HMI比較，IPC具有可靠性，實時性，擴充性，兼容性的優點，能同時利用ISA與PCI及PICMG資源，并支持各種操作系統，多種語言匯編，多任務操作系統。IMC3041E集成運動控制運算單元，插補等所有控制算法由硬件處理，速度快、精度高，輸出平滑，支持4軸輸出；采用RJ45網絡接口進行數據傳輸，通信環響應小至50uS，四級校驗監控，響應速度高，可靠性強；輸出模式差分/單端可選，可配置性強；共有16個全局開關量輸入和16個開關量輸出，可擴展性強高。運動平臺采用步進電機驅動絲桿螺母副實現，運動精度高。

基于上述方案，X軸對應于IMC3041E的0號輸出軸，Y軸對應于IMC3041E的1號輸出軸，即可通過IPC上的軟件實現X、Y軸的聯動控制。為保證硬件平臺的運動精度，硬件平臺搭建后，通過IMC3041E自帶調試軟件對限位、急停、運動方向等進行調試。調試無誤后，基于C++、VB等程序開發運動控制軟件，并在軟件中設定硬件平臺的脈沖當量，即可實現對硬件平臺的運動控制。系統開發流程圖如圖2所示。

2 系統軟件實現

實現基于Windows的二維輪廓設計與運動控制平臺，不僅要在硬件上達到要求，同時在數據的傳輸流程中也要達到一定要求。系統的數據傳輸流程如圖3所示。通過IPC將操作者編輯的曲線圖像命令數據傳輸到輪廓控制系統，輪廓控制系統將其轉化為電信號傳送至以IMC3041E運動控制卡。IMC3041E運動控制卡再以脈沖形式傳輸至步進電機驅動器，驅動步進電機的控制系統，實現X軸、Y軸的點位控制、直線插補、圓弧插補等運動及運動過程中的速度、加速度等。同時，為了保證各環節的正常、穩定進行，對所有的流程環節節進行反饋設置，保證整機系統有效高速的運行。

根據上述流程，開發二維輪廓設計與運動控制系統主界面如圖4所示。界面包含曲線設計、運行、硬件調試、曲線顯示4個功能區。曲線設計默認起始坐標為（0，0），通過輸入終點坐標參數和曲線形狀，能夠自動快速生成曲線并實時顯示曲線形狀。曲線生成后，通過運行功能區的設置遠點按鈕將工作臺運動起始點設置為遠點后，點擊執行軌跡即可使工作臺按設計的曲線執行運動。

3 實驗驗證

根據上述平臺方案和軟件方案，搭建二維輪廓設計與運控控制系統并進行軟硬件聯調。系統硬件電路實物圖如圖5所示。目前，系統的運動方式采用絕對坐標的運動方式，開始執行軌跡前，先將起始點坐標位置設置為原點，根據曲線上個點坐標執行插補指令，有效保證軟件坐標系與硬件坐標系的統一。

為驗證二維輪廓設計與運控控制系統運動軌跡的準確性，在平臺上安裝固定主軸，主軸軸端安裝繪圖筆。在界面設計運動軌跡曲線并設置運動起點為原點后，點擊界面上的執行軌跡按鈕，硬件平臺即按給定軌跡進行運動。如圖6為軌跡運動過程實例圖。

4 結論

針對傳統運動控制系統存在的系統結構復雜，運動控制方式交互性較差等問題，提出了基于Windows的二維輪廓運動控制策略，綜合IPC、IMC3041E運動控制卡、步進電機驅動器、絲桿螺母直線運動軸構建了二維輪廓設計與運控控制系統，設計并開發交互性友好的人機交互界面，可快速創建二維輪廓、執行二維輪廓運動控制。在此基礎之上，可以對該運動平臺進一步的開發，如在Z軸增加一個可調焦的激光頭，則可將系統改造為激光打標機。

參考文獻：

[1]雷立群，于振文.基于Windows的全軟件數控系統實現方法研究[J].機床與液壓，2012，40（9）：94-97.

[2]周宏.IPC應用探討[J].科技展望，2016（20）：146-147.

[3]宋利偉.基于GDI+的二維參數化草圖技術的研究[D].西華大學，2007.