開放式數(shù)控機床運動控制器的實現(xiàn)

一、數(shù)控機床運動控制器的特點

隨著自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，運動控制器的運用已越來越

多地應(yīng)用于其他工業(yè)自動化設(shè)備控制，如，電子機械、木工機械、紡織機械、印刷機械等諸多行業(yè)。主要數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢就是采用“PC＋運動控制器”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但具有信息處理能力強、開放程度高、運動軌跡控制精確、通用性好等特點，而且還從很大程度上提高了現(xiàn)有加工制造的精度、柔性和應(yīng)付市場需求的能力。下面將根據(jù)系統(tǒng)的性能要求和實際運行環(huán)境，提出了基于PIC單

片機的運動控制器的設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)組成，確定了主要芯片的選

型和各個模塊功能。

與傳統(tǒng)的數(shù)控裝置相比，運動控制器有以下特點：

（1）技術(shù)更新，功能更加強大，可以實現(xiàn)多種運動軌跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的換代產(chǎn)品。

（2）結(jié)構(gòu)形式模塊化，可以方便地相互組合，建立適用于不同場合、不同功能需求的控制系統(tǒng)。

（3）操作簡單，在PC機上經(jīng)簡單編程即可實現(xiàn)運動控制，而不一定需要專門的數(shù)控軟件。

二、PIC運動控制器詳細設(shè)計

數(shù)控機床的控制主要是由“PC機+運動控制器”來實現(xiàn)的，PC機主要完成與數(shù)字運算和管理有關(guān)的功能，如，零件程序的編輯、插補運算、譯碼、伺服位置控制等；PIC運動控制器主要完成與邏輯運算有關(guān)的一些動作，通過輔助控制裝置完成機床相應(yīng)的開關(guān)動

作，如，刀具的更換、工件的裝夾、冷卻液的開關(guān)等。除此之外，它還接受機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作，另一方面將一部分信息送往數(shù)控裝置用于加工過程的控制。PIC運動控制器的組成結(jié)構(gòu)，主要包括CPU、存儲器、輸入/輸出接口、電源部件、RS232/485通訊模塊和D/A接口等。

1.輸入/輸出接口電路

數(shù)控系統(tǒng)運行中，需要接收來自機床數(shù)控面板上的開關(guān)信號、按鈕信號、機床的各種限位開關(guān)信號，同時也需要把數(shù)控機床的某些運行狀態(tài)顯示在數(shù)控面板的指示燈上，并把控制機床的各種信

號送至強電柜去控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，這些工作都需要I/O口來

完成，因此I/O接口在數(shù)控機床系統(tǒng)中占據(jù)著很重要的地位。I/O

接口是數(shù)控系統(tǒng)和機床、操作面板之間信號交換的轉(zhuǎn)換接口，是數(shù)控裝置與外界進行信號交換的必由之路。不同的輸入/輸出設(shè)備與數(shù)控裝置相連接，采用與其相應(yīng)的I/O接口電路或接口芯片，接口芯片一般分為專用接口芯片和通用接口芯片，前者專門用于特殊的輸入/輸出設(shè)備的接口，后者適用于多種設(shè)備的接口。

在開關(guān)量輸入輸出中，應(yīng)注意以下幾個問題：

（1）在開關(guān)量輸入電路中常使用行程開關(guān)、無處典型感應(yīng)開關(guān)或霍爾開關(guān)等，加之?dāng)?shù)控裝置的輸入電路有各種形式，所以要注意開關(guān)量信號檢測元件與數(shù)控系統(tǒng)接口電路的匹配。

（2）在開關(guān)量輸出電路中，當(dāng)被控對象是電磁閥、電磁離合器等交流負載，或雖是直流負載，但工作電壓或電流超過輸出信號的最大允許值時，應(yīng)首先驅(qū)動24 V中間繼電器，然后用其觸點控制強電線路中的功率接觸器或直流驅(qū)動負載。

（3）為提高整個系統(tǒng)的抗干擾能力，弱電信號與強電驅(qū)動信號在走線槽中要盡量分別走線，無觸點型在交流接觸器線圈兩端要

就近并聯(lián)RC滅弧器。

2.電源部件

PIC中央處理單元需要穩(wěn)定的5 V直流電源；在開關(guān)量輸出電路中要使用到24 V的中央繼電器；在與電腦的通訊接口中需要±12 V電壓。因此，數(shù)控系統(tǒng)需要5 V、±12 V和24 V的直流電源。

3.通訊接口

PIC運動控制器帶有標(biāo)準(zhǔn)串口通信接口，能夠方便的與編程

器及微型計算機相連，進行點對點通信，實現(xiàn)零件程序、參數(shù)的傳送。在串行通信協(xié)議中，廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用25根插針的標(biāo)準(zhǔn)連接器，任何插針信號都對應(yīng)著一種狀態(tài)，該狀態(tài)為下面任何一對可能狀態(tài)中的一種SPACE/MARK，ON/OFF。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)采用的是負邏輯，ON狀態(tài)對應(yīng)邏輯“0”，OFF狀態(tài)對應(yīng)邏輯“1”。因此驅(qū)動器或信源要發(fā)送邏輯“0”，必須提供5～15 V電壓；發(fā)送邏輯“1”，必須提供-15～-5 V電壓。而接收器端邏輯“0”的電壓范圍為3～15 V，邏輯“1”的電壓范圍為-15～-3 V?？梢?，信號在從信號源到終點的傳輸過程中允許有2 V的電壓降

（即2 V噪聲容限）。

以上的開放式數(shù)控機床運動控制器具有如下特征：

（1）能方便地與機床等被控設(shè)備連接。

（2）一個運動控制器從硬件上可以實現(xiàn)一到多個坐標(biāo)軸的位

置、速度和軌跡伺服控制，從軟件上具有完善的軌跡插補、運動規(guī)劃和伺服控制功能。

（3）運動控制器可以迅速、便捷地建立高層應(yīng)用程序與機床等設(shè)備的控制、測試及數(shù)據(jù)交換，開發(fā)使用簡單，從而實現(xiàn)開放性、互換性、可移植性和擴展性的特點。

（作者單位 江蘇省張家港職業(yè)教育中心校）