開放式數控機床運動控制器的實現

一、數控機床運動控制器的特點

隨著自動化技術的進一步發展，運動控制器的運用已越來越

多地應用于其他工業自動化設備控制，如，電子機械、木工機械、紡織機械、印刷機械等諸多行業。主要數控技術的發展趨勢就是采用“PC＋運動控制器”的開放式數控系統，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有加工制造的精度、柔性和應付市場需求的能力。下面將根據系統的性能要求和實際運行環境，提出了基于PIC單

片機的運動控制器的設計方案及結構組成，確定了主要芯片的選

型和各個模塊功能。

與傳統的數控裝置相比，運動控制器有以下特點：

（1）技術更新，功能更加強大，可以實現多種運動軌跡的控制，是傳統數控裝置的換代產品。

（2）結構形式模塊化，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。

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

二、PIC運動控制器詳細設計

數控機床的控制主要是由“PC機+運動控制器”來實現的，PC機主要完成與數字運算和管理有關的功能，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的一些動作，通過輔助控制裝置完成機床相應的開關動

作，如，刀具的更換、工件的裝夾、冷卻液的開關等。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控裝置用于加工過程的控制。PIC運動控制器的組成結構，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

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

號送至強電柜去控制執行機構的動作，這些工作都需要I/O口來

完成，因此I/O接口在數控機床系統中占據著很重要的地位。I/O

接口是數控系統和機床、操作面板之間信號交換的轉換接口，是數控裝置與外界進行信號交換的必由之路。不同的輸入/輸出設備與數控裝置相連接，采用與其相應的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/輸出設備的接口，后者適用于多種設備的接口。

在開關量輸入輸出中，應注意以下幾個問題：

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

（2）在開關量輸出電路中，當被控對象是電磁閥、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，應首先驅動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動負載。

（3）為提高整個系統的抗干擾能力，弱電信號與強電驅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RC滅弧器。

2.電源部件

PIC中央處理單元需要穩定的5 V直流電源；在開關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，數控系統需要5 V、±12 V和24 V的直流電源。

3.通訊接口

PIC運動控制器帶有標準串口通信接口，能夠方便的與編程

器及微型計算機相連，進行點對點通信，實現零件程序、參數的傳送。在串行通信協議中，廣泛應用的標準是RS-232C標準，RS-232C標準規定使用25根插針的標準連接器，任何插針信號都對應著一種狀態，該狀態為下面任何一對可能狀態中的一種SPACE/MARK，ON/OFF。RS-232C標準采用的是負邏輯，ON狀態對應邏輯“0”，OFF狀態對應邏輯“1”。因此驅動器或信源要發送邏輯“0”，必須提供5～15 V電壓；發送邏輯“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。可見，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備連接。

（2）一個運動控制器從硬件上可以實現一到多個坐標軸的位

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、便捷地建立高層應用程序與機床等設備的控制、測試及數據交換，開發使用簡單，從而實現開放性、互換性、可移植性和擴展性的特點。

（作者單位 江蘇省張家港職業教育中心校）