數控轉塔沖床運動控制系統研究

韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國

(山東科技大學 先進制造技術研究中心，山東 青島 266590)

數控轉塔沖床運動控制系統研究

韓迎迎，鐘佩思，魏軍英，劉梅，逯振國

(山東科技大學 先進制造技術研究中心，山東 青島 266590)

根據數控轉塔沖床上料機構工作特點和要求，采用“PC+運動控制卡”模式構建了開放式數控系統平臺，研究其在伺服控制系統中的應用。利用VS2008提供的MFC作為工具進行二次開發，開發底層控制程序。通過調用運動控制卡提供的運動函數庫設計伺服控制系統軟件。

運動控制卡；伺服控制系統；MFC；運動函數庫

0 前言

運動控制技術是跨學科的綜合技術，機電一體化的核心。位置控制的實現一般直接采用單片機或微機，但外圍電路結構復雜，需要較長的開發周期。對控制的精度和速度要求越來越高，傳統的控制系統已達不到快速產品開發的要求。隨著控制技術的發展，市場上出現了種類繁多的運動控制卡，能夠滿足運算速度快、高精度的控制要求，非常適合專用數控設備的運動控制系統開發。

采用的運動控制系統是基于PCI總線的PCI-DMC1410 運動控制卡和功能函數庫、PC機、控制多軸的伺服電動機、并依照預定軌跡和運動參數作定位運動[4]。具有開放性、通用性等特點，方便移植到各種運動控制系統開發中去，如雕刻機、專用數控機床等，并利用VS2008提供的MFC為工具，開發設計數控轉塔沖床板料拆垛上料機的運動控制系統。

1 基于運動控制卡的上料機構運動控制系統硬件組成

1.1DMC1410B運動控制卡

DMC1410是基于PCI總線的脈沖式運動控制卡，可實現多達四個步進/伺服電動機的控制如圖1所示。PCI總線是一種先進的高性能32/64位地址數據重用本地總線，具有即插即用硬件直線插補、S型速度控制曲線等功能。位置指令可用單通道脈沖(脈沖+方向)或雙路脈沖(CW脈沖+CCW脈沖)方式輸出，可以差分式或單頭式信號，具有高集成度、高可靠性等特點。

圖1 DMC1410結構控制圖

此運動控制卡可完成連續軌跡和點運動。速度控制和位置控制是通過點位運動實現。位置控制模式下包含了2種加減速方式：梯型曲線加減速和S型曲線加減速。

1.2 系統硬件的結構和原理

板料拆垛是自動化沖壓的第一道工序。從備料車間運送到沖壓車間的板料，首先通過上料機構中的板料分離裝置自動將毛胚垛料實現分離，然后通過板料抓取裝置-拾端器進行抓取。抓取之后再放到指定地方。上料機構系統完成板料的抓取、拆垛和放置，在工作過程中需要精確的位置、角度定位。在板料的抓取和放置過程中需要較高的精度和速度，一般傳統的控制系統滿足不了更高的要求。

運動控制系統的硬件由以下四部分組成：運動控制卡、PC機、伺服驅動器和伺服電動機。運動控制卡為雷賽科技的DMC1410 的四軸運動控制卡。步科ED-430伺服驅動器和+60S-0040-30XXX-4LG小慣量三相伺服電動機。PC機和運動控制卡一起構成控制單元，PC機主要管理信息流和數據流，控制系統的實時監控和人機交互界面的管理等方面的工作。控制卡插在PC機主板上的PCI插槽內。運動控制卡上專用CPU與PC機構成主從式控制結構。自動升降的處理、脈沖和方向信號的輸出、原點和限位等信號的檢測等都可由運動控制卡完成。驅動器與運動控制卡的連接板相連，采用編碼器速度控制，并將收到運動控制卡發出的脈沖信號，通過內部電路控制電動機運轉。如此構成一個半閉環的伺服控制系統。構成如圖2所示。

圖2 運動控制系統硬件結構圖

1.3 梯形速度曲線運動模式

圖3 梯形速度和加速度曲線圖

梯形速度曲線如圖3所示。通常位置控制采用這種速度控制模式。在運動過程中先以恒定的加速度進行加速，然后達到指定值時開始勻速運動，運行一段距離后再恒定的加速度進行減速。梯形速度曲線，包括3個階段：恒加速階段、勻速階段、恒減速階段。

運行速度之所以以梯形曲線變化，主要因為慣性的作用。電動機轉子和被拖動的物體不可能在瞬間達到指定速度，因此必須有一定的加速過程。由圖4可以看出梯形曲線加減速過程中，啟動時、達到設定速度時、從最高速度下降時和最后停止時的這4個瞬間，表現出速度轉折及相對應的加速度突變。

以梯型曲線進行加減速的主要優點是在運動過程當中可以自動修改目標位置和速度；其控制方法和計算簡單；適合進行實時運算；有較短的加減速時間。此方法適用于控制系統處理速度較慢，且對加減速過程要求不高的場合[1]。

1.4S型速度曲線運動模式

如圖4所示，S型速度曲線運動模式的加速度是一個連續的變化過程。加速度或減速度線性地增加或減少，所以在機械運動的平穩性方面較好。

圖4 S型速度和加速度曲線圖

此運動模式中減速與加速是兩個對稱的過程，整個運行過程分為7個階段:加加速段、勻加速段、減加速段、勻速段、加減速段、勻減速段、減減速段。從S型速度和加速度曲線可以看出，速度和加速度都是時間t的連續函數。從啟動到加速過程有光滑過渡過程，這種運動模式沖擊小，噪聲小，可延長電動機和機械系統的使用壽命。

梯形曲線加減速在運動過程中可以隨時修改目標位置和速度；S曲線加減速只能修改目標位置。在加速度相等的情況下梯形曲線具有較短的加減速時間，而S曲線的運動比較平滑，應針對具體的場合選擇相應的加減速模式。

2 上料機構運動控制系統軟件

2.1 系統軟件設計

基于Windows平臺的系統軟件是基于搶占式的多任務操作系統[2]，具有友好的圖形界面和豐富的開發資源，實現多任務時不需要用戶干預。采用模塊化設計，便于系統的維護和升級。根據需求將該系統劃分成位置模塊、參數設置模塊、運動控制模塊、系統管理模塊、信息顯示以及異常檢測處理等6大模塊。VS2008是一個功能強大的可視化編程工具，是目前常用的程序開發平臺之一。DMC1410提供Windows驅動程序，能夠在VS2008環境下調用動態鏈接庫，而寄存器級別的應用函數為開發人員提供更多的便利，使底層的開發更加容易[3]。圖5為系統軟件的設計流程圖。

圖5 系統軟件流程圖

啟動系統后進行初始化，然后設置相應的運行參數，參數設置主要負責設置上料機x、y、z軸運動控制的脈沖輸出，控制脈沖發送的速度。參數設置完成后，執行運動控制模塊程序進行運動控制，狀態顯示模塊將各軸運行狀態，如速度、位置等信息顯示。各功能模塊通過主框架程序相互協調控制，構成一個完整統一協調運動控制系統。

2.2 軟件的模塊化實現

軟件設計采用模塊化方法使得上料機運動控制系統軟件便于維護，并且具有可重構性、可擴充性。模塊化設計即在程序的編寫過程中不是逐條逐句寫入各種語句和控制指令。而是用框架將軟件的主要結構和流程描述出比如主程序、子程序、子過程等。將各個框架之間的輸入、輸出、鏈接等關系定義并調試好，由此得到以功能塊為單位的一系列算法描述[4]。模塊化設計可以降低程序的復雜程度，便于設計、調試和維護。模塊化的開發過程中,要做好目錄結構、命名規范、全局和特例的界限劃分。這樣才能容易實現封閉獨立性、可重復性、可修改性、統一性等較高的要求。對系統模塊還有需要注意以下幾個問題：系統更換的可能性和必要性；在功能及結構方面有一定的獨立性和完整性；模塊間的銜接要素要易于聯接與分離。按模塊化設計思想對系統進行模塊劃分，將運動控制系統分成以下幾個模塊(圖6)：

1) 初始化模塊，對拆垛上料機運動控制系統進行初始化工作，主要包括界面、運動控制卡和各項參數等的初始化。

2) 參數設置模塊，完成對相關機構速度、加速度、運動位置的設定。模具庫管理及伺服報警模塊的設計。

3) 運動控制模塊，主要包括運動模式的選擇、接收限位、開關等信號、回零、對運動控制卡發送運動指令，實現對整個拆垛上料機的運動控制。

4) 狀態顯示，實時顯示當前運動狀態的信息。

5) 系統管理以及異常檢測處理模塊。

圖6 運動控制系統軟件模塊圖

控制系統軟件還需要一個方便、友好的控制系統人機界面圖7為數控轉塔沖床板料拆垛上料機運動控制系統操作界面。

圖7 運動控制系統操作界面結構控制圖

運動控制系統的人機界面主要作用是通過各種方式把系統的各種功能信息展示出來，并把用戶的輸入和選擇變成相應的數據傳遞給控制系統進行實現，用戶界面應該是界面友好、親和力強，能夠最大限度的反饋系統運行的關鍵狀態，讓操作者更好的掌握系統的運行過程。

2.3 程序的實現

用戶可以編制出相對應要求的控制系統界面，并調用運動控制卡上相應的一部分函數，就可以開發出滿足要求的運動控制系統。依據所設計的操作界面以及要實現的運動控制功能，可通過響應函數來實現。對話框中x、y、z軸3個按鈕，要對初速度、加速度、運動距離和運動模式進行相關的設置和有選擇性的讀取。

實現過程如下:

如果實現連續運動模式時三軸的獨立運動,調用運動函數庫響應函數中的v_move(axis, str_vel, max_vel, Tacc)，結束運動時調用v_stop(axis, Tdec),停止各軸的運動。

3 結語

基于PCI總線上的PCI - DMC1410四軸運動控制卡為核心的運動控制系統。為了克服傳統的數字運動控制裝置外圍電路復雜，計算速度慢的缺陷，設計了高速，高精度運動控制。此外，該系統具有通用性，能夠方便地移植到各種運動控制系統的開發中。

[1] 胡建華，廖文和，周儒榮. CNC系統中幾種升降速控制曲線的研究與比較[J]. 南京航空航天大學學報. 1999, 31(6):706-711.

[2] 金雪云，等.Visual C++教程[M].北京.清華大學出版社，2005.

[3] 張杰，黃益群.基于PC的開放式多軸運動控制系統開發[J].伺服控制，2007:47-48.

[4] 閆建國.基于DSP的無人飛機飛控系統軟件模塊化設計[J].計算機測量與控制，2009,29(1)：221-236.

Motion Control System of Feeding Mechanism of CNC Turret Punch Based on Motion Control Card

HAN Ying-ying, ZHONG Pei-si, WEI Jun-ying, LIU Mei,LU Zhen-guo

(Advanced Manufacturing Technology Center, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, 266590, China)

This paper constructs the hardware of open type CNC system based on the mode of “PC + Motion Control Card”by using DMC1410 PCI motion control card and studies the use of hardware in the servo control system. The MFC provided VC++6.0 is used as a tool for secondary exploitation to develop the bottom control procedures. It designs the servo control system software through calling motion function library of motion control card.

motion control; servo control system; MFC; movement function library

山東省自然科學基金資助項目(ZR2011EEM014)

韓迎迎(1985-)，女，山東濱州人，碩士研究生，研究方向：先進制造技術。

TG385

B

1671-5276(2014)02-0069-03

2013-03-07