基于V C電纜測試系統的設計

錢 石 ，王天雷 ，王小東 ，王大承

（1.五邑大學 機電工程學院，廣東 江門 529020；2.廣東科杰機械自動有限公司，廣東 江門 529020）

機床電纜作為機床電氣系統的組成部分，擔負著電能和電能信號傳送的重任，在生產加工過程中扮演著重要角色。但長期頻繁的往復運動必然使機床拖鏈中的電纜出現疲勞受損，而工作環境中的油污、粉塵等因素又加速了絕緣層老化，線芯短、斷路等現象。為了了解電纜的壽命并快速判斷電纜通斷，本文模擬機床拖鏈中電纜實際運行條件，搭建含有油槽的測試平臺，選用固高科技生產的GUC系列運動控制器，基于VS2008編譯環境中的VC++模塊，利用其提供的MFC編輯程序界面的方法以及控制器自帶的庫函數，建立“PC+運動控制器”開放式電纜測試運動控制系統。

1 系統的總體結構設計

電纜測試平臺在設計搭建過程中，要充分考慮布置在拖鏈中電纜的實際運動情況以及工作環境對它的影響等因素。電纜測試系統試驗臺實物圖如圖1所示。

圖1 電纜測試系統試驗臺

電纜布置在拖鏈中，拖鏈一端固定在接線盒上，另一端固定在運動負載上，電機連接聯軸器帶動滾珠絲杠，旋轉的滾珠絲桿通過滾軸螺母帶動負載水平往復性運動。整個運動過程既可實現勻速運動，又可實現變速運動，往復運動次數以及運動距離可以實時顯示。為了更符合電纜實際工作情況，可以對油槽中加入油污或切削液，也可以每隔一段時間，手動噴灑；在電纜測試運動過程中，電纜兩端通過接線端子與控制器的I/O口相連接，構成閉合回路，以便人機界面實時顯示電纜在反復運動中出現的斷路、短路等情況。

2 系統的硬件設計

一般開放式運動控制系統主要由PC、運動控制卡、連接端子板、伺服驅動器以及伺服電機5個部分組成，如圖2所示。電纜測試運動控制系統采用了固高科技生產的GUC系列運動控制器，該控制器是PC技術與運動控制技術相結合的產物，它以Intel標準X86架構的CPU和芯片組為系統處理器，采用高性能DSP和FPGA作為運動控制協處理器，在實現高性能多軸協調運動控制的同時，可以實現普通PC的所有基本功能。電纜測試運動控制系統硬件主要由以下幾部分器件組成。

（1）GUC-300-ESV運動控制器；

（2）三洋伺服電機驅動器以及伺服電機；

（3）驅動器電源以及+24 V直流電源（用于 GUC系列運動控制器及接口板電源）；

（4）原點開關、正/負限位開關；

（5）顯示器、輸入設備或專用人機界面。

圖2 運動控制系統的組成

電纜測試系統采用深圳固高科技生產GUC-300-ESV一體化運動控制器，該控制器集系統處理器和運動控制處理器于一體，運動控制處理器采用GE系列控制器。這種嵌入式一體化的解決方案給用戶帶來很大的方便，一臺GUC-300-ESV控制器加上一個顯示器就可以建立一個等同于“PC+運動控制器”開放式電纜測試運動控制系統。

GUC-300-ESV運動控制器提供C語言函數庫和Windows動態鏈接庫，可實現復雜的控制功能。該運動控制器技術參數及功能如下[1]。

（1）系統處理器采用X86架構、主頻100 MHz的CPU，PCI總線通信方式；

（2）控制周期為 200 μs 且不可調；

（3）3路（每軸一路）模擬量以及脈沖信號輸出，模擬量的分辨率為16 bit，輸出電壓范圍為-10 V～10 V，脈沖輸出最大頻率為256 kHz；

（4）帶有3路編碼器信號輸入，輸入最大頻率為4 MHz；

（5）每軸分別各有一個正、負限位信號、原點信號以及驅動報警信號等專用輸入信號，還有一個伺服允許信號和驅動器復位信號；

（6）分別擁有16路經光電隔離處理過的通用數字量輸入輸出，其中16路通用輸出是采用集電極開路輸出，驅動能力達200 mA；

（7）可實現直線、圓弧插補運動，提供了 8 KB的緩沖區，可實現運動軌跡預處理；

（8）帶有PID+速度前饋+加速度前饋濾波器；

（9）可設置跟隨誤差極限、加速度極限以及輸出電壓飽和極限等一些安全保護措施；

（10）提供了 DOS下的C語言函數庫和Windows下的動態鏈接庫，在Windows系統下，用戶可以使用任何能夠支持動態鏈接庫的開發工具來開發應用程序，例如Visual C++、Visual Basic和 Delphi等。

3 系統的軟件設計

電纜測試系統軟件設計是在Windows系統下基于GUC-300-ESV控制器進行開發設計的，軟件設計主要包括兩個部分：一是可視化編程部分；另一個是代碼編程部分。可視化編程部分利用VS2008提供的強大軟件開發工具向導，不需要手工編寫代碼，只要根據自己的設計思想，用鼠標或鍵盤進行操作即可。與采用代碼編寫相比，用可視化編程部分進行Window風格的圖形用戶界面和各種控件的制作，將更加簡單方便。代碼編寫部分采用VS2008提供的文本編輯器，用面向對象的VC++語言進行編寫。

3.1 主機與運動控制器通信的建立

使用運動控制器開發應用程序之前，先安裝驅動程序，并把運動控制器自帶的動態鏈接庫ges.dll、頭文件ges.h以及ges.lib文件復制到工程文件夾里，在VS2008編譯器中對ges.lib文件進行鏈接設置后，并在應用程序文件中加入函數庫的頭文件的聲明，至此，就可以使用動態鏈接庫中的所有函數編寫應用程序了[2]。

在安裝完驅動后，用控制器自帶軟件檢測主機是否與控制器建立聯系，自帶軟件運行界面如圖3所示。若演示程序能正常工作，說明控制器通信正常，只有通信正常，才可以進行系統的操作，否則需找出問題后，重新檢測。

圖3 測試軟件運行界面

3.2 可視化控制界面的設計

可視化控制界面的設計不僅要滿足控制要求，同時還要友好美觀。電纜測試平臺主控制界面及參數設置界面運行結果分別如圖4、圖5所示。

圖4 主控制界面

圖5 參數設置界面

主控制界面主要包括兩個部分：一部分負責實時顯示控制狀態；另一部分是控制按鈕。控制狀態顯示包括顯示控制器初始化是否成功、測試工作臺是否回零，實時顯示往復運動循環次數、工作臺運行的規劃位置、實際位置以及運行速度，主界面中間的I/O口狀態的顯示實時反映電纜在運動過程中是否出現短路、斷路等情況；控制按鈕主要完成運動控制的開始、停止、運動控制的參數設置以及運動方式的選擇等。

參數設置界面主要由軸運動參數設置和控制器I/O口信號輸出選擇設置兩部分組成。軸運動參數設置主要完成工作臺運動速度、運動方式（勻速或變速）以及往復運動次數的設置；通過對I/O信號輸出口選擇設置，結合主控制界面I/O口狀態指示燈的顯示，可以判斷電纜是否出現短路、斷路等情況。

3.3 程序內部代碼的編寫

打開MicrosoftVisualStudio 2008軟件，選擇新建一個基于對話框的MFC應用程序類型的項目，接著對對話框資源視圖添加一些控件，建立友好控制界面，最后對程序內部手動編寫相應的運動控制代碼[3-6]，總體程序編寫流程圖如圖6所示。

圖6 總體程序編寫流程圖

在OnInitDialog函數中，先對控制界面的大小、顯示的位置、界面字體和菜單按鈕進行了初始化。檢測控制卡是否打開，調用運動控制器函數庫中的GT_Open、GT_Reset函數對運動控制器初始化并對專用信號參數進行設置。部分初始化程序如下。

將運動中電纜兩端接在控制器通用數字I/O口上，形成閉合回路，在參數設置界面中設置輸出口，使控制器相應I/O口向與之相連的電纜輸出電平信號，并檢測是否有返回信號，通過主控制界面的I/O口指示燈的亮滅來判斷電纜在運行中是否出現斷路、短路等情況。在程序中分別調用控制器函數庫中GT_ExInpt、GT_ExOpt函數讀取16路通用數字I/O輸入的電平狀態和設置16路通用數字I/O輸出的電平狀態來實現電纜通斷檢測。通斷測試流程如圖7所示。

圖7 通斷測試流程圖

實時更新I/O狀態程序如下。

基于VC和GUC-300-ESV運動控制器建立的電纜測試平臺，界面美觀實用、操作簡單，編寫測試實驗程序，模擬機床在各種工況下運行：勻速運動、變加、減速運動、快速定位運動等，并對電纜進行檢測，實時顯示電纜的通斷情況。電纜測試平臺還可對氣管、油管的可靠性進行檢測，具有廣泛的應用領域。

[1]孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2]侯俊杰.深入淺出 MFC（第 2版）[M].武漢：華中科技大學出版社，2001.

[3]謝莉.VC++動態鏈接庫的開發及調用[J].微型機與應用，2001，20（9）：10-12.

[4]深圳固高科技有限公司.GE系列運動控制器編程手冊[Z].2009.

[5]深圳固高科技有限公司.GE系列運動控制器用戶手冊[Z].2009.

[6]高煊，何廣平.基于VC++的四軸運動控制卡軟件系統開發研究[J].制造技術與機床，2009（6）：24-28.

[7]范寶德，劉驚雷.基于VC的多線程編程技術及其實現[J].微型機與應用，2002，21（7）：10-12.