ORAC數控車床進給單元插補控制設計

范鵬飛

(合肥工業大學儀器科學與光電工程學院，安徽合肥230009)

隨著超大規模集成電路和計算機水平的高速發展，數控機床制造商不僅注重提高產品品質，而且希望節約研發成本和縮短產品研發周期。通過模擬仿真可以達到這一目的。在產品研發初期，插補控制仿真技術可以用于進給單元大部分性能參數改進和動態性能測試［1］。

利用MP-C152 運動控制卡以及利于數控系統不斷升級更新的Windows 平臺和VC + +軟件對傳統插補控制系統進行改進，研發出了新的數控機床進給單元插補控制系統，彌補了經濟性、實用性的不足。

1 系統硬件設計

現有的ORAC 數控車床的數控系統是印刷電路板式的，為了提高工作效益，通過在印刷電路板上增加運動控制卡MP-C152，利用工控機在Windows 環境下實現數控車床進給單元的插補控制。除運動控制卡、輸入輸出卡代替原來下位機印制電路板控制部分以外，其他硬件如電機和驅動器等不變，還是用原來機床上的硬件。

1.1 IPC 簡介

工業控制微機IPC (Industrial Personal Computer)泛指ISA、PCI 等PC 總線型工業控制計算機。生產商通過增加密封保護、板壓條、過濾器和額外風扇等措施，形成了IPC 的雛形。如今IPC 可經受高低溫沖擊、潮濕、振動、電磁干擾、粉塵等惡劣作業環境的考驗，同時它擁有豐富的硬件、軟件和程序資源，這是其他計算機系統無法相比的。該插補控制裝置選擇IPC 作為平臺。

1.2 MP-C152 運動控制卡簡介

該運動控制卡是一種安裝在PC 或IPC 中，以脈沖和方向輸出方式專門控制步進電機［2］和伺服電機的板卡。運動控制卡［3］接受主CPU 的指令，進行運動軌跡控制，包括脈沖和方向信號的輸出、自動升降速處理、原點和限位開關信號的檢測等。運動控制卡可控制多軸步進電機或數字式伺服電機，并支持多卡共用，可實現多軸的控制。每個軸都可以輸出脈沖和方向信號，并可輸入原點、減速、限位開關等信號，以實現回原點、限位保護等功能。開關信號由控制卡自動檢測并作出反應。

1.3 通信模式設計

數控機床的通信模式可以分為單機模式和上下位機模式，而后者是全方位的開放式結構，設計快捷方便，滿足遠程控制所要求的實時性。故ORAC 數控車床進給單元選擇上下位機模式，并用MP-C152 運動控制卡來控制二軸電機的工作，而且該卡與工控機的通信接口已經調整設定好，即直接把MP-C152 運動控制卡插到PCI 插槽中實現上下位機的通信。

1.4 硬件結構和工作原理

進給單元硬件結構如圖1 所示。硬件由弱電型數控裝置和強電型輸出驅動及其控制電路組成，其中的數控裝置由標準的PC 機、MP-C152 運動控制卡及I/O 接口電路板等組成，強電型輸出驅動及其控制電路由步進電機、步進電機驅動器、強電控制電路及限位行程開關和操作面板等組成。插在PC 機PCI 插槽上的運動控制卡和PC 機相連，而PC 機再通過50 根I/O 信號線相連，從而控制X、Z 兩個方向的步進電動機，實現對數控車床的控制。

圖1 硬件結構

1.5 硬件組成結構設計

改造后的ORAC 數控車床進給單元如圖2 所示，主要由以下幾個部分組成:

(1)ADlink 工業控制計算機一臺;

(2)ADlink 運動控制卡MP-C152 一塊;

(3)ADlink 帶光電隔離的16 位I/O 卡7200 一塊;

(4)ORAC 數控車床一臺。

進給單元硬件采用PC 總線和模塊化的結構設計，MP-C152 運動控制卡插在PC 總線擴展槽上，計算機與MP-C152 控制卡之間以查詢方式進行通信。工控機主要完成系統管理、NC 程序自動生成、編譯和解釋、間隙補償等功能。MP-C152 卡主要有步進電機位移及速度控制、限位開關響應、刀具半徑補償、外部信號輸入和機床控制信號輸出、插補運算等功能。

圖2 數控車床進給單元

2 系統軟件設計

IPC 機數控系統軟件設計的核心工作是窗體的規劃和控制代碼的編寫。而窗體的規劃主要圍繞主界面的功能進行，各個窗體控件的具體調用與其關聯的執行操作控制代碼的編寫是開發數控系統的關鍵。

2.1 插補算法

所謂插補就是根據給定進給速度和給定輪廓線形的要求，在輪廓的已知點之間，確定一些中間點的方法，這種方法稱為插補方法。目前常用的插補算法為脈沖增量插補和數字增量插補［4］。

通過比較，決定直線插補采用脈沖增量插補逐點比較法［5］，即每走一步都要和給定軌跡比較一次，根據比較結果來決定下一步的進給方向，使刀具向減小偏差的方向并趨向終點移動，刀具所走的軌跡應該和給定軌跡非常相“象”。而圓弧插補則選擇數字增量插補中的DDA 圓弧插補算法［6］，插補過程為: (1)插補準備。主要是計算輪廓步長及其相應的坐標增量;(2)插補計算。實時計算出各插補周期中的插補點(動點)坐標值;(3)終點判別。插補流程如圖3 所示。

圖3 插補流程

2.2 開發平臺的選擇

開發平臺的選擇包括操作系統的選擇和編程語言的選擇兩部分。

對于操作系統，選擇Windows，因為它具有友好的圖形用戶界面和豐富的軟件資源，支持基于線程的搶先式多任務機制，操作、配置、調試都非常方便等。對于編程語言則選擇方便調取MP-C152 運動控制卡庫函數的VC+ +語言，以提高軟件的開發效率及運行效率。

2.3 方案設計

數控系統軟件結構模式［7］主要有兩種:前后臺型結構模式和中斷型結構模式。該數控系統系統軟件采用前后臺型結構模式，按實時性相對強弱將系統任務劃分為兩部分:上層管理程序和底層控制程序，如圖4、5 所示。

圖4 軟件結構

圖5 系統軟件工作原理圖

2.4 功能模塊

主要有用戶輸入輸出界面操作模塊、文件管理模塊、MP-C152 卡設備驅動模塊、插補控制模塊、圖形操作模塊等，通過這些模塊的組合可以實現插補控制，達到理想的效果。

3 模擬仿真

3.1 涉及到的程序設計技術

主要有對話框的應用程序框架及動態鏈接庫技術。ORAC 數控系統基于Windows 平臺，為了設計大量的用戶操作界面，采用基于對話框的應用程序框架比較合適，便于系統軟件的設計和人機交互。由于系統的實時性要求，編譯程序需要動態聯編，所以底層控制程序要用動態鏈接庫技術［8］。

3.2 人機界面與模擬仿真

系統界面基本要求:用戶界面可以實現對數控車床進給單元插補控制。直線插補時，當輸入的參數分別為X1=－10，Z1=－10，X2=50，Z2=50，步長為2，點擊確定后，經過一段時間的插補，即可出現如圖6 的仿真圖形。

圓弧插補時，當輸入的參數分別為X1=0，Z1=50，X2=0，Z2=－50，步長為2，點擊半徑后顯示半徑值為50，再點擊確定后，經過一段時間的插補，即可出現如圖7 的仿真圖形。

圖6 直線插補仿真

圖7 圓弧插補仿真

4 結論

利用MP-C152 運動控制卡研制了一個基于Windows2000 平臺的開放式數控車床進給單元插補控制模擬仿真軟件，實現了直線插補和圓弧插補的模擬仿真，從而對ORAC 數控車床進行控制。文中的研究不僅降低了該數控機床進給單元的開發難度和成本，也適應了經濟性的要求，取得了預期的成果。

［1］孫名佳，文智，曉波．基于Simulink 的機床伺服進給系統仿真技術研究［J］．制造業自動化，2013，34(4):115－118．

［2］劉寶志．步進電機的精確控制方法研究［D］．濟南:山東大學，2010:42－47．

［3］項小東，白國振．基于運動控制卡的伺服控制系統開發研究［J］．機電工程技術，2010(11):20－22．

［4］趙?。當悼叵到y的插補算法及加減速控制方法研究［D］．天津:天津大學，2004:10－31．

［5］方石銀．CNC 系統逐點比較直線插補的新算法［J］．吉林師范大學學報，2010(2):123－125．

［6］許良元．DDA 圓弧插補軟件的設計研究［J］．機械工程與自動化，2005(4):74－78．

［7］賈敏忠，詹有基，謝明紅．Windows 平臺上數控系統軟件結構的研究［J］．福建工程學院學報，2006(1):86－88．

［8］田杰，范鵬飛，黃文進，等．凸輪機構綜合創新實驗裝置研究［J］．合肥工業大學學報:自然科學版，2011(7):985－988．