基于YK8A04-P運動控制卡的教學(xué)平臺研究

王文超 李春亞

摘? 要：文章主要采用PC機+運動控制卡的控制系統(tǒng)，利用PC機與運動控制卡的協(xié)同工作，實現(xiàn)對伺服電機的控制。在PC機上采用Labview語言建立良好的人機交互界面，通過調(diào)用運動控制卡的函數(shù)庫，實現(xiàn)速度控制、圓弧插補、直線插補和G代碼編程等基本功能，滿足基本的數(shù)控教學(xué)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控教學(xué)平臺;Labview

引言

隨著PC機技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，PC機在各種工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用越來越普遍。近年來隨著先進控制理論的發(fā)展和DSP技術(shù)的成熟。基于DSP技術(shù)各種集成運動控制模塊不斷成熟并應(yīng)用到工業(yè)控制當中。相比傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，PC機+運動控制卡模式的控制系統(tǒng)具有較高柔性、模塊化等優(yōu)勢，越來越受重視。筆者采用PC機+運動控制卡作為數(shù)控教學(xué)平臺的數(shù)控系統(tǒng)，采用伺服驅(qū)動和伺服電機對教學(xué)平臺進行控制。采用Labview圖形化編程語言進行人機交互系統(tǒng)的開發(fā)[6]。

1 數(shù)控實驗教學(xué)平臺的設(shè)計方案

本教學(xué)平臺主要模擬數(shù)控機床運動控制和G代碼編程的操作，該系統(tǒng)主要應(yīng)用于機械制造及其自動化專業(yè)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用。性能與一般的數(shù)控機床具有類似功能，能夠?qū)崿F(xiàn)X、Y、Z軸的運動控制，可以設(shè)置各軸的運動方向，最大速度、最小速度和顯示刀具的相對坐標位置等，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對G代碼指令的讀取、編譯，實現(xiàn)X、Y軸的兩軸聯(lián)動。本系統(tǒng)采用“PC機+運動控制卡”的控制模式，其總體方案如圖1所示。

該控制方案具有開放性和可擴展性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單靠性高。由于教學(xué)實踐的要求，系統(tǒng)由機械系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)組成。

2 教學(xué)平臺機械部分組成

本教學(xué)實驗平臺采用龍門式結(jié)構(gòu)形式。基本包括：滾珠絲杠副、伺服電機、直線導(dǎo)軌、固定支架等部件。

通過伺服電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲母固定在一塊滑塊就形成了運動構(gòu)建。搭建龍門式三軸運動試驗平臺，如圖2。

3 電路和控制系統(tǒng)的設(shè)計和組成

教學(xué)實驗平臺的控制系統(tǒng)采用“PC機+運動控制”的控制模式。PC 機主要實現(xiàn)系統(tǒng)的總體控制和對軟件的運行提供硬件平臺支撐。運動控制卡實現(xiàn)各種核心控制和運算，負責處理運動控制的細節(jié)，比如速度控制、行程控制、插補運算等。PCI總線負責PC機與運動控制卡的通信傳輸。運動控制卡通過PC機主板上自帶的PCI插槽內(nèi)嵌到工控機中。運動控制卡通過向伺服驅(qū)動器發(fā)送脈沖和高低電平來控制伺服電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)數(shù)和方向[3]。圖3所示為控制系統(tǒng)原理圖。

3.1 PC機和運動控制卡

PC機的配置為奔騰4的處理器，1G內(nèi)存，500G硬盤，Windows XP的操作系統(tǒng)。運動控制卡采用的是芯鈺科的YK8A04-P運動控制卡。YK8A04-P是一款基于PCI總線的高性能運動控制卡，可控制四軸伺服或步進電機。具有快速、直線和圓弧插補功能。

3.2 伺服電機和伺服驅(qū)動器

電機采用的是安川SGMJV-01ADA21伺服電機，功率為100W，額定轉(zhuǎn)速3000r/min，額定轉(zhuǎn)矩0.318N·m。

伺服驅(qū)動器采用品SGDV-R90A01A，主要參數(shù)為：額定電壓為220V，頻率為50/60Hz。

3.3 電氣柜與電路設(shè)計

電氣柜組成：500×400×250 的配電箱一個、伺服驅(qū)動器三臺、24V電源一臺其他輔助元件若干。部件布局合理及接線順序整齊，對控制電路采用上電自鎖與急停停止，達到安全使用。

4 控制軟件的設(shè)計和開發(fā)

數(shù)控系統(tǒng)的操作軟件是使用者對平臺控制的重要載體，數(shù)控系統(tǒng)軟件應(yīng)具有良好的人機交互性、直觀性和易操作性，本系統(tǒng)采用Labview語言開發(fā)。

4.1 軟件的研究和設(shè)計

一般運動控制卡的二次開發(fā)采用VC++、VB等編譯軟件編寫，程序編寫工作很大，不利于提高效率，使得開發(fā)者把大部分的精力放在了界面的編寫上。本文采用的是圖形化編程語言Labview，該語言的特點就是編程可視化、易學(xué)習(xí)和使用，避免繁瑣的界面編程，提高效率。

Labview外部接口能力強大，DLL是其常用的外部接口之一。芯鈺科的YK8A04-P運動控制卡提供了DLL的動態(tài)鏈接函數(shù)庫。函數(shù)功能主要有：板卡初始化函數(shù)、運行條件初始化函數(shù)、軸運行狀態(tài)函數(shù)、運動速度設(shè)置函數(shù)、運行距離函數(shù)、直線插補函數(shù)、圓弧插補函數(shù)、停止運行函數(shù)、板卡結(jié)束運行函數(shù)等，每個功能函數(shù)一般都有自己獨立的接口。通過Labview中自帶的互聯(lián)互通接口可以把DLL中的函數(shù)轉(zhuǎn)化為Labview中的子VI，方便我們在編程中的使用[1]。

4.2 教學(xué)實驗平臺的軟件開發(fā)

我們要實現(xiàn)對X、Y、Z 三軸的初始速度、驅(qū)動速度及目標位置的手動設(shè)置，同時即可以手動選擇控制三軸正負向的運動，讓三軸按設(shè)定數(shù)據(jù)自動運行。并可以在運動期間對各軸的實際位置、邏輯位置、運動速度的實時監(jiān)控。可以實現(xiàn)兩軸圓弧插補、調(diào)用測試代碼及G 代碼等功能。通過前后面板的設(shè)計，確立了軟件系統(tǒng)設(shè)計框架，如圖4。

4.3 單軸運動界面設(shè)計

首先應(yīng)明確所要實現(xiàn)的目標，單軸運動控制的目標就是初始化控制卡，選擇控制的軸，設(shè)定運動的最大、最小速度，控制軸的正反轉(zhuǎn)和運行停止等功能（如圖5）。

單軸運動函數(shù)圖框，采用順序結(jié)構(gòu)框圖一步步執(zhí)行程序，從左至右為運動控制卡的初始化、速度的設(shè)置、運動開始和正反轉(zhuǎn)等函數(shù)，程序直接調(diào)用這些子VI就能達到運動控制的目的，使得激光打標機按照我們要求的軌跡運動。如圖6。

4.4 運行加工程序的界面

運行加工程序的界面要實現(xiàn)程序的讀取，速度的設(shè)置，聯(lián)動軸的實時坐標位置和運行軌跡的顯示等功能（如圖7）。

運行加工程序的實現(xiàn)以Labview中的讀取文件命令，讀取txt程序文件，執(zhí)行每行的G代碼命令，通過邏輯控制選擇執(zhí)行運動命令。如圖8。

5 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了用Labview語言開發(fā)數(shù)控教學(xué)實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)上位機來編程的高效率與運動控制卡的靈活性。采用PC機+運動控制卡的模式對多個伺服電機進行控制。該系統(tǒng)不同于封閉式的傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了通過人機界面和簡單的傳動設(shè)備，讓實驗者了解基本的數(shù)控操作。本系統(tǒng)采用價格相對較低的普通運動控制卡，采用圖形編程，提高效率，降低成本。

參考文獻：

[1]張衛(wèi)星，陸文灝.基于labview的開放式數(shù)控實驗平臺的研究[J].計算機與信息技術(shù)，2010，12：86-87.

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[3]薛迪，張金波，龍澤明.開放式數(shù)控系統(tǒng)實驗教學(xué)平臺的構(gòu)建[J].機械管理開發(fā)，2012，12：183，185.

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[5]芯鈺科公司.YK8A04-P PCI總線四軸運動控制卡使用手冊[Z].

[6]蘇偉.基于PMAC的開放式數(shù)控教學(xué)平臺的研究[D].天津大學(xué)，2005.;運動控制卡

中圖分類號：TP311.52? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）25-0055-03

Abstract： The control system NC Teaching Platform is established by PC and motion control card. servo motors are controlled precisely by way of PC and motion control card working cooperatively. The interactive interface is established by Labview language on PC. By calling the motion control card library， the functions are achieved for example： speed control， circular interpolation， linear interpolation， G-code programming and other basic functions. The basic application CNC teaching of is met.

Keywords： CNC teaching platform; Labview; motion control card