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浅析多功能数控实验系统的开发

数控新技术进展论文：多功能数控实验系统的开发
【摘要】:研究了以固高运动操纵器为核心的开放式数控实验系统的实现方法及所涉及的关键技术。该实验系统采纳PC+运动操纵器的结构模式，以Visual C++6．0为开发工具在Windows操作系统上开发而成，能实现数控编程仿真、操作加工、电气修理等多种功能。
【关键词】:开放式数控系统;运动操纵器;数控实验系统
Developing Multifunctional NC Machining Experimental System
Abstract:This paper uses Googol Motion controller and the related key techniques to develop NC machining experimental system．〝PC+Motion controller〞is applied with Visual C++6．0 under WINDOWS operating system in the experiment．This system has manyfunctions such as NC programming simulation，NC machining operation，NC electrical maintenance，etc．
Key words:open CNC;motion controller;NC machining experimental system
0引言
随着现代制造业的高速进展，企业需要大批能编程操作、会调试修理的综合性数控技术人才。由于数控设备价格昂贵，大多数学校经费不足，只配备了数量较少的数控实训设备，且随着数控技术的进展，部分数控系统差不多陈旧，但升级却十分因难，加之部分学校采纳运算机仿真代替数控实训设备完成操作训练，使得学校培养的数控人才大多理论基础扎实，但动手操作能力不强。因此开发一种成本低、升级扩展容易、能够用于批量培训、能够引入最新数控技术的开放式数控实验系统就显得专门必要。
目前，基于PC机的开放式数控系统要紧有3种构成模式:1)PC嵌入NC型，该类型系统是将一块PC主板插入到传统的CNC系统内部，只在共享PC软件和硬件资源的层面实现开放;2)NC嵌入PC型，该类型系统是将运动操纵器插入PC扩展槽，运动操纵器与PC机通过总线方式或双口通信方式进行通信，整个操纵系统都以PC机作为硬件平台;3)全软件CNC型，该类型系统是指CNC的全部功能均由软件模块来实现。本实验系统采纳第二种模式，选用固高公司的GE－300－SV－PCI多轴运动操纵器，以PC机作为信息处理平台，在软件资源丰富、安全机制健全的Windows操作系统上，运用面向对象的Visual C++6．0程序设计语言，开发开放式数控系统，并将该数控系统应用于三轴数控铣床的操纵，从而构建多功能数控实验平台。
1硬件系统
本系统采纳〝PC+运动操纵器〞的结构模式，硬件结构如图1所示。PC为上位机，要紧完成数控代码处理、动态显示、程序编辑等弱实时性任务;运动操纵器为下位机，要紧完成插补运算、位置操纵、速度处理等强实时性任务。
1．1 GE系列运动操纵器
GE－300－SV－PCI运动操纵器采纳了标准PCI总线，插入PC机的PCI插槽后，安装上驱动程序即可使用。该运动操纵器核心由DSP和FPGA组成，能够实现高性能的操纵运算。其要紧功能如下:1)可操纵3个伺服/步进轴，实现三轴联动的连续轨迹插补运动;2)3路16位辨论率模拟电压输出信号或脉冲输出信号，每路可独立操纵，互不阻碍;3)4路编码器输入，包括3路轴编码器、1路辅助编码器，采样频率4 MHz;4)光电隔离16路通用数字输入和16路通用数字输出;5)多段预处理功能，能合理和谐轨迹运动的速度和精度，实现小线段轨迹的连续加工;6)运动方式有直线插补、圆弧插补、手脉输入跟随，插补速度可稳固工作在256 kHz，圆弧插补的径向误差每个脉冲在±0．5之内;
1．2伺服系统
伺服系统由松下MINAS A系列MSDA043A1A伺服驱动器和MSMA042A1G小惯量伺服电动机组成，MS-MA042A1G电动机自带2 500 P/r增量式编码器，可方便地实现运动信息的反馈。由于GE－300－SV运动操纵器被设定成模拟量输出形式，因此驱动器操纵模式采纳编码器速度操纵。工作时，PC机将操纵命令发送给运动操纵器，经运动操纵器处理后输出模拟电压信号给伺服驱动器，伺服驱动器将该信号处理放大后驱动伺服电动机运转，同时伺服驱动器还将接收的编码器反馈信号及时返回给运动操纵器，以便运动操纵器及时纠正运动中产生的误差，如此便构成了一个半闭环的交流伺服操纵系统。
1．3电气操纵系统
电气操纵系统要紧实现辅助装置的操纵，如主轴、冷却、润滑、安全防护等。为了保证系统工作可靠，运动操纵器的操纵信号通过端子板输入、输出，由端子板实现输入、输出信号的光电隔离。端子板的CN12端口用于x，y，z 3个运动轴限位和回零信号的输入，CN13端口用于变频器报警、气压报警等信号的输入，CN14端口实现主轴正反转、冷却泵启停等操纵信号的输出，CN8端口的8脚和10脚输出0～10 V的模拟电压给变频器，实现主轴的无级变速。
由于传统数控机床的要紧电器一样放在机床电气柜中，功能不具开放性，电气调试和修理都不方便。因此在实验系统设计时，将端子板、伺服驱动器、变频器、继电器、开关等电气元件直截了当安装在开放的展台上，如此方便学生开展数控电气设计、安装、调试、修理等实际动手能力训练。
2软件系统
软件系统在Windows环境下，基于Visual C++6．0MFC和运动操纵器提供的Windows动态链接库进行开发，要紧开发了参数设置、程序编辑、图形仿真、自动加工、工作状态显示等功能模块。由于GE－300－SV运动操纵器提供了Windows的驱动程序和面向运动操纵器的动态链接库，用户无需编写通讯程序，只要通过运行主机程序，调用相应库函数即可由运动操纵器操纵完成轨迹规划、安全检测、速度操纵等处理。软件系统总体层次如图2所示。由于篇幅限制，只介绍软件系统实现中的几个关键问题。
2．1人机界面功能
本数控系统的人机界面由数控系统面板和机床操纵面板两部分组成，其中数控系统面板仿照FANUC 0i系统
设计而成，如此便于学生熟悉市场主流数控系统的操作。系统人机界面如图3所示。
人机界面是用户与实验系统交互的接口，实验系统的所有操作和相关信息显示都能够通过点击人机界面的按钮来实现。该实验系统有多种工作模式，能够通过机床面板的工作方式选择按钮和系统面板的功能键来选择。其中，数控系统面板上六大功能键(POS键、PROG键、OFF-SET/SETTING键、SYSTEM键、MESSAGE键和CUSTOM/GRAPH键)能够实现不同功能模块的调用，并显示相应的屏幕界面。为了实现不同屏幕界面的显示，采纳单一窗口分页显示模式，即在一个主窗口上设计出多个分页，将选定的功能模块设计在相应的分页上，并使每个分页在主窗口上都有确定的位置，如此在切换各功能模块时也实现了屏幕的不同显示。为此分别以CObject类为基类创建了属性页页面的数据结构类CPropertyPagest，以CTabCtrl类为基类创建了属性页类CsheetTabCtrl，并在程序的视图类中添加InitPropertySheet(UINT flag)函数，实现不同页面的初始化。
2．2 NC代码处理
NC代码处理确实是将数控加工程序转换为运动操纵器运动函数库中函数能够识别的参数，同时对数控代码的正确性进行校验。要实现从NC代码到运动操纵器中函数的转换，必须对程序段中的功能关键字进行功能识别，并依次完成程序段功能关键字的提取、校验等处理。系统采纳读取一行处理一行的方式，读入一行程序后，从左到右逐个字符地分析，从而识别出一个个关键字，假如有非法字符，就输出报警信息，没有非法字符，那么提取关键字，并对关键字后面的数字进行校验，假设不符合编程规那么，就输出报警信息。假设校验结果正确，那么将提出的信息用动态数Gcncarray组储备，为此需建立一个CCNCData类，在类中定义储备信息的变量。CCNCData的类定义如下:
class CCNCData
{
public:
CCNCData();
virtual～CCNCData();
public:
void Clear();
void Copy(const CCNCData＆);
unsigned char n，m，g;
int s;
double x，y，z f，i，j，k，r;
bool xflag，yflag，zflag，mflag，gflag，fflag，sflag;
};
动态数组的声明如下:
typedef CArray＜CCNCData，CCNCData＆＞
CCncArray;CCncArray Gcncarray;
2．3前瞻处理功能
在小线段连续轨迹运动中，为了解决运动速度和加工精度的矛盾，GE－300－SV运动操纵器提供了前瞻预处理功能。所谓前瞻预处理即运动操纵器依照给定的设备工艺特点参数进行速度规划预处理，在保证加工精度的同时提高加工速度。
2．3．1前瞻处理流程
GE－300－SV运动操纵器提供四条指令实现前瞻处理功能，其处理流程如下:
1)依照设备特点用GT_InitLookAhead指令设置前瞻处理功能模块的初始化参数;
2)由GT_AddLookData指令将规定条数(由初始化参数设定)的轨迹段信息添加到预处理缓冲区;
3)用GT_CalVel指令运算每段轨迹的终点速度。每运算完一段，由GT_AddLookData指令加入一段，直到处理终止;
4)自动加工时由GT_SetDccVel指令运用运算结果操纵每段轨迹的终点速度。
2．3．2圆弧圆心坐标的运算
圆弧插补指令加入预处理缓冲区时，GT_AddLookData指令需要圆弧的圆心坐标作为参数，而圆弧插补指令一样不直截了当给出圆心坐标，以xy平面圆弧插补为例，其指令格式有如下两种:

式中:G02，G03分别为顺、逆圆弧插补;x，y为圆弧终点坐标;I，J为圆心相关于圆弧起点的增量坐标;R为圆弧半径，当圆弧小于等于180°时，R取正值，大于180°时，R取负值。
关于I，J编程格式的圆弧插补指令，圆心坐标专门容易运算，而半径编程格式的圆弧插补指令，圆心坐标运算却较复杂，这儿给出一种圆弧圆心坐标的算法。
从图4中，能够看出以a，b点为端点，R为半径的圆弧共有4个，因此需设定系数k1，k2，当为顺圆(G02)时k1=1，为逆圆(G03)时k1=－1;当圆弧小于等于180°(R＞0)时k2=1，圆弧大于180°时k2=－1。假设圆弧半径为R，a点为圆弧起点，b点为圆弧终点，a点坐标(xa，ya)即上段运动轨迹的终点坐标，b点坐标(xb，yb)由当前圆弧插补指令直截了当给出。因此圆弧的圆心坐标(xo1，yo1)可用式(1)和式(2)求出:
式中k1，k2，r，xa，ya，xb，yb均为值，其值可从当前圆弧插补程序段和上一运动轨迹程序段中得知。有了这一运算公式，便可通过运算机程序方便地求出圆弧圆心的坐标，为GT_AddLookData指令将圆弧插补指令压入预处理缓冲区提供参数。
3结语
该数控实验系统由开放体系结构运动操纵器和PC机构成，既利用了PC机丰富的软硬件资源，又充分保证了系统的性能，且由于运动操纵器提供了标准的DLL函数库，使系统软件开发简便，实现复杂功能更加容易，大大缩短了开发周期，降低了开发成本。通过实验证明，该数控实验系统具有成本低、功能强、升级爱护方便等特点，能开设数控编程仿真、数控机床操作加工、数控机床电气设计、调试、修理等实训项目，较好地补偿了传统数控实训设备的不足。
参考文献:
［1］固高科技(深圳)．GE系列运动操纵器编程手册［Z］．
［2］固高科技(深圳)．GE系列运动操纵器用户手册［Z］．
［3］陈婵娟，闫永志，蓝通明．开放式数控系统人机界面的设计［J］．组合机床与自动化加工技术，2007(2):42-45．
［4］王珂娜，彭晓燕，肖毅华．开放式数控原理实验系统的研制［J］．实验技术与治理，2007(4):61-63．
［5］王健，林述温．数控R编程中求解圆心坐标的一种统一算法［J］．现代制造工程，2007(6):30-31．
［6］周虹．开放式数控系统设计及实例［M］．湖南:湖南大学出版社，2007:41-48．