一種基于運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控專用機(jī)床

摘要：本文介紹了大米加工機(jī)械中，磨輥加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成，控制程序的模塊構(gòu)成和關(guān)鍵算法。該系統(tǒng)以工控機(jī)為中心，采用VC++開(kāi)發(fā)底層控制程序，利用DMC-1842 四軸運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)了對(duì)拉絲機(jī)床的控制要求，滿足了該專用機(jī)床對(duì)安全性、穩(wěn)定性和易操作性的要求。
關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)控制;運(yùn)動(dòng)控制卡;數(shù)控機(jī)床;插補(bǔ);DDE

A SPECIAL MACHINE TOOL BASED ON MOTION CONTROL CARD
Xu Zhipeng
School of Physics Science and Information Engineering, Liaocheng University ，
Liaocheng, Shandong, 252059
Abstract: This paper illuminates the control system of a kind of special machine tool,
which is used in rice processing, include the hardware, software and key algorithms. It is based on industrial computer. Visual C++ is used to develop controlling algorithm of the program. The multi-axes motion control card, DMC-1842, is utilized for realizing the complex function, the system satisfies the demand of security, stability and easy
workability.
Keyword: computer control, montion control card, numerical control machine
tool ,interpolation,DDE
小麥加工成面粉的歷史，可以追溯到幾千年以前，隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，出現(xiàn)了代替人工的動(dòng)力制粉，輥式磨粉機(jī)的出現(xiàn)大大提高了加工效率，而磨輥的特性直接影響著成品面粉的質(zhì)量。本文旨在介紹一種用于加工磨輥的專用機(jī)床。

1 工藝要求
磨輥的表面接近水平地均勻分布著橫向的凹槽，兩個(gè)凹槽之間形成一條絲，一周的絲數(shù)從幾百到一千不等，凹槽與水平方向有微小的夾角，因此凹槽的幾何結(jié)構(gòu)嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是一種螺旋結(jié)構(gòu)，是磨輥的水平移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)同時(shí)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，其加工稱為拉絲過(guò)程。當(dāng)磨輥的磨損達(dá)到一定程度時(shí)，需要重新加工凹槽，因此要利用砂輪對(duì)磨輥先進(jìn)行磨光，去掉凹槽，稱為磨光過(guò)程。另外，操作人員可以通過(guò)輸入參數(shù)調(diào)整一周的絲數(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的電機(jī)進(jìn)行起停，故障時(shí)自動(dòng)切斷電源，急停等。

2 設(shè)計(jì)分析
該工藝屬于多軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，其中拉絲過(guò)程中凹槽的水平方向和轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)運(yùn)動(dòng)需要兩個(gè)坐標(biāo)軸的聯(lián)動(dòng)，也稱作電子齒輪運(yùn)動(dòng)方式。傳統(tǒng)的基于DI/DO 的板卡沒(méi)有此功能，需要在程序中加入插補(bǔ)算法實(shí)現(xiàn)，使程序變得復(fù)雜，另外，傳統(tǒng)的DI/DO 板卡的主要功能是基于數(shù)字量的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于速度控制、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制等功能沒(méi)有現(xiàn)成的算法，因此加大了軟件的工作量及系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，我們選用美國(guó)GALIL 公司DMC-1842 四軸運(yùn)動(dòng)控制卡。運(yùn)動(dòng)控制卡在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2][3]，目前主要廠商是國(guó)外公司，隨著控制卡的普及和應(yīng)用，國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)也在開(kāi)發(fā)自己的控制卡產(chǎn)品[4]。GALIL 公司的DMC-1842 運(yùn)動(dòng)控制卡具有PCI 總線結(jié)構(gòu)，是美國(guó)Galil 公司專為低成本應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)。它采用32 位微處理器，可控制1-4 軸，其本身已經(jīng)具有多軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、輪廓控制、電子齒輪和電子凸輪等功能，板上有2Mflash 可擦寫(xiě)存儲(chǔ)器及2M RAM，可存儲(chǔ)用戶程序、數(shù)量、數(shù)組和控制程序，并可脫機(jī)運(yùn)行。該卡提供C++、VB 編程接口。另外，該卡還有8 路通用輸入和輸出，可用于現(xiàn)場(chǎng)電機(jī)的控制、急停、故障報(bào)警等[5]。另外，由于磨光操作需要較高的精度，而機(jī)床本身由于機(jī)械的原因，存在著運(yùn)動(dòng)間隙，因此，砂輪軸的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)采用光柵尺，產(chǎn)生閉環(huán)反饋信號(hào)，以保證磨光的精度。

3 數(shù)控拉絲機(jī)的結(jié)構(gòu)：
該機(jī)床由Z、C、X1、X2 四個(gè)軸組成，如圖1 所示，其中Z 軸用作磨輥的水平移動(dòng)，C軸用于磨輥的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，X1 軸是刀具軸，X2 軸是砂輪軸，用于把毛坯的輥?zhàn)咏?jīng)過(guò)粗磨，精磨，加工成為符合要求的待加工磨輥。

圖 1 機(jī)床結(jié)構(gòu)
4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，利用美國(guó)GALIL 公司四軸控制卡對(duì)四個(gè)軸進(jìn)行控制，
采用VC++編寫(xiě)下層控制程序，VB 開(kāi)發(fā)操作界面，通過(guò)DDE 傳遞控制命令，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)
定性和直觀性，如圖2 所示。

圖 2 硬件結(jié)構(gòu)

采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制用計(jì)算機(jī)，操作面板的功能包括急停，電機(jī)的手動(dòng)起停等操作，利用
觸摸屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。運(yùn)動(dòng)控制卡采用美國(guó)Galil 公司的DMC-18X2 運(yùn)動(dòng)控制卡，伺服控制器采用日本松下公司產(chǎn)品，同時(shí)向控制卡提供編碼器反饋信號(hào)。該編碼器為2500 脈沖/轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)伺服控制器四
倍頻后，即10000 脈沖/轉(zhuǎn)，提供給控制卡。光柵尺的選擇根據(jù)加工精度要求，采用1000 脈沖/毫米產(chǎn)品，行程200 毫米。接口卡美國(guó)Galil 公司配套產(chǎn)品，提供對(duì)按鈕、編碼器、急停、故障等的接線。

5 軟件設(shè)計(jì)
軟件平臺(tái)采用Windows 操作系統(tǒng)，VC++開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制程序，VB 開(kāi)發(fā)界面，分為拉絲和
磨光兩個(gè)主要畫(huà)面，采用DDE 方式進(jìn)行VC 和VB 之間的通訊，。其功能包括板卡初始化，接
通電源，各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)起點(diǎn)和終點(diǎn)確定，對(duì)絲，拉絲，磨光等幾個(gè)步驟。

5.1 運(yùn)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)
針對(duì)以上各種功能和控制卡的特點(diǎn)，控制程序采用VC++編制，模塊化程序設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的框圖如下：

圖 3 系統(tǒng)框圖

5.1.1 DDE 模塊
作為DDE Server，負(fù)責(zé)與向界面提供各種狀態(tài)指示，以及傳送來(lái)的各種命令的解釋，
及時(shí)把各個(gè)軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給VB。該模塊的定時(shí)掃描周期為100 毫秒。
在實(shí)際應(yīng)用中，由于界面與控制程序分屬于不同的程序，因此二者之間存在著同步的問(wèn)
題，我們?cè)诳刂瞥绦蛑性O(shè)立了狀態(tài)指示字，用于指示、更新當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
利用DDE 的XTYP_EXECUTE 會(huì)話方式，由客戶端發(fā)送命令到服務(wù)器端，由于傳送命令較
多，我們定義了數(shù)據(jù)傳送格式，以區(qū)別不同命令。

其中前面三位ABC 是命令碼，代表命令的類型，編碼從001 開(kāi)始，依次累加，后面以”,”
分割，然后是該命令的運(yùn)動(dòng)參數(shù),比如點(diǎn)動(dòng)命令的不同方向等。有的命令參數(shù)不止一個(gè)，可
以依次擴(kuò)充，最后以”*”結(jié)束。
例如：C 軸點(diǎn)動(dòng)命令，命令碼是016 ,可以有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，因此它的命令形式為：
016，0 *。0 代表順時(shí)針?lè)较颉?br>5.1.2 命令處理模塊
負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DDE 傳送來(lái)的各種命令，然后執(zhí)行不同的子模塊，包括點(diǎn)動(dòng)、拉絲、磨光、開(kāi)停電機(jī)等等。該模塊是運(yùn)動(dòng)控制程序的核心部分，所有命令都通過(guò)此程序執(zhí)行。定時(shí)掃描周期為100 毫秒。
5.1.3 坐標(biāo)更新模塊
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)軸的反饋脈沖值，然后進(jìn)行計(jì)算，得到坐標(biāo)位置，同時(shí)得到該軸的運(yùn)動(dòng)方向等參數(shù)，更新坐標(biāo)軸位置。更新周期同樣為100 毫秒。
5.1.4 端口掃描模塊
對(duì)數(shù)字量輸入端口定時(shí)進(jìn)行掃描，包括急停、電機(jī)按鈕、伺服控制器故障等信號(hào)的處理。更新周期100 毫秒。
5.1.5 故障診斷模塊

包括對(duì)程序自身正在進(jìn)行的操作的狀態(tài)指示，接收DDE 命令的歷史記錄顯示，以及發(fā)送
給控制卡命令的記錄顯示，向操作人員提供故障診斷信息。
5.2 關(guān)鍵算法的處理
5.2.1 磨輥的分度
磨輥的表面一周分布有數(shù)百條凹槽，設(shè)為n，實(shí)際應(yīng)用中，磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)一周的脈沖數(shù)是固
定的，假設(shè)為P，當(dāng)然P/n 一般不會(huì)得到整數(shù)，設(shè)
N = floor(P/n) 即N 為不超過(guò)P/n 的整數(shù),代表每一個(gè)凹槽所占有的脈沖數(shù),設(shè)
R = P – N*n
即R 代表多出的脈沖數(shù),問(wèn)題轉(zhuǎn)化成為如何處理R 個(gè)脈沖。一般情況下，N>>1,而R因此我們可以把R 個(gè)脈沖均分到n 個(gè)凹槽中，實(shí)際上，我們采取把R 個(gè)脈沖分到了從1 開(kāi)始
到R 的凹槽中，由于N>>1，這種方法產(chǎn)生的誤差可以忽略不計(jì)。
5.2.2 間隙的處理
由于機(jī)床的機(jī)械原因，造成刀具、C 軸等的運(yùn)動(dòng)存在間隙，例如在對(duì)絲過(guò)程中，由于正
程和反程的相反運(yùn)動(dòng)，磨輥在C 軸的位置存在間隙誤差，因此在正常分度以前，我們加入C
軸的反向旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度、然后正向旋轉(zhuǎn)一個(gè)分度，這樣成功消除了間隙誤差。
5.2.3 拉絲過(guò)程
拉絲過(guò)程是刀具進(jìn)給到與磨輥接觸位置，然后保持不動(dòng)，磨輥在Z 軸正程方向從起點(diǎn)移
動(dòng)到終點(diǎn)，同時(shí)C 軸方向以電子齒輪比轉(zhuǎn)動(dòng)，在磨輥的表面加工出一條槽，然后磨輥反程回
到起點(diǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)分度脈沖，同樣運(yùn)動(dòng)加工出第二條槽，循環(huán)上述動(dòng)作，直到最后一條，即
完成一周的加工，如圖4 所示。
6 結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)了大米加工行業(yè)中的拉絲機(jī)床計(jì)算機(jī)控制，在該
行業(yè)中具有一定的領(lǐng)先水平，同時(shí)，系統(tǒng)的控制算法由VC++編制，具有運(yùn)行穩(wěn)定、速度快
的特點(diǎn)，而上層界面由VB 開(kāi)發(fā)，具有良好的人機(jī)交互界面，這種組合式的結(jié)構(gòu)既能保證系
統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能提供友好的操作環(huán)境。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)捷、具有較
高的精度，提高了加工效率，可為大米加工、飼料加工等企業(yè)帶來(lái)200 萬(wàn)元以上的經(jīng)濟(jì)效益。
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