基于运动控制器的雕刻机控制系统设计

２０１６年１月第４４卷第２期机床与液压ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＪａｎ ２０１６Ｖｏｌ ４４Ｎｏ ２ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１６ ０２ ０５９收稿日期：２０１４－１１－２６作者简介：刘勇求（１９８０ ），女，硕士，讲师，研究方向为智能控制㊂Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｏｎｇｑｉｕ８００８＠１６３ ｃｏｍ㊂基于运动控制器的雕刻机控制系统设计刘勇求（广东科技学院机电系，广东东莞５２３０８３）摘要：传统的雕刻机系统开放性差㊁可移植性差，阻碍了雕刻机行业的发展㊂基于运动控制器设计雕刻机控制系统，分别介绍系统的硬件设计和软件设计㊂该控制系统具有良好的开放性，对雕刻机行业的发展具有一定的意义㊂关键词：雕刻机；控制系统；运动控制器；开放式系统中图分类号：ＴＨ２１５㊀㊀文献标志码：Ｂ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１６）２－１９１－４ＤｅｓｉｇｎｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＥｎｇｒａｖｉｎｇＭａｃｈｉｎｅＢａｓｅｄｏｎＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＬＩＵＹｏｎｇｑｉｕ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＤｏｎｇｇｕａｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５２３０８３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｐｅｎｎｅｓｓａｎｄｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｎｇｒａｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍａｒｅｐｏｏｒ，ｗｈｉｃｈｈｉｎｄｅｒｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｎｇｒａｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ａｋｉｎｄｏｆｅｎｇｒａｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｏｐｅｎｎｅｓｓ．Ｉｔｈａｓｃｅｒｔａｉｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｔｏｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｅｎｇｒａｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｉｎｄｕｓｔｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｒａｖｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ；Ｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；Ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；Ｏｐｅｎｉｎｇｓｙｓｔｅｍ㊀㊀雕刻加工技术具有悠久的历史，是一种传统的工艺㊂在建筑㊁艺术㊁装饰等领域中，雕刻技术有着广泛的应用，其中许多作品是人类历史中的瑰宝［１］㊂传统的雕刻加工一般靠技师手工完成，这种方式决定了雕刻产品的质量取决于技师的雕刻技艺水平㊂手工雕刻生产效率低下，生产成本高，更加困难的是每一件产品都需要技师重新雕刻，无法实现可重复加工［２］㊂随着社会的发展，市场需求不断扩大，在原来的首饰㊁工艺品的基础上，许多其他产品的模具也需要进行雕刻，这样的背景下，手工生产已经不能满足需求［３］㊂计算机数控技术（ＣＮＣ）的出现极大地丰富了现代制造技术㊂它集计算机技术㊁机械制造技术㊁传感技术㊁信息处理技术㊁现代控制技术等多项先进技术于一身，是数控机床的基础与核心［４］㊂ＣＮＣ技术的发展带来了机床行业的革命，高效的数控机床已经开始逐步代替普通机床㊂ＣＮＣ技术的出现使雕刻技术实现自动化成为可能㊂目前数控雕刻机大致分为两种：一种是利用激光进行加工的激光式雕刻机，另一种是利用刀具切削进行加工的机械式雕刻机［５］㊂这两种雕刻机应用于不同的领域中，由于激光加工存在一定的限制，机械式雕刻机应用相对较多㊂机械式雕刻机又分为开环式步进驱动雕刻机和闭环式伺服驱动雕刻机［６］，分别应用在不同要求的场合㊂现阶段，市场上数控雕刻机多是国外的品牌，中国的雕刻机系统还不够成熟，多采用单片机或是ＰＬＣ进行控制，系统比较封闭，可移植性较差，不利于雕刻机行业的发展㊂近年来，运动控制器以其体积小㊁控制精度高㊁开放性好㊁响应速度快等优点在自动化行业有着越来越多的应用［７］㊂文中即用运动控制器对雕刻机的系统进行设计，旨在为我国雕刻机行业的发展做出一定的贡献㊂１㊀控制系统整体设计１ １㊀工作原理与控制要求雕刻机采取龙门式结构，通过３个轴的联动来完成雕刻，雕刻机控制系统实际上就是一个三维数控系统，对各个轴的位置进行精准控制㊂３个轴通过滚珠丝杠结构与伺服电机连接，通过电机来带动工作台和刀具进行相应的运动㊂工作时，通过ＰＣ机进行程序编写，将写好的程序传输到运动控制器中，通过运动控制器的解释，将程序转变为伺服驱动器可以接收的信号，伺服驱动器根据程序的指示发出脉冲控制３个轴的伺服电机进行相应的动作，配合高速旋转的刀具主轴，完成相应的雕刻加工㊂刀具可以根据毛坯的材料选择，不同的材料选用不同的刀具进行加工㊂由于雕刻机整个雕刻过程都通过系统的控制来进行，所以雕刻机的系统首先要实现高度的自动化，在加工过程中无需人的参与㊂使用雕刻机进行加工可以实现一个程序重复加工，所以需要保证批量产品的一致性，要求雕刻机响应快㊁精度高㊁一致性好，这样才能控制每一个雕刻产品的精度和表面质量㊂１ ２㊀控制系统设计为保证系统的开放性㊁稳定性和可移植性，此系统采用模块化的方式设计㊂如图１所示，该系统分为运动控制模块㊁驱动模块㊁执行模块与检测模块㊂下面将分别对其进行介绍㊂图１㊀控制系统设计简图雕刻机的加工主要是由３个轴的运动和主轴的转动之间的配合完成的，该动作靠运动控制模块进行控制，运动控制模块是控制系统的核心，它主要负责各个模块之间的通信，程序语言的解释，信号的接受㊁传递与处理等㊂运动控制模块采取上下位机的结构，上位机是负责管理的ＰＣ机，下位机是负责处理的运动控制器㊂这种上下位机之间的双ＣＰＵ结构，可以保证上下位机工作时不互相干扰，保证了系统的效率㊂运动控制模块发出指令到驱动模块，驱动模块驱动执行模块进行相应的运动㊂驱动模块和执行模块又分为工作台的３个轴的驱动和执行模块和刀具主轴的驱动和执行模块㊂工作台的驱动模块为伺服驱动器，伺服驱动器接收来自运动控制器的运动指令，并将运动质量转化为脉冲发送到伺服电机，伺服电机和滚珠丝杠等机械结构作为执行模块执行系统的指令；同理，刀具主轴的驱动模块为带动刀具旋转的伺服驱动器，执行模块为带动刀具旋转的伺服电机以及相应的机械结构㊂检测模块主要用来检测工作台的位置㊁伺服电机运转情况等，保证系统能够达到所需要的精度，同时保证系统能够安全运行㊂２　控制系统硬件设计２ １㊀运动控制模块运动控制模块采取 ＰＣ＋运动控制器 的双ＣＰＵ上下位机结构㊂该控制系统中的运动控制器选用英国Ｔｒｉｏ公司的ＭＣ４０５多轴运动控制器㊂ＴｒｉｏＭＣ４０５是一种基于ＤＳＰ的运动控制器，它实现了运动控制与逻辑算法之间的有机结合，可以轻松实现多种运动，例如直线㊁圆弧㊁螺旋线等的插补，电子齿轮运动，电子凸轮运动等㊂ＴｒｉｏＭＣ４０５采用可扩展结构，很大程度上提高了系统的开放性与可移植性，Ｔｒｉｏ公司提供了多种配套的功能模块，用户可以根据自己的应用需求对其进行自由组合㊂其中包括轴的扩展㊁Ｉ／Ｏ接口的扩展与总线接口的扩展等㊂除了可以进行运动控制外，ＴｒｉｏＭＣ４０５还具有强大的运算处理能力，包括可以进行算术运算㊁逻辑运算以及三角函数运算等㊂ＴｒｉｏＭＣ４０５支持多任务执行，即将复杂的任务分成几个部分来同时执行，但是每个任务之间是独立的㊂在编程时可以将ＰＬＣ程序㊁人机交互程序和管理程序作为独立的任务执行，这样一方面可以简化编程，使复杂的控制过程变得简单明了，另一方面也可以保证程序运行的效率㊂ＴｒｉｏＭＣ４０５可以对多种反馈信号进行处理，包括绝对编码器㊁增量编码器等㊂最重要的一项优点是ＴｒｉｏＭＣ４０５编程方便，Ｔｒｉｏ公司提供了基于Ｗｉｎｄｏｗｓ系统运行的编程软件Ｍｏｔｉｏｎｐｅｒｆｅｃｔ，其界面如图２所示㊂它使用的编程语言是Ｔｒｉｏ公司开发的ＴｒｉｏＢａｓｉｃ语言，该语言与Ｂａｓｉｃ类似，简单易学，容易上手㊂图２㊀Ｍｏｔｉｏｎｐｅｒｆｅｃｔ编程界面ＰＣ使用Ｄｅｌｌ系列，由于只需要编程，所以不需要ＰＣ过高的配置，最终选用ＯｐｔｉＰｌｅｘ３０２０㊂它配备了Ｉｎｔｅｌ奔腾双核Ｇ３２４０ＣＰＵ，２ＧＢ的内存足以带动Ｍｏｔｉｏｎｐｅｒｆｅｃｔ，技术上可行，经济上合理㊂２ ２㊀驱动与执行模块驱动与执行模块主要负责接收系统的信息，并作出相应的动作㊂驱动模块和执行模块包括伺服驱动器㊁伺服电机和相应的机械结构㊂此系统中伺服驱动器和伺服电机采用日本松下电机㊂松下伺服系统历史㊃２９１㊃机床与液压第４４卷悠久，现已广泛应用于自动化控制领域，它噪声低㊁效率高㊁发热小，可以实现精准的速度与位置控制，运行平稳，可以实现平滑控制，几乎没有振荡㊂同时松下还特别针对中国电网的实际情况进行了有针对性的驱动器电压设计，使用简单，松下伺服驱动器带有操作面板，可以实现运动状态的监视㊁运动参数的调整与故障的提示与分析，可以方便地完成调试过程㊂松下伺服系统可以直接与ＴｒｉｏＭＣ４０５进行通信，省去了中间信号转换的麻烦㊂２ ３㊀检测模块检测模块主要是用来检测系统的运行状态与工作台的位置等实时性的参数，在此系统中需要设置限位开关㊁回零开关等㊂检测模块的开关采用无需机械接触即可进行位置检测的接近开关㊂接近开关既可以实现行程开关的作用，同时还具备传感器的性能，响应快㊁精度高㊁可靠性好㊁抗干扰能力强，完全符合此系统的要求㊂此系统所使用的接近开关选择欧姆龙的距离增强型接近开关，欧姆龙距离增强型接近开关采用黄铜镀镍的外壳，检测距离在４ ３０ｍｍ内可选，其保护等级为ＩＰ６７，可以适用于恶劣的工况㊂直流三线式的接线可以直接与Ｔｒｉｏ运动控制器的Ｉ／Ｏ接口连接，接收接近开关的信号㊂３　控制系统软件设计３ １㊀软件整体设计控制系统软件的开发和运行都依赖于操作系统，选择合理的操作系统对软件开发的难易程度以及后续的运行都有着重要的影响，同时还要考虑所使用的运动控制器支持什么操作系统㊂综合比较后，采用ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统作为软件开发和运行的环境㊂ＷｉｎｄｏｗｓＸＰ操作系统兼容性好，不存在太多限制，支持ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ和ＶｉｓｕａｌＳｔｕｄｉｏ等开发工具㊂Ｗｉｎ⁃ｄｏｗｓＸＰ操作系统在工业控制领域应用相对较多，已经有许多成功案例㊂Ｔｒｉｏ运动控制器软件有专门与ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ连接的接口控件，可直接使用ＶｉｓｕａｌＢａｓ⁃ｉｃ进行二次开发㊂为了使程序简单明了，减少错误出现的概率，文中软件开发也采取模块化设计㊂如图３所示，雕刻机控制系统软件分为初始化模块㊁管理模块㊁参数模块㊁运动控制模块㊁ＰＬＣ模块与人机交互模块㊂图３㊀软件设计３ ２㊀软件功能实现在软件整体模块化设计的基础之上对各个模块进行具体设计，由于篇幅限制，有些模块给出部分代码，有些模块则不予给出㊂（１）初始化模块与人机交互模块㊂将这两个模块在一起设计是因为在程序初始化时人机界面也要完成初始化，所以统一进行设计㊂上电后系统首先初始化，完成各项功能的准备工作，同时人机界面开启，系统与人机界面进行通信，完成后人机界面即可对各项数据进行显示和设置㊂初始化模块为其他模块的运行做好准备，是最上层的一个模块㊂下面给出控制器与人机界面通信的初始代码：ＡＤＤＲＥＳＳ＝１／／设置通信地址为通道１ＳＥＴＣＯＭ（１９２００，８，１，２，２，４）／／设置端口㊁波特率㊁数据位㊁校验位等值只有运动控制器中的相关数值和人机界面中的相关数值一一对应才能实现运动控制器与人机界面的通信㊂（２）管理模块和ＰＬＣ模块㊂管理模块主要负责程序的管理与调用，其中也涉及到逻辑控制，将人机界面上的按钮与程序中的代码一一对应，在操作时按下按钮即可执行相应的动作㊂但是ＰＬＣ模块不仅涉及到程序的管理，还涉及到输入输出的管理，例如接收接近开关的信号对工作台进行限位㊁雕刻机加工之前的回零操作等㊂下面给出Ｘ轴回零操作的部分代码：ＷＤＯＧ＝１／／看门狗开启ＵＮＩＴＳ＝２７００／／设置单位ＳＰＥＥＤ＝５００／／设置速度ＡＣＣＥＬ＝１００／／设置加速度ＤＥＣＥＬ＝１００／／设置减速度ＢＡＳＥ（０）／／选择Ｘ轴ＦＯＲＷＡＲＤ／／Ｘ轴向零点运动ＩＦＩＮ（０）＝１ＴＨＥＮ／／Ｘ轴运动到零点位置ＤＥＦＰＯＳ（０）／／设置此处为Ｘ轴的零点ＥＮＤＩＦ（３）参数模块和运动控制模块㊂参数和运动控制模块是系统软件的核心，通过人机界面对系统的运行参数进行设置，运动控制模块根据参数模块所设置的参数执行相应的轨迹，例如圆弧插补㊁电子凸轮等㊂下面给出一个电子凸轮的程序代码：ＵＮＩＴＳＡＸＩＳ（０）＝１６００／／设置Ｘ轴单位ＵＮＩＴＳＡＸＩＳ（１）＝１６００／／设置Ｙ轴单位ＷＤＯＧ＝１／／看门狗开启ＦＯＲｉ＝０ＴＯ１００／／设置凸轮的轨迹路径ＴＡＢＬＥ（ｉ，１０００００∗ＳＩＮ（ｉ∗ＰＩ／５０））ＮＥＸＴｉＣＡＭＢＯＸ（０，１００，１０，１０００，１）ＡＸＩＳ（０）／／㊃３９１㊃第２期刘勇求：基于运动控制器的雕刻机控制系统设计㊀㊀㊀执行凸轮运动ＷＡＩＴＩＤＬＥ３ ３㊀人机界面设计人机界面是操作人员与控制系统交互的直接窗口，在设计时要考虑到人机工程学㊂界面布局要合理，内容安排要与操作人员的知识水平和认知水平相一致，提高可操作性［８］㊂画面必须简介，把主要的功能突出出来，不能滥用图画和颜色，以免对操作人员的注意力造成分散［９］㊂在系统中人机界面要实现加工状态的显示，加工方式的选择，包括自动和手动两种工作方式，还有参数的设置和程序的显示等㊂系统的人机界面如图４所示㊂图４㊀系统人机界面４㊀结束语基于运动控制器的雕刻机控制系统是一种集计算机技术㊁数控技术㊁伺服驱动技术等于一体的新产品，它克服了原有的雕刻机控制系统开放性差㊁可靠性低的特点㊂以运动控制器为核心模块化设计，使系统成为具有灵活性的㊁可移植的开放式系统㊂文中介绍了系统的整体设计方案，又分别介绍了硬件与软件的设计㊂基于运动控制器的雕刻机控制系统开放性好㊁响应速度快，加工精度高，为雕刻机控制系统的发展提供了新思路㊂参考文献：［１］阎开印，黄辉．基于数字图像的数控雕刻技术研究［Ｊ］．计算机应用研究，２００７（８）：２０６－２０８．［２］徐志明，陈金成，冯正进，等．Ｗｉｎｄｏｗｓ平台上三轴联动数控雕刻机的开发［Ｊ］．制造技术与机床，２００２（４）：１６－１８．［３］黄海鸿，刘志峰，尹志强，等．激光雕刻机二维步进电机运动控制系统研究［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００５（６）：６５－６７．［４］龙泽明，王桂莲，刘献龙．基于单片机的机床数控系统的发展［Ｊ］．佳木斯大学学报（自然科学版），２００５（４）：５５９－５６２．［５］戴金跃．基于工控机控制方式的ＣＯ２激光雕刻机的研究［Ｊ］．镇江高专学报，２０１０（４）：２６－２８．［６］张铎，蔡晓君，周士达．小型数控雕刻机控制系统设计［Ｊ］．新技术新工艺，２０１４（４）：２８－３１．［７］吴宏，蒋仕龙，龚小云，等．运动控制器的现状与发展［Ｊ］．制造技术与机床，２００４（１）：２４－２７．［８］黄凤．浅析软件人机界面设计［Ｊ］．武夷学院学报，２００６（４）：６０－６２．［９］李天科．以人为本的人机界面设计思想［Ｊ］．计算机工程与设计，２００５（５）：１２２８－１２２９．（上接第１７１页）历史数据显示界面如图６所示，在该界面中显示载荷机构的拉伸压缩的力和位移的曲线，并显示测试点的数据，与标准数据相比较，判别合格状态㊂图６㊀历史数据显示界面５㊀结论飞机载荷机构自动测试系统 采用机㊁电一体化设计技术㊁现代测控与传动技术，以计算机控制为核心，实现了对载荷机构性能的自动测试㊂部队使用表明：测试系统能够按照载荷机构测试工艺和‘飞机维护规程“完成载荷机构性能的测试，并能够自动生成性能曲线㊁进行性能的评判；而且测试系统工作安全㊁性能稳定㊁测试精度高㊁通用性强㊁使用方便，满足了机务部队对载荷机构性能检测和大修厂深度修理工作的需要，对减轻机务人员劳动强度㊁提高工作效率和飞机的完好率㊁确保飞行安全都起到了重要作用，具有良好的军事效益和应用推广价值㊂参考文献：［１］齐蓉，肖维荣．可编程计算机控制技术［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００５．［２］宋永兵．可编程控制器原理及应用［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２００３．［３］田明．精密机械设计［Ｍ］．北京：北京大学出版社，２０１０．［４］吴国庆．现代测控技术及应用［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００７．［５］潘雪涛．传感器原理与检测技术［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２０１１．［６］敖荣庆．伺服系统［Ｍ］．北京：航空工业出版社，２００６．㊃４９１㊃机床与液压第４４卷。