基于运动控制器的数控转塔冲床控制系统设计

杜益刚，张文志，刘颖晗

（1.内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2.安徽省亳州市谯城区颜集镇人民政府，安徽 亳州 236827）

0 引言

近年来，我国在数控冲床领域发展较快，数控冲床的保有量不断提高，数控冲床的种类也在不断增加。目前，我国使用的数控冲床大多数是数控转塔冲床，按照驱动冲头工作的原理可以把数控转塔冲床分为机械驱动数控转塔冲床、液压驱动数控转塔冲床和伺服电机驱动数控转塔冲床。运动控制就是对机械运动部件的位置、速度、位移等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。本文重点介绍基于运动控制器的数控转塔冲床控制系统的设计方法。

1 总体设计

1.1 总体结构设计

基于运动控制器的数控转塔冲床总体结构主要包括操作部分、控制部分和执行部分。按照要求，需要完成的设计任务主要有操作面板功能设计、按键与旋钮编码电路设计、NC代码解释和运动仿真。首先，选择合适的运动控制器作为设计的运动控制系统的主要组成；其次，设计出合理的操作面板，面板功能主要包括加工功能、状态功能和运动功能，并确定各功能键的数目；最后，编写一段NC代码程序并对其进行解释。

1.2 运动控制器的选择

根据数控转塔冲床控制部分的设计要求，选择深圳固高公司生产的GT－400－SP－PCI－G型运动控制器，它提供了C语言函数库和窗口动态链接库。当编程时，可以调用这些库函数，也可以将其与编写的数控冲床加工程序集成在一起来满足数据处理、用户使用等要求。

1.3 操作面板功能设计

目前数控系统的开发大多将手动操作面板的输入／输出作为开关量I／O的一部分，统一由主机或CPU进行控制。为此，根据数控转塔冲床的工作原理和实现的功能，绘制出数控转塔冲床操作面板按键功能图，如图1所示。

图1 数控转塔冲床操作面板按键功能

主要按键有：“X＋”键、“X－”键、“Y＋”键、“Y－”键、“T＋”键、“T－”键、“～”键、“单冲”键、“连冲”键、“循环冲”键、“蚕食”键、“阵列”键、“连冲停止”键、“夹钳夹紧和夹钳松开”键、“换刀夹紧和换刀松开”键、“手动选刀”键、“自动运行”键、“自动定位”键、“程序编辑”键、“机床回零”键、“空行程”键、“机床锁住”键、“机床状态”旋钮和“倍率”旋钮等。

1.4 按键与旋钮编码电路设计

当数控转塔冲床的操作面板功能设计完成后，由于实际需要的I／O口数超过了所购买端子板上的I／O口数，因此需要找到一种合适的方法进行I／O口的扩展，以满足数控转塔冲床的功能需要。即首先理解操作面板的电路原理图、运动控制器的接线图及其端子板的内部连线图，然后对I／O口进行扩展，最后再进行按键与旋钮的编码电路设计。

如图2所示，以单片机来扩展输入口，由操作面板按键将信号输入单片机，经主机编码将信号传给运动控制器，从而控制电机的运动。该方案简单，节省了成本，满足了所需要求，因此将此方案作为本次按键与旋钮编码电路的设计方案。

图2 以单片机来扩展输入口

1.5 NC 代码解释

NC代码解释是数控加工过程中的一个重要组成部分，其主要目的是对NC代码程序做正确的解释和语法错误的检测，通过这一过程，获得对加工过程有用的数据信息。

对NC代码解析一般分为3个步骤：①对代码程序进行词法分析，检查其中是否有词法错误；②对程序代码的语法进行分析，该步骤是建立在词法分析的基础上的，其目的是逐步检查程序代码的正确性及是否存在高级错误；③将程序代码翻译成加工信息，完成加工过程。

将编写好的NC代码保存到文件中，然后将文件读入系统中，这样系统就可以从文件中获得NC代码程序，并对其进行处理。系统开始以字符的形式保存这些代码程序，然后根据设定好的格式转换成相对应的数据信息，并对这些数据信息做数学处理，以提取出对加工有用的信息。

1.6 数控加工过程仿真设计

数控加工过程的模拟仿真主要有对CL文件进行模拟仿真和对NC代码程序进行模拟仿真两种方式。本设计采用的是对NC代码程序的模拟仿真，它可以检测刀具运动轨迹的正确性，并判断加工参数选择的合理性等。由于数控程序代码可直接驱动数控机床运动，因此基于NC代码的数控程序模拟仿真更接近于实际，下面主要对NC数控代码模拟仿真做简要分析。仿真开始后，系统会对读进来的NC代码程序进行编译，以得到系统可以识别的加工语言，同时系统根据设定好的程序获取模具库信息、设置参数等，然后系统自动开始二维的实时仿真，操作人员可以通过显示屏清晰地看到冲床模具的运动轨迹、冲压成形的形状以及是否有碰撞干涉等不合理现象。

该模块的具体功能为：NC程序检测、编译解释；对加工对象的状态进行仿真，显示机床部件及刀具的运动位置及运动轨迹；对刀具、夹钳、工作台之间的碰撞及干涉情况进行实时检测；显示自动换刀的过程。

2 结语

本文介绍了基于运动控制器的数控转塔冲床控制系统的设计，并对数控冲床运动进行了更深层次的开发，从而高效地利用数控冲床设备，以达到精确快速加工的目的。

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