ORAC数控车床进给单元插补控制设计

范鹏飞

(合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽合肥230009)

随着超大规模集成电路和计算机水平的高速发展，数控机床制造商不仅注重提高产品品质，而且希望节约研发成本和缩短产品研发周期。通过模拟仿真可以达到这一目的。在产品研发初期，插补控制仿真技术可以用于进给单元大部分性能参数改进和动态性能测试［1］。

利用MP-C152 运动控制卡以及利于数控系统不断升级更新的Windows 平台和VC + +软件对传统插补控制系统进行改进，研发出了新的数控机床进给单元插补控制系统，弥补了经济性、实用性的不足。

1 系统硬件设计

现有的ORAC 数控车床的数控系统是印刷电路板式的，为了提高工作效益，通过在印刷电路板上增加运动控制卡MP-C152，利用工控机在Windows 环境下实现数控车床进给单元的插补控制。除运动控制卡、输入输出卡代替原来下位机印制电路板控制部分以外，其他硬件如电机和驱动器等不变，还是用原来机床上的硬件。

1.1 IPC 简介

工业控制微机IPC (Industrial Personal Computer)泛指ISA、PCI 等PC 总线型工业控制计算机。生产商通过增加密封保护、板压条、过滤器和额外风扇等措施，形成了IPC 的雏形。如今IPC 可经受高低温冲击、潮湿、振动、电磁干扰、粉尘等恶劣作业环境的考验，同时它拥有丰富的硬件、软件和程序资源，这是其他计算机系统无法相比的。该插补控制装置选择IPC 作为平台。

1.2 MP-C152 运动控制卡简介

该运动控制卡是一种安装在PC 或IPC 中，以脉冲和方向输出方式专门控制步进电机［2］和伺服电机的板卡。运动控制卡［3］接受主CPU 的指令，进行运动轨迹控制，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速处理、原点和限位开关信号的检测等。运动控制卡可控制多轴步进电机或数字式伺服电机，并支持多卡共用，可实现多轴的控制。每个轴都可以输出脉冲和方向信号，并可输入原点、减速、限位开关等信号，以实现回原点、限位保护等功能。开关信号由控制卡自动检测并作出反应。

1.3 通信模式设计

数控机床的通信模式可以分为单机模式和上下位机模式，而后者是全方位的开放式结构，设计快捷方便，满足远程控制所要求的实时性。故ORAC 数控车床进给单元选择上下位机模式，并用MP-C152 运动控制卡来控制二轴电机的工作，而且该卡与工控机的通信接口已经调整设定好，即直接把MP-C152 运动控制卡插到PCI 插槽中实现上下位机的通信。

1.4 硬件结构和工作原理

进给单元硬件结构如图1 所示。硬件由弱电型数控装置和强电型输出驱动及其控制电路组成，其中的数控装置由标准的PC 机、MP-C152 运动控制卡及I/O 接口电路板等组成，强电型输出驱动及其控制电路由步进电机、步进电机驱动器、强电控制电路及限位行程开关和操作面板等组成。插在PC 机PCI 插槽上的运动控制卡和PC 机相连，而PC 机再通过50 根I/O 信号线相连，从而控制X、Z 两个方向的步进电动机，实现对数控车床的控制。

图1 硬件结构

1.5 硬件组成结构设计

改造后的ORAC 数控车床进给单元如图2 所示，主要由以下几个部分组成:

(1)ADlink 工业控制计算机一台;

(2)ADlink 运动控制卡MP-C152 一块;

(3)ADlink 带光电隔离的16 位I/O 卡7200 一块;

(4)ORAC 数控车床一台。

进给单元硬件采用PC 总线和模块化的结构设计，MP-C152 运动控制卡插在PC 总线扩展槽上，计算机与MP-C152 控制卡之间以查询方式进行通信。工控机主要完成系统管理、NC 程序自动生成、编译和解释、间隙补偿等功能。MP-C152 卡主要有步进电机位移及速度控制、限位开关响应、刀具半径补偿、外部信号输入和机床控制信号输出、插补运算等功能。

图2 数控车床进给单元

2 系统软件设计

IPC 机数控系统软件设计的核心工作是窗体的规划和控制代码的编写。而窗体的规划主要围绕主界面的功能进行，各个窗体控件的具体调用与其关联的执行操作控制代码的编写是开发数控系统的关键。

2.1 插补算法

所谓插补就是根据给定进给速度和给定轮廓线形的要求，在轮廓的已知点之间，确定一些中间点的方法，这种方法称为插补方法。目前常用的插补算法为脉冲增量插补和数字增量插补［4］。

通过比较，决定直线插补采用脉冲增量插补逐点比较法［5］，即每走一步都要和给定轨迹比较一次，根据比较结果来决定下一步的进给方向，使刀具向减小偏差的方向并趋向终点移动，刀具所走的轨迹应该和给定轨迹非常相“象”。而圆弧插补则选择数字增量插补中的DDA 圆弧插补算法［6］，插补过程为: (1)插补准备。主要是计算轮廓步长及其相应的坐标增量;(2)插补计算。实时计算出各插补周期中的插补点(动点)坐标值;(3)终点判别。插补流程如图3 所示。

图3 插补流程

2.2 开发平台的选择

开发平台的选择包括操作系统的选择和编程语言的选择两部分。

对于操作系统，选择Windows，因为它具有友好的图形用户界面和丰富的软件资源，支持基于线程的抢先式多任务机制，操作、配置、调试都非常方便等。对于编程语言则选择方便调取MP-C152 运动控制卡库函数的VC+ +语言，以提高软件的开发效率及运行效率。

2.3 方案设计

数控系统软件结构模式［7］主要有两种:前后台型结构模式和中断型结构模式。该数控系统系统软件采用前后台型结构模式，按实时性相对强弱将系统任务划分为两部分:上层管理程序和底层控制程序，如图4、5 所示。

图4 软件结构

图5 系统软件工作原理图

2.4 功能模块

主要有用户输入输出界面操作模块、文件管理模块、MP-C152 卡设备驱动模块、插补控制模块、图形操作模块等，通过这些模块的组合可以实现插补控制，达到理想的效果。

3 模拟仿真

3.1 涉及到的程序设计技术

主要有对话框的应用程序框架及动态链接库技术。ORAC 数控系统基于Windows 平台，为了设计大量的用户操作界面，采用基于对话框的应用程序框架比较合适，便于系统软件的设计和人机交互。由于系统的实时性要求，编译程序需要动态联编，所以底层控制程序要用动态链接库技术［8］。

3.2 人机界面与模拟仿真

系统界面基本要求:用户界面可以实现对数控车床进给单元插补控制。直线插补时，当输入的参数分别为X1=－10，Z1=－10，X2=50，Z2=50，步长为2，点击确定后，经过一段时间的插补，即可出现如图6 的仿真图形。

圆弧插补时，当输入的参数分别为X1=0，Z1=50，X2=0，Z2=－50，步长为2，点击半径后显示半径值为50，再点击确定后，经过一段时间的插补，即可出现如图7 的仿真图形。

图6 直线插补仿真

图7 圆弧插补仿真

4 结论

利用MP-C152 运动控制卡研制了一个基于Windows2000 平台的开放式数控车床进给单元插补控制模拟仿真软件，实现了直线插补和圆弧插补的模拟仿真，从而对ORAC 数控车床进行控制。文中的研究不仅降低了该数控机床进给单元的开发难度和成本，也适应了经济性的要求，取得了预期的成果。

［1］孙名佳，文智，晓波．基于Simulink 的机床伺服进给系统仿真技术研究［J］．制造业自动化，2013，34(4):115－118．

［2］刘宝志．步进电机的精确控制方法研究［D］．济南:山东大学，2010:42－47．

［3］项小东，白国振．基于运动控制卡的伺服控制系统开发研究［J］．机电工程技术，2010(11):20－22．

［4］赵巍．数控系统的插补算法及加减速控制方法研究［D］．天津:天津大学，2004:10－31．

［5］方石银．CNC 系统逐点比较直线插补的新算法［J］．吉林师范大学学报，2010(2):123－125．

［6］许良元．DDA 圆弧插补软件的设计研究［J］．机械工程与自动化，2005(4):74－78．

［7］贾敏忠，詹有基，谢明红．Windows 平台上数控系统软件结构的研究［J］．福建工程学院学报，2006(1):86－88．

［8］田杰，范鹏飞，黄文进，等．凸轮机构综合创新实验装置研究［J］．合肥工业大学学报:自然科学版，2011(7):985－988．