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計算機數(shù)控（Computerized numerical control，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)，是數(shù)控機床的核心[1]。它的功能是接收載 體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機床的動作。其主要組成部分有：工業(yè)控制計算機、運動控制器及通用 I/O 控制卡、主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)、步進驅(qū)動系統(tǒng)，交流伺服控制系統(tǒng)、三軸（XYZ）工作平臺、切 屑回收系統(tǒng)及尾軸定位鉆孔等輔助裝置[2]。

本文采用基于 DSP 的運動控制器 GE-300-SG 作為整個控制系統(tǒng)的核心，構(gòu)建了 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。目前 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)一般采用 PLC 來控制[3]，本文中則采用運動控制器和通用 I/O 卡，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)提供了另外一種途徑。

1 系統(tǒng)硬件設計

教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的控制系統(tǒng)采用工業(yè) PC 機結(jié)合固高科技有限公司生產(chǎn)的運動控制器取代目前數(shù)控加工中心中現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Windows 2000 作為操作界面，通過 PC 機輸入的具體加工程序經(jīng)過運動控制器的處理，轉(zhuǎn)換成步進電機驅(qū)動器及伺服驅(qū)動器能識別并能執(zhí)行的電壓信號， 然后由各電機驅(qū)動器及伺服驅(qū)動器驅(qū)動各軸的電機按給定的要求運動，從而達到控制加工中心運動的目的。其硬件系統(tǒng)包括工業(yè)計算機、運動控制器、通用

輸入輸出板卡、主軸交流變頻器及電機、交流伺服驅(qū)動器及驅(qū)動電機、步進電機驅(qū)動器及驅(qū)動電機、鉆孔電機、位置傳感器、吸塵電機等。各部件的選型不僅要滿足功能的要求，也應具有很好的性價比和可靠性，同時還應注意各部件之間的匹配。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。

圖 1 教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 機械結(jié)構(gòu)方案的設計

機械本體是控制系統(tǒng)的控制對象，其結(jié)構(gòu)作為教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)的載體，具體實現(xiàn)控制系統(tǒng)的運動的目的[4]。教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的主體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其主體結(jié)構(gòu)包括 X、Y 軸工作臺、Z 軸工作臺和立柱結(jié)構(gòu)等部件。

圖 2 教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的主體結(jié)構(gòu)

1.1 運動控制器的分析設計

教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心選用以 DSP 為主要控制蕊片的數(shù)字式步進/伺服型運動控制器，在本文中，選用固高科技（香港） 有限公司基于 DSP 和

FPGA 技術的三軸 PCI 運動控制器，型號為：GE-300-SG-PCI-G.該款運動控制器不僅可以控制三個軸（伺服電機或步進電機控制），控制周期 200 us，而且能夠支持三路四倍頻增量式編碼器信號輸入，高頻率為 8 MHz； 具有通用的數(shù)字信號輸入輸出功能；支持原位信號和限位信號輸入；有較高的性價比[5]。如圖 3 所示。

圖 3 GE- 300- SG- PCI- G 運動控制器

在開發(fā)基于運動控制器的程序之前，必須按照其說明說進行安裝、測試并正確的與其他硬件設備連接，教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的 GE 系列運動控制器與工業(yè)計算機的連接設計，如圖 4 所示。

圖 4 GE 系列運控控制器硬件連接示意圖

GE-300-SG-PCI-G 運動控制器中，其的輸入包括：驅(qū)動報警信號、原點信號和限位信號，通過端子板的 CN5（CN6、CN7）將驅(qū)動報警信號與驅(qū)動器相連[6]。原點和限位通過 CN12 與外部開關相連，如圖

5 所示。輸出包括：驅(qū)動允許，驅(qū)動報警復位。輸出通過端子板 CN5（CN6、CN7）與驅(qū)動器連接。

CN5 對應 X 軸步進電機，CN6 對應 Y 軸步進電機，依此類推。

圖 5 輸入和輸出信號的連接

1.3 交流伺服系統(tǒng)

伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機，在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角， 以帶動控制對象。伺服電機有直流和交流兩種，大功率控制系統(tǒng)常采用直流伺服電動機，交流伺服電動機則主要用于小功率伺服系統(tǒng)，大的特點就是可控性好[7]。在沒有控制信號輸入，伺服電機停止轉(zhuǎn)動； 有控制信號輸入時，伺服電機轉(zhuǎn)動；改變控制電壓的相位（極性）和大小就可以改變伺服電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。本文中所采用的是博美德（黃岡）機械有限公司生產(chǎn)的 SM80-024-30LFB 交流伺服電動機。

目前，以 DSP（數(shù)字信號處理器）作為控制核心的伺服控制器得到了廣泛的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)事項數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化以及較為復雜的控制運算。伺服驅(qū)動器是伺服系統(tǒng)的核心，它的精度決定了伺服控制系統(tǒng)的整體精度。伺服驅(qū)動器的工作目的，主要是根據(jù)伺服控制器送出的轉(zhuǎn)矩、速度、位置等指令工作[8]。教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心選用博美德（黃岡） 機械有限公司生產(chǎn)的 SA1L04C 型伺服驅(qū)動器。

SA1L04C 型伺服驅(qū)動器連接圖如圖 6 所示。

圖 6 SA1L04C 型伺服驅(qū)動器連接圖

1.4 銑軸變頻系統(tǒng)

近幾年來交流變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的發(fā)展， 其優(yōu)異的調(diào)速性能可以取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。變頻器靠內(nèi)部 IGBT 來調(diào)整輸出電源頻率和電壓，根據(jù)電機的實際需要電壓來提供所需要的電源電壓，從而達到調(diào)速、節(jié)能的目的。并且隨著電子配件的發(fā)展，變頻器的價格越來越低，性能越來越好，性價比不斷提高，也使其得到了廣泛的應用[9]。因此在銑軸調(diào)速系統(tǒng)中本文采用以變頻器為核心的調(diào)速系統(tǒng)。

本文中銑軸變頻系統(tǒng)使用的是三晶牌變頻器，其調(diào)速方式是使用該變頻器的多功能輸入端子來進行調(diào)速。變頻器的連接分，分為主回路和控制回路。連接 時應將外殼的蓋子掀開，此時可看到主回路端子和控制回路端子，應依照圖 7 的配線回路準確連接。

圖 7 變頻器配線圖

1.5 步進驅(qū)動系統(tǒng)

步進驅(qū)動系統(tǒng)由運動控制器發(fā)出的方向、脈沖等控制信號，控制步進驅(qū)動器，再通過步進驅(qū)動器控制步進電動機，步進電機與滾珠絲杠相連接，滾珠絲杠的螺母與機床的工作臺相連接，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的直線移動[10]。步進驅(qū)動系統(tǒng)包括步進電機與步進驅(qū)動器，根據(jù)微型數(shù)控機床的精度要求，本文中選用雷賽智能式 863S68H 三相混合式的步進電機和用雷賽公司剛研發(fā)出來的一款高細分步進電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用的是精密電流控制技術，型號：3ND1183，適用于驅(qū)動控制 86-110 型各種品牌的三相混合式的步進電機。

步進驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動器的接線圖，如圖 8 所示。

圖 8 步進驅(qū)動系統(tǒng)接線圖

2 系統(tǒng)軟件設計

目前在數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，由于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)軟件采用的是標準開發(fā)環(huán)境，不僅降低了開發(fā)成本，而且能開發(fā)出性能更好的系統(tǒng)，同時還可以降低維修的成本，因此基于工控機的開放性數(shù)控系統(tǒng)將成為控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[11]。在本文教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，采用

“工控機+運動控制器"作為控制核心，選用 Win－

dowsXP 作為軟件操作平臺，Microsoft Visual C++6.0

作為軟件的開發(fā)工具。

2.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

軟件系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，必須根據(jù)硬件特點、系統(tǒng)設計、用戶要求來編寫程序。進行系統(tǒng)軟件設計時，首先將整個系統(tǒng)的任務功能分成許多個模塊，并對每個執(zhí)行模塊進行定義，之后根據(jù)模塊需要實現(xiàn)的功能設計每個具體模塊的程序，后組

成一個完整的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的程序不僅結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，而且各模塊內(nèi)部也可細分為小模塊。模塊特性有利于軟件測試，在功能擴充上也很方便。如要增加新功能，只需增加新模塊就能實現(xiàn)。因此這樣的模塊程序設計方法思路清晰、邏輯性強、柔性很大[12]。

根據(jù)構(gòu)建的教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的控制系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)和性能特點，本文中系統(tǒng)軟件設計采用模塊程序設計方法。其控制系統(tǒng)軟件主要劃分了以下幾個模塊：人機交互界面模塊、語法檢測模塊、數(shù)控加工程序編譯模塊、刀補模塊、仿真模塊以及其他輔助模塊等。整個教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心控制系統(tǒng)軟件的基本結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。

圖 9 教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)圖

微型加工中心數(shù)控系統(tǒng)軟件設計流程圖，如圖 10 所示。

圖 10 微型加工中心數(shù)控系統(tǒng)軟件設計流程圖

1.1 系統(tǒng)軟件中主要功能的設計

根據(jù)教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和特點，可將其軟件根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，可歸納為以下幾個功能模塊，分別闡述如下。

（1）自動加工功能的設計

自動加工程序重點是要將數(shù)控 G 代碼進行編譯，在程序中編寫了一個結(jié)構(gòu)體來存儲 G 代碼中的數(shù)據(jù)。

（2）對刀功能的設計

對刀的目的是將 G 代碼程序中的原點與實際工件加工的原點對應起來。在類 CMillingDlg 中定義成員變量分別用來記錄機床坐標和工件坐標。

對刀操作就是通過刀具當前在機床坐標系中的位置計算出三個工件零點的值，在后面的插補指令中，分別將工件零點加到相應的 X，Y，Z 坐標值上，這樣就將工件坐標（編程坐標）坐標轉(zhuǎn)換為了機床坐標。

（3）仿真功能的設計

在本文控制軟件的設計中，仿真的原理和插補是類似的，只是將插補運動換成 GDI 的直線和圓弧的繪制函數(shù)。在對話框上放置了一個 STATIC 控件， 仿真圖形的所有繪制都是在該 STATIC 控件上進行的。在程序中成員函數(shù)中首先繪制了仿真坐標，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的值一項一項的逐次進行繪制。由于 GDI 的繪圖是一瞬間完成的，為繪制出整個仿真運行的效果，在繪制完每一項的圖形后程序暫停

0.5 s，這樣就繪制出了仿真的動態(tài)過程。仿真圖如圖

11 所示。

圖 11 仿真圖

3 人機界面的實現(xiàn)

人機界面是計算機和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，準確描述是用戶通過用戶界面向計算機發(fā)出各種數(shù)據(jù)命令，以達到對計算機進行實時操作和控制，而計算機通過用戶界面將計算機控制情況和處理結(jié)果表示出來，直觀地供用戶觀察，并指導用戶發(fā)出下一步命令[13]。除此之外，人機界面還應該為計算機和用戶提供幫助、識別以及檢查等功能。所以人機界面不僅僅為用戶和計算機提供信息交換的渠道，而且也充分發(fā)揮了計算機的功能。

友好的人機界面能夠提高控制系統(tǒng)的使用效率，促進用戶更好的掌握及創(chuàng)造性發(fā)揮，所以其作用顯得非常重要。本控制系統(tǒng)運用 Visual C++6.0 語言， 設計了程序運行界面和參數(shù)設置界面的人機界面。

4 結(jié)束語

通過數(shù)控系統(tǒng)提供機械加工領域的生產(chǎn)制造效率是未來的必然趨勢，本文對教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心，從硬件和軟件探討了采用 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)采用立式數(shù)控加工中心形式的結(jié)構(gòu)布局；完成了工作臺步進電機控制線路、銑軸伺服電機控制線路的設計。

采用模塊化的設計思路，設計了控制系統(tǒng)軟件部分。該軟件在工控機上能實現(xiàn)其功能，能夠檢查并編譯 NC 代碼，能夠通過運動控制器來完成自動加工、對刀和加工軌跡仿真等功能；人機界面友好，易于使用；提供了主要功能設計的源代碼。該軟件的源代碼開放，由于采用的是模塊化設計思路，用戶可根據(jù)自己使用要求添加相應模塊。

應用加工實例表明，本教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的數(shù)控系統(tǒng)，人機界面友好、操作簡單、功能完善、安全系數(shù)高、性能*等系列優(yōu)點，能夠滿足教學加工兩用型微型數(shù)控加工中心的控制要求，為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術基礎。