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激光焊接機(jī)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)說(shuō)明書(shū)
本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有從工程實(shí)踐出發(fā)，根據(jù)激光焊接機(jī)的要求，首先設(shè)計(jì)好激光運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，在數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)的構(gòu)建、輸入數(shù)據(jù)處理、進(jìn)給控制等方面進(jìn)行研究;開(kāi)發(fā)一套以PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)控系統(tǒng)采用前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)，前臺(tái)程序由運(yùn)動(dòng)控制器完成插補(bǔ)、伺服位置控制，后臺(tái)程序完成輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理及管理、診斷功能，整個(gè)軟件在Windows操作系統(tǒng)下用C++或Visual C++編制。聯(lián)接后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，合作完成整一部三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控控制激光焊接機(jī)。
1. 激光焊接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
如圖1，激光焊接系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由以下部分組成：XY兩個(gè)軸帶動(dòng)工作臺(tái)，Z軸帶動(dòng)激光頭，實(shí)現(xiàn)三軸的聯(lián)動(dòng)。
圖1.激光焊接工作臺(tái)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)
2. 激光焊接系統(tǒng)的電氣原理及軟件系統(tǒng)介紹
本激光焊接機(jī)工作臺(tái)的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面采用結(jié)構(gòu)有計(jì)算機(jī)主機(jī)，鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，運(yùn)動(dòng)控制卡，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)，限位開(kāi)關(guān)，直線運(yùn)動(dòng)模塊，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，直流開(kāi)關(guān)電源，單相變壓器等組成。軟件部分主要是以windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所需要的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和各種應(yīng)用程序。
2.1控制系統(tǒng)的主要硬件模塊
1）、計(jì)算機(jī)主機(jī)：作為控制系統(tǒng)的核心，包括CPU芯片以及外圍芯片，電子盤(pán)、通訊接口、軟硬驅(qū)動(dòng)接口。他的主要作用是對(duì)于系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，完成處理控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令。根據(jù)指令向其他功能模塊發(fā)送命令、傳送數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶的操作指令。
2）、運(yùn)動(dòng)控制卡：用高性能微處理器（如 DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。
3）、鍵盤(pán)和顯示器：兩者構(gòu)成人機(jī)對(duì)話窗口，用于輸入和顯示系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行情況等
4）、限位和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)：用于工作臺(tái)的超程和原點(diǎn)控制。一般作為輸入信號(hào)，返回一個(gè)信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡，通過(guò)調(diào)用程序達(dá)到限位或停止功能。
5）、驅(qū)動(dòng)器:接收運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖和方向信號(hào),再把信號(hào)發(fā)給電機(jī)。
6）、電機(jī)：主要用于運(yùn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.2控制系統(tǒng)的主要前臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
1）、友好的人機(jī)界面：本界面是模仿法拉克系統(tǒng)的數(shù)控操作的的界面，布局合理美觀，模塊結(jié)構(gòu)清晰，使用者可以在一個(gè)界面內(nèi)完成所有的數(shù)控操作。
2）、文件管理功能：系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別和打開(kāi)*cnc文件，識(shí)別后導(dǎo)入編輯的對(duì)話框里面，編輯對(duì)話框具有檢測(cè)合法字符，操作符，語(yǔ)法等功能。因此，系統(tǒng)支持在電腦加載復(fù)雜的程序。
3）、程序輸入：界面的編輯框還有直接在系統(tǒng)輸入，編輯，更改程序的功能，編輯框右邊提供使用者編輯按鈕，按鈕有自動(dòng)識(shí)別字母輸入還是數(shù)字輸入的功能。
4）、狀態(tài)顯示：當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，界面可以顯示對(duì)工作臺(tái)的坐標(biāo)顯示更新以及按鍵被選中的時(shí)候狀態(tài)顯示，提示超程等。
本工作臺(tái)設(shè)計(jì)的人機(jī)交互界面具有很多優(yōu)點(diǎn)。本界面主題思想是仿造法拉克數(shù)控系統(tǒng)形狀的，一共使用了43個(gè)大類，函數(shù)200多個(gè)，資源添加也有100多個(gè)，是一個(gè)邏輯性非常強(qiáng)的界面設(shè)計(jì)，函數(shù)與函數(shù)之間存在的邏輯關(guān)系是比較復(fù)雜的，但是開(kāi)發(fā)出來(lái)的效果還是比較友好，功能比較齊全，方便使用者的操作，可以在一個(gè)界面完成全部數(shù)控的操作。如圖2所示：
圖2 數(shù)控工作臺(tái)操作界面
兩大模塊主要是數(shù)控系統(tǒng)操作模塊和操作面板模塊如下圖：
1）數(shù)控系統(tǒng)操作面板如圖3：
圖3數(shù)控系統(tǒng)操作面板
功能模塊介紹如下圖4
圖4 數(shù)控操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：數(shù)控系統(tǒng)操作面板大體可以分四個(gè)模塊：顯示面板、輸入面板、編輯面板、模式選擇面板。顯示面板可以根據(jù)消息響應(yīng)的不同，顯示不同的對(duì)話框，里面一共有8個(gè)對(duì)話框，分別是絕對(duì)坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)（RelPosDlg）、綜合坐標(biāo)（AllPos）、程序內(nèi)部輸入（SinPrgDlg）、程序登記（PrgLibDlg）、程序外部輸入（MdiDlg）、工件坐標(biāo)1（WorkCoondOne）、工件坐標(biāo)2（WorkCoondTWo）。模式選擇面板一共有三種模式選擇，分別是POS、PROGRM、MENU。這八個(gè)對(duì)話框與模式選擇模塊息息相關(guān)，每一個(gè)模式都對(duì)應(yīng)幾個(gè)的對(duì)話框。POS按鍵消息響應(yīng)時(shí)，顯示面板會(huì)自動(dòng)加載坐標(biāo)顯示的三種模式供選擇。PROGRM按鍵消息對(duì)應(yīng)的是三個(gè)程序編輯的對(duì)話框。MENU按鍵消息對(duì)應(yīng)的是工件坐標(biāo)的對(duì)話框。輸入面板主要是輸入代碼時(shí)，調(diào)用NumLetterInput（）函數(shù)，自動(dòng)選擇輸入的是字母還是數(shù)字。編輯面板一般都是刪除（can）、Inset（插入）等幾個(gè)編輯代碼時(shí)使用到，一般跟著光標(biāo)顯示位置進(jìn)行信息捕捉，例如can鍵消息響應(yīng)時(shí)，調(diào)用SetSel(0,-1)，表示從頭到尾刪除。
2）操作面板
本工作臺(tái)的操作面板如圖5
圖5 操作面板
本工作臺(tái)的操作面板功能模塊如下圖6：
圖6 操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：操作面板大體可以分四個(gè)模塊：位置移動(dòng)（OnBtX等）、程序執(zhí)行模塊、模式選擇模塊、A軸開(kāi)啟/速度模塊。操作面板是配合數(shù)控系統(tǒng)操作面板的來(lái)運(yùn)行的，其中模式選擇模塊有六種枚舉變量，當(dāng)按鍵選擇其中一種時(shí)，該按鍵會(huì)獲取LoadBitmap（）函數(shù)，來(lái)獲取亮燈（buttondown）圖片，而其他均為按鍵均為灰色，選擇其中一個(gè)變量，得到的響應(yīng)消息以及調(diào)用的函數(shù)不同，當(dāng)選擇AUTO、EDIT、MDI時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控系統(tǒng)操作面板的模式選擇模塊，進(jìn)行編程。當(dāng)選擇HOME 、JOG、JOGING時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控操作系統(tǒng)的POS模塊以及位置移動(dòng)模塊，當(dāng)移動(dòng)模塊工作時(shí)，即X、Y、Z、A軸移動(dòng)按鍵響應(yīng)時(shí)，POS加載的三個(gè)坐標(biāo)顯示面板會(huì)獲取移動(dòng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更新顯示。而移動(dòng)坐標(biāo)軸主要由兩種形式JOG和JOGING形式，分別調(diào)用OnBtJog()和OnBtJogIng() 函數(shù)。A軸的開(kāi)啟/調(diào)速模塊主要是A軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。執(zhí)行程序模塊主要是當(dāng)枚舉變量選中AUTO或MDI格式的時(shí)候才能執(zhí)行以下的模塊，如單條程序、空走，自動(dòng)循環(huán)等。
這個(gè)界面總的來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。
3. 激光焊接系統(tǒng)電氣原理
本設(shè)計(jì)使用的是PC+運(yùn)動(dòng)控制卡的控制系統(tǒng)，其中運(yùn)動(dòng)控制卡的接線圖如圖3-1
圖3-1.運(yùn)動(dòng)控制卡接線圖
在電氣控制系統(tǒng)中，習(xí)慣將高壓、大電流的回路成為主回路。常見(jiàn)的控制系中，主回路系統(tǒng)通常包括以下部分：
1） 電機(jī)主回路。包裹電機(jī)的通斷控制的接觸器和電機(jī)保護(hù)用的斷路器。
2） 各種驅(qū)動(dòng)裝置電源回路和動(dòng)力回路。
3） 各種控制變壓器的初級(jí)輸入回路。包括通斷控制的接觸器、保護(hù)斷路器等。
4） 用于供給控制系統(tǒng)的各部分的電源輸入和控制回路，包括電源變壓器、整流器，穩(wěn)壓器等。
本工作臺(tái)的主控制電路設(shè)計(jì)主要是由兩部分組成,一部分是運(yùn)動(dòng)控制卡的供電,另一部分是驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)方面的供電?？傮w上來(lái)說(shuō),用電功率不大，設(shè)計(jì)用單相電壓220v的。其中經(jīng)過(guò)變換，運(yùn)動(dòng)控制卡的電壓時(shí)24v ，50w的主要用于數(shù)字輸入輸出的需求。電機(jī)使用的是兩個(gè)單相變壓器28v 50w的。如圖3-2所示：
圖3-2. 主電路圖
3.1.控制回路設(shè)計(jì)內(nèi)容
控制系統(tǒng)的控制回路是由繼電器，接觸器等低壓電器構(gòu)成的強(qiáng)電控制回路，在常見(jiàn)的控制系統(tǒng)中控制回路通常包裹AC220V與DC24v兩類。由于本工作臺(tái)這里由于驅(qū)動(dòng)功率原因還用到了DC28V的電源。在本數(shù)控工作臺(tái)中，控制回路的設(shè)計(jì)主要是數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)器控制回路的設(shè)計(jì)。本工作臺(tái)的控制回路模塊如下圖3-3：
圖3-3. 電氣原理圖
3.2.數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)：
來(lái)自機(jī)床或者操作面板的輸入大多數(shù)是屬于開(kāi)關(guān)量，包括各種按鈕，行程開(kāi)關(guān)，接觸器，傳感器的檢測(cè)輸入等，輸入信號(hào)一般是可以直接由板卡的I入口連接，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的接口電路轉(zhuǎn)換后變成板卡的輸入信號(hào)。列表4-1是本數(shù)控工作臺(tái)的輸入/輸出點(diǎn)設(shè)計(jì)：
表3-1 輸入輸出信號(hào)設(shè)計(jì)
輸入點(diǎn)針腳號(hào)
對(duì)應(yīng)的I/O信號(hào)
功能注釋
20
XLMT-
X軸反向脈沖
21
XLMT+
X軸正向脈沖
22
XSTOP0
X停止信號(hào)
26
YLMT-
Y軸反向脈沖
27
YLMT+
Y軸正向脈沖
29
YSTOP0
Y停止信號(hào)
33
ZLMT-
Z軸反向脈沖
34
ZLMT+
Z軸正向脈沖
35
ZSTOP0
Z停止信號(hào)
40
ALMT-
A軸反向脈沖
41
ALMT+
A軸正向脈沖
42
ASTOP0
A停止信號(hào)
46
OUT0
X軸狀態(tài)指示燈
47
OUT1
Y軸狀態(tài)指示燈
48
OUT2
Z軸狀態(tài)指示燈
49
OUT3
A軸狀態(tài)指示燈
數(shù)字輸出接線圖的原理圖如圖3-4所示
圖3-4 數(shù)字輸出信號(hào)接線原理圖
3.3驅(qū)動(dòng)器控制回路電氣設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)器根據(jù)工作臺(tái)的選型，選擇的是H2MD-M403的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)上面的選型介紹驅(qū)動(dòng)器一共有三個(gè)模塊，電源模塊接的是28v 50w的單相變壓器。脈沖采用差分連接（減少干擾），連接運(yùn)動(dòng)控制卡的PU+ 、PU+、DR+/DR-，電機(jī)模塊接步進(jìn)電機(jī)，如圖4-5
圖3-5：驅(qū)動(dòng)器電氣原理圖
激光焊接機(jī)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
摘要
激光焊接是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了一種三自由度的激光焊接運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)好運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)和基于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。二十世紀(jì)九十年代出現(xiàn)的一種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)控體系結(jié)構(gòu)叫開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，它具有擴(kuò)展性好、二次開(kāi)發(fā)性和維護(hù)方便、運(yùn)行穩(wěn)定性高、可移植性好，能靈活適應(yīng)不同需要等特點(diǎn)，能夠很好的滿足生產(chǎn)設(shè)備的客觀需要,推動(dòng)制造企業(yè)的發(fā)展,是未來(lái)數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)如何有效地利用這些先進(jìn)的技術(shù)，多快好省地進(jìn)行控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)就顯得十分的必要。
本課題充分利用計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了用于開(kāi)放式三自由度數(shù)控焊接機(jī)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司_ADT_8948A1的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡，組成了以NC嵌入PC的開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)。被控對(duì)象是一個(gè)直角坐標(biāo)、四軸激光焊接機(jī)平臺(tái)，由四個(gè)步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器、限位開(kāi)關(guān)等構(gòu)成的激光焊接機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。
本文重點(diǎn)介紹了激光焊接機(jī)數(shù)控工作臺(tái)的硬件使體系結(jié)構(gòu)和前臺(tái)軟件在
ｗｉｎｄｏｗＸＰ的環(huán)境下的開(kāi)發(fā)過(guò)程，功能基本上都能達(dá)到了要求。
關(guān)鍵詞: 激光焊接機(jī)；ＮＣ嵌入ＰＣ；開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)；運(yùn)動(dòng)控制卡
Abstract
Laser welding is an advanced manufacturing technology, this paper designs a kind of laser welding system with three degrees of freedom motion. Based on hardware structure design movement system, focusing on the design of the motion control system of electrical structure and open CNC system. The 1990 s saw the emergence of an advanced computer numerical control system structure called the open CNC system, it has good expansibility, secondary development and maintenance convenience, running high stability, portability, the flexibility to adapt to the different needs and other characteristics, can meet the objective need of production equipment, and promote the development of the manufacturing enterprise, the future is the main trend of the numerical control technology. With modern computer technology, microelectronics technology and modern control the development of technology, the open CNC system how to effectively use the advanced technology, is to control the development of economically system it is very necessary.
This topic make full use of computer software and hardware technology, digital signal processing technology, realizing the four degrees of freedom for open CNC carving of the milling machine computer control system. The system USES the numerical control technology for the shenzhen Co., LTD "http://adtechcn.cn.alibaba.com/ > _ADT_8948A1 multiaxial movement control CARDS, formed to the opening of the embedded NC PC numerical control system. The controlled object is a rectangular, four shaft laser welding platform, by four sets of stepping motor and drive, the limit switch consists of the laser welding machine of CNC system.
This paper introduces laser welding machine numerical control of workbench hardware make system structure and the design of man-machine interface in windowXP under the environment of the development process, the function is basically could reach the requirements.
Keywords: laser welding machine; NC embedded PC ; open-architecture CNC system;
motion controller
目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
1.緒論 5
1.1 本課題研究的目的、意義 5
1.2 本課題研究的內(nèi)容 7
1.3 本課題研究的方法和手段 7
2.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 9
2.1 概述 9
2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊 9
2.3控制系統(tǒng)的主要前臺(tái)軟件設(shè)計(jì) 10
3.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型 10
3.1 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體性能的要求 10
3.2 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型 11
3.2.1 電機(jī)系統(tǒng)的選擇 11
3.2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇 13
3.2.3限位開(kāi)關(guān)、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)選型 14
3.2.4 開(kāi)關(guān)電壓的選型 14
3.3 主要元件列表 18
4.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì) 20
4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì) 20
4.1.1主回路設(shè)計(jì)內(nèi)容： 20
4.1.2控制回路設(shè)計(jì)內(nèi)容 20
4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)： 21
4.3驅(qū)動(dòng)器控制回路電氣設(shè)計(jì) 22
5.前臺(tái)軟件設(shè)計(jì) 23
5.1軟件平臺(tái) 23
5.1.1 操作系統(tǒng)平臺(tái) 23
5.1.2 軟件開(kāi)發(fā)工具 23
5.2控制軟件的程序總體設(shè)計(jì) 23
5.2.1 控制軟件基于MFC的框架搭建 23
5.2.2 界面介紹 24
5.3 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)制介紹 27
6、 PRO/E的圖形自動(dòng)編程軟件介紹 29
6.1 Pro/NC的加工規(guī)劃流程 29
6.2 Pro/NC的生成NC代碼過(guò)程剖析 30
7.設(shè)計(jì)總結(jié)及致謝 34
總結(jié) 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
附錄一 精敏步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接線圖 37
附錄二 安裝端子接線圖 38
附錄三 電氣原理圖 40
附錄四 典型程序 41
1.緒論
1.1 本課題研究的目的、意義
隨著國(guó)家工業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)越來(lái)越受到生產(chǎn)的需求，傳統(tǒng)的人工焊接已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需求，一種現(xiàn)代的焊接方法—激光焊接孕育而生[1-3]。它具有不受磁場(chǎng)的影響，不局限于導(dǎo)電材料等優(yōu)點(diǎn)，受到很多制造者的青睞。激光焊接機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[4-6]，可以用于很多材料的焊接，碳鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等都可以用激光進(jìn)行焊接，因此可以涉及到航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域[7]。
另外隨著制造部門(mén)把自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到焊接過(guò)程,激光焊接和計(jì)算機(jī)數(shù)控工作臺(tái)控制的結(jié)合能夠更好更精確地控制焊接過(guò)程,很好地實(shí)現(xiàn)了激光焊接的自動(dòng)化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率[8-11]。激光焊接機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)是激光焊接機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制核心，即是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化心臟。它的控制能力直接關(guān)系到激光焊接機(jī)的加工質(zhì)量與加工效率，對(duì)整個(gè)激光焊接機(jī)的性價(jià)比和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力都有著至關(guān)重要。但目前國(guó)產(chǎn)激光焊接機(jī)使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價(jià)格上不能很好地統(tǒng)一，成為影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控激光焊接機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的制約因素之一[12-14]。為此，研究開(kāi)發(fā)控制能力強(qiáng)，性價(jià)比高的激光焊接機(jī)具有巨大的空間，有著深遠(yuǎn)的影響[15]。
本課題采用“高性能運(yùn)動(dòng)控制器”為核心研制開(kāi)發(fā)激光焊接機(jī)數(shù)控工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了工作臺(tái)三軸的聯(lián)動(dòng)，任意兩軸圓弧插補(bǔ)，2-3軸的直線插補(bǔ)，可以為用戶提供焊接帶有空間曲面的工件，如渦輪蝸桿、齒輪等零件。大大提高原來(lái)的控制系統(tǒng)的工作臺(tái)性價(jià)比和控制能力。
主要研究所能實(shí)現(xiàn)的目的體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
1）、設(shè)計(jì)激光焊接機(jī)的硬件設(shè)備，包括X,Y,Z三個(gè)軸機(jī)械結(jié)構(gòu)。
2）、采用PCI總線連接控制卡，提高激光焊接機(jī)整體可靠性、穩(wěn)定性，降低成本，開(kāi)發(fā)基于VC++軟件控制的激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)，依靠和發(fā)揮軟件技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)性能。
3）、通過(guò)調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器的函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的任意三軸的直線插補(bǔ)，任意兩軸的圓弧插補(bǔ)，并提高了數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)運(yùn)算速度和精度。
4）、友好的可視化windows人機(jī)界面，人機(jī)界面功能設(shè)計(jì)更為齊全，集中于一個(gè)VC多文檔的界面，操作更為簡(jiǎn)單，邏輯更為準(zhǔn)確。
1.2 本課題研究的內(nèi)容
本次設(shè)計(jì)內(nèi)容主要有從工程實(shí)踐出發(fā)，根據(jù)激光焊接機(jī)的要求，首先設(shè)計(jì)好激光運(yùn)動(dòng)控制平臺(tái)的硬件設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上，對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，在數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)的構(gòu)建、輸入數(shù)據(jù)處理、進(jìn)給控制等方面進(jìn)行研究;開(kāi)發(fā)一套以PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，數(shù)控系統(tǒng)采用前后臺(tái)軟件結(jié)構(gòu)，前臺(tái)程序由運(yùn)動(dòng)控制器完成插補(bǔ)、伺服位置控制，后臺(tái)程序完成輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理及管理、診斷功能，整個(gè)軟件在Windows操作系統(tǒng)下用C++或Visual C++編制。聯(lián)接后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)，合作完成整一部三軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控控制激光焊接機(jī)。
1）、工作臺(tái)硬件體系結(jié)構(gòu)的搭建與分析、主要技術(shù)參數(shù)的確定與性能分析；
2）、電氣結(jié)構(gòu)圖，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、限位信號(hào)與接口板連線圖的繪制與制作；
3）、運(yùn)動(dòng)控制器的研究與應(yīng)用；
4）、編寫(xiě)用戶界面，實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)；
5）、開(kāi)發(fā)基于 pro/e的圖形自動(dòng)編程軟件接口模塊。
1.3 本課題研究的方法和手段
本課題的研究方法和手段是理論設(shè)計(jì)與實(shí)際調(diào)式相結(jié)合。通過(guò)學(xué)習(xí)運(yùn)動(dòng)控制卡相關(guān)模塊的原理及使用方法、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理及控制方法、電路設(shè)計(jì)理論知識(shí)，進(jìn)行電氣系統(tǒng)的硬件選型、設(shè)計(jì)電氣原理圖及接線圖，學(xué)習(xí)VC界面開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出友好的可視化人界界面，最后與后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)部分結(jié)合，形成完成一臺(tái)性價(jià)比高的激光焊接機(jī)工作臺(tái)的改造。
2.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
2.1 概述
根據(jù)上網(wǎng)和在書(shū)上查閱資料，根據(jù)激光焊接時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，設(shè)計(jì)出了激光工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1.本設(shè)計(jì)的激光工作臺(tái)有XYZ三個(gè)方向的自由度，這樣的工作臺(tái)不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易維護(hù)，也能夠很好地保證運(yùn)動(dòng)精度。
圖2-1.激光焊接工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
在設(shè)計(jì)好了激光焊接機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，然后設(shè)計(jì)激光焊接工作臺(tái)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本激光焊接機(jī)工作臺(tái)的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來(lái)看主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面采用結(jié)構(gòu)有計(jì)算機(jī)主機(jī)，鍵盤(pán)，鼠標(biāo)，運(yùn)動(dòng)控制卡，步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)，限位開(kāi)關(guān)，直線運(yùn)動(dòng)模塊，原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，直流開(kāi)關(guān)電源，單相變壓器等組成。軟件部分主要是以windows操作系統(tǒng)為平臺(tái)，開(kāi)發(fā)系統(tǒng)所需要的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)函數(shù)和各種應(yīng)用程序。一般典型的pc的運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng)如下圖2-2：
圖2-2典型的基于pc的運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng)
2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊
1）、計(jì)算機(jī)主機(jī)：作為控制系統(tǒng)的核心，包括CPU芯片以及外圍芯片，電子盤(pán)、通訊接口、軟硬驅(qū)動(dòng)接口。他的主要作用是對(duì)于系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，完成處理控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令。根據(jù)指令向其他功能模塊發(fā)送命令、傳送數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶的操作指令。
2）、運(yùn)動(dòng)控制卡：用高性能微處理器（如 DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。
3）、鍵盤(pán)和顯示器：兩者構(gòu)成人機(jī)對(duì)話窗口，用于輸入和顯示系統(tǒng)參數(shù)運(yùn)行情況等
4）、限位和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)：用于工作臺(tái)的超程和原點(diǎn)控制。一般作為輸入信號(hào)，返回一個(gè)信號(hào)給運(yùn)動(dòng)控制卡，通過(guò)調(diào)用程序達(dá)到限位或停止功能。
5）、驅(qū)動(dòng)器:接收運(yùn)動(dòng)控制卡發(fā)出的脈沖和方向信號(hào),再把信號(hào)發(fā)給電機(jī)。
6）、電機(jī)：主要用于運(yùn)動(dòng)的控制，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.3控制系統(tǒng)的主要前臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
1）、友好的人機(jī)界面：本界面是模仿法拉克系統(tǒng)的數(shù)控操作的的界面，布局合理美觀，模塊結(jié)構(gòu)清晰，使用者可以在一個(gè)界面內(nèi)完成所有的數(shù)控操作。
2）、文件管理功能：系統(tǒng)能夠自動(dòng)識(shí)別和打開(kāi)*cnc文件，識(shí)別后導(dǎo)入編輯的對(duì)話框里面，編輯對(duì)話框具有檢測(cè)合法字符，操作符，語(yǔ)法等功能。因此，系統(tǒng)支持在電腦加載復(fù)雜的程序。
3）、程序輸入：界面的編輯框還有直接在系統(tǒng)輸入，編輯，更改程序的功能，編輯框右邊提供使用者編輯按鈕，按鈕有自動(dòng)識(shí)別字母輸入還是數(shù)字輸入的功能。
4）、狀態(tài)顯示：當(dāng)系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)候，界面可以顯示對(duì)工作臺(tái)的坐標(biāo)顯示更新以及按鍵被選中的時(shí)候狀態(tài)顯示，提示超程等。
3.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型
3.1 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的總體性能的要求
激光工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)典型，XY軸主要是控制XOY平面運(yùn)動(dòng)，Z軸是控制激光的運(yùn)動(dòng)，主要用于刀補(bǔ)形式。XYZ都是通過(guò)絲桿把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)為直線運(yùn)動(dòng)。機(jī)床的機(jī)械原點(diǎn)我們擬定為：XY軸的負(fù)限位開(kāi)關(guān)，Z軸的正限位開(kāi)關(guān)。
在理想的情況下，我們希望控制系統(tǒng)的控制量能夠嚴(yán)格地按照所發(fā)出的指令到達(dá)所需要的量，不存在誤差，不受到任何干擾的影響。然而，由于系統(tǒng)本身的各種原因如：系統(tǒng)零件的裝配精度，在運(yùn)動(dòng)時(shí)存在著慣量，芯片的響應(yīng)時(shí)間等等使得系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變更到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)（例如突然加速然后減速）很難達(dá)到理想中的運(yùn)動(dòng)完全一樣。因此在硬件選型的時(shí)候和軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候?qū)σ韵氯矫嫣岢隽艘螅?
要滿足這三個(gè)方面的要求,硬件必須達(dá)到一定的特性要求,下面介紹一下硬件的選型情況:
1)響應(yīng)快速:快速響應(yīng)是控制系統(tǒng)的重要的要求,在運(yùn)行中的機(jī)床,從一個(gè)狀態(tài)走向另一個(gè)狀態(tài)時(shí),要求狀態(tài)過(guò)渡時(shí)間反應(yīng)時(shí)間短,系統(tǒng)的上升的斜率和下降的斜率相對(duì)大。盡量避免系統(tǒng)的響應(yīng)遲鈍，如果反映時(shí)間太長(zhǎng)，將難于達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的要求[16-17]。盡量減少系統(tǒng)的阻尼，設(shè)計(jì)中應(yīng)該注意的問(wèn)題。
2）穩(wěn)定性好：激光焊接機(jī)經(jīng)常會(huì)遇到空間曲面的使用場(chǎng)景，數(shù)控工作臺(tái)能否正確穩(wěn)定的執(zhí)行指令，在一個(gè)狀態(tài)回到另一個(gè)狀態(tài)的穩(wěn)定性，影響到系統(tǒng)加工的質(zhì)量。所以數(shù)控工作臺(tái)在系統(tǒng)給定的輸入是外部干擾的作用下，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的執(zhí)行發(fā)出命令的同時(shí)能夠在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到系統(tǒng)的新的平衡或者回復(fù)到原來(lái)的平衡的狀態(tài)的能力，即穩(wěn)定性，是對(duì)控制系統(tǒng)的重要衡量。
3)控制精度高：本控制系統(tǒng)工作臺(tái)要求任意兩軸圓弧插補(bǔ)，兩軸直線插補(bǔ)，來(lái)達(dá)到平面或空間曲面的焊接，有一定的精度要求。這里所說(shuō)的控制精度是指系統(tǒng)的輸出和輸入的目標(biāo)值的吻合程度，也叫存在的誤差大小。在滿足控制精度高于機(jī)床精度的時(shí)候，在控制的過(guò)程中，這個(gè)誤差需要控制的越小越好[18-19]。控制精度高的機(jī)床，可以很好地實(shí)現(xiàn)你所設(shè)計(jì)的圖紙的要求，對(duì)加工的產(chǎn)品是非常重要的。一般情況下由于系統(tǒng)中機(jī)械零部件的種種裝配過(guò)程中存在著一些誤差，以及在使用的過(guò)程中存在著一點(diǎn)磨損，還有環(huán)境溫度的變化等的影響都會(huì)造成控制精度降低。
3.2 激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的硬件選型
3.2.1 電機(jī)系統(tǒng)的選擇
在中高精度的控制應(yīng)用方面，很多用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)。兩種電機(jī)的具體性能我們可以通過(guò)下列表3-1格進(jìn)行對(duì)比：
表3-1 伺服電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的性能對(duì)比
使用性能
伺服電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)
調(diào)速范圍
較寬
較窄
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
較為復(fù)雜
較為簡(jiǎn)單
控制精度
交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，一般能達(dá)到0.036°
兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°、 1.8°
低頻特性
運(yùn)行平穩(wěn)，低速也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象
在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。
過(guò)載能力
較強(qiáng)，可用于克服在瞬間啟動(dòng)的慣性
一般不具有過(guò)載能力
矩頻特性
輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降
運(yùn)行性能
為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
響應(yīng)性能
較快
一般
成本
高
低
本工作臺(tái)基于運(yùn)動(dòng)控制卡控制的三軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)三軸直線插補(bǔ)，任意兩軸圓弧插補(bǔ)，行程為X/Y軸的為400mm，Z軸為400mm，的負(fù)載（工件+工作臺(tái)）擬定為5kg，精度為0.01，屬于中等偏高。擬定的工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的絲桿為NR12MN2VON-320螺距為5mm，公稱直徑為24mm。綜合上述以及步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)的性價(jià)比對(duì)比，可選擇步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制，步進(jìn)電機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格相對(duì)伺服電機(jī)便宜很多，能夠精確定位，另外還有電路簡(jiǎn)單、容易與微型計(jì)算機(jī)聯(lián)接、停止時(shí)有保持轉(zhuǎn)矩、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。
X Y 軸所選型號(hào)為：SSTS59D1201;
Z軸所選的型號(hào)為：42BYG250B；
1）X Y 軸的電機(jī)主要負(fù)責(zé)工作臺(tái)的軌跡的運(yùn)動(dòng)，用的相對(duì)頻繁，所以對(duì)SST59D1201的信濃電機(jī)要求相對(duì)比較高，也就是說(shuō)，信濃電機(jī)的性價(jià)比相對(duì)高，使用頻率高而沒(méi)有明顯的誤差。
市場(chǎng)上信濃電機(jī)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：
1）、控制精度較高
2）、低速是不易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象
3）、不易出現(xiàn)高頻使用時(shí)的丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象
4）、使用時(shí)噪聲低，平穩(wěn)，準(zhǔn)確等
5）、速度響應(yīng)性能較好
SST59D1201型號(hào)的信濃電機(jī)：具體參數(shù)如下表3-2：
表2-2 信濃電機(jī)性能列表
步距角度
1.8度/step
額定電壓
24v
額定電流
2.8A
保持力矩
880mN-m
轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
145g/cm3
最高轉(zhuǎn)速
300r/min
自重
0.51kg
電機(jī)校核：根據(jù)工作臺(tái)需要，主要從運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，靜力矩等方面來(lái)校核：
1）速度校核：工作臺(tái)一般啟動(dòng)時(shí)或停止時(shí)不能馬上達(dá)到穩(wěn)定想要的速度，一般情況下需要一個(gè)加速的階段。設(shè)加速時(shí)間為0.2s(步進(jìn)電機(jī)一般加速時(shí)間為0.1~1秒)。則加減速共0.4s?？梢园鸭訙p速階段看成是勻加速，則加減速的平均速度約等于最大速度的一半：
故有L=1.6*Vmax+0.4*Vmax/2=0.4m;得Vmax=0.22m/s 步進(jìn)電機(jī)做高轉(zhuǎn)速為300r/min（5r/s） ，絲桿導(dǎo)程為5mm，所以最高速度為：0.25m/s>0.22m/s,符合條件。而且在實(shí)際情況下，加速時(shí)速度曲線是一條s曲線，加速的時(shí)間會(huì)相應(yīng)的更長(zhǎng)一點(diǎn)，計(jì)算的實(shí)際Vmax會(huì)更小一點(diǎn)。
2） 靜力矩校核：在加減速的時(shí)候，電機(jī)受力較大，設(shè)此時(shí)轉(zhuǎn)化在電機(jī)的力為F，則：F=ma+f;( ma為慣性力，f為勻速時(shí)需要的推力)
a≈Vmax/0.2=0.11m/s2, M=5kg, f=mgcot75°（75°為絲桿的螺旋角）
代入公式得：F≈23.4N，則轉(zhuǎn)化在電機(jī)的力矩M=F*D/2(D為24mm,絲桿的公稱直徑)，代入公式得：M=281mN*m,考慮到導(dǎo)軌和滑塊的裝配誤差造成的摩擦以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素，所以取安全系數(shù)為3，則M=843 mN-m<880 mN-m,即電機(jī)保持力矩符合要求。
3）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校核：折算在電機(jī)上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jt≈Jm；（Js為絲桿慣量，Jm為工作臺(tái)及負(fù)載的慣量），Js=Jm=(m/980)*(p/2π)2 *1000=0.03g-cm3 可以忽略。所以電機(jī)符合要求。
2）Z軸的電機(jī)主要是控制激光的軌跡，在豎直的方向上移動(dòng)，配合其他軸工作臺(tái)的軌跡運(yùn)動(dòng)，主要是面對(duì)加工時(shí)對(duì)不同位置的焊接所需要的軌跡變換。其基本不用受力，并且頻繁改變運(yùn)動(dòng)的軌跡使用少，所以可以任選步進(jìn)電機(jī)，這里選用的型號(hào)42BYG250B，其技術(shù)特點(diǎn)如下：
1）、絕緣電阻——500VDC 100MΩ Min
2）、軸向間隙——0.08mm
3）、徑向跳動(dòng)——0.02mm Max
4）、溫 升——65K Max
5）、絕緣強(qiáng)度——500V AC 1Minute
6）、環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃
7）、絕緣等級(jí)——B 級(jí)
8）、步距角精度: 1.8°±0.09°；
9）、最大空載起動(dòng)頻率: ≥2000pps[20]；
3.2.2 步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇
目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可大致分為歐系、日系及國(guó)產(chǎn)三類。總體上來(lái)說(shuō)，歐系日系的驅(qū)動(dòng)器性能比較好，價(jià)格較貴。國(guó)產(chǎn)驅(qū)動(dòng)器在近年來(lái)也發(fā)展迅猛，在性能上，使用壽命都有了很高的提高。一般情況下選擇驅(qū)動(dòng)器要符合響應(yīng)快（能夠支持頻繁的啟停），調(diào)速寬，負(fù)載特性好等特點(diǎn)。本工作臺(tái)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的需要，性價(jià)比的考慮上，選擇國(guó)產(chǎn)的精敏系列的H2MD型號(hào)的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。JMDM-H2MD是深圳市精敏數(shù)字機(jī)器有限公司自主研發(fā)的一款高精度多細(xì)分步，專門(mén)為銘粵激光機(jī)進(jìn)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[21]。如圖3-1所示：
圖3-1 靜敏H2MD驅(qū)動(dòng)器
從圖中可以很清晰看到該驅(qū)動(dòng)器的接口大概分為三個(gè)模塊：
1) 電源模塊
2) 步進(jìn)電機(jī)模塊（兩相四線）
3) 脈沖模塊
使用功能上基本上符合了了步進(jìn)電機(jī)的需要。
H2MD M403驅(qū)動(dòng)器的具體的性能校核：
1） 驅(qū)動(dòng)器可以提供直流電壓20v~40v，步進(jìn)電機(jī)的額定電壓24v，滿足。
2） 驅(qū)動(dòng)器最大驅(qū)動(dòng)電流3A/相，步進(jìn)電機(jī)的額定電流為2.8A,滿足。
3） 驅(qū)動(dòng)器最大細(xì)分?jǐn)?shù)為25細(xì)分，精度達(dá)1/（25*絲桿導(dǎo)程）=0.008<機(jī)床精度0.01，滿足精度要求。
4） 驅(qū)動(dòng)器輸入脈沖頻率最大400KHz，大于電機(jī)轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖是360°/1.8°*25=5KHz,滿足要求。
5） 驅(qū)動(dòng)器所有控制信號(hào)光電隔離，可以有效減少對(duì)電機(jī)的干擾。
6） 驅(qū)動(dòng)器有自我保護(hù)功能，當(dāng)電壓過(guò)大或接入電壓的方式不對(duì)，紅燈會(huì)亮起來(lái)。
3.2.3限位開(kāi)關(guān)、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)選型
限位和原點(diǎn)開(kāi)關(guān)用于工作臺(tái)的超程和原點(diǎn)控制。限位開(kāi)關(guān)由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變作為運(yùn)動(dòng)控制卡的輸入信號(hào)，去控制電路。原點(diǎn)信號(hào)開(kāi)關(guān)是接近開(kāi)關(guān),它由振蕩器和整形放大器組成振蕩器起振后在開(kāi)關(guān)的感應(yīng)頭上產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場(chǎng),當(dāng)金屬體接近感應(yīng)區(qū)時(shí)，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生了渦流,從而吸收了振蕩的能量,使振蕩幅度減弱以至于停振使接近開(kāi)關(guān)達(dá)到反轉(zhuǎn)的目的,由整形放大器換成二進(jìn)制的開(kāi)關(guān)信號(hào),經(jīng)功率放大后輸出，從而達(dá)到檢測(cè)的目的。本工作臺(tái)將的限位信號(hào)選為帶滑輪的限位開(kāi)關(guān) RS-5GL，原電開(kāi)關(guān)選為歐姆龍接近開(kāi)關(guān)T-W1R5MCI。各自的性能如下表3-3：
表3-3 限位開(kāi)關(guān)和原電開(kāi)關(guān)的性能
RS-5GL
限位開(kāi)關(guān)
1、允許動(dòng)作頻率:機(jī)械性:60次/min???
2、:壽命:機(jī)械壽命:300萬(wàn)次以上???
TL-W1R5MCI
原點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)
1、檢測(cè)的距離：?1.5mm±10%
2、檢測(cè)物體：?磁性金屬（非磁性金屬會(huì)降低檢測(cè)距離。
3、工作電壓：10~30VDC 電流15mA
4、環(huán)境溫度：工作時(shí)、保存時(shí)：各－25～＋70℃
5、響應(yīng)頻率：1kHz以上
6、輸出方式：NPN三線常閉
7、輸出電流：300mA
8、外殼材料：金屬銅/塑料[22]
本工作臺(tái)焊接的材料一般是尺寸較小的工件，一般情況下很少出現(xiàn)超程，所以限位開(kāi)關(guān)機(jī)械60次/min，滿足需求。原電開(kāi)關(guān)檢測(cè)的距離：1.5mm±10%，可以在一定的范圍前給板卡反饋一個(gè)信號(hào)，這樣可以有效控制原點(diǎn)誤差。工作電壓可以選擇為DC10~30v，可以跟板卡的電壓統(tǒng)一，方便同用一個(gè)電壓。
3.2.4 開(kāi)關(guān)電壓的選型
開(kāi)關(guān)電源不僅需為本系統(tǒng)的直流電氣元件提供穩(wěn)定直流24V電源，而且需要有足夠的功率供給。所以開(kāi)關(guān)直流電壓有兩個(gè)非常重要的參數(shù)：電壓和功率。為了更好地實(shí)現(xiàn)電源隔離，以及防止互相干擾，根據(jù)設(shè)計(jì)的需要，需要兩個(gè)能夠提供直流穩(wěn)壓電源。一個(gè)是提供驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用的，給驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)供電的，另外一個(gè)是給運(yùn)動(dòng)控制卡供電的供電，提供輸入輸出點(diǎn)的電流電壓，以及內(nèi)部的電壓需求。
1） 運(yùn)動(dòng)控制卡的功率
主要是輸入輸出的消耗功率：
輸入功率主要是限位開(kāi)關(guān)和原電開(kāi)關(guān)的功率：
W=24*0.18*6+24*0.08*4=30.72w我們可以選擇大一點(diǎn)的功率的電源，因此可以選用NES-50-24型號(hào)的直流開(kāi)關(guān)電源
2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)
使用兩個(gè)單相變壓器28v 50w的，即總功率100w。平均每?jī)蓚€(gè)驅(qū)動(dòng)器共用一個(gè)直流開(kāi)關(guān)電源。三個(gè)電機(jī)的功率=2πnM/60*3=83w 所以總功率100w夠用。
3.2.5 運(yùn)動(dòng)控制卡的選型
運(yùn)動(dòng)控制卡是基于總線，利用高性能微處理器（DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷?shí)現(xiàn)多個(gè)伺服電機(jī)的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進(jìn)/伺服電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計(jì)數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機(jī)器準(zhǔn)確的位置，糾正傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點(diǎn)可用于語(yǔ)限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)等。數(shù)控系統(tǒng)中常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)控制器有三種類型：
1）、多軸專用的運(yùn)動(dòng)控制器：為特殊領(lǐng)域開(kāi)發(fā)的控制器，能夠控制復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，但移植性差，升級(jí)維護(hù)難。
2）、基于pc的運(yùn)動(dòng)控制器：NC嵌入PC是當(dāng)今運(yùn)動(dòng)控制發(fā)展的一種潮流，它具有很多顯著的優(yōu)勢(shì)：
（a）具有良好的開(kāi)放性，方便系統(tǒng)的升級(jí)、拓展和維護(hù)。
（b）運(yùn)動(dòng)控制卡里面提供豐富的功能函數(shù)，方便設(shè)計(jì)者開(kāi)發(fā)出高效率的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，是一種專注于軟件管理和機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的高效率的運(yùn)動(dòng)控制方式
（c）可以同時(shí)控制多個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，包括電機(jī)的速度、角速度等
（d）基于PCI總線，可以提高控制系統(tǒng)處理指令的速度。
3）、可編程控制器：它通常要實(shí)現(xiàn)一些邏輯控制功能。能夠?qū)Χ喾N工業(yè)設(shè)備和整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制。PLC通常采用梯形圖編程，開(kāi)發(fā)容易可以與人機(jī)界面進(jìn)行通訊，由于PLC循環(huán)掃描會(huì)受到時(shí)間限制，一般不會(huì)應(yīng)用到復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡里面去[23]。
本工作臺(tái)是要實(shí)現(xiàn)任意三軸直線插補(bǔ)，任意兩軸圓弧插補(bǔ)等功能，運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)復(fù)雜，焊接過(guò)程會(huì)遇到平面或空間曲面，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的要求比較大。所以我們選擇第二種類型的運(yùn)動(dòng)控制卡，即基于PC的運(yùn)動(dòng)控制卡，“NC嵌入PC”的模式進(jìn)行開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)。典型的基于PC的運(yùn)動(dòng)控制卡的應(yīng)用如下圖3-2：
圖3-2 運(yùn)動(dòng)控制卡+工作臺(tái)的典型應(yīng)用
至于選型方面，參考方面主要來(lái)自國(guó)外與國(guó)內(nèi)兩大部分。國(guó)外的主要有PMCA等占有很大的市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)也有很多控制卡的廠商，技術(shù)日趨成熟，性價(jià)比越來(lái)越高。如深圳固高，深圳力宇科技、深圳雷賽、深圳眾為興、北京科瑞等每個(gè)品牌的產(chǎn)品都各具特色，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上有一定的份額，選擇類型的依據(jù)主要由以下的幾點(diǎn)：
1）產(chǎn)品所能實(shí)現(xiàn)的功能及硬件使用手冊(cè)上介紹的性能的特點(diǎn)介紹進(jìn)行對(duì)比。
2）市場(chǎng)上顧客對(duì)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)以及對(duì)方工程師與自己的產(chǎn)品闡述優(yōu)略點(diǎn)以及和其他公司的產(chǎn)品的對(duì)比。
3）銷售工程師及技術(shù)工程師的服務(wù)態(tài)度，即售后服務(wù)。
4）市場(chǎng)上的價(jià)格對(duì)比。
依靠著幾點(diǎn)，最后我們選擇了深圳眾為興股份有限公司的ADT-8948A1運(yùn)動(dòng)控制卡。下面介紹一下ADT-8948A1運(yùn)動(dòng)控制卡。
ADT-8948A1是一款基于PCI總線的高性能四軸伺服/步進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制卡，一個(gè)系統(tǒng)中最多可使用多達(dá)16塊控制卡，可同時(shí)控制64路伺服/步進(jìn)電機(jī)，支持即插即用，具有位置可變環(huán)形功能，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可實(shí)時(shí)改變速度和目標(biāo)位置，可使用連續(xù)插補(bǔ)等先進(jìn)功能。如圖3-3:
圖3-3 ADT-8948A1
ADT8948A1大概分以下的模塊功能：
1）電源模塊（外部輸入24V 內(nèi)部轉(zhuǎn)換12V）
2）數(shù)字輸入輸出模塊（限位信號(hào)，狀態(tài)顯示等）
3）脈沖模塊（提供步進(jìn)/驅(qū)動(dòng)器的脈沖、方向接口等）
4）編碼器信號(hào)模塊
5）手輪模塊
6）伺服接口（報(bào)警等）
結(jié)合前面的步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的選型情況，本工作臺(tái)的使用情況大概如下圖3-4：
圖3-4 數(shù)控工作臺(tái)硬件搭建框圖
主要性能如下：
l 32位PCI總線，即插即用
l 4軸伺服/步進(jìn)電機(jī)控制，每軸可獨(dú)立控制，互不影響
l 脈沖輸出的頻率誤差小于0.1%
l 最大脈沖輸出頻率為4MHz
l 脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式
l 4軸均有位置反饋輸入，32位計(jì)數(shù)，最大計(jì)數(shù)范圍 -2,147,483,648~+2,147,483,647
l 直線或S曲線加/減速
l 非對(duì)稱直線加/減速
l 任意2-3軸直線插補(bǔ)
l 任意2軸圓弧插補(bǔ)
l 可用連續(xù)插補(bǔ)功能，最大驅(qū)動(dòng)速度2MHz
l 每軸都有2 個(gè)32位比較寄存器，用于邏輯位置計(jì)數(shù)器或者實(shí)際位置計(jì)數(shù)器的位置大小比較，可用于軟件限位
l 可接收伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器的各種信號(hào)，如編碼器Z相信號(hào)、到位信號(hào)、報(bào)警信號(hào)等
l 每軸有3個(gè)STOP信號(hào)，可用于原點(diǎn)搜尋、編碼器Z相搜尋
l 運(yùn)動(dòng)中可實(shí)時(shí)改變速度和目標(biāo)位置
l 運(yùn)動(dòng)中可以實(shí)時(shí)讀出邏輯位置、實(shí)際位置、驅(qū)動(dòng)速度、加速度、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)
l 位置計(jì)數(shù)器具有可變環(huán)形功能，邏輯位置計(jì)數(shù)器及實(shí)位數(shù)器是32位長(zhǎng)的上/下環(huán)形計(jì)數(shù)器
l 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號(hào)外均可作為通用I/O使用，數(shù)字輸出可用于伺服開(kāi)啟，伺服報(bào)警復(fù)位等信號(hào)
l 每一個(gè)輸入信號(hào)的輸入端都裝備積分型的濾波器，可以設(shè)定哪一個(gè)輸入信號(hào)的濾波器功能變?yōu)橛行Щ驘o(wú)效，濾波器的時(shí)間常數(shù)從8個(gè)種類里可以選擇1個(gè)
l 可以使用固定線速度模式
l 多種方式的自動(dòng)回原點(diǎn)功能
l 外部信號(hào)觸發(fā)的位置鎖存功能
l 外部信號(hào)觸發(fā)的同步運(yùn)動(dòng)功能
l 外部信號(hào)觸發(fā)的同步停止功能
l 指定位置同步運(yùn)動(dòng)功能
l 指定位置同步停止功能
l 手輪和外部信號(hào)操作功能
l 步進(jìn)插補(bǔ)功能
l 支持在一個(gè)系統(tǒng)中使用多達(dá)16個(gè)控制卡
支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)[24]
可以對(duì)比一下我們的需求和產(chǎn)品:
1）最大脈沖輸出頻率為4MHz,可以計(jì)算我們可控制的最大速度:
Vmax=4MHz/(200*25)*5mm=4m/s 這個(gè)速度可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們所期待的值。一般情況下，工作臺(tái)的速度能達(dá)到0.25m/s就可以了。
1） 直線或S曲線加/減速：這樣在一個(gè)瞬變的狀態(tài)中的時(shí)候，可以起到一個(gè)緩沖過(guò)渡的作用。這也是可以有助于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。
2） 任意2-3軸直線插補(bǔ)，兩軸圓弧插補(bǔ)：可以實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的各種軌跡，即可以焊接各種復(fù)雜的工件的曲面。
3） 支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)，提供豐富的庫(kù)函數(shù)，可以節(jié)約開(kāi)發(fā)周期，也有助于利用VC、Labeview開(kāi)發(fā)可視化的友好界面。
4） 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號(hào)外均可作為通用I/O使用。我們可以通過(guò)I/O借口，可以接入多種信號(hào)，完善控制系統(tǒng)的功能。例如限位信號(hào)，原點(diǎn)信號(hào)等。
5）運(yùn)動(dòng)中可以實(shí)時(shí)讀出邏輯位置、實(shí)際位置、驅(qū)動(dòng)速度、加速度、驅(qū)動(dòng)狀態(tài)。利用這點(diǎn)可以對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)的監(jiān)控，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
總的來(lái)說(shuō)，ADT-8948A1運(yùn)動(dòng)控制卡的性價(jià)比能夠滿足我們的要求。
3.3 主要元件列表
根據(jù)以上的硬件選型，列出下面的物料清單，如下表3-4
表3-4物料清單
名稱
型號(hào)
數(shù)量
備注
電腦
聯(lián)想
1（套）
運(yùn)動(dòng)控制卡
ADT-8948A1
一張（包含配套設(shè)施）
眾為興公司的
驅(qū)動(dòng)器
H2MD-M403
3（臺(tái)）
精敏公司
步進(jìn)電機(jī)1
SST59D1201
2（臺(tái)）
信濃電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)2
42BYG250B
1（臺(tái)）
森創(chuàng)電機(jī)
限位開(kāi)關(guān)
RS-5GL5A
4（個(gè)）
帶滑輪
原點(diǎn)磁性開(kāi)關(guān)
TL-W1R5MCI
1（個(gè)）
歐姆龍
開(kāi)關(guān)電源
NES-50-24
1（個(gè)）
提供板卡用的
變壓器
CELVD07-2296
2（個(gè)）
28V 50W提供驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)的
急停開(kāi)關(guān)
LAY50-16A-11Z
1（個(gè)）
導(dǎo)軌絲桿
NR12MN2VON-320
3（根）
導(dǎo)程為5mm
4.激光焊接機(jī)控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計(jì)
4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計(jì)
4.1.1主回路設(shè)計(jì)內(nèi)容：
在電氣控制系統(tǒng)中，習(xí)慣將高壓、大電流的回路成為主回路。常見(jiàn)的控制系中，主回路系統(tǒng)通常包括以下部分：
1） 電機(jī)主回路。包裹電機(jī)的通斷控制的接觸器和電機(jī)保護(hù)用的斷路器。
2） 各種驅(qū)動(dòng)裝置電源回路和動(dòng)力回路。
3） 各種控制變壓器的初級(jí)輸入回路。包括通斷控制的接觸器、保護(hù)斷路器等。
4） 用于供給控制系統(tǒng)的各部分的電源輸入和控制回路，包括電源變壓器、整流器，穩(wěn)壓器等[25]。
本工作臺(tái)的主控制電路設(shè)計(jì)主要是由兩部分組成,一部分是運(yùn)動(dòng)控制卡的供電,另一部分是驅(qū)動(dòng)器和步進(jìn)電機(jī)方面的供電?？傮w上來(lái)說(shuō),用電功率不大，設(shè)計(jì)用單相電壓220v的。其中經(jīng)過(guò)變換，運(yùn)動(dòng)控制卡的電壓時(shí)24v ，50w的主要用于數(shù)字輸入輸出的需求。電機(jī)使用的是兩個(gè)單相變壓器28v 50w的。如圖4-1所示：
圖4-1 主電路圖
4.1.2控制回路設(shè)計(jì)內(nèi)容
控制系統(tǒng)的控制回路是由繼電器，接觸器等低壓電器構(gòu)成的強(qiáng)電控制回路，在常見(jiàn)的控制系統(tǒng)中控制回路通常包裹AC220V與DC24v兩類。由于本工作臺(tái)這里由于驅(qū)動(dòng)功率原因還用到了DC28V的電源。在本數(shù)控工作臺(tái)中，控制回路的設(shè)計(jì)主要是數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)器控制回路的設(shè)計(jì)。本工作臺(tái)的控制回路模塊如下圖4-2：
圖4-2 電氣原理圖
4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計(jì)：
來(lái)自激光焊接系統(tǒng)中或者操作面板的輸入大多數(shù)是屬于開(kāi)關(guān)量，包括各種按鈕，行程開(kāi)關(guān)，接觸器，傳感器的檢測(cè)輸入等，輸入信號(hào)一般是可以直接由板卡的I入口連接，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的接口電路轉(zhuǎn)換后變成板卡的輸入信號(hào)。列表4-1是本數(shù)控工作臺(tái)的輸入/輸出點(diǎn)設(shè)計(jì)：
表4-1 輸入輸出信號(hào)設(shè)計(jì)
輸入點(diǎn)針腳號(hào)
對(duì)應(yīng)的I/O信號(hào)
功能注釋
20
XLMT-
X軸反向脈沖
21
XLMT+
X軸正向脈沖
22
XSTOP0
X停止信號(hào)
26
YLMT-
Y軸反向脈沖
27
YLMT+
Y軸正向脈沖
29
YSTOP0
Y停止信號(hào)
33
ZLMT-
Z軸反向脈沖
34
ZLMT+
Z軸正向脈沖
35
ZSTOP0
Z停止信號(hào)
40
ALMT-
A軸反向脈沖
41
ALMT+
A軸正向脈沖
42
ASTOP0
A停止信號(hào)
46
OUT0
X軸狀態(tài)指示燈
47
OUT1
Y軸狀態(tài)指示燈
48
OUT2
Z軸狀態(tài)指示燈
49
OUT3
A軸狀態(tài)指示燈
數(shù)字輸出接線圖的原理圖如圖4-3所示
圖4-3 數(shù)字輸出信號(hào)接線原理圖
4.3驅(qū)動(dòng)器控制回路電氣設(shè)計(jì)
驅(qū)動(dòng)器根據(jù)工作臺(tái)的選型，選擇的是H2MD-M403的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，根據(jù)上面的選型介紹驅(qū)動(dòng)器一共有三個(gè)模塊，電源模塊接的是28v 50w的單相變壓器。脈沖采用差分連接（減少干擾），連接運(yùn)動(dòng)控制卡的PU+ 、PU+、DR+/DR-，電機(jī)模塊接步進(jìn)電機(jī)，如圖4-5
圖4-5：驅(qū)動(dòng)器電氣原理圖
5.前臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
本工作臺(tái)前臺(tái)軟件的設(shè)計(jì)主要是編寫(xiě)用戶界面，實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制卡，可以選擇提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE開(kāi)發(fā)庫(kù)，可用VC++、VB、BC++、C++builder、LabVIEW、Delphi等進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。
5.1軟件平臺(tái)
5.1.1 操作系統(tǒng)平臺(tái)
操作系統(tǒng)平臺(tái)既是該型激光焊接機(jī)控制軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境，又是它的運(yùn)行環(huán)境，它不僅影響到軟件開(kāi)發(fā)的難易程度，而且直接關(guān)系到數(shù)控系統(tǒng)的性能及它的應(yīng)用范圍。本系統(tǒng)選用WindowsXP作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要是出于以下幾點(diǎn)考慮:
1）WindowsXP操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域十分普及，應(yīng)用廣泛;
2）Windows舒的兼容性比 Windows98/NT/2000要好，系統(tǒng)限制較少;
3）WindowsXP支持的開(kāi)發(fā)工具及幫助系統(tǒng)十分豐富;
4）Windows的界面制作方便，人機(jī)交互性好。
5.1.2 軟件開(kāi)發(fā)工具
本系統(tǒng)選用Visua1C++6.0，在這么多編程語(yǔ)言中選擇VC進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，這是因?yàn)?
1）VC功能十分強(qiáng)大，能勝任各種Windows應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā);
2）VC在編寫(xiě)面向底層的應(yīng)用程序方面最為合適，特別適用于端口操作;
3）相對(duì)于其它可視化工具，VC編譯后得到的可執(zhí)行文件運(yùn)行效率更高;
4）VC十分靈活，易于處理程序細(xì)節(jié)問(wèn)題，能夠訂制個(gè)性化的界面;
5）VC易于與其它語(yǔ)言(特別是匯編語(yǔ)言)混合編程[26]
6）ADT-8948A1運(yùn)動(dòng)控制卡的本身提供了豐富的用戶VC開(kāi)放的函數(shù)，可以直接調(diào)用，實(shí)現(xiàn)二次開(kāi)發(fā)，節(jié)省開(kāi)發(fā)周期。
5.2控制軟件的程序總體設(shè)計(jì)
5.2.1 控制軟件基于MFC的框架搭建
本程序建立一個(gè)VC的MFC MDI多文檔應(yīng)用程序，它是一個(gè)紡織windowsAPI的面向?qū)ο蟀b的C++的類庫(kù)，大概封裝了多個(gè)類，直接提供給我們調(diào)用。MFC本身也是一個(gè)應(yīng)用程序的框架，在其的基礎(chǔ)上增加自己想要的函數(shù)來(lái)達(dá)到想要的結(jié)果。設(shè)計(jì)思想一般是先在Resource View里面利用控件創(chuàng)建出自己會(huì)使用到的對(duì)話框或其他資源，然后在ClassView編寫(xiě)在資源里面建立新的類，在這個(gè)類中調(diào)用或者編寫(xiě)自己的函數(shù)來(lái)達(dá)到效果。VC面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)的思想，也為復(fù)雜的程序省略了上萬(wàn)行的程序代碼，非常方便。但是本數(shù)控工作臺(tái)系統(tǒng)十分復(fù)雜，之間存在的邏輯關(guān)系比較多，所以本系統(tǒng)的建立是基于MDI多文檔界面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)思路如下圖5-1
圖5-1 前臺(tái)軟件設(shè)計(jì)思路
設(shè)計(jì)界面，并且要實(shí)現(xiàn)其中的功能，是相對(duì)復(fù)雜的。所以把它模塊化，系統(tǒng)化?？偟乃悸肥菑暮?jiǎn)單到復(fù)雜，從界面顯示到邏輯關(guān)系完善。在設(shè)計(jì)之前，前臺(tái)和后臺(tái)要有一個(gè)很清晰的項(xiàng)目功能了解，然后才能規(guī)劃處數(shù)控系統(tǒng)的功能模塊。分析完工作臺(tái)要實(shí)現(xiàn)的功能模塊，決定模仿fanuc omd四軸銑床數(shù)控系統(tǒng)的界面，界面分塊清晰，美觀。我們要實(shí)現(xiàn)的功能跟其的差不多，接下里就是程序設(shè)計(jì)，利用VC設(shè)計(jì)界面，對(duì)象性比較強(qiáng)，分析后可以知道大概需要的VC的resource需求，然后在每個(gè)dialog里面添加類和變量、函數(shù)等。每一個(gè)dialog初始化以及它們彈出的方式和時(shí)間都會(huì)用到實(shí)現(xiàn)各種功能的類，要在這些人家已經(jīng)編好的類中進(jìn)行和對(duì)話框配合，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，是本工作臺(tái)的難點(diǎn)，首先要了解功能類的里面的方法的用法，必要時(shí)還要在各種方法中編輯改造，才能達(dá)到界面的效果。界面彈出來(lái)之后，就是要實(shí)現(xiàn)每個(gè)按鍵和對(duì)話框的功能，根據(jù)系統(tǒng)的功能的需求，添加之間的邏輯關(guān)系。這一點(diǎn)是前臺(tái)軟件設(shè)計(jì)的最難的地方，經(jīng)常遇到程序編譯通過(guò)，卻運(yùn)行不通過(guò)的情況。只要在各種功能實(shí)現(xiàn)了，才可以在界面整個(gè)系統(tǒng)做一點(diǎn)完善性的修改，例如，可以再工具欄里面添加經(jīng)常使用到的功能按鈕，在菜單欄添加一下網(wǎng)頁(yè)打開(kāi)的按鈕以及一些系統(tǒng)介紹對(duì)話框等。
5.2.2 界面介紹
本界面主題思想是仿造法拉克數(shù)控系統(tǒng)形狀的，一共使用了43個(gè)大類，函數(shù)200多個(gè)，資源添加也有100多個(gè)，是一個(gè)邏輯性非常強(qiáng)的界面設(shè)計(jì)，函數(shù)與函數(shù)之間存在的邏輯關(guān)系是比較復(fù)雜的，但是開(kāi)發(fā)出來(lái)的效果還是比較友好，功能比較齊全，方便使用者的操作，可以在一個(gè)界面完成全部數(shù)控的操作。如圖5-2所示：
圖5-2 數(shù)控工作臺(tái)操作界面
兩大模塊主要是數(shù)控系統(tǒng)操作模塊和操作面板模塊如下圖：
1）數(shù)控系統(tǒng)操作面板如圖5-3：
圖5-3數(shù)控系統(tǒng)操作面板
功能模塊介紹如下圖5-4
圖5-4 數(shù)控操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：數(shù)控系統(tǒng)操作面板大體可以分四個(gè)模塊：顯示面板、輸入面板、編輯面板、模式選擇面板。顯示面板可以根據(jù)消息響應(yīng)的不同，顯示不同的對(duì)話框，里面一共有8個(gè)對(duì)話框，分別是絕對(duì)坐標(biāo)、相對(duì)坐標(biāo)（RelPosDlg）、綜合坐標(biāo)（AllPos）、程序內(nèi)部輸入（SinPrgDlg）、程序登記（PrgLibDlg）、程序外部輸入（MdiDlg）、工件坐標(biāo)1（WorkCoondOne）、工件坐標(biāo)2（WorkCoondTWo）。模式選擇面板一共有三種模式選擇，分別是POS、PROGRM、MENU。這八個(gè)對(duì)話框與模式選擇模塊息息相關(guān)，每一個(gè)模式都對(duì)應(yīng)幾個(gè)的對(duì)話框。POS按鍵消息響應(yīng)時(shí)，顯示面板會(huì)自動(dòng)加載坐標(biāo)顯示的三種模式供選擇。PROGRM按鍵消息對(duì)應(yīng)的是三個(gè)程序編輯的對(duì)話框。MENU按鍵消息對(duì)應(yīng)的是工件坐標(biāo)的對(duì)話框。輸入面板主要是輸入代碼時(shí)，調(diào)用NumLetterInput（）函數(shù)，自動(dòng)選擇輸入的是字母還是數(shù)字。編輯面板一般都是刪除（can）、Inset（插入）等幾個(gè)編輯代碼時(shí)使用到，一般跟著光標(biāo)顯示位置進(jìn)行信息捕捉，例如can鍵消息響應(yīng)時(shí)，調(diào)用SetSel(0,-1)，表示從頭到尾刪除。
2）操作面板
如圖5-5
圖5-5 操作面板
功能模塊如下圖5-6：
圖5-6 操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：操作面板大體可以分四個(gè)模塊：位置移動(dòng)（OnBtX等）、程序執(zhí)行模塊、模式選擇模塊、A軸開(kāi)啟/速度模塊。操作面板是配合數(shù)控系統(tǒng)操作面板的來(lái)運(yùn)行的，其中模式選擇模塊有六種枚舉變量，當(dāng)按鍵選擇其中一種時(shí)，該按鍵會(huì)獲取LoadBitmap（）函數(shù)，來(lái)獲取亮燈（buttondown）圖片，而其他均為按鍵均為灰色，選擇其中一個(gè)變量，得到的響應(yīng)消息以及調(diào)用的函數(shù)不同，當(dāng)選擇AUTO、EDIT、MDI時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控系統(tǒng)操作面板的模式選擇模塊，進(jìn)行編程。當(dāng)選擇HOME 、JOG、JOGING時(shí)，按鍵消息會(huì)映射到數(shù)控操作系統(tǒng)的POS模塊以及位置移動(dòng)模塊，當(dāng)移動(dòng)模塊工作時(shí)，即X、Y、Z、A軸移動(dòng)按鍵響應(yīng)時(shí)，POS加載的三個(gè)坐標(biāo)顯示面板會(huì)獲取移動(dòng)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更新顯示。而移動(dòng)坐標(biāo)軸主要由兩種形式JOG和JOGING形式，分別調(diào)用OnBtJog()和OnBtJogIng() 函數(shù)。A軸的開(kāi)啟/調(diào)速模塊主要是A軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。執(zhí)行程序模塊主要是當(dāng)枚舉變量選中AUTO或MDI格式的時(shí)候才能執(zhí)行以下的模塊，如單條程序、空走，自動(dòng)循環(huán)等。
這個(gè)界面總的來(lái)說(shuō)，可以實(shí)現(xiàn)文件管理、程序輸入、運(yùn)動(dòng)控制、對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。
5.3 系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)制介紹
1）從打開(kāi)界面開(kāi)始，要加工一個(gè)零件主要由以下三個(gè)步驟：
機(jī)械回零
程序編輯
程序運(yùn)行
1）加工一個(gè)零件，開(kāi)始的時(shí)候工作坐標(biāo)必須是初始化（也就是機(jī)械原點(diǎn)回零），這對(duì)于后面的工件建立坐標(biāo)系提供一個(gè)參考值。方便在程序執(zhí)行時(shí)，代碼會(huì)自動(dòng)加上這個(gè)參考值，這樣就不用認(rèn)為的去設(shè)置這個(gè)值。程序回零的模式流程圖如下圖5-7：
圖5-7 機(jī)械回零模式圖
機(jī)械回零模式首先是按鍵HOME必須先獲取了消息，然后系統(tǒng)提供三種回零模式供選擇，直接移動(dòng)、JOG、JOGING。直接移動(dòng)的單位非常大，每步10mm/次。每一種對(duì)應(yīng)的模式對(duì)應(yīng)的移動(dòng)單位不同JOG移動(dòng)單位為1.0mm/每次。JOGING設(shè)置了四種單位選擇，分別為0.001mm/每次、0.01mm/每次、0.1mm/每次、1.0mm/每次，用戶根據(jù)要調(diào)節(jié)的坐標(biāo)來(lái)選擇移動(dòng)的單位。如果上次加工后的工作臺(tái)坐標(biāo)離機(jī)械原點(diǎn)很遠(yuǎn),回零模式可以在HOME的模式下直接響應(yīng)軸的按鍵響應(yīng),實(shí)現(xiàn)快速回到機(jī)械原點(diǎn)。程序在HOME 模式下用戶可以選擇這三種機(jī)械回零模式，程序從按鍵得到映射消息，會(huì)自動(dòng)判斷模式，在移動(dòng)坐標(biāo)的時(shí)候每次響應(yīng)會(huì)返回一個(gè)移動(dòng)單位。
2)編輯程序是加工工件的核心部分，其功能的完善與否決定了本系統(tǒng)的加工能力。本工作臺(tái)的操作界面的編輯方式是模仿了法蘭克系統(tǒng)的程序編輯，比較智能。程序中設(shè)定了兩種模式EDIT、AUTO兩種模式下，可以按PRGRAM鍵進(jìn)行編程，PROGRAM按鍵響應(yīng)，會(huì)調(diào)用PrgrmEditTabInit()函數(shù)，PrgrmEditTabInit()里面加載了三個(gè)對(duì)話框：Singdlg子程序?qū)υ捒?、ProLibdlg程序登記對(duì)話框，還有Mdidlg外部輸入程序?qū)υ捒?，一般編輯程序時(shí)先登記后編輯，編輯的時(shí)候綁定編輯模塊和輸入模塊，可以編輯程序。也可以直接從電腦加載一個(gè)程序進(jìn)來(lái)，程序框會(huì)自動(dòng)判斷是否存在非法字符，并給與提示對(duì)話框。編輯程序的執(zhí)行流程圖如圖5-8
圖5-8 程序編輯流程圖
6、 pro/e的圖形自動(dòng)編程軟件介紹
Pro/e的圖形自動(dòng)編程軟件是pro/e提供給用戶的一個(gè)自動(dòng)生成NC代碼的一個(gè)附帶的功能，可以很方便的生成在proe畫(huà)的圖形的NC代碼。本工作臺(tái)的界面可以識(shí)別讀取CNC文件，這樣生成的文檔可以導(dǎo)入編輯界面，然后執(zhí)行程序?？梢詭椭覀児?jié)省很多編程的時(shí)間和精力
6.1 Pro/NC的加工規(guī)劃流程
一般流程如下圖6-1：
創(chuàng)建參照
模型、坯件
設(shè)置操作數(shù)據(jù)
制造設(shè)置數(shù)據(jù)
（刀具、機(jī)床）
設(shè)置NC序列
創(chuàng)建刀位數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)
NC后置處理
生成NC
代碼文件
圖6-1 生成NC代碼操作流程圖
6.2 Pro/NC的生成NC代碼過(guò)程剖析
首先在菜單中選擇“文件”|“新建”命令，彈出新建對(duì)話框，我們選擇“制造”單選按鈕，在子類型選項(xiàng)組選中“NC組件”，并取消“使用缺省模板”復(fù)選框。然后在模版