一種基于運動控制卡的數(shù)控專用機床

摘要：本文介紹了大米加工機械中，磨輥加工數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成，控制程序的模塊構(gòu)成和關(guān)鍵算法。該系統(tǒng)以工控機為中心，采用VC++開發(fā)底層控制程序，利用DMC-1842 四軸運動控制卡實現(xiàn)了對拉絲機床的控制要求，滿足了該專用機床對安全性、穩(wěn)定性和易操作性的要求。
關(guān)鍵詞：計算機控制;運動控制卡;數(shù)控機床;插補;DDE

A SPECIAL MACHINE TOOL BASED ON MOTION CONTROL CARD
Xu Zhipeng
School of Physics Science and Information Engineering, Liaocheng University ，
Liaocheng, Shandong, 252059
Abstract: This paper illuminates the control system of a kind of special machine tool,
which is used in rice processing, include the hardware, software and key algorithms. It is based on industrial computer. Visual C++ is used to develop controlling algorithm of the program. The multi-axes motion control card, DMC-1842, is utilized for realizing the complex function, the system satisfies the demand of security, stability and easy
workability.
Keyword: computer control, montion control card, numerical control machine
tool ,interpolation,DDE
小麥加工成面粉的歷史，可以追溯到幾千年以前，隨著人類社會的進步，出現(xiàn)了代替人工的動力制粉，輥式磨粉機的出現(xiàn)大大提高了加工效率，而磨輥的特性直接影響著成品面粉的質(zhì)量。本文旨在介紹一種用于加工磨輥的專用機床。

1 工藝要求
磨輥的表面接近水平地均勻分布著橫向的凹槽，兩個凹槽之間形成一條絲，一周的絲數(shù)從幾百到一千不等，凹槽與水平方向有微小的夾角，因此凹槽的幾何結(jié)構(gòu)嚴(yán)格說來是一種螺旋結(jié)構(gòu)，是磨輥的水平移動和轉(zhuǎn)動同時運動的結(jié)果，其加工稱為拉絲過程。當(dāng)磨輥的磨損達(dá)到一定程度時，需要重新加工凹槽，因此要利用砂輪對磨輥先進行磨光，去掉凹槽，稱為磨光過程。另外，操作人員可以通過輸入參數(shù)調(diào)整一周的絲數(shù)，對現(xiàn)場的電機進行起停，故障時自動切斷電源，急停等。

2 設(shè)計分析
該工藝屬于多軸同時運動的過程，其中拉絲過程中凹槽的水平方向和轉(zhuǎn)動的同時運動需要兩個坐標(biāo)軸的聯(lián)動，也稱作電子齒輪運動方式。傳統(tǒng)的基于DI/DO 的板卡沒有此功能，需要在程序中加入插補算法實現(xiàn)，使程序變得復(fù)雜，另外，傳統(tǒng)的DI/DO 板卡的主要功能是基于數(shù)字量的實現(xiàn)，對于速度控制、點對點的控制等功能沒有現(xiàn)成的算法，因此加大了軟件的工作量及系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。因此，我們選用美國GALIL 公司DMC-1842 四軸運動控制卡。運動控制卡在數(shù)控機床、機器人控制等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[2][3]，目前主要廠商是國外公司，隨著控制卡的普及和應(yīng)用，國內(nèi)有關(guān)研究機構(gòu)也在開發(fā)自己的控制卡產(chǎn)品[4]。GALIL 公司的DMC-1842 運動控制卡具有PCI 總線結(jié)構(gòu)，是美國Galil 公司專為低成本應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計。它采用32 位微處理器，可控制1-4 軸，其本身已經(jīng)具有多軸直線插補、圓弧插補、輪廓控制、電子齒輪和電子凸輪等功能，板上有2Mflash 可擦寫存儲器及2M RAM，可存儲用戶程序、數(shù)量、數(shù)組和控制程序，并可脫機運行。該卡提供C++、VB 編程接口。另外，該卡還有8 路通用輸入和輸出，可用于現(xiàn)場電機的控制、急停、故障報警等[5]。另外，由于磨光操作需要較高的精度，而機床本身由于機械的原因，存在著運動間隙，因此，砂輪軸的運動檢測采用光柵尺，產(chǎn)生閉環(huán)反饋信號，以保證磨光的精度。

3 數(shù)控拉絲機的結(jié)構(gòu)：
該機床由Z、C、X1、X2 四個軸組成，如圖1 所示，其中Z 軸用作磨輥的水平移動，C軸用于磨輥的旋轉(zhuǎn)運動，X1 軸是刀具軸，X2 軸是砂輪軸，用于把毛坯的輥子經(jīng)過粗磨，精磨，加工成為符合要求的待加工磨輥。

圖 1 機床結(jié)構(gòu)
4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
控制系統(tǒng)基于工業(yè)控制計算機，利用美國GALIL 公司四軸控制卡對四個軸進行控制，
采用VC++編寫下層控制程序，VB 開發(fā)操作界面，通過DDE 傳遞控制命令，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)
定性和直觀性，如圖2 所示。

圖 2 硬件結(jié)構(gòu)

采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制用計算機，操作面板的功能包括急停，電機的手動起停等操作，利用
觸摸屏來實現(xiàn)。運動控制卡采用美國Galil 公司的DMC-18X2 運動控制卡，伺服控制器采用日本松下公司產(chǎn)品，同時向控制卡提供編碼器反饋信號。該編碼器為2500 脈沖/轉(zhuǎn)，經(jīng)過伺服控制器四
倍頻后，即10000 脈沖/轉(zhuǎn)，提供給控制卡。光柵尺的選擇根據(jù)加工精度要求，采用1000 脈沖/毫米產(chǎn)品，行程200 毫米。接口卡美國Galil 公司配套產(chǎn)品，提供對按鈕、編碼器、急停、故障等的接線。

5 軟件設(shè)計
軟件平臺采用Windows 操作系統(tǒng)，VC++開發(fā)運動控制程序，VB 開發(fā)界面，分為拉絲和
磨光兩個主要畫面，采用DDE 方式進行VC 和VB 之間的通訊，。其功能包括板卡初始化，接
通電源，各個軸的運動起點和終點確定，對絲，拉絲，磨光等幾個步驟。

5.1 運動控制模塊的設(shè)計
針對以上各種功能和控制卡的特點，控制程序采用VC++編制，模塊化程序設(shè)計，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的框圖如下：

圖 3 系統(tǒng)框圖

5.1.1 DDE 模塊
作為DDE Server，負(fù)責(zé)與向界面提供各種狀態(tài)指示，以及傳送來的各種命令的解釋，
及時把各個軸的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送給VB。該模塊的定時掃描周期為100 毫秒。
在實際應(yīng)用中，由于界面與控制程序分屬于不同的程序，因此二者之間存在著同步的問
題，我們在控制程序中設(shè)立了狀態(tài)指示字，用于指示、更新當(dāng)前的運動狀態(tài)。
利用DDE 的XTYP_EXECUTE 會話方式，由客戶端發(fā)送命令到服務(wù)器端，由于傳送命令較
多，我們定義了數(shù)據(jù)傳送格式，以區(qū)別不同命令。

其中前面三位ABC 是命令碼，代表命令的類型，編碼從001 開始，依次累加，后面以”,”
分割，然后是該命令的運動參數(shù),比如點動命令的不同方向等。有的命令參數(shù)不止一個，可
以依次擴充，最后以”*”結(jié)束。
例如：C 軸點動命令，命令碼是016 ,可以有兩個方向的運動，因此它的命令形式為：
016，0 *。0 代表順時針方向。
5.1.2 命令處理模塊
負(fù)責(zé)實時監(jiān)測DDE 傳送來的各種命令，然后執(zhí)行不同的子模塊，包括點動、拉絲、磨光、開停電機等等。該模塊是運動控制程序的核心部分，所有命令都通過此程序執(zhí)行。定時掃描周期為100 毫秒。
5.1.3 坐標(biāo)更新模塊
實時監(jiān)測各個軸的反饋脈沖值，然后進行計算，得到坐標(biāo)位置，同時得到該軸的運動方向等參數(shù)，更新坐標(biāo)軸位置。更新周期同樣為100 毫秒。
5.1.4 端口掃描模塊
對數(shù)字量輸入端口定時進行掃描，包括急停、電機按鈕、伺服控制器故障等信號的處理。更新周期100 毫秒。
5.1.5 故障診斷模塊

包括對程序自身正在進行的操作的狀態(tài)指示，接收DDE 命令的歷史記錄顯示，以及發(fā)送
給控制卡命令的記錄顯示，向操作人員提供故障診斷信息。
5.2 關(guān)鍵算法的處理
5.2.1 磨輥的分度
磨輥的表面一周分布有數(shù)百條凹槽，設(shè)為n，實際應(yīng)用中，磨輥轉(zhuǎn)動一周的脈沖數(shù)是固
定的，假設(shè)為P，當(dāng)然P/n 一般不會得到整數(shù)，設(shè)
N = floor(P/n) 即N 為不超過P/n 的整數(shù),代表每一個凹槽所占有的脈沖數(shù),設(shè)
R = P – N*n
即R 代表多出的脈沖數(shù),問題轉(zhuǎn)化成為如何處理R 個脈沖。一般情況下，N>>1,而R因此我們可以把R 個脈沖均分到n 個凹槽中，實際上，我們采取把R 個脈沖分到了從1 開始
到R 的凹槽中，由于N>>1，這種方法產(chǎn)生的誤差可以忽略不計。
5.2.2 間隙的處理
由于機床的機械原因，造成刀具、C 軸等的運動存在間隙，例如在對絲過程中，由于正
程和反程的相反運動，磨輥在C 軸的位置存在間隙誤差，因此在正常分度以前，我們加入C
軸的反向旋轉(zhuǎn)一個分度、然后正向旋轉(zhuǎn)一個分度，這樣成功消除了間隙誤差。
5.2.3 拉絲過程
拉絲過程是刀具進給到與磨輥接觸位置，然后保持不動，磨輥在Z 軸正程方向從起點移
動到終點，同時C 軸方向以電子齒輪比轉(zhuǎn)動，在磨輥的表面加工出一條槽，然后磨輥反程回
到起點，轉(zhuǎn)動一個分度脈沖，同樣運動加工出第二條槽，循環(huán)上述動作，直到最后一條，即
完成一周的加工，如圖4 所示。
6 結(jié)論
本文作者創(chuàng)新點：利用運動控制卡實現(xiàn)了大米加工行業(yè)中的拉絲機床計算機控制，在該
行業(yè)中具有一定的領(lǐng)先水平，同時，系統(tǒng)的控制算法由VC++編制，具有運行穩(wěn)定、速度快
的特點，而上層界面由VB 開發(fā)，具有良好的人機交互界面，這種組合式的結(jié)構(gòu)既能保證系
統(tǒng)的穩(wěn)定性，又能提供友好的操作環(huán)境。該系統(tǒng)實際運行效果性能穩(wěn)定、操作簡捷、具有較
高的精度，提高了加工效率，可為大米加工、飼料加工等企業(yè)帶來200 萬元以上的經(jīng)濟效益。
參考文獻：
1 ：孫斌、楊汝清，基于PC 的數(shù)控系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，機床與液壓，2001（4）。
2.熊先鋒,邢繼峰,左洪波,曾曉華. 普通運動控制卡在LabVIEW 平臺上的應(yīng)用[J]. 微計算機
信息,2006,11-1:139-141.
3. 陳志國, 須文波. 基于運動控制卡的機器人智能切割系統(tǒng)[J]. 微計算機信
息,2005,8-3:95-97.
4. 劉錦鈴, 吳永明, 劉建群. 基于PCI 9052 的運動控制卡的研發(fā)[J]. 微計算機信
息,2006,5-1:143-145.
5 ：美國Galil 公司運動控制卡隨機資料。