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基於Vericut的數控（kòng）係統開發與設計

2016-9-5 來（lái）源：興天（tiān）通訊技術有限公司工程部作者：楊廣澤

摘要：針對當前市場中計算機數控係統軟硬件（jiàn）多為專用，易出（chū）現各（gè）廠家設備之間互不兼容的問（wèn）題（tí），文中提出了基於Vericut可滿足現代（dài）製造業（yè）向智能化和（hé）網絡化方向發（fā）展需要的數（shù）控係統軟件開發與設計。本軟件係統在以PMAC為核心運動控製器的基（jī）礎上（shàng），通過Vericut荻取機床加工工件的NC參數，以VS2005為開發（fā）環境，設計出了一種能滿足目前多種不（bú）同型（xíng）號機床（chuáng）兼容（róng）性較高的開放式數（shù）控軟件平台（tái）。通（tōng）過具實（shí）驗證明，軟件具有較好的應（yīng）用前景，彌（mí）補了當前不同設備操作係統不兼容的（de）問題。

關鍵詞：開放式數控（kòng）係統（tǒng）；PMAC；NC程序（xù）；刀位文件

隨著計算機技術和製造工藝技術水（shuǐ）平的不斷發展，現代加工製造裝備業對數控係統加工（gōng）精度、響應時間和工（gōng）作效率等方（fāng）麵的要求不斷提高，但（dàn）各廠商所屬設（shè）備的專用計算機數字化控製係統(Computerized Nu．merical Control，簡稱CNC)之間互不兼容的難題日益顯現¨‘2 J，主要表現（xiàn）為各控製係統間互連能力薄弱，無法滿足係（xì）統的集成化（huà）發展趨勢，操作界（jiè）麵風格迥異及（jí）大量專（zhuān）用軟件的使用導致用戶在不（bú）同設備之間的切換帶來不便p“o，不同廠商設備係統的獨立（lì）性使得係統軟件不能滿足當前環境對開放式係統發展的要求，使係統供應商在一定程度上製（zhì）約了設備（bèi）製造商的發（fā）展，導致設備製造者（zhě）無法將（jiāng）自身特有的工藝經（jīng）驗融入到設備的控製係統，無法形成具有設備製造（zào）商自身特色的產品（pǐn）¨。8 J，這將嚴重阻礙數控設備控（kòng）製係統的發展。通過PC機開發，開放式數控係統已成為數控（kòng）係統技術發展的主流技術。

本文設計（jì）的（de）係統主要目的在於提高數控係統的模塊化以及通用性，降低了複（fù）雜機床建模的難度，增強了NC代碼的可修改性及其（qí）正確性，並減少了工件試切和（hé）可能發生碰撞所造成的成本與風險。

1、總體設計

通常數控加工過程（chéng）主要包括對圖樣進（jìn）行分析，確（què）定需要數控加工的部分；並利用圖形軟件對所需加工的部分進行幾何造型（xíng）；根據加工條件，選擇（zé）合適的加工參數，生成刀具軌跡，最終進行仿真檢驗，生（shēng）成NC程序並傳給機床。本文設計的數控係統軟件結構，如圖l所示。結合HC一（yī）80開發（fā）過（guò）程，本軟件開發過程主要包括：軟件模（mó）塊功（gōng）能與設計，實現（xiàn）PC與（yǔ）PMAC通訊，用戶界麵的設計，自動編程模塊的編碼（mǎ）實現與調試，應（yīng）用軟件的集成、調（diào）試與運行等。

圖1 係統總體結構（gòu）圖

2、數控係統軟件設計

數控（kòng）係統軟件設計分為上位機和下位機兩部分（fèn），其中上位機掌控軟件的整體布局，包括運行（háng）界麵和人機交互等功能，下位機主要（yào）實現機床加工的伺（sì）服控製過程。其間通過動態鏈接（jiē）庫（kù）實現通訊，前（qián）者通過調（diào）用後者的程序完（wán）成控製功能。

2．1主結構設計

軟件平台係統的主體結構設計分布如圖2所示。從作用和需要負（fù）責的主要性能上可將主窗（chuāng）口區劃（huá）分為主題欄區、公共菜單區、速度等顯示（shì）區、視圖菜（cài）單區和（hé）視圖主（zhǔ）界麵區5部分。

(1)主標（biāo）題欄區。選擇將要進行的操作，對於已選定的模塊，標題欄會（huì）出現相應的高亮顯示，還可（kě）根據（jù）當（dāng）前加工進程觀察各軸的運（yùn）動情況；(2)視圖菜單區；(3)公共菜單區（qū）。視（shì）圖菜單區將出現不同的按鈕圖標隨著公共菜單區圖標按鈕選擇的不（bú）同；(4)視圖主界麵區。用戶可根據視圖主界麵區的內容詳細完整地（dì）了解各個模塊的運行情況；(5)位置速度顯示區。用（yòng）戶可根據此區提供的信息了解各（gè）種正在加工的道（dào）具運行情況（kuàng），包括（kuò）進給量和主刀轉（zhuǎn）速，同時（shí）用（yòng）戶還可根據上述信息實時調整加工進度，提高加（jiā）工精度和效率。

2．2上位機PC與PMAC間的通訊

由於單片（piàn）機成本低、集成度高（gāo）、使（shǐ）用方便，已在自動化設備的運動（dòng）控製中廣泛應用（yòng），但受其性能限製，難以控製3軸以上的設備；PLC工作可靠（kào）、控製的I／O點數多，但控製2個電機進行插補運動困（kùn）難（nán），控製多軸設備時（shí），運動控製器的成本（běn）較高。

PMAC其性價比高，尤其是軟件功能強大，其的應用使自動化（huà）設備控製係統（tǒng）的性能大（dà）幅提高、研（yán）發周期明顯縮短，在編寫指標過程中，可能需要使用另（lìng）一個（gè）指（zhǐ）標特定的某些值，尤其是幾個策略或指標均要用到這些值時，若按（àn）照一般寫法，需每個策略或指標均重新編寫。為節省（shěng）空間，減少重複工作，金字塔提供了模塊化編（biān）程（chéng），可將使用頻率較高的某些特定值集中（zhōng）在（zài）一個公用的（de）模（mó）塊內，PMAC 2A—PC／104運動控製卡（kǎ）的主要性（xìng）能，其運動控製卡采用標準的嵌入式PC／104計算機結構，尺寸（cùn）小巧、係統（tǒng）擴展方便。其主（zhǔ）板采用Motorola56300係列DSP作為其CPU，主頻（pín）為40 MHz。有（yǒu）128 kB SRAM、512 kB閃存。可控製4—8軸各類電機，如：步進電機、交流伺服電（diàn）機、直流伺服電機等。主（zhǔ）板上有4個電機接口和一個RS一232接口，其外觀令4個電機需要接在電機（jī）接口擴展板ACC一1P上，其是用104總線插座和主板相連接，每個電機接口均提供1個12位的±10 V模擬控製（zhì）信號；l組脈衝和方向控（kòng）製信號；3個PWM控製信號；3個編碼器輸入信號；4個輸入2個輸出開關信號，用於限位、回零、使能控（kòng）製，也可定義為通用I／0。具有先（xiān）進的PID及前饋伺（sì）服控（kòng）製算法（fǎ），且（qiě）帶有（yǒu）陷波濾波器（qì），能有效（xiào）限製（zhì）設備振動的問題（tí）。

PMAC運動控製卡具有類似與BASIC形式的PMAC編程語言，用該語言編程，可使控（kòng）製卡獨立工作，還提供了運動控製軟（ruǎn）件的動態連接庫，使用戶能方便的在VB、VC下編寫自（zì）身的軟件，控（kòng）製PMAC運動控製卡，PMAC編程語言（yán）可執行數控（kòng）機床的程序，其將G、M、r和D代碼作為子程序來調用，使得軟件編寫格（gé）式和數控（kòng）程序相同，用戶（hù）易於接受。當程序中遇（yù）到G{data}時，其將調用運動程序lOnO中（zhōng）的第（dì）m×1000行命令，其中凡是data的百位數，m是data的個位數和十位數。

2．3自動（dòng）編程模塊的實現

根據各關節的變量q。、q：、Z，值，用（yòng）運動學方（fāng）程(1)可（kě）計算出機器人末（mò）端點在工作站坐標係的位置。但若要進行機（jī）器人末端（duān）點的軌跡控製，必須進（jìn）行運動學反解，即根據點（diǎn）P。(凰，y0，Z。)計算各關節的變量、q：、Z，值，反解算法較（jiào）多，但由於（yú）兩個旋轉關節的關係簡單，可（kě）直接用幾何（hé）法進行運動學反解。用餘（yú）弦公（gōng）式的關係可得到，由於PMAC運（yùn）動控製卡允許定義2個直角坐標係：x、y、z和u、y、形以及3個旋轉坐標A、B、C，文中定義了（le）3個虛擬軸x、y、z，用G代碼計（jì）算點（diǎn）膠軌跡，不斷在內存中讀取每步運動的坐標(M，N，Zo)；然後用運動（dòng）學反解公式計算出相應的g，、92、乙，進而控製3個關運（yùn）動，實現SCARA機器人的軌跡（jì）控製。對於多軸機器人（rén）和多軸（zhóu）自（zì）動（dòng）化設備，其運動軌跡（jì）計算複雜，可充分利用PMAC編程（chéng）語言具有的矩陣運（yùn）算功能，在高速運動停止過程中會出現振動現象，根據Vericut軟件獲得加工參（cān）數的主要過程包括虛擬數控機床建模，毛坯和夾（jiá）具建模，而刀具建模根據不同機床所使用的不同加工程序建立（lì）特定的主（zhǔ）刀具庫。設置係數參數，主要包（bāo）括工件編（biān）程原點和道具補償兩個方麵。流程（chéng）圖如圖3所（suǒ）示。

圖3軟件（jiàn）設計的流程圖

3、數控（kòng）係統軟件性能測試（shì）

首先將工件在UG模塊中進行加工（gōng），根據在UG模塊中獲取的參數，包括刀具參數信息和主（zhǔ）軸（zhóu）的運（yùn）動過程，然後將刀（dāo）具信息導人VS2005的後開發處理模塊，經轉換後（hòu）生成對應於實驗機床能識別的（de）數控程（chéng）序代（dài）碼段，最終通過對加工（gōng）成型後工（gōng）件尺寸進行測量，修正部分參數來實現加工過程誤差量的最小化（huà），根據最終（zhōng）的測量數據評判所設計的數控軟件功能的正確性。移植UG的刀具信（xìn）息而最終獲得工件加工過程，如圖4所示，通過實際應用發現，該數控係統（tǒng）軟件實現的（de）加工是準（zhǔn）確且穩定可靠的，同時節省了（le）人力物力，降低了加（jiā）工成本，提高了工作（zuò）效率。

圖4測試界麵圖（tú）

4、結束語

開放式軟件平台具（jù）有良好的開放性和互操作性、可互（hù）換（huàn）性、可（kě）移植性、友（yǒu）好的人機界麵以及良好（hǎo）的係統柔性和（hé）性價（jià）比高等特點。本文（wén）設計並開發的基於Vericut的數控係統的目的是為用戶提供一個開放式的軟件平台，通過係統軟件（jiàn）的標準化（huà）後可使大量用戶通過該平台上（shàng）規定的設計步驟簡化係統設計過程和刀具走（zǒu）刀過程的基本模塊及（jí）流程，實現硬件和軟件結構的自主控（kòng）製，且允許與任何第三方（fāng）的技術或（huò）產品進行集成。本文通過Vericut軟件獲（huò）取零件（jiàn）加工過程的NC文（wén）件，在VS2005平台上根據NC文件實現了自動編程的目的。加工後，得到的結果與通過UG軟件得到的工（gōng）件造型基本相同，證明VS2005開發的（de）自動編程模塊的正確性，其（qí）可代替UG處理過程複雜的加工器件和過（guò）程，獲取能被當前機床識別的NC代碼，本文所設計的開（kāi）放式（shì）數控軟件（jiàn）控製係統可用於實際加工。

參考（kǎo）文獻

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