基于Vericut的數控系統開發與設計
2016-9-5 來源：興天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系統軟硬件多為專用，易出現各廠家設備之間互不兼容的問題，文中提出了基于Vericut可滿足現代制造業向智能化和網絡化方向發展需要的數控系統軟件開發與設計。本軟件系統在以PMAC為核心運動控制器的基礎上，通過Vericut荻取機床加工工件的NC參數，以VS2005為開發環境，設計出了一種能滿足目前多種不同型號機床兼容性較高的開放式數控軟件平臺。通過具實驗證明，軟件具有較好的應用前景，彌補了當前不同設備操作系統不兼容的問題。
關鍵詞：開放式數控系統；PMAC；NC程序；刀位文件
隨著計算機技術和制造工藝技術水平的不斷發展，現代加工制造裝備業對數控系統加工精度、響應時間和工作效率等方面的要求不斷提高，但各廠商所屬設備的專用計算機數字化控制系統(Computerized Nu．merical Control，簡稱CNC)之間互不兼容的難題日益顯現¨‘2 J，主要表現為各控制系統間互連能力薄弱，無法滿足系統的集成化發展趨勢，操作界面風格迥異及大量專用軟件的使用導致用戶在不同設備之間的切換帶來不便p“o，不同廠商設備系統的獨立性使得系統軟件不能滿足當前環境對開放式系統發展的要求，使系統供應商在一定程度上制約了設備制造商的發展，導致設備制造者無法將自身特有的工藝經驗融入到設備的控制系統，無法形成具有設備制造商自身特色的產品¨。8 J，這將嚴重阻礙數控設備控制系統的發展。通過PC機開發，開放式數控系統已成為數控系統技術發展的主流技術。
本文設計的系統主要目的在于提高數控系統的模塊化以及通用性，降低了復雜機床建模的難度，增強了NC代碼的可修改性及其正確性，并減少了工件試切和可能發生碰撞所造成的成本與風險。
1、總體設計
通常數控加工過程主要包括對圖樣進行分析，確定需要數控加工的部分；并利用圖形軟件對所需加工的部分進行幾何造型；根據加工條件，選擇合適的加工參數，生成刀具軌跡，最終進行仿真檢驗，生成NC程序并傳給機床。本文設計的數控系統軟件結構，如圖l所示。結合HC一80開發過程，本軟件開發過程主要包括：軟件模塊功能與設計，實現PC與PMAC通訊，用戶界面的設計，自動編程模塊的編碼實現與調試，應用軟件的集成、調試與運行等。
圖1 系統總體結構圖
2、數控系統軟件設計
數控系統軟件設計分為上位機和下位機兩部分，其中上位機掌控軟件的整體布局，包括運行界面和人機交互等功能，下位機主要實現機床加工的伺服控制過程。其間通過動態鏈接庫實現通訊，前者通過調用后者的程序完成控制功能。
2．1主結構設計
軟件平臺系統的主體結構設計分布如圖2所示。從作用和需要負責的主要性能上可將主窗口區劃分為主題欄區、公共菜單區、速度等顯示區、視圖菜單區和視圖主界面區5部分。
(1)主標題欄區。選擇將要進行的操作，對于已選定的模塊，標題欄會出現相應的高亮顯示，還可根據當前加工進程觀察各軸的運動情況；(2)視圖菜單區；(3)公共菜單區。視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同；(4)視圖主界面區。用戶可根據視圖主界面區的內容詳細完整地了解各個模塊的運行情況；(5)位置速度顯示區。用戶可根據此區提供的信息了解各種正在加工的道具運行情況，包括進給量和主刀轉速，同時用戶還可根據上述信息實時調整加工進度，提高加工精度和效率。
2．2上位機PC與PMAC間的通訊
由于單片機成本低、集成度高、使用方便，已在自動化設備的運動控制中廣泛應用，但受其性能限制，難以控制3軸以上的設備；PLC工作可靠、控制的I／O點數多，但控制2個電機進行插補運動困難，控制多軸設備時，運動控制器的成本較高。
PMAC其性價比高，尤其是軟件功能強大，其的應用使自動化設備控制系統的性能大幅提高、研發周期明顯縮短，在編寫指標過程中，可能需要使用另一個指標特定的某些值，尤其是幾個策略或指標均要用到這些值時，若按照一般寫法，需每個策略或指標均重新編寫。為節省空間，減少重復工作，金字塔提供了模塊化編程，可將使用頻率較高的某些特定值集中在一個公用的模塊內，PMAC 2A—PC／104運動控制卡的主要性能，其運動控制卡采用標準的嵌入式PC／104計算機結構，尺寸小巧、系統擴展方便。其主板采用Motorola56300系列DSP作為其CPU，主頻為40 MHz。有128 kB SRAM、512 kB閃存。可控制4—8軸各類電機，如：步進電機、交流伺服電機、直流伺服電機等。主板上有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模擬控制信號；l組脈沖和方向控制信號；3個PWM控制信號；3個編碼器輸入信號；4個輸入2個輸出開關信號，用于限位、回零、使能控制，也可定義為通用I／0。具有先進的PID及前饋伺服控制算法，且帶有陷波濾波器，能有效限制設備振動的問題。
PMAC運動控制卡具有類似與BASIC形式的PMAC編程語言，用該語言編程，可使控制卡獨立工作，還提供了運動控制軟件的動態連接庫，使用戶能方便的在VB、VC下編寫自身的軟件，控制PMAC運動控制卡，PMAC編程語言可執行數控機床的程序，其將G、M、r和D代碼作為子程序來調用，使得軟件編寫格式和數控程序相同，用戶易于接受。當程序中遇到G{data}時，其將調用運動程序lOnO中的第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自動編程模塊的實現
根據各關節的變量q。、q：、Z，值，用運動學方程(1)可計算出機器人末端點在工作站坐標系的位置。但若要進行機器人末端點的軌跡控制，必須進行運動學反解，即根據點P。(凰，y0，Z。)計算各關節的變量、q：、Z，值，反解算法較多，但由于兩個旋轉關節的關系簡單，可直接用幾何法進行運動學反解。用余弦公式的關系可得到，由于PMAC運動控制卡允許定義2個直角坐標系：x、y、z和u、y、形以及3個旋轉坐標A、B、C，文中定義了3個虛擬軸x、y、z，用G代碼計算點膠軌跡，不斷在內存中讀取每步運動的坐標(M，N，Zo)；然后用運動學反解公式計算出相應的g，、92、乙，進而控制3個關運動，實現SCARA機器人的軌跡控制。對于多軸機器人和多軸自動化設備，其運動軌跡計算復雜，可充分利用PMAC編程語言具有的矩陣運算功能，在高速運動停止過程中會出現振動現象，根據Vericut軟件獲得加工參數的主要過程包括虛擬數控機床建模，毛坯和夾具建模，而刀具建模根據不同機床所使用的不同加工程序建立特定的主刀具庫。設置系數參數，主要包括工件編程原點和道具補償兩個方面。流程圖如圖3所示。
圖3軟件設計的流程圖
3、數控系統軟件性能測試
首先將工件在UG模塊中進行加工，根據在UG模塊中獲取的參數，包括刀具參數信息和主軸的運動過程，然后將刀具信息導人VS2005的后開發處理模塊，經轉換后生成對應于實驗機床能識別的數控程序代碼段，最終通過對加工成型后工件尺寸進行測量，修正部分參數來實現加工過程誤差量的最小化，根據最終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，該數控系統軟件實現的加工是準確且穩定可靠的，同時節省了人力物力，降低了加工成本，提高了工作效率。
圖4測試界面圖
4、結束語
開放式軟件平臺具有良好的開放性和互操作性、可互換性、可移植性、友好的人機界面以及良好的系統柔性和性價比高等特點。本文設計并開發的基于Vericut的數控系統的目的是為用戶提供一個開放式的軟件平臺，通過系統軟件的標準化后可使大量用戶通過該平臺上規定的設計步驟簡化系統設計過程和刀具走刀過程的基本模塊及流程，實現硬件和軟件結構的自主控制，且允許與任何第三方的技術或產品進行集成。本文通過Vericut軟件獲取零件加工過程的NC文件，在VS2005平臺上根據NC文件實現了自動編程的目的。加工后，得到的結果與通過UG軟件得到的工件造型基本相同，證明VS2005開發的自動編程模塊的正確性，其可代替UG處理過程復雜的加工器件和過程，獲取能被當前機床識別的NC代碼，本文所設計的開放式數控軟件控制系統可用于實際加工。
參考文獻
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