王 維 郭鵬飛 楊 光 欽蘭云 卞宏友王 偉 項 坤 蔡 淦 王 婷

(①沈陽航空航天大學航空制造工藝數(shù)字化國防重點學科實驗室，遼寧沈陽 110136;②沈陽航空航天大學機電工程學院，遼寧沈陽 110136)

源于開放式數(shù)控系統(tǒng)的可擴展性、可重用性、可移植性、互換性等優(yōu)點［1］，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)成為當前數(shù)控技術的主要發(fā)展潮流［2］。中國臺灣Advantech公司的PCI－1240U系列運動控制卡是一款專門應用于一般精確運動的可編程軸步進/脈沖型伺服運動控制卡［3］。由于其性價比較高，因此被廣泛應用于工業(yè)領域。與普通機床相比，對于所有的數(shù)控機床而言，盡管其精度和加工效率明顯提高，但是其在刀具微動、工件對刀和對工作臺的運動控制等功能方面，仍存在欠缺。為改變這種狀況，手輪應運而生。手輪全名叫手搖脈沖發(fā)生器，它是一種光電式的位置控制元件，在轉動情況下，其轉動的角度大小和轉動方向轉變?yōu)楹忻}沖和方向信息的脈沖序列，機床通過其產(chǎn)生的脈沖序列信號的頻率和脈沖個數(shù)實現(xiàn)控制軸的運動速度和位移控制［4］，它的有無直接關系到數(shù)控機床的使用性能和加工效率。因而，在數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)過程中，如何基于PCI－1240U運動控制卡實現(xiàn)手輪功能是普遍存在的一個問題。

本文主要介紹了基于“PC+PCI－1240U運動控制卡”的手輪控制系統(tǒng)的硬件結構，并開發(fā)了其控制程序，為基于PCI－1240U的手輪功能的實現(xiàn)提供了相關的技術支持，具有一定的參考價值。

1 硬件結構

本文研發(fā)的數(shù)控機床是由工控機、PCI－1240U運動控制卡、步進電動機驅動器、三坐標精密工作臺、手輪等單元組成，各個單元之間的硬件連接如圖1所示。

多軸控制卡PCI－1240U是基于PC平臺的開放性高速四軸運動PCI控制卡，簡化了步進和脈沖伺服運動控制，可以顯著提高電動機的運動性能。該卡采用日本NOVA公司的MCX314運動ASIC芯片，能夠實現(xiàn)2/3軸線性插補、2軸圓弧插補、T/S曲線加速/減速、手輪和慢進功能等;此外，該卡在執(zhí)行這些運動控制功能控制電動機時，不會增加處理器的負擔［5］。PCI－1240U運動控制卡提供了接線端子 ADAM－3952，方便了對PCI－1240U板卡上的接口進行轉接。

ADAM－3952是位置轉接板。脈沖發(fā)生器可以通過ADAM－3952的nEXOP+/nEXOP－與PCI－1240U 相連，用來驅動伺服單元和獲取編碼器反饋信號等信息。CN1是PCI－1240U與外部設備機械連接的唯一接口，可通過PCL－10251總線與兩塊ADAM－3952轉接板的CN1或CN4相連，這樣，PCI－1240U共包含4組通道，每一通道對應一套伺服驅動系統(tǒng)，即它可以驅動4臺步進電動機。每一通道包括模擬量輸入/輸出引腳、數(shù)字量輸入/輸出引腳等。本系統(tǒng)為三坐標系統(tǒng)，共有3臺步進電動機，占用板子的3個通道。手輪的進給軸和進給倍率控制線沒有對應的接口，這里將其接入到IN1、IN2和IN3口并通過相應的軟件進行管理。當手搖脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號送到PCI－1240U后，經(jīng)PCI－1240U運算處理所得的結果結合用戶的初始化設置，驅動相應的執(zhí)行元件運動。

為了滿足手輪驅動模式下數(shù)控機床的各軸的獨立運動及倍率的選取功能，選擇Hand Wheel Mode 3模式，其接線如圖2、圖3所示。

這里巧妙的運用了板卡所提供的IN口的輸入狀態(tài)作為判斷條件，進行軸和倍率的切換。其中，將手輪的軸切換開關對應的X、Y、Z的三根接線S0、S1、S2分別接到 ADAM－3952的 U－IN1、U－IN2、U－IN3接口;倍率切換開關對應的×1、×10、×100的三根接線P0、P1分別接入ADAM－3952的X－IN3、Z－IN3接口。各個通道的IN口初始電平為高電平，接通時變?yōu)榈碗娖健?/p>

PCI－1240U專門提供了Motion Utility功能，可以通過設置其中的參數(shù)(如圖4所示)，進行簡單的手輪功能的調(diào)試。

2 程序控制設計

2.1 程序結構

本系統(tǒng)是主從式雙系統(tǒng)結構，有上位PC機和下位PCI－1240U控制卡組成(圖5)。它們各有自己的CPU、存儲器和外部設備，但是分工不同，PC機可以完成人機交互界面、系統(tǒng)任務管理和機床狀態(tài)變量的讀取并能進行運算的功能［6］;而 PCI－1240U卡的 DSP負責運動控制、I/O管理。

2.2 程序實現(xiàn)

根據(jù)PCI－1240U運動控制卡的DLL可知，調(diào)用函數(shù) P1240MotDI(BYTE byBoard_ID，BYTE byReadDIAxis，BYTE*lpReturnValue)，這個函數(shù)用來獲取PCI－1240U指定軸通道IN口的當前狀態(tài)值，將其存放在lpReturnValue所指向的字節(jié)型內(nèi)存地址中。通過調(diào)用外部驅動模式函數(shù)P1240MotExtMode(BYTE byBoard_ID，BYTE byAssignmentAxis，BYTE byExternalMode，LONG lPulseNum)，實現(xiàn)對驅動軸、驅動模式、手輪脈沖對應到步進電動機上的脈沖數(shù)等參數(shù)的設定。手輪的上位機程序一方面用于通過VC編程設定手輪驅動模式下進給軸和倍率的選取。相應程序代碼如下:

另一方面系統(tǒng)運行時需要實時監(jiān)測手輪控制的運動軸和進給倍率開關的狀態(tài)。這里利用Visual C++里的Timer定時器控件，在程序運行時，計時器控件每隔0.1 s對 PCI－1240U 設定軸的 IN1、IN2、IN3 進行讀取，后將其返回給程序，從而實現(xiàn)進給軸和進給倍率的切換。

首先將SetTimer寫在OnlnitDialog中。程序代碼如下:

然后將上面的主程序代碼嵌入到時間定時器里面，程序代碼如下:

3 驗證

在以上硬件搭建的小型數(shù)控磨床中，工作臺能準確跟隨手輪的動作進行相應的運動，且運動連續(xù)平穩(wěn);利用上位機的VC++編程，可以方便地進入手輪驅動模式和退出手輪驅動模式的切換，同時實現(xiàn)了手輪驅動模式下的進給軸的切換以及進入/退出手輪模式(軸選擇開關在OFF檔上，則退出手輪驅動模式)的切換，通過撥動倍率開關，可以方便地調(diào)節(jié)某一指定軸的隨動平臺的移動速度，從而更加方便了刀具微動、工件對刀以及對工作臺運動的控制等。

4 結語

手輪功能的實現(xiàn)對數(shù)控機床而言，很大程度上方便了操作者，提高了工作效率。本文構建了以PCI－1240U運動控制卡和工控機為硬件核心的數(shù)控系統(tǒng)，利用VC++編程技術實現(xiàn)了手輪模式切換、控制軸切換和倍率切換等功能。該方法在實際中得到了應用，適合于所有基于PCI－1240U的數(shù)控系統(tǒng)。

［1］周建忠，劉會霞.激光快速制造技術及應用［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.

［2］崔延，李淑萍.基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)研究及應用［J］.機械工程與自動化，2011(6):193－195.

［3］ADVANTECH Co.，Ltd.PCI－1240 User's Manual［Z］.

［4］趙海軍，葉佩青.手輪脈沖驅動均勻化控制［J］.機床和液壓，2003(1):117－118.

［5］張志明，梅順齊.基于 PCI－1240的伺服電機控制系統(tǒng)研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2006，19(2):124－125.

［6］王益紅，陳志同.基于PMAC的數(shù)控機床手輪功能的實現(xiàn)［J］.機械工程師，2005(12):68－70.