基于Vericut的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計
2016-9-5 來源：興天通訊技術(shù)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(shù)控系統(tǒng)軟硬件多為專用，易出現(xiàn)各廠家設(shè)備之間互不兼容的問題，文中提出了基于Vericut可滿足現(xiàn)代制造業(yè)向智能化和網(wǎng)絡化方向發(fā)展需要的數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)與設(shè)計。本軟件系統(tǒng)在以PMAC為核心運動控制器的基礎(chǔ)上，通過Vericut荻取機床加工工件的NC參數(shù)，以VS2005為開發(fā)環(huán)境，設(shè)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(shù)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(shè)備操作系統(tǒng)不兼容的問題。
關(guān)鍵詞：開放式數(shù)控系統(tǒng)；PMAC；NC程序；刀位文件
隨著計算機技術(shù)和制造工藝技術(shù)水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)代加工制造裝備業(yè)對數(shù)控系統(tǒng)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(shè)備的專用計算機數(shù)字化控制系統(tǒng)(Computerized Nu．merical Control，簡稱CNC)之間互不兼容的難題日益顯現(xiàn)¨‘2 J，主要表現(xiàn)為各控制系統(tǒng)間互連能力薄弱，無法滿足系統(tǒng)的集成化發(fā)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(shè)備之間的切換帶來不便p“o，不同廠商設(shè)備系統(tǒng)的獨立性使得系統(tǒng)軟件不能滿足當前環(huán)境對開放式系統(tǒng)發(fā)展的要求，使系統(tǒng)供應商在一定程度上制約了設(shè)備制造商的發(fā)展，導致設(shè)備制造者無法將自身特有的工藝經(jīng)驗融入到設(shè)備的控制系統(tǒng)，無法形成具有設(shè)備制造商自身特色的產(chǎn)品¨。8 J，這將嚴重阻礙數(shù)控設(shè)備控制系統(tǒng)的發(fā)展。通過PC機開發(fā)，開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的主流技術(shù)。
本文設(shè)計的系統(tǒng)主要目的在于提高數(shù)控系統(tǒng)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(fā)生碰撞所造成的成本與風險。
1、總體設(shè)計
通常數(shù)控加工過程主要包括對圖樣進行分析，確定需要數(shù)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(jù)加工條件，選擇合適的加工參數(shù)，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(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，如圖l所示。結(jié)合HC一80開發(fā)過程，本軟件開發(fā)過程主要包括：軟件模塊功能與設(shè)計，實現(xiàn)PC與PMAC通訊，用戶界面的設(shè)計，自動編程模塊的編碼實現(xiàn)與調(diào)試，應用軟件的集成、調(diào)試與運行等。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
2、數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)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(xiàn)機床加工的伺服控制過程。其間通過動態(tài)鏈接庫實現(xiàn)通訊，前者通過調(diào)用后者的程序完成控制功能。
2．1主結(jié)構(gòu)設(shè)計
軟件平臺系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)設(shè)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(qū)劃分為主題欄區(qū)、公共菜單區(qū)、速度等顯示區(qū)、視圖菜單區(qū)和視圖主界面區(qū)5部分。
(1)主標題欄區(qū)。選擇將要進行的操作，對于已選定的模塊，標題欄會出現(xiàn)相應的高亮顯示，還可根據(jù)當前加工進程觀察各軸的運動情況；(2)視圖菜單區(qū)；(3)公共菜單區(qū)。視圖菜單區(qū)將出現(xiàn)不同的按鈕圖標隨著公共菜單區(qū)圖標按鈕選擇的不同；(4)視圖主界面區(qū)。用戶可根據(jù)視圖主界面區(qū)的內(nèi)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(qū)。用戶可根據(jù)此區(qū)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(zhuǎn)速，同時用戶還可根據(jù)上述信息實時調(diào)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(shè)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(shè)備；PLC工作可靠、控制的I／O點數(shù)多，但控制2個電機進行插補運動困難，控制多軸設(shè)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(shè)備控制系統(tǒng)的性能大幅提高、研發(fā)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(jié)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(nèi)，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(jié)構(gòu)，尺寸小巧、系統(tǒng)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(guān)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?guī)в邢莶V波器，能有效限制設(shè)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(tài)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(zhí)行數(shù)控機床的程序，其將G、M、r和D代碼作為子程序來調(diào)用，使得軟件編寫格式和數(shù)控程序相同，用戶易于接受。當程序中遇到G{data}時，其將調(diào)用運動程序lOnO中的第m×1000行命令，其中凡是data的百位數(shù)，m是data的個位數(shù)和十位數(shù)。
2．3自動編程模塊的實現(xiàn)
根據(jù)各關(guān)節(jié)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(jù)點P。(凰，y0，Z。)計算各關(guān)節(jié)的變量、q：、Z，值，反解算法較多，但由于兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的關(guān)系簡單，可直接用幾何法進行運動學反解。用余弦公式的關(guān)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(zhuǎn)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(nèi)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(guān)運動，實現(xiàn)SCARA機器人的軌跡控制。對于多軸機器人和多軸自動化設(shè)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(xiàn)振動現(xiàn)象，根據(jù)Vericut軟件獲得加工參數(shù)的主要過程包括虛擬數(shù)控機床建模，毛坯和夾具建模，而刀具建模根據(jù)不同機床所使用的不同加工程序建立特定的主刀具庫。設(shè)置系數(shù)參數(shù)，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(shè)計的流程圖
3、數(shù)控系統(tǒng)軟件性能測試
首先將工件在UG模塊中進行加工，根據(jù)在UG模塊中獲取的參數(shù)，包括刀具參數(shù)信息和主軸的運動過程，然后將刀具信息導人VS2005的后開發(fā)處理模塊，經(jīng)轉(zhuǎn)換后生成對應于實驗機床能識別的數(shù)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(shù)來實現(xiàn)加工過程誤差量的最小化，根據(jù)最終的測量數(shù)據(jù)評判所設(shè)計的數(shù)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(fā)現(xiàn)，該數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)的加工是準確且穩(wěn)定可靠的，同時節(jié)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(jié)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(tǒng)柔性和性價比高等特點。本文設(shè)計并開發(fā)的基于Vericut的數(shù)控系統(tǒng)的目的是為用戶提供一個開放式的軟件平臺，通過系統(tǒng)軟件的標準化后可使大量用戶通過該平臺上規(guī)定的設(shè)計步驟簡化系統(tǒng)設(shè)計過程和刀具走刀過程的基本模塊及流程，實現(xiàn)硬件和軟件結(jié)構(gòu)的自主控制，且允許與任何第三方的技術(shù)或產(chǎn)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(jù)NC文件實現(xiàn)了自動編程的目的。加工后，得到的結(jié)果與通過UG軟件得到的工件造型基本相同，證明VS2005開發(fā)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(shè)計的開放式數(shù)控軟件控制系統(tǒng)可用于實際加工。
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