楊 博，范賢光，姚 斌，姚博世

(1.廈門大學 智能裝備技術研究所，物理與機電工程學院，福建 廈門 361005;2.陜西省漢江機床有限公司，陜西 漢中 723003)

0 引言

傳統(tǒng)的線材加工在對待特定的線材成形時需要用專門的模具設備來實現(xiàn)，如果生產(chǎn)的產(chǎn)品批量大，品種少，這種加工方式具有一定的優(yōu)勢［1］。但是，對于中小批量，多品種，的生產(chǎn)方式，傳統(tǒng)加工方法往往不具有優(yōu)勢［2］。為了解決上述問題，課題組基于對柔性制造技術研究，開發(fā)出了一臺具有三個回轉軸(Y 軸、A 軸、B 軸)和兩個移動軸(X 軸、Z 軸)的五軸數(shù)控彎絲機器人，機械結構如圖1 所示。機器人工作順序為:盤圓過的線材→經(jīng)載料機構展開→由校直機構校直→再經(jīng)送絲機構送絲→到折彎機構折彎→最終由剪切機構剪斷成品。對于線材中圓弧較多且半徑變化較大的零件，設計了自動換模機構，采用折彎和推彎的加工工藝，通過不同加工模位間的切換，實現(xiàn)了對形狀復雜的零件加工。

圖1 彎絲機器人整體機械結構

1 數(shù)控系統(tǒng)硬件結構設計

1.1 系統(tǒng)硬件總體結構

控制系統(tǒng)的硬件結構如圖2 所示，以GTS-800-PV-PCI 運動控制卡為控制核心，負責系統(tǒng)的實時性控制任務，包括軌跡插補運算，復雜曲線的加工;伺服系統(tǒng)的控制、運行狀態(tài)信號的采集與實時監(jiān)控;回零、限位及伺服報錯等功能的實現(xiàn)。以ADVANTECH-610L 型工控機為人機交互平臺，負責系統(tǒng)的非實時性任務，如系統(tǒng)信息的管理、加工過程的仿真、數(shù)控代碼生成與指令發(fā)送以及實時加工狀態(tài)監(jiān)測顯示等功能;伺服系統(tǒng)采用安川(YASKWA)Σ-Ⅱ型交流伺服驅動系統(tǒng)，該系統(tǒng)由交流伺服驅動器放大器，交流伺服電機和光電編碼器組成閉環(huán)控制［3］。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結構圖

1.2 GTS 運動控制器介紹

深圳固高公司生產(chǎn)的GTS-800-PV 高性能伺服運動控制卡，是基于DSP+FPGA 技術的多軸運動控制卡［4］，具有相應速度快、精度高、開發(fā)周期短、編程和操作簡單的特點，已廣泛的應用于機器人、數(shù)控機床等多軸聯(lián)動控制的高精度伺服裝置上。該型卡可以同步控制八個運動軸，具有梯形曲線、S 型曲線，JOG 模式點位運動規(guī)劃及電子齒輪同步運動規(guī)劃功能，并同時具有三維直線插補和兩維圓弧插補運動規(guī)劃功能，特別適用于既有點位運動控制亦有插補運動控制要求的場合［5］。

1.3 伺服控制方式

伺服驅動器的控制方式一般由電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)這三個反饋控制環(huán)構成:最內層電流環(huán)為電機提供轉矩;中間速度環(huán)用來控制速度;最外層位置環(huán)用來控制負載位置［5］。速度控制環(huán)包含了電流環(huán)和速度環(huán)，速度環(huán)對應驅動器的速度控制模式，該模式的優(yōu)點是電機運行平穩(wěn)，速度不隨外界負載的變化而劇烈變化，同時為了滿足對精度的控制要求，將電動機編碼器檢測的位置信號提供給運動控制卡，利用上位機的控制算法進行閉環(huán)控制運算，這樣位置環(huán)便由驅動器移到了運動控制卡上，這樣控制卡與編碼器之間便構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，同時調節(jié)控制卡的PID 控制參數(shù)，進一步優(yōu)化系統(tǒng)的性能。

2 控制系統(tǒng)軟件結構設計

2.1 軟件總體結構

數(shù)控系統(tǒng)能夠正常工作，軟件要包括:上位機端的CNC 用戶程序、上下位機間通訊的通訊驅動程序［6］。GTS-PV 隨卡提供了windows 系統(tǒng)下的設備驅動程序GT800.sys，同時提供了面向運動控制卡的高級函數(shù)庫GTS.dll，該函數(shù)庫中封裝了GTS 卡的運動控制函數(shù)，用戶只需通過調用相應的控制函數(shù)，便可以發(fā)出運動控制命令，控制器將根據(jù)控制命令的要求，自動完成軌跡規(guī)劃、安全檢測、伺服刷新等復雜運算，計算結果轉換成模擬電壓或脈沖控制電機運轉。

彎絲機器人控制系統(tǒng)軟件是一個多任務處理軟件，既要負責數(shù)控代碼的生成、校檢、譯碼，又要負責機器人的運行控制，運動狀態(tài)數(shù)字及圖形顯示，系統(tǒng)參數(shù)設置，調試診斷等任務。采用模塊化編程原理，將軟件任務整理歸類并交由若干個功能模塊承擔，通過對各功能模塊的操作便可以完成相應的軟件任務。如圖3 所示，將系統(tǒng)劃分為人機界面、系統(tǒng)配置模塊、譯碼模塊、數(shù)控內核(主模塊)四大功能模塊以及若干輔助功能模塊。

圖3 軟件結構

2.2 各模塊功能設計與實現(xiàn)

在本系統(tǒng)軟件中，人機界面主要負責完成人機對話交互、運行參數(shù)設定、系統(tǒng)狀態(tài)顯示、文件管理等功能;系統(tǒng)配置模塊用于配置運動控制卡參數(shù)和機器人參數(shù)，并將配置好的參數(shù)保存在硬盤中，系統(tǒng)開機后自動加載;譯碼模塊負責完成數(shù)控加工程序的解釋、語法檢測、下載等;數(shù)控內核是整個系統(tǒng)的控制核心，負責協(xié)調其它模塊的運行，實現(xiàn)對系統(tǒng)的流程控制，同時負責異常狀態(tài)的處理。這四個主要模塊負責了系統(tǒng)的絕大部分功能的實現(xiàn)，下面將著重討論這四個模塊。

(1)人機界面:系統(tǒng)的主要操作顯示界面，系統(tǒng)的絕大部分信息交互都是在此界面上完成，主要負責設定系統(tǒng)工作模式，如自動、手動、點動、MDI(人工數(shù)據(jù)輸入)，回參考點、各運動軸參數(shù)的顯示、初始化程序狀態(tài)、文件管理等。具體功能由以下3 個類實現(xiàn):

①CDlgMain。主對話框類，是系統(tǒng)的主界面對話框，承擔人機交互功能，負責打開關閉其它功能模塊窗口，并在系統(tǒng)第一次運行時加載配置文件，初始化程序狀態(tài)。

②CDialogMonitor。監(jiān)視界面類，利用運動控制卡提供的API 函數(shù)，監(jiān)視機器人運行狀態(tài)，并實時顯示各運動軸位置參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)、I/O 傳感器狀態(tài)。

③CSystermDebug。系統(tǒng)測試類，測試機器人運行性能，速度調節(jié)、手動點位控制與回參考點運動。

在CDlgMain 類中，主要成員函數(shù)如下:

其次是CDialogMonitor 類，它繼承自CDialog 類主要成員函數(shù)如下:

其中CDialogMonitor 類和CSystemDebug 類在實現(xiàn)中都應用了Windows 的定時器來周期性的讀取控制卡的信息，并實時的顯示到界面上。

(2)系統(tǒng)配置模塊:該模塊包括運動控制卡參數(shù)配置和機器人參數(shù)配置，前者包括控制卡的PID 參數(shù)、軸坐標映射、控制方式、限位、回零速度與回零方式、軟限位位置、誤差帶大小等參數(shù)設置，這些參數(shù)直接決定了系統(tǒng)的性能。后者定義的是機器人的機械結構參數(shù)、加工模具參數(shù)、包含了機器人的全部特征，這部分參數(shù)主要影響了后續(xù)數(shù)控譯碼過程。

(3)譯碼模塊:此模塊負責根據(jù)用戶的系統(tǒng)配置，以及運動程序的語法規(guī)則對用戶編寫的運動程序進行語法檢查，并進行解釋譯碼，將源代碼指令中給出的各種信息進行分離提取，轉換成計算機便于處理的內部數(shù)據(jù)形式，并將程序段的內容分成位置數(shù)據(jù)和控制指令，以一定的格式存放在相應的存儲區(qū)域。在譯碼過程中還要完成程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)錯誤便進行停機并做報警顯示。

譯碼模塊的基本結構是將要識別存儲的變量存儲在一個自定義的CCNCData 類中，該類中存儲有G、M、T 代碼類型，坐標軸信息、半徑、進給速度等變量。因為數(shù)控程序不是定長的，所以要求用動態(tài)數(shù)組將變量信息動態(tài)的存儲放在CCNCDate 類中，在這里使用了MFC 的CArray 類，它可以方便的管理操作數(shù)組元素，其類定義如下:typedef CArray ＜CCNCData，CCNCData＆ ＞ CCncArray。系統(tǒng)利用譯碼函數(shù)Compile(CString SourPath，CCncArray* pAry，double* angle)對代碼進行編譯，譯碼結果利用宏命令動態(tài)的存放到CCNCDate 類中，供軟件執(zhí)行調用，其實現(xiàn)命令如下所示:

(4)主模塊:主模塊是整個系統(tǒng)的核心，該模塊在系統(tǒng)啟動階段讀取配置文件同時初始化控制卡。在執(zhí)行狀態(tài)下主模塊調用譯碼、插補等功能模塊形成數(shù)控信息流，最后轉入運動函數(shù)調度循環(huán)，在這個循環(huán)中，主模塊監(jiān)視控制卡的指令緩沖區(qū)、坐標狀態(tài)寄存器、命令狀態(tài)寄存器。根據(jù)緩沖區(qū)狀況將數(shù)控信息流程合成控制卡函數(shù)流不斷的發(fā)送運動控制指令，經(jīng)由實時FIFO 發(fā)送到插補模塊執(zhí)行，并反饋命令執(zhí)行情況、系統(tǒng)坐標等狀態(tài)信號供人機界面實時顯示，該循環(huán)控制流程如圖4 所示。

圖4 程序循環(huán)控制流程圖

3 結束語

本文介紹了彎絲機器人的工作原理，利用GTS800－PV 卡與伺服電機搭建了彎絲機器人的硬件系統(tǒng)，研究了電機伺服控制方式;分析了軟件的總體結構層次，采用模塊化編程手法編寫了系統(tǒng)軟件，并簡要說明了軟件各主要模塊的功能以及實現(xiàn)的方法，基本上實現(xiàn)了彎絲機器人數(shù)控系統(tǒng)的功能。目前該數(shù)控系統(tǒng)已在課題組與廈門某機床廠聯(lián)合開發(fā)的彎絲機器人上得到了良好的應用，如圖5 所示。

圖5 采用本數(shù)控系統(tǒng)的彎絲機器人

［1］王同海. 管材塑性加工技術［M］. 北京:機械工業(yè)出版社，1998.

［2］葉志堅. 基于PMAC 數(shù)控彎絲機的研發(fā)［D］. 廈門:廈門大學，2009.

［3］鄭魁敬，高建設. 運動控制技術及工程實踐［M］. 北京:中國電力出版社，2009.

［4］GTS 系列運動控制器用戶手冊(版本1.1). 固高科技(深圳)有限公司，2011.

［5］董正凱. 基于運動控制器的開放式數(shù)控平臺的研究［D］. 深圳:哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院，2010.

［6］Lin Rongkun，Yao Bin，Chen Minghui，Li Fei. Application Analysis of Servo-Control System Based on PMAC with Feedforward Control［J］. 2010 3rdInternational Conference on Machine Vision，December 28－30，2010，Hong Kong:607－610.

［7］張劍，殷蘇民. 基于運動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)研制［J］. 機床與液壓，2003(3):170－173.