基于運(yùn)動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)研制

摘要：對基于運(yùn)動控制卡和PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，介紹了硬件原理和基于COM的模塊式軟件結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上針對GT400—SV運(yùn)動控制卡開發(fā)了一個數(shù)控系統(tǒng)。實踐證明這種形式的系統(tǒng)具有很強(qiáng)的性能價格優(yōu)勢，實現(xiàn)了軟硬件的開放性和數(shù)控模塊的二進(jìn)制復(fù)用。

1 引言 

    90年代以后，數(shù)控技術(shù)發(fā)展的一個重要方向是數(shù)控系統(tǒng)的開放化。一方面，以往的數(shù)控系統(tǒng)由于其封閉性無法將計算機(jī)技術(shù)發(fā)展的最新成果運(yùn)用于數(shù)控系統(tǒng)中，嚴(yán)重地阻礙了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。另一方面，由于加工的多樣化、專業(yè)化，對加工“個性化”的要求越來越高。如何有效地利用PC機(jī)豐富的軟件資源，強(qiáng)大的運(yùn)算能力，統(tǒng)一的人機(jī)界面實現(xiàn)專業(yè)化、低價格、高精度、易擴(kuò)展升級的開放式數(shù)控系統(tǒng)成為未來數(shù)控系統(tǒng)研究和發(fā)展的方向。在PC機(jī)的主流操作系統(tǒng)MS Windows下有兩種方法可以實現(xiàn)數(shù)字控制：一種是由一臺計算機(jī)和一些I/O模塊組成的單機(jī)模式，這種模式在硬件成本上是較為便宜的，但在軟件的編寫上卻很復(fù)雜，需要對Windows加以改造（如內(nèi)嵌實時操作系統(tǒng)）以保證系統(tǒng)的實時控制性能，這是未來數(shù)控系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，但現(xiàn)階段Windows的非開放源碼特性使之具有相當(dāng)?shù)碾y度，可行性較差。另一種是并行雙CPU上下位機(jī)通訊模式，相對而言該種模式具有很大的靈活性和可行性，是一種便于用戶化開發(fā)的全方位的開放式體系結(jié)構(gòu)。本文所討論的將GT400-SV運(yùn)動控制卡插入PC機(jī)中所構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)，開發(fā)周期短、運(yùn)行速度快、控制精度高、價格低廉，是第二種模式的一個代表。

2 硬件系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu) 

2.1 固高GT400-SV運(yùn)動控制卡的特點(diǎn) 

    固高公司生產(chǎn)的GT400—SV是高性能的伺服運(yùn)動控制卡，它可以同步控制四個運(yùn)動軸，實現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動。其核心是ADSP2181數(shù)字信號處理器和FPGA，前者的哈佛結(jié)構(gòu)和MAC單元非常適合完成復(fù)雜的運(yùn)動控制算法，后者實現(xiàn)譯碼、倍頻、脈沖分配、定時、計數(shù)等功能。運(yùn)動控制卡采用ISA總線與PC相連，數(shù)據(jù)通過雙端口RAM在上下位機(jī)間傳送。雙端口RAM是一種特殊的隨機(jī)存儲器，它具有兩組數(shù)據(jù)總線和地址總線，在地址不沖突的情況下兩組總線可以在同一時間并行地訪問不同的存儲器單元，雙端口RAM的這種特殊結(jié)構(gòu)使得上下位機(jī)可以快速地進(jìn)行大規(guī)模數(shù)據(jù)交換，大大提高了主機(jī)與DSP運(yùn)動控制卡的并行處理能力，解除了以往主從式系統(tǒng)CPU間通訊的瓶頸。圖1是主從式微處理器通過雙端口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的示意。



                  圖1 主從機(jī)數(shù)據(jù)交換示意

    GT400-SV運(yùn)動控制卡在雙端口RAM的基礎(chǔ)上提供了緩沖區(qū)命令機(jī)制，用戶能夠先將部分運(yùn)動控制指令存放在運(yùn)動控制器內(nèi)部開辟的循環(huán)隊列命令緩沖區(qū)內(nèi)，然后發(fā)出執(zhí)行命令。在運(yùn)動控制器執(zhí)行緩沖區(qū)內(nèi)存放的運(yùn)動指令的同時，主機(jī)能夠繼續(xù)向緩沖區(qū)內(nèi)下載運(yùn)動指令，這樣進(jìn)一步降低了對主機(jī)通訊的實時性要求，同時運(yùn)動控制器通過預(yù)處理多段緩沖區(qū)內(nèi)的軌跡信息，能夠獲得良好的運(yùn)動特性，使軌跡更連貫光滑。

2.2 試驗平臺結(jié)構(gòu)（如圖2所示）



                  圖2  實驗平臺結(jié)構(gòu)

3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)規(guī)劃及實現(xiàn) 

3.1 軟件總體層次 

    該數(shù)控系統(tǒng)能夠正常工作，其系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)端的CNC用戶應(yīng)用程序、上下位機(jī)進(jìn)行通訊的通訊驅(qū)動程序。其中通訊程序的開發(fā)工作量最大、最困難、也最具有技巧性，需要對下位機(jī)的通訊結(jié)構(gòu)及微軟的WDM有充分了解。GT400-SV隨卡提供了win98/2000下的設(shè)備驅(qū)動程序PHDIO.SYS，同時提供了面向運(yùn)動控制卡的高級函數(shù)庫GTSVDLL.DLL，用戶通過主機(jī)程序調(diào)用相應(yīng)的庫函數(shù)，將運(yùn)動控制器相關(guān)參數(shù)和運(yùn)動軌跡描述傳遞給運(yùn)動控制器，也就是發(fā)出運(yùn)動控制命令，運(yùn)動控制器將根據(jù)主機(jī)的要求，自動完成軌跡規(guī)劃、安全檢測、伺服刷新等復(fù)雜運(yùn)算，計算結(jié)果轉(zhuǎn)換成模擬電壓或脈沖控制電機(jī)運(yùn)動，用戶無須編寫通訊程序，并從32位驅(qū)動庫中解脫出來，將全部精力用于定義和開發(fā)自己的CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序。本系統(tǒng)的軟件層次關(guān)系如圖3所示。



                  圖3  軟件總體層次

    本系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，控制卡核心對外開放，系統(tǒng)開發(fā)商可改進(jìn)運(yùn)動控制卡中的運(yùn)動控制算法，通過編程器和下載器下載到控制卡的K2ROM中，以針對具體的控制對象優(yōu)化算法，提高系統(tǒng)性能。另一方面，上位機(jī)數(shù)控平臺對控制卡、CAD/CAM系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床開放。前者的開放性主要體現(xiàn)在對運(yùn)動控制卡底層性能特性的控制能力，是以控制卡的物理結(jié)構(gòu)（E2ROM）為基礎(chǔ)的。而后者的開放性體現(xiàn)在數(shù)控平臺對硬件設(shè)備的兼容性、通用性、可定制性，對CAD/CAM軟件的銜接能力以及數(shù)控平臺各功能模塊的可復(fù)用性，這主要通過合理規(guī)劃軟件功能，選擇先進(jìn)的軟件體系結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

    微軟的COM及DCOM是目前比較成熟并已得到廣泛應(yīng)用的組件接口標(biāo)準(zhǔn)，通過定義統(tǒng)一的操作規(guī)范，用戶不再直接和軟件模塊的功能函數(shù)接觸，COM規(guī)范作為中介，接口屏蔽了模塊內(nèi)部的特征，從而實現(xiàn)了模塊在二進(jìn)制級的交互。具體的講COM是通過定義的虛函數(shù)表（Vtable）以及雙重指針來實現(xiàn)的，這種方法具有優(yōu)異的二進(jìn)制級軟件可重用性，良好的語言無關(guān)性，可以實現(xiàn)組件跨進(jìn)程、跨平臺甚至網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的互操作。本文對使用COM規(guī)范定義開發(fā)基于運(yùn)動控控制卡的數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊做了一些有益的嘗試，將COM作為軟件的底層結(jié)構(gòu)支持。軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。



                  圖4  軟件結(jié)構(gòu)

3.2 主要模塊間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義 

3.2.1  數(shù)控代碼信息

    定義了完整的數(shù)控信息，從數(shù)控程序段中提取的數(shù)控位置信息、運(yùn)動信息、I/O被填入該結(jié)構(gòu)。

typedef struct｛

CString title；//程序名稱

int Num；//程序段號

int GG00；//00組G代碼

……

int GG15；//15組G代碼

int GM00；//00組M代碼

……

int  GM10；//10組M代碼

int  T；//刀具號

double S；//主軸轉(zhuǎn)速

double F；//進(jìn)給速率

double R；//圓弧插補(bǔ)半徑，固定循環(huán)參數(shù)

double Q；//固定循環(huán)參數(shù)

double P；//固定循環(huán)參數(shù)

double X；//基本尺寸

double Y；

double Z；

double I；//圓弧插補(bǔ)圓心坐標(biāo)（相對）

double J；

double K；

｝CODEINFO；

3.2.2 運(yùn)動控制卡信息

主要定義了運(yùn)動控制卡可配置部分的參數(shù)。

tvoedef struct ｛

double RefPointX；//系統(tǒng)參考點(diǎn)

double RefPointY；

double RefPointZ；

double RefPointA；

double ServoCycle；//伺服周期

AxisMapX；//軸映射

AxisMapY；

AxisMapZ；

AxisMapA；

unsigned short LimitSense；//限位電平

unsigned short DSns；//編碼器方向

unsigned long iN；//中斷號

unsigned long PortBase；

structAxislnfo//軸參數(shù)

｛

double AxisMap[5]；

unsignedshort Kx[5]；

unsigned short ILmt；

unsigned short MtrLmt；

short MtrBias；

unsigned short PosErr；

double AccLnt；

｝Axis[4]；

｝CARDINFO。

3.2.3 數(shù)控系統(tǒng)信息主要定義了數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，支持的數(shù)控代碼表，實際的驅(qū)動能力。該結(jié)構(gòu)為譯碼模塊和控制卡函數(shù)調(diào)用模塊提供規(guī)則，譯碼模塊依據(jù)系統(tǒng)信息及譯碼規(guī)則填充數(shù)控代碼信息結(jié)構(gòu)并輸出錯誤信息。

typedef struct ｛

bool G00，G01，G02，G03，……，G99；//支持的G代碼

bool M00，M01，M02，M03，……，M99；//支持的M代碼

double Xmin，Xmax，Ymin，Ymax，Zmin，Zmax；//平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)（軟限位）

double Smin，Smax；//主軸轉(zhuǎn)速限制

double Fmin，F(xiàn)max；//進(jìn)給速率限制

double FF；//快速進(jìn)給限制

int plusEqual；//驅(qū)動電機(jī)脈沖當(dāng)量

double synAcc；//合成運(yùn)動速度限制

double ServoCycle；//伺服周期

int AxisNm；//軸數(shù)

struct Tool//刀具參數(shù)

｛

double Lenth；

double Ratio；

int index；

｝ tool[20]；

｝ CODEPERMIT；

3.2.4 錯誤信息

typedef struct ｛

Cstring title；//程序名稱

UINT line；//出錯程序段

UINT ErrorType；//錯誤號

｝ERROR；//傳遞數(shù)控代碼解釋過程中識

別的錯誤

3.3 數(shù)控流程分析 

   限于篇幅各模塊的實現(xiàn)沒有一一列出，以下僅對主要數(shù)控程序流程及實現(xiàn)作大致說明。

3.3.1 系統(tǒng)配置模塊

    系統(tǒng)配置模塊包括運(yùn)動控制卡參數(shù)配置和機(jī)床參數(shù)配置，前者包括控制卡的伺服濾波、軸映射、編碼器、限位、誤差限等參數(shù)的設(shè)置，這些參數(shù)位于底層，直接決定了系統(tǒng)的性能。后者定義的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)、刀具參數(shù)和支持的數(shù)控指令集，包含了機(jī)床的全部特征，這部分參數(shù)主要影響了后續(xù)數(shù)控譯碼過程。用戶通過界面對上述參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，形成配置文件card.ini和sys.ini保存于硬盤，當(dāng)系統(tǒng)啟動時自動加載。

 

              圖5  系統(tǒng)參數(shù)配置                       圖6  控制卡參數(shù)配置

3.3.2 譯碼模塊

    譯碼模塊根據(jù)數(shù)控代碼一般規(guī)則和機(jī)床特征將指令文本翻譯成數(shù)控信息流，其中主要涉及到G代碼M代碼的分組處理、模態(tài)代碼的處理、如何定制數(shù)控代碼規(guī)則等問題，若考慮到后續(xù)刀補(bǔ)處理則還應(yīng)給出上兩段代碼的坐標(biāo)以解決進(jìn)行C刀補(bǔ)時插補(bǔ)段增加的情況。因為數(shù)控程序不是定長的，所以要求用動態(tài)數(shù)組來存儲CODEINFO結(jié)構(gòu)，在這里使用了MFC的CArray類，它可以很方便地管理操作數(shù)組元素，定義如下：CArray<CODEINFO，CODEINFO&>InfoArray；主模塊可以根據(jù)數(shù)控文本譯碼結(jié)果動態(tài)地將CODEINFO結(jié)構(gòu)加入到該數(shù)組中，如下所示：

CODEINFO m-temp；

Translate（CNCString，m-temp，ErrorInfo）；//偽代碼InfoArray.Add（m-temp）。

譯碼完成后將數(shù)組傳人下一級處理模塊。

3.3.3 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初始化運(yùn)動控制卡，用機(jī)床信息填充CODEPERMIT結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行狀態(tài)下主模塊調(diào)用譯碼、插補(bǔ)等模塊功能形成數(shù)控信息流，最后轉(zhuǎn)入運(yùn)動函數(shù)調(diào)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(biāo)系狀態(tài)寄存器、命令狀態(tài)寄存器，根據(jù)緩沖區(qū)狀況將數(shù)控信息流合成控制卡函數(shù)流不斷地發(fā)往指令緩沖區(qū)并反饋命令執(zhí)行情況、系統(tǒng)坐標(biāo)等狀態(tài)信號供人機(jī)界面實時顯示。如果運(yùn)行過程由于命令執(zhí)行原因或操作者選擇了停止則主模塊進(jìn)入停止?fàn)顟B(tài)。如果操作者選擇了暫停，則模塊記錄當(dāng)前緩沖區(qū)命令號等待恢復(fù)執(zhí)行。當(dāng)然，因為Windows是基于消息驅(qū)動的，所以系統(tǒng)各運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及鎖定都是通過消息進(jìn)行的，并非如上所述的順序執(zhí)行。

4 影響該系統(tǒng)性能的主要因素 

    該運(yùn)動控制卡采用了高速DSP處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，正如前說述在完成數(shù)控軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)計算、位置控制、速度控制等方面不存在運(yùn)算能力瓶頸。制約系統(tǒng)性能的主要有以下幾個因素。

4.1 控制命令的連續(xù)性 

    應(yīng)防止出現(xiàn)命令緩沖區(qū)空，控制卡對多段軌跡進(jìn)行預(yù)處理是在命令緩沖區(qū)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，緩沖區(qū)機(jī)制可以保證各段軌跡的速度、加速度不出現(xiàn)大幅的波動，提高加工質(zhì)量。解決的關(guān)鍵在于有效監(jiān)控緩沖區(qū)狀況，合理進(jìn)行運(yùn)動指令調(diào)度。

4.2 伺服零漂現(xiàn)象 

    在使用系統(tǒng)的過程中發(fā)現(xiàn)，如果不使用運(yùn)動控制卡提供的零漂消除功能，一般的誤差有13～15個脈沖，如果脈沖當(dāng)量是2000脈沖/mm，那么誤差將達(dá)到6.5～7.5μm，加工精度得不到保證。通過在運(yùn)行過程中對零漂值的定時檢測及動態(tài)修改，可以做到無零漂。

4.3 系統(tǒng)PID參數(shù)的調(diào)整 

    PID控制算法比較成熟且應(yīng)用廣泛，但參數(shù)的調(diào)整需要豐富的實踐經(jīng)驗，參數(shù)調(diào)整良好的系統(tǒng)動靜態(tài)特性好，加工精度高，運(yùn)行噪聲低。在實際運(yùn)用中，可通過測試程序測出系統(tǒng)較優(yōu)的PID參數(shù)，再通過系統(tǒng)配置程序修改參數(shù)。在參數(shù)配置方面今后的一個發(fā)展方向是系統(tǒng)在線自動測試調(diào)整，這對系統(tǒng)運(yùn)用于不同的機(jī)床和工況很實用，也是本系統(tǒng)有待完善的部分。



                    圖7 數(shù)控系統(tǒng)主界面

5 系統(tǒng)運(yùn)行主界面 

6 結(jié)束語 

    本文以固高GT400-SV運(yùn)動控制卡為例構(gòu)筑了一個上下位機(jī)形式的開放式數(shù)控平臺，其對基于運(yùn)動控制卡的開放式數(shù)控系統(tǒng)具有一定的通用性，系統(tǒng)采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動控制卡完成插補(bǔ)計算、位置控制、速度控制等實時任務(wù)，以PC機(jī)實現(xiàn)友好的人機(jī)界面、靈活的系統(tǒng)配置、增強(qiáng)的外部軟件接口，采用基于COM的模塊式軟件結(jié)構(gòu)，實踐證明這種形式的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的控制性能，實現(xiàn)了軟硬件的開放性和模塊的二進(jìn)制復(fù)用，適合構(gòu)建各種通用及專用數(shù)控系統(tǒng)，本系統(tǒng)的改型系統(tǒng)已應(yīng)用于一印制板鉆床。