基于差分插补原理的三坐标数控实验台的研制

王宏甲,赵庆志,夏汝岩,张兴武

(山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255049)

基于差分插补原理的三坐标数控实验台的研制

王宏甲,赵庆志,夏汝岩,张兴武

(山东理工大学 机械工程学院,山东 淄博 255049)

针对现有数控实验台在其开放性方面的不足,对PCI-1750数据采集卡+PC的开放式数控系统控制方案进行了研究,给出了该数控系统的硬件构成，重点针对PCI-1750数据采集卡的输入输出接口电路进行了规划与设计.采用差分插补理论,开发了适于实验台的数控系统.实验表明，研制的三坐标数控实验台能够很好地满足设计要求.

开放式数控系统；接口电路设计；差分插补理论；三坐标

1 三坐标数控实验台总体方案设计

本实验台主要用于本科生及研究生的数控教学与研究,要求功能齐全、结构简单、易于教学与推广.尤其是其软、硬件的开放性是实现在数控教学与研究过程中理实一体化的重要保证.依据这些要求,拟定其总体设计方案,如图1所示.

图1 三坐标数控实验台总体设计方案

图2 三坐标数控实验台

三坐标数控实验台的实物如图2所示,其主要由两部分组成：机床本体以及基于PCI-1750板卡的接口电路.计算机数控系统通过PCI板卡以及相应的接口电路对机床进行控制.

2 三坐标数控实验台的机床本体

三坐标数控实验台的机床本体采用了立式三坐标的结构,其X轴、Y轴以及Z轴的行程分别为 110mm,110mm,50mm.通过调整各轴驱动器的相应拨码开关，其X轴、Y轴以及Z轴的脉冲当量分别为0.001mm，0.001mm，0.005mm.通过PCI-1750数控采集卡以及相应的数控系统,可以实现各轴的运动控制及联动.

2.1 主轴部分

本实验台主要用于进给伺服系统的教学与研究,所以没有设计主轴部分,而是采用了一支毛笔来模拟主轴.采用胶条卡箍,将毛笔固定在Z坐标的滑台上,通过向PCI-1750数据采集卡发送脉冲和高低电平,可以实现毛笔上下运动的数字控制.此结构易于实现、成本低、控制方便,便于教学与研究型数控系统的开发.

2.2 进给伺服系统部分

该三坐标数控实验台主要用于进给伺服系统的教学与研究,采用毛笔模拟主轴,在工作台上进行相应图案的绘制,故进给伺服系统传递的扭矩不大,加工精度要求不太高,所以采用开环控制系统来实现坐标轴的运动控制.X轴、Y轴的进给运动是通过步进电机与丝杠直接连接来传递旋转运动,丝杠与螺母进行配合,螺母通过螺钉安装在工作台上,实现工作台的直线往复运动.步进电机与丝杠连接,采用弹性联轴器,实现一定的位置补偿.Z轴方向的进给运动,通过减速步进电机与丝杠进行连接,实现滑台的上下运动.此处选择减速电机主要是为了圆整脉冲当量.

关新华（1985-），女，山西交口人，博士，广东财经大学地理与旅游学院讲师，研究方向为服务营销，旅游企业管理。

通过设计计算并结合实验室的现有条件,选择无锡三拓电气设备有限公司生产的步进电机以及相应的驱动器.其中,X轴方向的电机型号为42HS4013A4C型两相混合式步进电机,Y轴方向的电机型号为57HS7630A4D8型两相混合式步进电机,这两个步进电机的驱动器均选择MB450A两相混合式步进电机驱动器.Z轴方向的电机型号为20HS2806A4型两相混合式步进电机,其配套驱动器的型号为M415B.所选驱动器均采用交流伺服驱动器的电流环进行细分控制,具备光电隔离信号输入/输出、自动半流功能,脱机命令输入端子等特点.通过调整相应的拨码开关,实现步距角以及输出相电流等参数的设置.

3 基于PCI-1750板卡的接口电路

本文研制的三坐标数控实验台采用PCI-1750数据采集卡+PC的开放式系统控制方案[5],其与计算机的接口电路主要是指外部设备与PCI-1750板卡的接口电路,主要包括混合式步进电机的接口电路以及限位开关等数字量信号的接口电路.

3.1 研华PCI-1750板卡简介

研华PCI-1750数据采集卡提供了16个隔离数字量输入通道、16个隔离数字量输出通道和1个适用于PCI总线的隔离计数器/定时器[6],针脚接口如图3所示.PCI-1750支持2 500VDC的隔离保护和干接点,是高压保护工业应用的理想选择.PCI-1750的每个I/O通道都对应PCI/O端口中的一个位, 使PCI-1750的编程变得十分容易.该板卡还提供了1个计数器/定时器中断和2根连接至PC的数字量输入中断线缆.因此用户可通过软件轻松进行各种配置.

图3 PCI-1750针脚定义

通过将PCI-1750 与PC机相结合，搭建主从式控制结构.有关人机交互界面的管理以及控制系统的实时监控等方面的工作由PC机负责;PCI-1750 数据采集卡主要完成相应电机的运动控制,通过输出的脉冲频率来控制电机的速度,通过方向位的高低电平来控制电机运转方向,与此同时实时采集限位开关、急停等外设信号实现相应的控制.

3.2 混合式步进电机与PCI板卡的接口电路

混合式步进电机通过其相应的驱动器与PCI-1750板卡进行连接,混合式步进电机与PCI板卡的接口电路主要是指步进电机驱动器与PCI板卡的连接.

X轴步进电机配套的驱动器为MB450A两相混合式步进电机驱动器,其对应的控制信号可以是高电平有效,也可以是低电平有效.当高电平有效时,把所有控制信号的负端连在一起作为信号地,称为共阴极法.当低电平有效时,把所有控制信号的正端连在一起作为信号公共端,称为共阳极法.由于PCI-1750板卡的输出信号为低电平,所以采用共阳极接法进行驱动器与PCI板卡的连接,其接线如图4所示.

图4 X轴步进电机与PCI-1750板卡的接口电路

Y轴、Z轴的混合式步进电机与PCI板卡的接口电路与X轴相同,也采用共阳极法,在此不再赘述.

3.3 限位开关与PCI板卡的接口电路

限位开关信号的实时采集是数控系统的重要任务,是不可或缺的重要功能模块[7].所以限位开关的接口电路是整个PCI接口电路的重要组成部分.

位置检测器件主要分为接触式与非接触式.其中,接触式开关主要有微动开关、行程开关等.非接触式开关主要有光电式、电磁式以及霍尔式接近开关等[8].接近开关多采用半导体三极管做控制信号输出,由于采用无触点输出方式,所以非接触式接近开关具有反应速度快、使用寿命长、对触点的寿命无影响且不会磨损或者损伤被检测对象等优点.所以,本实验台优先选用非接触式接近开关.出于教学目的,选取一路限位开关采用接触式开关中的行程开关.其余三路限位开关均采用非接触式开关中的霍尔式接近开关.

开关型数字量信号读入计算机的方法主要有直接短接法、分压法以及光电隔离法等[8].其中,直接短接法主要用于行程开关信号的检测；分压法以及光电隔离法主要应用于非接触式接近开关信号读入计算.

PCI-1750数据采集卡的16个隔离数字量输入通道均支持干接点或者5～48VDC的电压输入.其中干接法结构简单,易于实现.本文主要采用干接法实现限位开关信号读入计算机.PCI-1750数据采集卡的隔离数字量输入的干接法主要是通过将隔离数字量输入引脚与隔离接地引脚直接短接,计算机通过程序读取到相应引脚位的电位信息,从而判断限位开关的状态.

行程开关信号读入计算机的接口电路设计如下：通过行程开关SQ将PCI-1750数据采集卡的隔离数字量输入引脚IDI0与隔离接地IGND进行通断,实现IDI0位状态的高低电平发生变化,计算机CPU通过程序即可分辨出行程开关SQ的状态.

霍尔式接近开关的信号读入计算机时,由于不能直接将PCI-1750数据采集卡的隔离数字量输入引脚与隔离接地引脚直接短接,所以无法直接采用干接法.考虑到霍尔传感器为有源器件,在本系统中,存在驱动步进电机的+24V电源,所以,可以考虑用霍尔传感器驱动中间继电器,用中间继电器的常开触点,将PCI板卡的隔离数字量输入引脚与隔离接地引脚短接,使行程开关的信号读入计算机.其接口电路的设计为：霍尔传感器1、2引脚之间接24V直流电压,1、3引脚之间接入中间继电器J1的线圈.当有磁铁的N级靠近传感器有字的表面时,1号引脚相对3号引脚的电压为24V,中间继电器线圈动作,常开触点闭合,隔离数字量输入引脚IDI1与隔离接地引脚IGND短接,计算机CPU通过程序即可分辨出霍尔式接近开关的状态.

4 基于差分插补原理的数控系统及其实验

4.1 差分插补原理简介

差分插补原理基于多项式函数插值拟合的理论,是一种变量可分离的正高次代数曲线合成差分插补数控加工方法.该理论解决了目前数控系统中所用插补方法不能很好地满足加工要求、进行直线或圆弧拟合时精度低、接点不连续、运算程序大等问题,具有插补功能更强、控制精度更高、操作使用更容易等优点[4].通过采用差分插补原理,将直线、圆弧、椭圆、双曲线以及抛物线等曲线的插补归于统一的运算框图,能够完成直接插补[9].该原理使得数控系统的插补功能有了极大的改善.

4.2 基于差分插补原理的数控系统实验

本文基于差分插补原理,针对三坐标数控实验台,使用VC++6.0开发了相应的数控系统,其界面如图5所示.利用基于差分插补原理的数控系统实现了直线、圆弧、椭圆等曲线的直接插补[10].该数控实验台插补的曲线如图6和图7所示.

实验表明，研制的三坐标数控实验台具有功能齐全、结构简单、软硬件开放、成本低、易于教学的特点，能够满足实际工作的要求.

图5 数控系统界面

图6 插补直线以及圆弧

图7 插补圆以及椭圆

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[6] 姜培昌,卢军霞,赵庆志. 基于PCI-1750数据采集卡的步进电机控制系统设计[J]. 山东理工大学学报(自然科学版),2010,24(1):93-95.

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[9] 赵庆志,刘正埙,谷安,等. 基于差分插补理论的慢走丝线切割上下异型面工件新方法[J]. 中国机械工程,2006,17(8): 793-797.

[10]王宜龙,赵庆志,王海涛. 椭圆ISO代码译成差分插补代码及其程序的实现[J]. 机床与液压,2009,37(9):54-55，118.

(编辑：郝秀清)

Development of three coordinate NC experiment platform based on differential interpolation theory

WANG Hong-jia,ZHAO Qing-zhi,XIA Ru-yan,ZHANG Xing-wu

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049,China)

In view of the deficiency of the present numerical control experiment platform in its openness, the hardware structure of the NC system is presented by studying the control scheme of the open system with PCI-1750+PC.The planning and design of the input and output interface circuit for PCI-1750 is the key point. The NC system which is suitable for the experiment platform is developed by using the differential interpolation theory. The experimental results show that the three coordinate NC experiment platform can meet the design requirements well.

open numerical control system；interface circuit design；differential interpolation theory；three coordinate

2016-10-24

王宏甲，男，whj1988928@163.com； 通信作者：赵庆志，男，zhaoqzme@163.com

1672-6197(2017)06-0034-04

TG659

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