激光焊接機運動結(jié)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD+PROE】
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激光焊接機運動結(jié)構(gòu)設(shè)計
摘要
激光焊接是一種先進的制造技術(shù)，本文設(shè)計了一種三自由度的激光焊接運動系統(tǒng)。在設(shè)計好運動系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，著重設(shè)計了運動控制系統(tǒng)電氣結(jié)構(gòu)和基于開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計。二十世紀九十年代出現(xiàn)的一種先進的計算機數(shù)控體系結(jié)構(gòu)叫開放式數(shù)控系統(tǒng)，它具有擴展性好、二次開發(fā)性和維護方便、運行穩(wěn)定性高、可移植性好，能靈活適應(yīng)不同需要等特點，能夠很好的滿足生產(chǎn)設(shè)備的客觀需要,推動制造企業(yè)的發(fā)展,是未來數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的不斷發(fā)展，開放式數(shù)控系統(tǒng)如何有效地利用這些先進的技術(shù)，多快好省地進行控制系統(tǒng)的開發(fā)就顯得十分的必要。
本課題充分利用計算機軟、硬件技術(shù)、數(shù)字信號處理器技術(shù)，實現(xiàn)了用于開放式三自由度數(shù)控焊接機的計算機控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司_ADT_8948A1的多軸運動控制卡，組成了以NC嵌入PC的開放數(shù)控系統(tǒng)。被控對象是一個直角坐標、四軸激光焊接機平臺，由四個步進電機及其驅(qū)動器、限位開關(guān)等構(gòu)成的激光焊接機的數(shù)控系統(tǒng)。
本文重點介紹了激光焊接機數(shù)控工作臺的硬件使體系結(jié)構(gòu)和前臺軟件在
ｗｉｎｄｏｗＸＰ的環(huán)境下的開發(fā)過程，功能基本上都能達到了要求。
關(guān)鍵詞: 激光焊接機；ＮＣ嵌入ＰＣ；開放式數(shù)控系統(tǒng)；運動控制卡
Abstract
Laser welding is an advanced manufacturing technology, this paper designs a kind of laser welding system with three degrees of freedom motion. Based on hardware structure design movement system, focusing on the design of the motion control system of electrical structure and open CNC system. The 1990 s saw the emergence of an advanced computer numerical control system structure called the open CNC system, it has good expansibility, secondary development and maintenance convenience, running high stability, portability, the flexibility to adapt to the different needs and other characteristics, can meet the objective need of production equipment, and promote the development of the manufacturing enterprise, the future is the main trend of the numerical control technology. With modern computer technology, microelectronics technology and modern control the development of technology, the open CNC system how to effectively use the advanced technology, is to control the development of economically system it is very necessary.
This topic make full use of computer software and hardware technology, digital signal processing technology, realizing the four degrees of freedom for open CNC carving of the milling machine computer control system. The system USES the numerical control technology for the shenzhen Co., LTD "http://adtechcn.cn.alibaba.com/ > _ADT_8948A1 multiaxial movement control CARDS, formed to the opening of the embedded NC PC numerical control system. The controlled object is a rectangular, four shaft laser welding platform, by four sets of stepping motor and drive, the limit switch consists of the laser welding machine of CNC system.
This paper introduces laser welding machine numerical control of workbench hardware make system structure and the design of man-machine interface in windowXP under the environment of the development process, the function is basically could reach the requirements.
Keywords: laser welding machine; NC embedded PC ; open-architecture CNC system;
motion controller
目 錄
摘要 1
ABSTRACT 2
1.緒論 5
1.1 本課題研究的目的、意義 5
1.2 本課題研究的內(nèi)容 7
1.3 本課題研究的方法和手段 7
2.激光焊接機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 9
2.1 概述 9
2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊 9
2.3控制系統(tǒng)的主要前臺軟件設(shè)計 10
3.激光焊接機控制系統(tǒng)的硬件選型 10
3.1 激光焊接機控制系統(tǒng)的總體性能的要求 10
3.2 激光焊接機控制系統(tǒng)的硬件選型 11
3.2.1 電機系統(tǒng)的選擇 11
3.2.2 步進驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 13
3.2.3限位開關(guān)、原點開關(guān)選型 14
3.2.4 開關(guān)電壓的選型 14
3.3 主要元件列表 18
4.激光焊接機控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計 20
4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計 20
4.1.1主回路設(shè)計內(nèi)容： 20
4.1.2控制回路設(shè)計內(nèi)容 20
4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計： 21
4.3驅(qū)動器控制回路電氣設(shè)計 22
5.前臺軟件設(shè)計 23
5.1軟件平臺 23
5.1.1 操作系統(tǒng)平臺 23
5.1.2 軟件開發(fā)工具 23
5.2控制軟件的程序總體設(shè)計 23
5.2.1 控制軟件基于MFC的框架搭建 23
5.2.2 界面介紹 24
5.3 系統(tǒng)執(zhí)行機制介紹 27
6、 PRO/E的圖形自動編程軟件介紹 29
6.1 Pro/NC的加工規(guī)劃流程 29
6.2 Pro/NC的生成NC代碼過程剖析 30
7.設(shè)計總結(jié)及致謝 34
總結(jié) 34
致謝 35
參考文獻 36
附錄一 精敏步進驅(qū)動系統(tǒng)接線圖 37
附錄二 安裝端子接線圖 38
附錄三 電氣原理圖 40
附錄四 典型程序 41
1.緒論
1.1 本課題研究的目的、意義
隨著國家工業(yè)的迅猛發(fā)展，焊接技術(shù)越來越受到生產(chǎn)的需求，傳統(tǒng)的人工焊接已經(jīng)不能滿足工業(yè)的需求，一種現(xiàn)代的焊接方法—激光焊接孕育而生[1-3]。它具有不受磁場的影響，不局限于導電材料等優(yōu)點，受到很多制造者的青睞。激光焊接機的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛[4-6]，可以用于很多材料的焊接，碳鋼、低合金高強度鋼、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等都可以用激光進行焊接，因此可以涉及到航空航天、武器制造、船舶制造、汽車制造、壓力容器制造、民用及醫(yī)用、教學實驗等多個領(lǐng)域[7]。
另外隨著制造部門把自動化技術(shù)應(yīng)用到焊接過程,激光焊接和計算機數(shù)控工作臺控制的結(jié)合能夠更好更精確地控制焊接過程,很好地實現(xiàn)了激光焊接的自動化，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率[8-11]。激光焊接機的數(shù)控系統(tǒng)是激光焊接機的運動控制核心，即是實現(xiàn)自動化心臟。它的控制能力直接關(guān)系到激光焊接機的加工質(zhì)量與加工效率，對整個激光焊接機的性價比和市場競爭力都有著至關(guān)重要。但目前國產(chǎn)激光焊接機使用的數(shù)控系統(tǒng)在性能和價格上不能很好地統(tǒng)一，成為影響國產(chǎn)數(shù)控激光焊接機市場競爭力的制約因素之一[12-14]。為此，研究開發(fā)控制能力強，性價比高的激光焊接機具有巨大的空間，有著深遠的影響[15]。
本課題采用“高性能運動控制器”為核心研制開發(fā)激光焊接機數(shù)控工作臺實現(xiàn)了工作臺三軸的聯(lián)動，任意兩軸圓弧插補，2-3軸的直線插補，可以為用戶提供焊接帶有空間曲面的工件，如渦輪蝸桿、齒輪等零件。大大提高原來的控制系統(tǒng)的工作臺性價比和控制能力。
主要研究所能實現(xiàn)的目的體現(xiàn)在以下幾個方面:
1）、設(shè)計激光焊接機的硬件設(shè)備，包括X,Y,Z三個軸機械結(jié)構(gòu)。
2）、采用PCI總線連接控制卡，提高激光焊接機整體可靠性、穩(wěn)定性，降低成本，開發(fā)基于VC++軟件控制的激光焊接機控制系統(tǒng)，依靠和發(fā)揮軟件技術(shù)優(yōu)勢，提高系統(tǒng)性能。
3）、通過調(diào)用運動控制器的函數(shù)，可以實現(xiàn)高精度的任意三軸的直線插補，任意兩軸的圓弧插補，并提高了數(shù)控系統(tǒng)的插補運算速度和精度。
4）、友好的可視化windows人機界面，人機界面功能設(shè)計更為齊全，集中于一個VC多文檔的界面，操作更為簡單，邏輯更為準確。
1.2 本課題研究的內(nèi)容
本次設(shè)計內(nèi)容主要有從工程實踐出發(fā)，根據(jù)激光焊接機的要求，首先設(shè)計好激光運動控制平臺的硬件設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行深入研究，在數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件平臺的構(gòu)建、輸入數(shù)據(jù)處理、進給控制等方面進行研究;開發(fā)一套以PC機和運動控制器為核心的數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)控工作臺的運動控制，數(shù)控系統(tǒng)采用前后臺軟件結(jié)構(gòu)，前臺程序由運動控制器完成插補、伺服位置控制，后臺程序完成輸入、譯碼、數(shù)據(jù)處理及管理、診斷功能，整個軟件在Windows操作系統(tǒng)下用C++或Visual C++編制。聯(lián)接后臺軟件設(shè)計，合作完成整一部三軸聯(lián)動的數(shù)控控制激光焊接機。
1）、工作臺硬件體系結(jié)構(gòu)的搭建與分析、主要技術(shù)參數(shù)的確定與性能分析；
2）、電氣結(jié)構(gòu)圖，步進驅(qū)動器、限位信號與接口板連線圖的繪制與制作；
3）、運動控制器的研究與應(yīng)用；
4）、編寫用戶界面，實現(xiàn)文件管理、程序輸入、運動控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控任務(wù)；
5）、開發(fā)基于 pro/e的圖形自動編程軟件接口模塊。
1.3 本課題研究的方法和手段
本課題的研究方法和手段是理論設(shè)計與實際調(diào)式相結(jié)合。通過學習運動控制卡相關(guān)模塊的原理及使用方法、步進驅(qū)動系統(tǒng)的原理及控制方法、電路設(shè)計理論知識，進行電氣系統(tǒng)的硬件選型、設(shè)計電氣原理圖及接線圖，學習VC界面開發(fā)技術(shù)，開發(fā)出友好的可視化人界界面，最后與后臺軟件設(shè)計部分結(jié)合，形成完成一臺性價比高的激光焊接機工作臺的改造。
2.激光焊接機控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
2.1 概述
根據(jù)上網(wǎng)和在書上查閱資料，根據(jù)激光焊接時的運動軌跡，設(shè)計出了激光工作臺的機械結(jié)構(gòu)如圖2-1.本設(shè)計的激光工作臺有XYZ三個方向的自由度，這樣的工作臺不僅結(jié)構(gòu)簡單，容易維護，也能夠很好地保證運動精度。
圖2-1.激光焊接工作臺的機械結(jié)構(gòu)
在設(shè)計好了激光焊接機的機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，然后設(shè)計激光焊接工作臺的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本激光焊接機工作臺的控制系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上來看主要是由硬件和軟件兩大部分組成。硬件方面采用結(jié)構(gòu)有計算機主機，鍵盤，鼠標，運動控制卡，步進驅(qū)動器，步進電機，限位開關(guān)，直線運動模塊，原點開關(guān)，直流開關(guān)電源，單相變壓器等組成。軟件部分主要是以windows操作系統(tǒng)為平臺，開發(fā)系統(tǒng)所需要的運動驅(qū)動函數(shù)和各種應(yīng)用程序。一般典型的pc的運動控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng)如下圖2-2：
圖2-2典型的基于pc的運動控制卡的數(shù)控硬件系統(tǒng)
2.2控制系統(tǒng)的主要硬件模塊
1）、計算機主機：作為控制系統(tǒng)的核心，包括CPU芯片以及外圍芯片，電子盤、通訊接口、軟硬驅(qū)動接口。他的主要作用是對于系統(tǒng)的任務(wù)進行調(diào)度，完成處理控制系統(tǒng)所發(fā)出的指令。根據(jù)指令向其他功能模塊發(fā)送命令、傳送數(shù)據(jù)，響應(yīng)用戶的操作指令。
2）、運動控制卡：用高性能微處理器（如 DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。
3）、鍵盤和顯示器：兩者構(gòu)成人機對話窗口，用于輸入和顯示系統(tǒng)參數(shù)運行情況等
4）、限位和原點開關(guān)：用于工作臺的超程和原點控制。一般作為輸入信號，返回一個信號給運動控制卡，通過調(diào)用程序達到限位或停止功能。
5）、驅(qū)動器:接收運動控制卡發(fā)出的脈沖和方向信號,再把信號發(fā)給電機。
6）、電機：主要用于運動的控制，實現(xiàn)各種運動軌跡。
2.3控制系統(tǒng)的主要前臺軟件設(shè)計
1）、友好的人機界面：本界面是模仿法拉克系統(tǒng)的數(shù)控操作的的界面，布局合理美觀，模塊結(jié)構(gòu)清晰，使用者可以在一個界面內(nèi)完成所有的數(shù)控操作。
2）、文件管理功能：系統(tǒng)能夠自動識別和打開*cnc文件，識別后導入編輯的對話框里面，編輯對話框具有檢測合法字符，操作符，語法等功能。因此，系統(tǒng)支持在電腦加載復(fù)雜的程序。
3）、程序輸入：界面的編輯框還有直接在系統(tǒng)輸入，編輯，更改程序的功能，編輯框右邊提供使用者編輯按鈕，按鈕有自動識別字母輸入還是數(shù)字輸入的功能。
4）、狀態(tài)顯示：當系統(tǒng)處于運行狀態(tài)的時候，界面可以顯示對工作臺的坐標顯示更新以及按鍵被選中的時候狀態(tài)顯示，提示超程等。
3.激光焊接機控制系統(tǒng)的硬件選型
3.1 激光焊接機控制系統(tǒng)的總體性能的要求
激光工作臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計相對典型，XY軸主要是控制XOY平面運動，Z軸是控制激光的運動，主要用于刀補形式。XYZ都是通過絲桿把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)為直線運動。機床的機械原點我們擬定為：XY軸的負限位開關(guān)，Z軸的正限位開關(guān)。
在理想的情況下，我們希望控制系統(tǒng)的控制量能夠嚴格地按照所發(fā)出的指令到達所需要的量，不存在誤差，不受到任何干擾的影響。然而，由于系統(tǒng)本身的各種原因如：系統(tǒng)零件的裝配精度，在運動時存在著慣量，芯片的響應(yīng)時間等等使得系統(tǒng)從一個狀態(tài)變更到另一個狀態(tài)時（例如突然加速然后減速）很難達到理想中的運動完全一樣。因此在硬件選型的時候和軟件設(shè)計的時候?qū)σ韵氯矫嫣岢隽艘螅?
要滿足這三個方面的要求,硬件必須達到一定的特性要求,下面介紹一下硬件的選型情況:
1)響應(yīng)快速:快速響應(yīng)是控制系統(tǒng)的重要的要求,在運行中的機床,從一個狀態(tài)走向另一個狀態(tài)時,要求狀態(tài)過渡時間反應(yīng)時間短,系統(tǒng)的上升的斜率和下降的斜率相對大。盡量避免系統(tǒng)的響應(yīng)遲鈍，如果反映時間太長，將難于達到對系統(tǒng)的要求[16-17]。盡量減少系統(tǒng)的阻尼，設(shè)計中應(yīng)該注意的問題。
2）穩(wěn)定性好：激光焊接機經(jīng)常會遇到空間曲面的使用場景，數(shù)控工作臺能否正確穩(wěn)定的執(zhí)行指令，在一個狀態(tài)回到另一個狀態(tài)的穩(wěn)定性，影響到系統(tǒng)加工的質(zhì)量。所以數(shù)控工作臺在系統(tǒng)給定的輸入是外部干擾的作用下，系統(tǒng)能夠準確的執(zhí)行發(fā)出命令的同時能夠在短時間內(nèi)達到系統(tǒng)的新的平衡或者回復(fù)到原來的平衡的狀態(tài)的能力，即穩(wěn)定性，是對控制系統(tǒng)的重要衡量。
3)控制精度高：本控制系統(tǒng)工作臺要求任意兩軸圓弧插補，兩軸直線插補，來達到平面或空間曲面的焊接，有一定的精度要求。這里所說的控制精度是指系統(tǒng)的輸出和輸入的目標值的吻合程度，也叫存在的誤差大小。在滿足控制精度高于機床精度的時候，在控制的過程中，這個誤差需要控制的越小越好[18-19]?？刂凭雀叩臋C床，可以很好地實現(xiàn)你所設(shè)計的圖紙的要求，對加工的產(chǎn)品是非常重要的。一般情況下由于系統(tǒng)中機械零部件的種種裝配過程中存在著一些誤差，以及在使用的過程中存在著一點磨損，還有環(huán)境溫度的變化等的影響都會造成控制精度降低。
3.2 激光焊接機控制系統(tǒng)的硬件選型
3.2.1 電機系統(tǒng)的選擇
在中高精度的控制應(yīng)用方面，很多用步進電機和伺服電機。兩種電機的具體性能我們可以通過下列表3-1格進行對比：
表3-1 伺服電機與步進電機的性能對比
使用性能
伺服電機
步進電機
調(diào)速范圍
較寬
較窄
控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
較為復(fù)雜
較為簡單
控制精度
交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證，一般能達到0.036°
兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°、 1.8°
低頻特性
運行平穩(wěn)，低速也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象
在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。
過載能力
較強，可用于克服在瞬間啟動的慣性
一般不具有過載能力
矩頻特性
輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降
運行性能
為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。
響應(yīng)性能
較快
一般
成本
高
低
本工作臺基于運動控制卡控制的三軸聯(lián)動的運動，實現(xiàn)三軸直線插補，任意兩軸圓弧插補，行程為X/Y軸的為400mm，Z軸為400mm，的負載（工件+工作臺）擬定為5kg，精度為0.01，屬于中等偏高。擬定的工作臺轉(zhuǎn)動的絲桿為NR12MN2VON-320螺距為5mm，公稱直徑為24mm。綜合上述以及步進電機和伺服電機的性價比對比，可選擇步進電機來控制，步進電機的最大優(yōu)點是價格相對伺服電機便宜很多，能夠精確定位，另外還有電路簡單、容易與微型計算機聯(lián)接、停止時有保持轉(zhuǎn)矩、維護方便等優(yōu)點。
X Y 軸所選型號為：SSTS59D1201;
Z軸所選的型號為：42BYG250B；
1）X Y 軸的電機主要負責工作臺的軌跡的運動，用的相對頻繁，所以對SST59D1201的信濃電機要求相對比較高，也就是說，信濃電機的性價比相對高，使用頻率高而沒有明顯的誤差。
市場上信濃電機的特點優(yōu)點：
1）、控制精度較高
2）、低速是不易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象
3）、不易出現(xiàn)高頻使用時的丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象
4）、使用時噪聲低，平穩(wěn)，準確等
5）、速度響應(yīng)性能較好
SST59D1201型號的信濃電機：具體參數(shù)如下表3-2：
表2-2 信濃電機性能列表
步距角度
1.8度/step
額定電壓
24v
額定電流
2.8A
保持力矩
880mN-m
轉(zhuǎn)動慣量
145g/cm3
最高轉(zhuǎn)速
300r/min
自重
0.51kg
電機校核：根據(jù)工作臺需要，主要從運動學，動力學，轉(zhuǎn)動慣量，靜力矩等方面來校核：
1）速度校核：工作臺一般啟動時或停止時不能馬上達到穩(wěn)定想要的速度，一般情況下需要一個加速的階段。設(shè)加速時間為0.2s(步進電機一般加速時間為0.1~1秒)。則加減速共0.4s?？梢园鸭訙p速階段看成是勻加速，則加減速的平均速度約等于最大速度的一半：
故有L=1.6*Vmax+0.4*Vmax/2=0.4m;得Vmax=0.22m/s 步進電機做高轉(zhuǎn)速為300r/min（5r/s） ，絲桿導程為5mm，所以最高速度為：0.25m/s>0.22m/s,符合條件。而且在實際情況下，加速時速度曲線是一條s曲線，加速的時間會相應(yīng)的更長一點，計算的實際Vmax會更小一點。
2） 靜力矩校核：在加減速的時候，電機受力較大，設(shè)此時轉(zhuǎn)化在電機的力為F，則：F=ma+f;( ma為慣性力，f為勻速時需要的推力)
a≈Vmax/0.2=0.11m/s2, M=5kg, f=mgcot75°（75°為絲桿的螺旋角）
代入公式得：F≈23.4N，則轉(zhuǎn)化在電機的力矩M=F*D/2(D為24mm,絲桿的公稱直徑)，代入公式得：M=281mN*m,考慮到導軌和滑塊的裝配誤差造成的摩擦以及轉(zhuǎn)動慣量等因素，所以取安全系數(shù)為3，則M=843 mN-m<880 mN-m,即電機保持力矩符合要求。
3）轉(zhuǎn)動慣量校核：折算在電機上的轉(zhuǎn)動慣量為Jt≈Jm；（Js為絲桿慣量，Jm為工作臺及負載的慣量），Js=Jm=(m/980)*(p/2π)2 *1000=0.03g-cm3 可以忽略。所以電機符合要求。
2）Z軸的電機主要是控制激光的軌跡，在豎直的方向上移動，配合其他軸工作臺的軌跡運動，主要是面對加工時對不同位置的焊接所需要的軌跡變換。其基本不用受力，并且頻繁改變運動的軌跡使用少，所以可以任選步進電機，這里選用的型號42BYG250B，其技術(shù)特點如下：
1）、絕緣電阻——500VDC 100MΩ Min
2）、軸向間隙——0.08mm
3）、徑向跳動——0.02mm Max
4）、溫 升——65K Max
5）、絕緣強度——500V AC 1Minute
6）、環(huán)境溫度—— -20℃ ～ +50℃
7）、絕緣等級——B 級
8）、步距角精度: 1.8°±0.09°；
9）、最大空載起動頻率: ≥2000pps[20]；
3.2.2 步進驅(qū)動系統(tǒng)的選擇
目前國內(nèi)市場的步進驅(qū)動系統(tǒng)可大致分為歐系、日系及國產(chǎn)三類?？傮w上來說，歐系日系的驅(qū)動器性能比較好，價格較貴。國產(chǎn)驅(qū)動器在近年來也發(fā)展迅猛，在性能上，使用壽命都有了很高的提高。一般情況下選擇驅(qū)動器要符合響應(yīng)快（能夠支持頻繁的啟停），調(diào)速寬，負載特性好等特點。本工作臺根據(jù)步進電機的需要，性價比的考慮上，選擇國產(chǎn)的精敏系列的H2MD型號的步進驅(qū)動器。JMDM-H2MD是深圳市精敏數(shù)字機器有限公司自主研發(fā)的一款高精度多細分步，專門為銘粵激光機進用的電機驅(qū)動器[21]。如圖3-1所示：
圖3-1 靜敏H2MD驅(qū)動器
從圖中可以很清晰看到該驅(qū)動器的接口大概分為三個模塊：
1) 電源模塊
2) 步進電機模塊（兩相四線）
3) 脈沖模塊
使用功能上基本上符合了了步進電機的需要。
H2MD M403驅(qū)動器的具體的性能校核：
1） 驅(qū)動器可以提供直流電壓20v~40v，步進電機的額定電壓24v，滿足。
2） 驅(qū)動器最大驅(qū)動電流3A/相，步進電機的額定電流為2.8A,滿足。
3） 驅(qū)動器最大細分數(shù)為25細分，精度達1/（25*絲桿導程）=0.008<機床精度0.01，滿足精度要求。
4） 驅(qū)動器輸入脈沖頻率最大400KHz，大于電機轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖是360°/1.8°*25=5KHz,滿足要求。
5） 驅(qū)動器所有控制信號光電隔離，可以有效減少對電機的干擾。
6） 驅(qū)動器有自我保護功能，當電壓過大或接入電壓的方式不對，紅燈會亮起來。
3.2.3限位開關(guān)、原點開關(guān)選型
限位和原點開關(guān)用于工作臺的超程和原點控制。限位開關(guān)由開關(guān)接點開、合狀態(tài)的改變作為運動控制卡的輸入信號，去控制電路。原點信號開關(guān)是接近開關(guān),它由振蕩器和整形放大器組成振蕩器起振后在開關(guān)的感應(yīng)頭上產(chǎn)生一個交變的磁場,當金屬體接近感應(yīng)區(qū)時，在金屬體內(nèi)產(chǎn)生了渦流,從而吸收了振蕩的能量,使振蕩幅度減弱以至于停振使接近開關(guān)達到反轉(zhuǎn)的目的,由整形放大器換成二進制的開關(guān)信號,經(jīng)功率放大后輸出，從而達到檢測的目的。本工作臺將的限位信號選為帶滑輪的限位開關(guān) RS-5GL，原電開關(guān)選為歐姆龍接近開關(guān)T-W1R5MCI。各自的性能如下表3-3：
表3-3 限位開關(guān)和原電開關(guān)的性能
RS-5GL
限位開關(guān)
1、允許動作頻率:機械性:60次/min???
2、:壽命:機械壽命:300萬次以上???
TL-W1R5MCI
原點接近開關(guān)
1、檢測的距離：?1.5mm±10%
2、檢測物體：?磁性金屬（非磁性金屬會降低檢測距離。
3、工作電壓：10~30VDC 電流15mA
4、環(huán)境溫度：工作時、保存時：各－25～＋70℃
5、響應(yīng)頻率：1kHz以上
6、輸出方式：NPN三線常閉
7、輸出電流：300mA
8、外殼材料：金屬銅/塑料[22]
本工作臺焊接的材料一般是尺寸較小的工件，一般情況下很少出現(xiàn)超程，所以限位開關(guān)機械60次/min，滿足需求。原電開關(guān)檢測的距離：1.5mm±10%，可以在一定的范圍前給板卡反饋一個信號，這樣可以有效控制原點誤差。工作電壓可以選擇為DC10~30v，可以跟板卡的電壓統(tǒng)一，方便同用一個電壓。
3.2.4 開關(guān)電壓的選型
開關(guān)電源不僅需為本系統(tǒng)的直流電氣元件提供穩(wěn)定直流24V電源，而且需要有足夠的功率供給。所以開關(guān)直流電壓有兩個非常重要的參數(shù)：電壓和功率。為了更好地實現(xiàn)電源隔離，以及防止互相干擾，根據(jù)設(shè)計的需要，需要兩個能夠提供直流穩(wěn)壓電源。一個是提供驅(qū)動系統(tǒng)用的，給驅(qū)動器和電機供電的，另外一個是給運動控制卡供電的供電，提供輸入輸出點的電流電壓，以及內(nèi)部的電壓需求。
1） 運動控制卡的功率
主要是輸入輸出的消耗功率：
輸入功率主要是限位開關(guān)和原電開關(guān)的功率：
W=24*0.18*6+24*0.08*4=30.72w我們可以選擇大一點的功率的電源，因此可以選用NES-50-24型號的直流開關(guān)電源
2）驅(qū)動系統(tǒng)電源設(shè)計
使用兩個單相變壓器28v 50w的，即總功率100w。平均每兩個驅(qū)動器共用一個直流開關(guān)電源。三個電機的功率=2πnM/60*3=83w 所以總功率100w夠用。
3.2.5 運動控制卡的選型
運動控制卡是基于總線，利用高性能微處理器（DSP）及大規(guī)?？删幊唐骷崿F(xiàn)多個伺服電機的多軸協(xié)調(diào)控制的一種高性能的步進/伺服電機運動控制卡，包括脈沖輸出、脈沖計數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過改變發(fā)出脈沖的頻率來控制電機的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來控制電機的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。脈沖計數(shù)可用于編碼器的位置反饋，提供機器準確的位置，糾正傳動過程中產(chǎn)生的誤差。數(shù)字輸入/輸出點可用于語限位、原點開關(guān)等。數(shù)控系統(tǒng)中常見的運動控制器有三種類型：
1）、多軸專用的運動控制器：為特殊領(lǐng)域開發(fā)的控制器，能夠控制復(fù)雜的運動軌跡，但移植性差，升級維護難。
2）、基于pc的運動控制器：NC嵌入PC是當今運動控制發(fā)展的一種潮流，它具有很多顯著的優(yōu)勢：
（a）具有良好的開放性，方便系統(tǒng)的升級、拓展和維護。
（b）運動控制卡里面提供豐富的功能函數(shù)，方便設(shè)計者開發(fā)出高效率的運動控制系統(tǒng)，是一種專注于軟件管理和機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的高效率的運動控制方式
（c）可以同時控制多個電機的運動，包括電機的速度、角速度等
（d）基于PCI總線，可以提高控制系統(tǒng)處理指令的速度。
3）、可編程控制器：它通常要實現(xiàn)一些邏輯控制功能。能夠?qū)Χ喾N工業(yè)設(shè)備和整個自動化系統(tǒng)進行控制。PLC通常采用梯形圖編程，開發(fā)容易可以與人機界面進行通訊，由于PLC循環(huán)掃描會受到時間限制，一般不會應(yīng)用到復(fù)雜的運動軌跡里面去[23]。
本工作臺是要實現(xiàn)任意三軸直線插補，任意兩軸圓弧插補等功能，運動軌跡相對復(fù)雜，焊接過程會遇到平面或空間曲面，相對來說對運動控制器的要求比較大。所以我們選擇第二種類型的運動控制卡，即基于PC的運動控制卡，“NC嵌入PC”的模式進行開放數(shù)控系統(tǒng)的二次開發(fā)。典型的基于PC的運動控制卡的應(yīng)用如下圖3-2：
圖3-2 運動控制卡+工作臺的典型應(yīng)用
至于選型方面，參考方面主要來自國外與國內(nèi)兩大部分。國外的主要有PMCA等占有很大的市場，國內(nèi)也有很多控制卡的廠商，技術(shù)日趨成熟，性價比越來越高。如深圳固高，深圳力宇科技、深圳雷賽、深圳眾為興、北京科瑞等每個品牌的產(chǎn)品都各具特色，在國內(nèi)市場上有一定的份額，選擇類型的依據(jù)主要由以下的幾點：
1）產(chǎn)品所能實現(xiàn)的功能及硬件使用手冊上介紹的性能的特點介紹進行對比。
2）市場上顧客對產(chǎn)品的評價以及對方工程師與自己的產(chǎn)品闡述優(yōu)略點以及和其他公司的產(chǎn)品的對比。
3）銷售工程師及技術(shù)工程師的服務(wù)態(tài)度，即售后服務(wù)。
4）市場上的價格對比。
依靠著幾點，最后我們選擇了深圳眾為興股份有限公司的ADT-8948A1運動控制卡。下面介紹一下ADT-8948A1運動控制卡。
ADT-8948A1是一款基于PCI總線的高性能四軸伺服/步進運動控制卡，一個系統(tǒng)中最多可使用多達16塊控制卡，可同時控制64路伺服/步進電機，支持即插即用，具有位置可變環(huán)形功能，在運動過程中可實時改變速度和目標位置，可使用連續(xù)插補等先進功能。如圖3-3:
圖3-3 ADT-8948A1
ADT8948A1大概分以下的模塊功能：
1）電源模塊（外部輸入24V 內(nèi)部轉(zhuǎn)換12V）
2）數(shù)字輸入輸出模塊（限位信號，狀態(tài)顯示等）
3）脈沖模塊（提供步進/驅(qū)動器的脈沖、方向接口等）
4）編碼器信號模塊
5）手輪模塊
6）伺服接口（報警等）
結(jié)合前面的步進電機和驅(qū)動器的選型情況，本工作臺的使用情況大概如下圖3-4：
圖3-4 數(shù)控工作臺硬件搭建框圖
主要性能如下：
l 32位PCI總線，即插即用
l 4軸伺服/步進電機控制，每軸可獨立控制，互不影響
l 脈沖輸出的頻率誤差小于0.1%
l 最大脈沖輸出頻率為4MHz
l 脈沖輸出可用單脈沖（脈沖+方向）或雙脈沖（脈沖+脈沖）方式
l 4軸均有位置反饋輸入，32位計數(shù)，最大計數(shù)范圍 -2,147,483,648~+2,147,483,647
l 直線或S曲線加/減速
l 非對稱直線加/減速
l 任意2-3軸直線插補
l 任意2軸圓弧插補
l 可用連續(xù)插補功能，最大驅(qū)動速度2MHz
l 每軸都有2 個32位比較寄存器，用于邏輯位置計數(shù)器或者實際位置計數(shù)器的位置大小比較，可用于軟件限位
l 可接收伺服馬達驅(qū)動器的各種信號，如編碼器Z相信號、到位信號、報警信號等
l 每軸有3個STOP信號，可用于原點搜尋、編碼器Z相搜尋
l 運動中可實時改變速度和目標位置
l 運動中可以實時讀出邏輯位置、實際位置、驅(qū)動速度、加速度、驅(qū)動狀態(tài)
l 位置計數(shù)器具有可變環(huán)形功能，邏輯位置計數(shù)器及實位數(shù)器是32位長的上/下環(huán)形計數(shù)器
l 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號外均可作為通用I/O使用，數(shù)字輸出可用于伺服開啟，伺服報警復(fù)位等信號
l 每一個輸入信號的輸入端都裝備積分型的濾波器，可以設(shè)定哪一個輸入信號的濾波器功能變?yōu)橛行Щ驘o效，濾波器的時間常數(shù)從8個種類里可以選擇1個
l 可以使用固定線速度模式
l 多種方式的自動回原點功能
l 外部信號觸發(fā)的位置鎖存功能
l 外部信號觸發(fā)的同步運動功能
l 外部信號觸發(fā)的同步停止功能
l 指定位置同步運動功能
l 指定位置同步停止功能
l 手輪和外部信號操作功能
l 步進插補功能
l 支持在一個系統(tǒng)中使用多達16個控制卡
支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)[24]
可以對比一下我們的需求和產(chǎn)品:
1）最大脈沖輸出頻率為4MHz,可以計算我們可控制的最大速度:
Vmax=4MHz/(200*25)*5mm=4m/s 這個速度可以遠遠超出我們所期待的值。一般情況下，工作臺的速度能達到0.25m/s就可以了。
1） 直線或S曲線加/減速：這樣在一個瞬變的狀態(tài)中的時候，可以起到一個緩沖過渡的作用。這也是可以有助于提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。
2） 任意2-3軸直線插補，兩軸圓弧插補：可以實現(xiàn)工作臺的各種軌跡，即可以焊接各種復(fù)雜的工件的曲面。
3） 支持DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE等操作系統(tǒng)，提供豐富的庫函數(shù)，可以節(jié)約開發(fā)周期，也有助于利用VC、Labeview開發(fā)可視化的友好界面。
4） 每軸有8入8出數(shù)字I/O，除2限位信號外均可作為通用I/O使用。我們可以通過I/O借口，可以接入多種信號，完善控制系統(tǒng)的功能。例如限位信號，原點信號等。
5）運動中可以實時讀出邏輯位置、實際位置、驅(qū)動速度、加速度、驅(qū)動狀態(tài)。利用這點可以對系統(tǒng)實時的監(jiān)控，有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
總的來說，ADT-8948A1運動控制卡的性價比能夠滿足我們的要求。
3.3 主要元件列表
根據(jù)以上的硬件選型，列出下面的物料清單，如下表3-4
表3-4物料清單
名稱
型號
數(shù)量
備注
電腦
聯(lián)想
1（套）
運動控制卡
ADT-8948A1
一張（包含配套設(shè)施）
眾為興公司的
驅(qū)動器
H2MD-M403
3（臺）
精敏公司
步進電機1
SST59D1201
2（臺）
信濃電機
步進電機2
42BYG250B
1（臺）
森創(chuàng)電機
限位開關(guān)
RS-5GL5A
4（個）
帶滑輪
原點磁性開關(guān)
TL-W1R5MCI
1（個）
歐姆龍
開關(guān)電源
NES-50-24
1（個）
提供板卡用的
變壓器
CELVD07-2296
2（個）
28V 50W提供驅(qū)動器和電機的
急停開關(guān)
LAY50-16A-11Z
1（個）
導軌絲桿
NR12MN2VON-320
3（根）
導程為5mm
4.激光焊接機控制系統(tǒng)的電氣設(shè)計
4.1控制系統(tǒng)的主回路設(shè)計
4.1.1主回路設(shè)計內(nèi)容：
在電氣控制系統(tǒng)中，習慣將高壓、大電流的回路成為主回路。常見的控制系中，主回路系統(tǒng)通常包括以下部分：
1） 電機主回路。包裹電機的通斷控制的接觸器和電機保護用的斷路器。
2） 各種驅(qū)動裝置電源回路和動力回路。
3） 各種控制變壓器的初級輸入回路。包括通斷控制的接觸器、保護斷路器等。
4） 用于供給控制系統(tǒng)的各部分的電源輸入和控制回路，包括電源變壓器、整流器，穩(wěn)壓器等[25]。
本工作臺的主控制電路設(shè)計主要是由兩部分組成,一部分是運動控制卡的供電,另一部分是驅(qū)動器和步進電機方面的供電?？傮w上來說,用電功率不大，設(shè)計用單相電壓220v的。其中經(jīng)過變換，運動控制卡的電壓時24v ，50w的主要用于數(shù)字輸入輸出的需求。電機使用的是兩個單相變壓器28v 50w的。如圖4-1所示：
圖4-1 主電路圖
4.1.2控制回路設(shè)計內(nèi)容
控制系統(tǒng)的控制回路是由繼電器，接觸器等低壓電器構(gòu)成的強電控制回路，在常見的控制系統(tǒng)中控制回路通常包裹AC220V與DC24v兩類。由于本工作臺這里由于驅(qū)動功率原因還用到了DC28V的電源。在本數(shù)控工作臺中，控制回路的設(shè)計主要是數(shù)字輸入輸出的設(shè)計以及驅(qū)動器控制回路的設(shè)計。本工作臺的控制回路模塊如下圖4-2：
圖4-2 電氣原理圖
4.2數(shù)字輸入輸出的設(shè)計：
來自激光焊接系統(tǒng)中或者操作面板的輸入大多數(shù)是屬于開關(guān)量，包括各種按鈕，行程開關(guān)，接觸器，傳感器的檢測輸入等，輸入信號一般是可以直接由板卡的I入口連接，經(jīng)過內(nèi)部的接口電路轉(zhuǎn)換后變成板卡的輸入信號。列表4-1是本數(shù)控工作臺的輸入/輸出點設(shè)計：
表4-1 輸入輸出信號設(shè)計
輸入點針腳號
對應(yīng)的I/O信號
功能注釋
20
XLMT-
X軸反向脈沖
21
XLMT+
X軸正向脈沖
22
XSTOP0
X停止信號
26
YLMT-
Y軸反向脈沖
27
YLMT+
Y軸正向脈沖
29
YSTOP0
Y停止信號
33
ZLMT-
Z軸反向脈沖
34
ZLMT+
Z軸正向脈沖
35
ZSTOP0
Z停止信號
40
ALMT-
A軸反向脈沖
41
ALMT+
A軸正向脈沖
42
ASTOP0
A停止信號
46
OUT0
X軸狀態(tài)指示燈
47
OUT1
Y軸狀態(tài)指示燈
48
OUT2
Z軸狀態(tài)指示燈
49
OUT3
A軸狀態(tài)指示燈
數(shù)字輸出接線圖的原理圖如圖4-3所示
圖4-3 數(shù)字輸出信號接線原理圖
4.3驅(qū)動器控制回路電氣設(shè)計
驅(qū)動器根據(jù)工作臺的選型，選擇的是H2MD-M403的步進驅(qū)動器，根據(jù)上面的選型介紹驅(qū)動器一共有三個模塊，電源模塊接的是28v 50w的單相變壓器。脈沖采用差分連接（減少干擾），連接運動控制卡的PU+ 、PU+、DR+/DR-，電機模塊接步進電機，如圖4-5
圖4-5：驅(qū)動器電氣原理圖
5.前臺軟件設(shè)計
本工作臺前臺軟件的設(shè)計主要是編寫用戶界面，實現(xiàn)文件管理、程序輸入、運動控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。結(jié)合運動控制卡，可以選擇提供DOS、WINDOWS95/98/NT/2000/XP、WINCE開發(fā)庫，可用VC++、VB、BC++、C++builder、LabVIEW、Delphi等進行軟件開發(fā)。
5.1軟件平臺
5.1.1 操作系統(tǒng)平臺
操作系統(tǒng)平臺既是該型激光焊接機控制軟件的開發(fā)環(huán)境，又是它的運行環(huán)境，它不僅影響到軟件開發(fā)的難易程度，而且直接關(guān)系到數(shù)控系統(tǒng)的性能及它的應(yīng)用范圍。本系統(tǒng)選用WindowsXP作為軟件開發(fā)平臺，主要是出于以下幾點考慮:
1）WindowsXP操作系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域十分普及，應(yīng)用廣泛;
2）Windows舒的兼容性比 Windows98/NT/2000要好，系統(tǒng)限制較少;
3）WindowsXP支持的開發(fā)工具及幫助系統(tǒng)十分豐富;
4）Windows的界面制作方便，人機交互性好。
5.1.2 軟件開發(fā)工具
本系統(tǒng)選用Visua1C++6.0，在這么多編程語言中選擇VC進行系統(tǒng)開發(fā)，這是因為:
1）VC功能十分強大，能勝任各種Windows應(yīng)用程序的開發(fā);
2）VC在編寫面向底層的應(yīng)用程序方面最為合適，特別適用于端口操作;
3）相對于其它可視化工具，VC編譯后得到的可執(zhí)行文件運行效率更高;
4）VC十分靈活，易于處理程序細節(jié)問題，能夠訂制個性化的界面;
5）VC易于與其它語言(特別是匯編語言)混合編程[26]
6）ADT-8948A1運動控制卡的本身提供了豐富的用戶VC開放的函數(shù)，可以直接調(diào)用，實現(xiàn)二次開發(fā)，節(jié)省開發(fā)周期。
5.2控制軟件的程序總體設(shè)計
5.2.1 控制軟件基于MFC的框架搭建
本程序建立一個VC的MFC MDI多文檔應(yīng)用程序，它是一個紡織windowsAPI的面向?qū)ο蟀b的C++的類庫，大概封裝了多個類，直接提供給我們調(diào)用。MFC本身也是一個應(yīng)用程序的框架，在其的基礎(chǔ)上增加自己想要的函數(shù)來達到想要的結(jié)果。設(shè)計思想一般是先在Resource View里面利用控件創(chuàng)建出自己會使用到的對話框或其他資源，然后在ClassView編寫在資源里面建立新的類，在這個類中調(diào)用或者編寫自己的函數(shù)來達到效果。VC面向?qū)ο笤O(shè)計的思想，也為復(fù)雜的程序省略了上萬行的程序代碼，非常方便。但是本數(shù)控工作臺系統(tǒng)十分復(fù)雜，之間存在的邏輯關(guān)系比較多，所以本系統(tǒng)的建立是基于MDI多文檔界面設(shè)計，設(shè)計思路如下圖5-1
圖5-1 前臺軟件設(shè)計思路
設(shè)計界面，并且要實現(xiàn)其中的功能，是相對復(fù)雜的。所以把它模塊化，系統(tǒng)化?？偟乃悸肥菑暮唵蔚綇?fù)雜，從界面顯示到邏輯關(guān)系完善。在設(shè)計之前，前臺和后臺要有一個很清晰的項目功能了解，然后才能規(guī)劃處數(shù)控系統(tǒng)的功能模塊。分析完工作臺要實現(xiàn)的功能模塊，決定模仿fanuc omd四軸銑床數(shù)控系統(tǒng)的界面，界面分塊清晰，美觀。我們要實現(xiàn)的功能跟其的差不多，接下里就是程序設(shè)計，利用VC設(shè)計界面，對象性比較強，分析后可以知道大概需要的VC的resource需求，然后在每個dialog里面添加類和變量、函數(shù)等。每一個dialog初始化以及它們彈出的方式和時間都會用到實現(xiàn)各種功能的類，要在這些人家已經(jīng)編好的類中進行和對話框配合，進行二次開發(fā)，是本工作臺的難點，首先要了解功能類的里面的方法的用法，必要時還要在各種方法中編輯改造，才能達到界面的效果。界面彈出來之后，就是要實現(xiàn)每個按鍵和對話框的功能，根據(jù)系統(tǒng)的功能的需求，添加之間的邏輯關(guān)系。這一點是前臺軟件設(shè)計的最難的地方，經(jīng)常遇到程序編譯通過，卻運行不通過的情況。只要在各種功能實現(xiàn)了，才可以在界面整個系統(tǒng)做一點完善性的修改，例如，可以再工具欄里面添加經(jīng)常使用到的功能按鈕，在菜單欄添加一下網(wǎng)頁打開的按鈕以及一些系統(tǒng)介紹對話框等。
5.2.2 界面介紹
本界面主題思想是仿造法拉克數(shù)控系統(tǒng)形狀的，一共使用了43個大類，函數(shù)200多個，資源添加也有100多個，是一個邏輯性非常強的界面設(shè)計，函數(shù)與函數(shù)之間存在的邏輯關(guān)系是比較復(fù)雜的，但是開發(fā)出來的效果還是比較友好，功能比較齊全，方便使用者的操作，可以在一個界面完成全部數(shù)控的操作。如圖5-2所示：
圖5-2 數(shù)控工作臺操作界面
兩大模塊主要是數(shù)控系統(tǒng)操作模塊和操作面板模塊如下圖：
1）數(shù)控系統(tǒng)操作面板如圖5-3：
圖5-3數(shù)控系統(tǒng)操作面板
功能模塊介紹如下圖5-4
圖5-4 數(shù)控操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：數(shù)控系統(tǒng)操作面板大體可以分四個模塊：顯示面板、輸入面板、編輯面板、模式選擇面板。顯示面板可以根據(jù)消息響應(yīng)的不同，顯示不同的對話框，里面一共有8個對話框，分別是絕對坐標、相對坐標（RelPosDlg）、綜合坐標（AllPos）、程序內(nèi)部輸入（SinPrgDlg）、程序登記（PrgLibDlg）、程序外部輸入（MdiDlg）、工件坐標1（WorkCoondOne）、工件坐標2（WorkCoondTWo）。模式選擇面板一共有三種模式選擇，分別是POS、PROGRM、MENU。這八個對話框與模式選擇模塊息息相關(guān)，每一個模式都對應(yīng)幾個的對話框。POS按鍵消息響應(yīng)時，顯示面板會自動加載坐標顯示的三種模式供選擇。PROGRM按鍵消息對應(yīng)的是三個程序編輯的對話框。MENU按鍵消息對應(yīng)的是工件坐標的對話框。輸入面板主要是輸入代碼時，調(diào)用NumLetterInput（）函數(shù)，自動選擇輸入的是字母還是數(shù)字。編輯面板一般都是刪除（can）、Inset（插入）等幾個編輯代碼時使用到，一般跟著光標顯示位置進行信息捕捉，例如can鍵消息響應(yīng)時，調(diào)用SetSel(0,-1)，表示從頭到尾刪除。
2）操作面板
如圖5-5
圖5-5 操作面板
功能模塊如下圖5-6：
圖5-6 操作面板模塊
功能模塊及程序類分析：操作面板大體可以分四個模塊：位置移動（OnBtX等）、程序執(zhí)行模塊、模式選擇模塊、A軸開啟/速度模塊。操作面板是配合數(shù)控系統(tǒng)操作面板的來運行的，其中模式選擇模塊有六種枚舉變量，當按鍵選擇其中一種時，該按鍵會獲取LoadBitmap（）函數(shù)，來獲取亮燈（buttondown）圖片，而其他均為按鍵均為灰色，選擇其中一個變量，得到的響應(yīng)消息以及調(diào)用的函數(shù)不同，當選擇AUTO、EDIT、MDI時，按鍵消息會映射到數(shù)控系統(tǒng)操作面板的模式選擇模塊，進行編程。當選擇HOME 、JOG、JOGING時，按鍵消息會映射到數(shù)控操作系統(tǒng)的POS模塊以及位置移動模塊，當移動模塊工作時，即X、Y、Z、A軸移動按鍵響應(yīng)時，POS加載的三個坐標顯示面板會獲取移動的信號，實現(xiàn)更新顯示。而移動坐標軸主要由兩種形式JOG和JOGING形式，分別調(diào)用OnBtJog()和OnBtJogIng() 函數(shù)。A軸的開啟/調(diào)速模塊主要是A軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。執(zhí)行程序模塊主要是當枚舉變量選中AUTO或MDI格式的時候才能執(zhí)行以下的模塊，如單條程序、空走，自動循環(huán)等。
這個界面總的來說，可以實現(xiàn)文件管理、程序輸入、運動控制、對系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等任務(wù)。
5.3 系統(tǒng)執(zhí)行機制介紹
1）從打開界面開始，要加工一個零件主要由以下三個步驟：
機械回零
程序編輯
程序運行
1）加工一個零件，開始的時候工作坐標必須是初始化（也就是機械原點回零），這對于后面的工件建立坐標系提供一個參考值。方便在程序執(zhí)行時，代碼會自動加上這個參考值，這樣就不用認為的去設(shè)置這個值。程序回零的模式流程圖如下圖5-7：
圖5-7 機械回零模式圖
機械回零模式首先是按鍵HOME必須先獲取了消息，然后系統(tǒng)提供三種回零模式供選擇，直接移動、JOG、JOGING。直接移動的單位非常大，每步10mm/次。每一種對應(yīng)的模式對應(yīng)的移動單位不同JOG移動單位為1.0mm/每次。JOGING設(shè)置了四種單位選擇，分別為0.001mm/每次、0.01mm/每次、0.1mm/每次、1.0mm/每次，用戶根據(jù)要調(diào)節(jié)的坐標來選擇移動的單位。如果上次加工后的工作臺坐標離機械原點很遠,回零模式可以在HOME的模式下直接響應(yīng)軸的按鍵響應(yīng),實現(xiàn)快速回到機械原點。程序在HOME 模式下用戶可以選擇這三種機械回零模式，程序從按鍵得到映射消息，會自動判斷模式，在移動坐標的時候每次響應(yīng)會返回一個移動單位。
2)編輯程序是加工工件的核心部分，其功能的完善與否決定了本系統(tǒng)的加工能力。本工作臺的操作界面的編輯方式是模仿了法蘭克系統(tǒng)的程序編輯，比較智能。程序中設(shè)定了兩種模式EDIT、AUTO兩種模式下，可以按PRGRAM鍵進行編程，PROGRAM按鍵響應(yīng)，會調(diào)用PrgrmEditTabInit()函數(shù)，PrgrmEditTabInit()里面加載了三個對話框：Singdlg子程序?qū)υ捒?、ProLibdlg程序登記對話框，還有Mdidlg外部輸入程序?qū)υ捒颍话憔庉嫵绦驎r先登記后編輯，編輯的時候綁定編輯模塊和輸入模塊，可以編輯程序。也可以直接從電腦加載一個程序進來，程序框會自動判斷是否存在非法字符，并給與提示對話框。編輯程序的執(zhí)行流程圖如圖5-8
圖5-8 程序編輯流程圖
6、 pro/e的圖形自動編程軟件介紹
Pro/e的圖形自動編程軟件是pro/e提供給用戶的一個自動生成NC代碼的一個附帶的功能，可以很方便的生成在proe畫的圖形的NC代碼。本工作臺的界面可以識別讀取CNC文件，這樣生成的文檔可以導入編輯界面，然后執(zhí)行程序?？梢詭椭覀児?jié)省很多編程的時間和精力
6.1 Pro/NC的加工規(guī)劃流程
一般流程如下圖6-1：
創(chuàng)建參照
模型、坯件
設(shè)置操作數(shù)據(jù)
制造設(shè)置數(shù)據(jù)
（刀具、機床）
設(shè)置NC序列
創(chuàng)建刀位數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)
NC后置處理
生成NC
代碼文件
圖6-1 生成NC代碼操作流程圖
6.2 Pro/NC的生成NC代碼過程剖析
首先在菜單中選擇“文件”|“新建”命令，彈出新建對話框，我們選擇“制造”單選按鈕，在子類型選項組選中“NC組件”，并取消“使用缺省模板”復(fù)選框。然后在模版
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