可執(zhí)行G代碼的三軸運(yùn)動(dòng)控制器的研制

可執(zhí)行G代碼的三軸運(yùn)動(dòng)控制器的研制—運(yùn)動(dòng)伺服_工業(yè)自動(dòng)化控制_247可執(zhí)行G代碼的三軸運(yùn)動(dòng)控制器的研制—運(yùn)動(dòng)伺服—工業(yè)自動(dòng)化控制1、引言近年來，國外、國內(nèi)多家公司先后推出了獨(dú)立工作式運(yùn)動(dòng)控制器，這些控制器有顯示屏、有按鍵、不需要PC機(jī)就可以工作;其核心芯片有各種形式，如:ARM、DSP以及FPGA和專用芯片，并配有函數(shù)庫或其自己制定的指令集?？蛻羰褂煤瘮?shù)庫編寫程序或使用專用的指令集編成，都比較麻煩。國內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)、維護(hù)的工程師，多數(shù)為機(jī)電類專業(yè)人員，他們對數(shù)控機(jī)床及數(shù)控指令十分熟悉。針對這一特點(diǎn)，作者在AVR單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器上，以數(shù)控加工指令代碼（G指令、M指令）為基礎(chǔ)，充分利用G代碼運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)勢，并增加了I/O控制指令、條件判斷和循環(huán)控制指令，使獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器的指令使用起來十分簡單、方便。2、AVR運(yùn)動(dòng)控制器硬件系統(tǒng)為了設(shè)計(jì)出性價(jià)比高的硬件，選用了AVR單片機(jī)為硬件系統(tǒng)的核心芯片。AVR單片機(jī)是ATMEL公司在單片機(jī)市場競爭白熱化的形式下，發(fā)揮其FLASH存儲(chǔ)器技術(shù)特長，并吸取了PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，于1997年由A先生和V先生采用RISC結(jié)構(gòu)，共同研發(fā)出AVR單片機(jī)。AVR單片機(jī)有以下主要優(yōu)點(diǎn)[1]:1（速度快:在相同時(shí)鐘頻率下比8051快12倍;AVR最大時(shí)鐘頻率為16MHz。2（片內(nèi)資源豐富:AVRATmega128單片機(jī)上有128KFlash、4KEEPROM、4KRAM、53個(gè)I/O,32個(gè)通用工作寄存器，以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器、模擬比較器、AD轉(zhuǎn)換器、步串行口等資源若干。

3（編程、下載程序方便:有JTAG和ISP接口。4（工作可靠、安全:工作電壓范圍寬，4.5,5.5V;抗干擾能力強(qiáng);程序存儲(chǔ)器具有多重密碼保護(hù)鎖功能。slL一:JslL一:JH<?rAVR運(yùn)動(dòng)控制器原理圖如圖1所示：圖1AVR運(yùn)動(dòng)控制器硬件原理圖J6、J7、J8為三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的控制端口，每個(gè)端口上都有一組控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向信號，運(yùn)動(dòng)軸的原點(diǎn)信號和前、后限位信號。J4為8路數(shù)字輸出信號端口，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，每一路信號都采用了光電隔離電路；J5為8路數(shù)字輸入信號端口，每一路信號不但采用了光電隔離電路，而且還加入了RC低通濾波器。J3是按鍵端口及LCD端口。J2是RS232通訊端口，J1是JTAG端口。圖2為該控制器應(yīng)用于點(diǎn)膠機(jī)的面板圖。其上有一個(gè)4行20列文本顯示屏有25個(gè)按鍵。圖2點(diǎn)膠機(jī)控制面板3、運(yùn)動(dòng)控制指令集本運(yùn)動(dòng)控制器的指令集采用ISO數(shù)控代碼，符合ISO-1O56-1975E標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)控程序編制中已被廣泛使用，它通過G、M等指令代碼，描述加工工藝過程和數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)特征[2]°I/O控制、條件判斷和循環(huán)控制等指令是根據(jù)數(shù)控代碼的標(biāo)準(zhǔn)自定義的指令。目前共有16條數(shù)控代碼，在此基礎(chǔ)上還可以繼續(xù)擴(kuò)充。在編程中全部采用增量坐標(biāo)系，即運(yùn)動(dòng)軌跡的終點(diǎn)坐標(biāo)以其起點(diǎn)計(jì)量，坐標(biāo)的單位為毫米。程序可以在控制器面板上輸入并編輯;也可以在PC機(jī)上編寫好后，通過RS232口下載至控制器。1）準(zhǔn)備功能G指令：點(diǎn)定位指令G00語法：G00XLYmZn其中XL可選。表示X軸從當(dāng)前位置移動(dòng)L毫米。Ym可選。表示Y軸從當(dāng)前位置移動(dòng)m毫米。Zn可選。表示Z軸從當(dāng)前位置移動(dòng)n毫米。說明:該指令使所選電機(jī)以固定速度的移動(dòng)，啟、停過程有加減速控制。直線插補(bǔ)指令G01語法:G01XLYmZnFs其中Fs可選。若不選Fs，則直線的速度和前面指令中設(shè)定的速度相同。順圓插補(bǔ)指令G02語法:G02XmYnRLFs其中XmYn表示圓弧終點(diǎn)相對于起點(diǎn)的坐標(biāo)(m,n)。RL表示圓弧半徑為L毫米。也可以在X,Z和Y,Z坐標(biāo)里畫順園。格式為：G02XmZnRLFsG02YmZnRLFs逆圓插補(bǔ)指令G03語法：G03XmYnRLFsG03XmZnRLFsG03YmZnRLFs延時(shí)指令G04語法：G04Pt其中Pt必需。t為延時(shí)長度，單位為秒。(Pause)等待電機(jī)停止指令G05語法：G05XYZ其中X、Y、Z可選。表示等待X軸或Y軸或Z軸電機(jī)停止。說明：該指令讓控制器不斷查詢電機(jī)的狀態(tài)，等待指定的電機(jī)停止。該指令一般在GOO、G10和G12之后，或G01、G02和G03之前使用。設(shè)置該指令的目的是:在GOO、G10和G12指令執(zhí)行的時(shí)候，控制器還可以進(jìn)行I/O控制。加速指令G08語法:G08說明：該指令不能單獨(dú)使用，只能寫在GO1、G02、G03代碼的尾部，表示電機(jī)開始運(yùn)動(dòng)時(shí)有加速過程。減速指令G09語法：G09說明：該指令不能單獨(dú)使用，只能寫在GO1、G02、G03代碼的尾部，表示電機(jī)結(jié)束運(yùn)動(dòng)時(shí)有減速過程?；卦c(diǎn)指令G10語法：G10XYZ其中X、Y、Z可選。表示X軸，或Y軸，或Z軸回原點(diǎn)。說明：該指令使平臺(tái)以固定速度的返回原點(diǎn)。移至曲線起點(diǎn)指令G12語法：G12說明：該指令使平臺(tái)以固定速度移至人工設(shè)定的曲線起點(diǎn)。2）輔助功能M指令程序結(jié)束指令M02語法：M02說明：該指令表示程序結(jié)束，控制器退出自動(dòng)控制狀態(tài)。開外設(shè)指令M80語法：M80Un其中Un必需。n為外設(shè)編號。（Unit）關(guān)外設(shè)指令M81語法:M81Un外設(shè)開跳轉(zhuǎn)指令M95語法:M95UiDm其中Ui必需。Ui表示第i號輸入設(shè)備。Dm必需。m為程序跳轉(zhuǎn)目的指令序號。(Destination)說明：該指令讓控制器查詢輸入設(shè)備Ri的狀態(tài)，若Ri為開，程序跳轉(zhuǎn)至序號為Nm的指令處;否則，控制器繼續(xù)往下執(zhí)行程序。Dm的書寫格式必須和目的指令序號的書寫格式相同。外設(shè)關(guān)跳轉(zhuǎn)指令M96語法：M96UiDm說明:和M96類似，只是開改為關(guān)。程序循環(huán)跳轉(zhuǎn)指令M90語法:M90DmCnLx其中Dm必需。m為程序跳轉(zhuǎn)目的指令的序號。m的書寫格式必須和目的指令序號的書寫格式相同。(Destination)Cn可選。n為從序號為Nm的指令到M90前一條指令段的循環(huán)次數(shù)°(Count)Lx可選。表示不同的循環(huán)跳轉(zhuǎn)指令，x為0或l°(Loop)數(shù)控程序格式一個(gè)完整的數(shù)控程序由若干行指令組成。每行指令以N加序號開頭;一行指令結(jié)束必須回車換行。一行只能寫一個(gè)指令。程序的最后一行指令一定要是M02。指令序號大小不限，序號可以有間隔，如:N010,N020，N030?，以便于修改程序時(shí)，程序中添加指令。在PC機(jī)上編寫程序時(shí)，程序中可以加注釋。注釋以'符號開頭。既可以加在指令后也可以單獨(dú)寫一行;程序中允許有空行。但在控制器上不顯示注釋和空行。4）程序示例點(diǎn)膠機(jī)上，X、Y軸控制點(diǎn)膠針頭的運(yùn)動(dòng)，Z軸控制點(diǎn)膠針頭的上下；電磁閥U1控制工裝加緊、松開，電磁閥U2控制點(diǎn)膠針管加壓的開關(guān);R1為“開始”按鈕。點(diǎn)膠曲線如下圖3紅線所示，灰線為起點(diǎn)定位的軌跡。程序代碼如下:N010M96R1D010等待“開始”按鍵按下N020M80U1夾緊工裝N030G10XYZ回原點(diǎn)N040G05XYZ等待X、Y、Z電機(jī)停止N050G12移動(dòng)至曲線起點(diǎn)N060G05XY等待X，Y電機(jī)停止N070G00Z10針頭降下10mmN080M80U2開始點(diǎn)膠N090G04P0.2延時(shí)0.2秒N100G01X0Y5F80G08NO.0直線插補(bǔ)，帶加速N110G01X10Y20NO.1直線插補(bǔ)，速度F=80mm/s

N120G02X30Y0R20NO.2圓弧插補(bǔ)，速度F=80mm/sN130G01X10Y-20NO.3直線插補(bǔ)，速度F=80mm/sN140G01X0Y-5G09NO.4直線插補(bǔ)，帶減速N150M81U2停止點(diǎn)膠N160GOOZ-10針頭提起10mmN170M81U1松開工裝N18OMO2程序結(jié)束4、AVR運(yùn)動(dòng)控制器軟件結(jié)構(gòu)及算法圖4為AVR運(yùn)動(dòng)控制器軟件結(jié)構(gòu)圖。*運(yùn)F旌序k券燼胚4.PC311(J.也工E唱度諛亙，LGOkGDI^G?尅叭inJ.也工E唱度諛亙，LGOkGDI^G?尅叭in匱設(shè)亜gs總口取山加厳WJS，也趾丄2,l.x.圖4AVR運(yùn)動(dòng)控制器軟件結(jié)構(gòu)圖1）電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法定。電機(jī)的速度控制:采用梯形速度曲線控制電機(jī)的加、減速，速度由查表法確定。三維直線插補(bǔ):采用積分法進(jìn)行直線插補(bǔ)，該算法在同一時(shí)刻，三個(gè)軸可以同時(shí)運(yùn)動(dòng)，所以，該算法運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，且誤差小于半步。［3］二維圓弧插補(bǔ):采用單步跟蹤法進(jìn)行圓弧插補(bǔ)，該算法不需要乘法運(yùn)算，只用加、減法就可完成圓弧插補(bǔ)運(yùn)算，使圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)速度和直線插補(bǔ)速度一樣快。［3］實(shí)測AVR運(yùn)動(dòng)控制器，其控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖頻率最小為2Hz,最大為13889Hz;步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)為4細(xì)分，即電機(jī)的分辨率為800步/轉(zhuǎn)時(shí)，可控制步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為1040rpm。LCD編輯功能為在LCD上方便的編輯程序，軟件可實(shí)現(xiàn)按鍵功能切換、滾動(dòng)瀏覽、插入、刪除等功能:按鍵狀態(tài)切換:按［Shift］鍵，光標(biāo)在“_”和“？”之間切換。光標(biāo)在“_"狀態(tài):輸入數(shù)字、光標(biāo)移動(dòng)、刪除(Del);光標(biāo)在“？”狀態(tài):輸入字母、Space(空格)。光標(biāo)上下移動(dòng):按［?］、［?］鍵，控制光標(biāo)上下移動(dòng);當(dāng)光標(biāo)在第一行或第四行時(shí)，可以控制屏幕向上或向下翻滾一行，以便于瀏覽。光標(biāo)左右移動(dòng):按［?］、［?］鍵，控制光標(biāo)左右移動(dòng);當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)第1行第1列處，不能再左移;當(dāng)光標(biāo)移動(dòng)第4行最后一列處，不能再右移?；剀嚀Q行：按［Ent］鍵，回車換行。如果光標(biāo)后面有字符，將被刪除。插入行：光標(biāo)在“？”狀態(tài)下，當(dāng)光標(biāo)在第1列時(shí)，按［Ent］鍵，將在此行前插入一行。刪除字符、行:按［Del］鍵一次，將光標(biāo)前的字符刪除一個(gè);當(dāng)光標(biāo)在第1列時(shí)，按［Del］鍵，將此行刪除。運(yùn)動(dòng)控制指令的編譯在執(zhí)行程序之前，要進(jìn)行一次預(yù)處理，將程序的行號、指令中的十進(jìn)制數(shù)據(jù)由ACSII碼轉(zhuǎn)換成16進(jìn)制的數(shù)值;再將每行的行號和其啟始地址存入RAM中的一個(gè)2維數(shù)組，以便于執(zhí)行跳轉(zhuǎn)指令。在執(zhí)行指令時(shí)，利用G代碼和M代碼的指令號進(jìn)行散轉(zhuǎn)控制;只有M02和其它M指令號相差較大，要特殊處理一下。1、引言近年來，國外、國內(nèi)多家公司先后推出了獨(dú)立工作式運(yùn)動(dòng)控制器，這些控制器有顯示屏、有按鍵、不需要PC機(jī)就可以工作;其核心芯片有各種形式，如:ARM、DSP以及FPGA和專用芯片，并配有函數(shù)庫或其自己制定的指令集?？蛻羰褂煤瘮?shù)庫編寫程序或使用專用的指令集編成，都比較麻煩。國內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)、維護(hù)的工程師，多數(shù)為機(jī)電類專業(yè)人員，他們對數(shù)控機(jī)床及數(shù)控指令十分熟悉。針對這一特點(diǎn)，作者在AVR單片機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器上，以數(shù)控加工指令代碼（G指令、M指令）為基礎(chǔ)，充分利用G代碼運(yùn)動(dòng)控制的優(yōu)勢，并增加了I/O控制指令、條件判斷和循環(huán)控制指令，使獨(dú)立式運(yùn)動(dòng)控制器的指令使用起來十分簡單、方便。2、AVR運(yùn)動(dòng)控制器硬件系統(tǒng)為了設(shè)計(jì)出性價(jià)比高的硬件，選用了AVR單片機(jī)為硬件系統(tǒng)的核心芯片。AVR單片機(jī)是ATMEL公司在單片機(jī)市場競爭白熱化的形式下，發(fā)揮其FLASH存儲(chǔ)器技術(shù)特長，并吸取了PIC及8051單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，于1997年由A先生和V先生采用RISC結(jié)構(gòu)，共同研發(fā)出AVR單片機(jī)。AVR單片機(jī)有以下主要優(yōu)點(diǎn)[1]:1（速度快:在相同時(shí)鐘頻率下比8051快12倍;AVR最大時(shí)鐘頻率為16MHz。2（片內(nèi)資源豐富:AVRATmega128單片機(jī)上有128KFlash、4KEEPROM、4KRAM、53個(gè)I/O,32個(gè)通用工作寄存器，以及定時(shí)/計(jì)數(shù)器、模擬比較器、AD轉(zhuǎn)換器、步串行口等資源若干。

3（編程、下載程序方便:有JTAG和ISP接口。4（工作可靠、安全:工作電壓范圍寬，4.5,5.5V;抗干擾能力強(qiáng);程序存儲(chǔ)器具有多重密碼保護(hù)鎖功能。slL一:JslL一:JH<?rAVR運(yùn)動(dòng)控制器原理圖如圖1所示：圖1AVR運(yùn)動(dòng)控制器硬件原理圖J6、J7、J8為三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的控制端口，每個(gè)端口上都有一組控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖和方向信號，運(yùn)動(dòng)軸的原點(diǎn)信號和前、后限位信號。J4為8路數(shù)字輸出信號端口，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，每一路信號都采用了光電隔離電路；J5為8路數(shù)字輸入信號端口，每一路信號不但采用了光電隔離電路，而且還加入了RC低通濾波器。J3是按鍵端口及LCD端口。J2是RS232通訊端口，J1是JTAG端口。圖2為該控制器應(yīng)用于點(diǎn)膠機(jī)的面板圖。其上有一個(gè)4行20