引言
在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，數(shù)控系統(tǒng)由傳統(tǒng)的專用型封閉式系統(tǒng)向靈活的開放式數(shù)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)變已成為一種必然趨勢。與傳統(tǒng)的封閉式數(shù)控系統(tǒng)相比，開放式數(shù)控系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：
可伸縮性，CNC系統(tǒng)的功能、規(guī)模（硬件或軟件模塊）可根據(jù)具體應用靈活增減；
可移植性，系統(tǒng)的功能軟件與運行平臺無關(guān)，能運行于不同供應商提供的硬件平臺上；
可擴展性，開發(fā)者能有效地將自己的軟件集成到NC系統(tǒng)中，形成自己的專用系統(tǒng)；
可互操作性，通過標準化接口，通信和交互機制，使不同功能模塊獲得相互操作能力，協(xié)調(diào)工作。
目前開放式數(shù)控系統(tǒng)主要形式是基于PC的NC，即在PC的
總線上插上具有NC功能的運動控制器完成實時性要求較高的NC內(nèi)核功能。本次課題基于步進機電有限公司的MPC08運動控制器就是一款能滿足數(shù)控系統(tǒng)功能要求，性價比高的通用運動控制器，課題根據(jù)鉆床的工藝在此基礎上進行數(shù)控系統(tǒng)軟件的研究。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)數(shù)控鉆床共有8個軸，分別為X，Y軸和Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6軸，其中X，Y軸控制平面兩個方向的定位， Z1，Z2，Z3，Z4，Z5，Z6則控制下鉆的進給量，XYZ可聯(lián)動控制。加工時， 根據(jù)要加工工件上的孔坐標、孔直徑、孔深等參數(shù)， 編好工件的加工文件， 系統(tǒng)按加工文件控制機床完成鉆削加工。
為了對機床8個軸的進行控制，我們采用了MPC08運動控制器作為系統(tǒng)控制的內(nèi)核，插在PC機的PCI插槽中。工業(yè)PC機作為主控計算機來完成與MPC08控制器的通訊以及上層系統(tǒng)操作、調(diào)度管理、故障診斷、參數(shù)輸入等非實時性任務。
MPC08是一款開放式通用運動控制器，所有指令均為立即指令，適合于PCB鉆床的高速度，定位準的點位運動，并具有足夠的專用和通用的IO通道供機床控制使用，軟件方面提供了豐富的運動控制函數(shù)，以供用戶在Windows平臺自主開發(fā)，構(gòu)建所需要的數(shù)控系統(tǒng)。我們將MPC08插入PC的PCI插槽里，借助它完成整個系統(tǒng)的控制。
IO及反饋系統(tǒng)使用MPC08的專用和通用的輸入和輸出通道進行各種機床電器IO信號的連接與控制；驅(qū)動和伺服步進電機單元則是接收MPC08發(fā)出的脈沖及方向信號完成需要的運動。
變頻器和主軸轉(zhuǎn)動控制部分是利用PC機的串口進行和變頻器的通訊，由此完成主軸轉(zhuǎn)速的控制，此控制則是獨立于MPC08之外。
2 軟件結(jié)構(gòu)設計
為了滿足伸縮性，移植性，擴展性和互操作性的要求，軟件采用了模塊化設計的思想，利用VisualC++6.0開發(fā)工具在Windows2000操作系統(tǒng)上開發(fā)而成。軟件總體分為兩大部分，人機界面交互部分和系統(tǒng)控制部分。
1）人機界面 人機界面模塊主要完成整個數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)顯示和需求參數(shù)的輸入，除此以外應該使界面友好，使用便捷。本程序設計借助了MFC庫中CWnd類和CButton按鈕類的強大功能，利用這兩個類的成員函數(shù)以及類派生的子類構(gòu)造了友好便捷的界面。界面包括有加工過程中重要參數(shù)的顯示，主要功能按鈕和加工圖形的顯示。其中參數(shù)顯示有各軸的坐標，工作行程，下止點，刀具代號，直徑，偏移以及加工的孔數(shù)記錄，所在刀庫的記錄等；功能按鈕有啟動，回原點，回停車位，導入文件，刀具參數(shù)，刀具管理，加工參數(shù)等，其中刀具參數(shù)，刀具管理和加工參數(shù)按鈕還可以打開其他界面完成系統(tǒng)功能；圖形顯示則位于界面的中間部分用于顯示加工PCB孔的圖形，加工過程中還可以動態(tài)顯示加工到某個孔。
2）加工文件 加工文件功能模塊完成對外部輸入進來的加工文件（PCB行業(yè)通用的Excellon格式文件）進行譯碼，將加工文件的信息轉(zhuǎn)化為控制系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)形式。軟件具體實現(xiàn)辦法是將文件的每一行進行解讀，根據(jù)解讀出來的信息將每個要加工的刀具節(jié)點數(shù)據(jù)放在一個WORK_NODE結(jié)構(gòu)里面，對應在該刀具下的孔加工數(shù)據(jù)放在WORK_NODE里面的RECORD_NODE結(jié)構(gòu)體內(nèi)，最后統(tǒng)一將每一個刀具節(jié)點存放到以WORK_NODE為類型的加工鏈表gWorkList里。其中WORK_NODE和RECORD_NODE的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：
typedef struct _WORK_NODE
{
int Type； //刀具類型，
int ToolNo； //刀具號 T0，T1......
double Diameter； //mm直徑
double VelocityForZUp； //提升速度
double VelocityForZDown； //下鉆速度mm/min
double Offset； //下鉆允許偏移量mm
int Rev； //主軸轉(zhuǎn)速rpm/minute
int MaxLife， HitCount； //壽命
int ToolCurNo； //當前刀具所在刀庫號jia
CRecordList *pList； //孔坐標鏈表
｝WORK_NODE，*PWORK_NODE；
typedef struct _RECORD_NODE
{
double x； //x坐標
double y； //y坐標
｝RECORD_NODE，*PRECORD_NODE；
3） 加工參數(shù)管理 本功能完成在機床控制過程中各參數(shù)的管理，包括機器的軸參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)，加工參數(shù)，刀具參數(shù)，機床坐標參數(shù)。為了方便管理和使用，以上參數(shù)程序里都定義全局變量存放，使用時對這些變量操作即可以進行各參數(shù)的讀取和修改。每個參數(shù)變量都以一個自定義的結(jié)構(gòu)體為類型，軸參數(shù)類型內(nèi)包括每個軸的使能，最大速度，最大加速度，脈沖當量，回零速度，回零方向，反向間隙等；系統(tǒng)參數(shù)包括插補精度，到位檢測周期，刀庫坐標位置，深度檢測深度，深度檢測速度；加工參數(shù)包括進給速度，提升速度，工作行程，主軸轉(zhuǎn)速，換刀方式，斷鉆檢測允許范圍；刀具參數(shù)包括刀具的類型，直徑，壽命，已使用壽命，所在刀庫號；機床坐標參數(shù)則包括機床的絕對坐標和相對坐標參數(shù)。所有這些參數(shù)除了絕對和相對坐標參數(shù)外都需要在加工前由使用者按需求輸入，加工過程中根據(jù)這些設置的數(shù)據(jù)進行運動。下面是軸參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)例子：
typedef struct _AXIS_PARAM_SET
{
int Installed； //軸是否安裝：TRUE——安裝
int Enable； //軸是否有效
int HomeDir； //機床回零方向：1——正向，-1——反向，0——無效
double Interval； //反向間隙
&nb， sp；&n， bsp； double MaxSpeed； //最大速度（mm/min）（A）
double AccelSpeed； //最大加速度（mm/min︿2）3600000
double PulseFactor； //脈沖當量（mm）
long PulseUp； //電子齒輪分子
long PulseDown； //電子齒輪分母
long PulseDir； //反饋方向
int SRatio； //S型加速度曲線系數(shù)
double HomeSpeed； //回零速度
double HomeCheckDis； //回零檢測長度
double HomeOffsetDis； //回零后的移動距離
double DepthCheckDis； //深度檢測的下降距離
｝AXIS_PARAM_SET，*PAXIS_PARAM_SET；
4）運動與換刀控制 運動與換刀控制是鉆床運動的核心部分，完成鉆床的孔加工（包括啟動，定位，下鉆，提升），回零，回停車位和換刀的動作。本模塊的代碼都在專門建立的運動控制線程PubWorkThreadHandler（LPVOID pParam）里面執(zhí)行。
a、孔加工 當用戶加工準備就緒，按下啟動加工的按鈕的時候，線程開始自動讀取加工鏈表gWorkList里面已經(jīng)經(jīng)過譯碼的數(shù)據(jù)，通過已知數(shù)據(jù)信息程序按照加工參數(shù)管理模塊設定的速度發(fā)送運動指令給MPC08運動控制器，控制器發(fā)出脈沖使機床快速運動并定位到該孔坐標，接著以給定的下鉆速度和下鉆深度進行孔加工，然后再以給定的速度提升，提升的同時迅速定位到下一個加工孔的坐標位置。
b、回零 準確的回零對機床的定位和加工起著重要的作用，本系統(tǒng)設計的回零方式借助于
伺服電機的Z脈沖，當按下回零按鈕后，程序的運動控制線程即按相應步驟發(fā)出回零指令給控制器，使機床準確的回零。設計的回零步驟為：各軸快速朝原點方向運動à碰到原點開關(guān)后緩停à緩停后反向低速運動à當接收到伺服電機的Z脈沖信號后停下來。機床即以停下來的坐標位置作為機床的原點。程序里面對每個步驟定義了一個宏，以此來區(qū)分加工到那一步驟。
c、回停車位 當按下回停車位的按鈕后，發(fā)出回停車位的指令，使機床的XY軸分別運動到加工前設定到加工參數(shù)管理模塊的停車位坐標。
d、換刀 鉆床加工PCB板的時候需要加工不同直徑的孔，這就要求在加工過程中當加工完一種直徑的孔以后進行換刀，取到另外一直徑的刀具進行加工。本系統(tǒng)的換刀方式有手動換刀和自動換刀兩種。手動換刀就是在加工完一直徑的孔后或刀具壽命到了以后回到停車位，由加工者手動把原刀具取下來并換上新的刀具然后恢復加工。手動換刀效率比較，現(xiàn)在的機床一般都采取自動換刀，本次設計的換刀流程如下：
Z軸回零——壓腳抬起——X軸移動到原刀庫的位置——Y軸移動到原刀庫的位置——Z軸移動到換刀位置——張夾頭放刀——延時——Z軸回零——XY軸回到停頓位置——檢查刀具放回了——Z回零——回到停頓位置——X軸移動到目標刀具的位置——Y軸移動到目標刀具的位置——Z軸移動到換刀位置——合夾頭取刀——延時——Z軸回零——回到停頓位置——檢查刀具取到了——Z軸回零——XY軸回到停頓位置——壓腳放下
換刀的軟件實現(xiàn)同樣是在運動控制線程里按以上步驟一步步完成，每個步驟類似回零步驟一樣定義了一個宏來區(qū)分。當整個換刀流程執(zhí)行完畢以后，機床繼續(xù)加工剩余的孔。
5）自診斷檢測 自診斷模塊對機床的調(diào)試，檢測，狀態(tài)監(jiān)視起著重要的作用。通過本模塊，使用者可以隨時的檢測到機床電器信號狀態(tài)，包括機床輸入到控制器的信號和使用者通過控制器輸出到機床的控制信號。程序里是通過另一個輔助線程PubMonitorThreadHandler不斷的查詢MPC08控制器的狀態(tài)寄存器，并構(gòu)建如下的對話框顯示出來。
3 應用
該系統(tǒng)利用了MPC08運動控制器的強大功能，并在模塊化思想指導下進行軟件編程，最終有效的應用于PCB鉆床的控制系統(tǒng)中，運行效果良好，并且通過了在PCB數(shù)控機床中高精度和速度的加工測試，加工使用0.1-0.3mm大小的刀徑，孔間距為0.5mm，其各軸的最大速度，以及每分鐘的鉆孔個數(shù)均達到了預期的要求。(e
