從1952年世界上臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展日趨完善，已由出的硬件數(shù)控（NC）經(jīng)過計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），發(fā)展到以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)控（MNC）、直接數(shù)控（DNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）等，并朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場(chǎng)化的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，對(duì)制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價(jià)格低，質(zhì)量好，而且要求交貨時(shí)間短，售后服務(wù)好，好要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個(gè)性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來越不能滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。新的環(huán)境要求CNC進(jìn)一步向開放式控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化。

　　開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有下列特征：

　　1. 模塊化：舉模塊化的特征。采用分布式控制原則。采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造是可移植和透明的。

　　2. 標(biāo)準(zhǔn)化：開放"是在一定規(guī)范下的開放，并非毫無約束的開放。需要制定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來約束各類機(jī)床控制器的研發(fā)。

　　3. 可再次開發(fā)：當(dāng)允許用戶進(jìn)行第二次開發(fā)。根據(jù)需要可方便地實(shí)現(xiàn)重構(gòu)、編輯，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途。

　　4. 平臺(tái)無關(guān)性：放時(shí)體系結(jié)構(gòu)中各模塊相互獨(dú)立，系統(tǒng)廠、機(jī)床廠及終用戶都能夠很容易地獨(dú)立開發(fā)一系列專用功能和其他有個(gè)性的模塊。為此要有方便的支持工具，控制程序設(shè)計(jì)按系統(tǒng)-子系統(tǒng)¬-模塊三級(jí)進(jìn)行，各模塊接口協(xié)議要明確。

　　5. 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)操作方式：為開放式控制器應(yīng)當(dāng)考慮到迅速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用。要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，一邊各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過通信實(shí)現(xiàn)信息交換，滿足實(shí)時(shí)控制需要。   總之所謂開方式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件控制系統(tǒng)

　　本次課題基于步進(jìn)機(jī)電有限公司的MPC08運(yùn)動(dòng)控制器就是一款能滿足數(shù)控系統(tǒng)功能要求，性價(jià)比高的通用運(yùn)動(dòng)控制器，課題根據(jù)鉆床的工藝在此基礎(chǔ)上進(jìn)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(gè)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(gè)方向的定位， Z1,Z2,Z3,Z4,Z5,Z6則控制下鉆的進(jìn)給量，XYZ可聯(lián)動(dòng)控制。加工時(shí)， 根據(jù)要加工工件上的孔坐標(biāo)、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(jī)床完成鉆削加工。

　　為了對(duì)機(jī)床8個(gè)軸的進(jìn)行控制，我們采用了MPC08運(yùn)動(dòng)控制器作為系統(tǒng)控制的內(nèi)核，插在PC機(jī)的PCI插槽中。工業(yè)PC機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)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(shí)時(shí)性任務(wù)。

　　MPC08運(yùn)動(dòng)控制器是基于PC機(jī)PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元，它與PC機(jī)構(gòu)成主從式控制結(jié)構(gòu)，MPC08卡完成運(yùn)動(dòng)控制的所有細(xì)節(jié)，包括脈沖和方向信號(hào)的輸出、自動(dòng)升降的處理、原點(diǎn)和限位等信號(hào)的檢測(cè)等等。它的主要功能包括：運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫為單軸的步進(jìn)或伺服控制提供了多個(gè)運(yùn)動(dòng)函數(shù)：?jiǎn)屋S運(yùn)動(dòng)、多軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)、多軸直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、三軸螺旋線運(yùn)動(dòng)等。為三座標(biāo)測(cè)量機(jī)提供了編碼器位置鎖存功能

　　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(jìn)行各種機(jī)床電器IO信號(hào)的連接與控制；驅(qū)動(dòng)和伺服步進(jìn)電機(jī)單元?jiǎng)t是接收MPC08發(fā)出的脈沖及方向信號(hào)完成需要的運(yùn)動(dòng)。

　　變頻器和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)控制部分是利用PC機(jī)的串口進(jìn)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(dú)立于MPC08之外。

　　2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　為了滿足伸縮性，移植性，擴(kuò)展性和互操作性的要求，軟件采用了模塊化設(shè)計(jì)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(jī)界面交互部分和系統(tǒng)控制部分。

　　1）人機(jī)界面  人機(jī)界面模塊主要完成整個(gè)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(yīng)該使界面友好，使用便捷。本程序設(shè)計(jì)借助了MFC庫中CWnd類和CButton按鈕類的強(qiáng)大功能，利用這兩個(gè)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(biāo)，工作行程，下止點(diǎn)，刀具代號(hào)，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(dòng)，回原點(diǎn)，回停車位，導(dǎo)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(dòng)態(tài)顯示加工到某個(gè)孔。

　　2）加工文件  加工文件功能模塊完成對(duì)外部輸入進(jìn)來的加工文件（PCB行業(yè)通用的Excellon格式文件）進(jìn)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(shí)現(xiàn)辦法是將文件的每一行進(jìn)行解讀，根據(jù)解讀出來的信息將每個(gè)要加工的刀具節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)放在一個(gè)WORK_NODE結(jié)構(gòu)里面，對(duì)應(yīng)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)，統(tǒng)一將每一個(gè)刀具節(jié)點(diǎn)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(hào)   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(dāng)前刀具所在刀庫號(hào)

　　CRecordList *pList;                          //孔坐標(biāo)鏈表

　　}WORK_NODE,*PWORK_NODE;

　　typedef struct _RECORD_NODE

　　{

　　double x;              //x坐標(biāo)

　　double y;             //y坐標(biāo)

　　}RECORD_NODE,*PRECORD_NODE;

　　3）   加工參數(shù)管理 本功能完成在機(jī)床控制過程中各參數(shù)的管理，包括機(jī)器的軸參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)，加工參數(shù)，刀具參數(shù)，機(jī)床坐標(biāo)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(shí)對(duì)這些變量操作即可以進(jìn)行各參數(shù)的讀取和修改。每個(gè)參數(shù)變量都以一個(gè)自定義的結(jié)構(gòu)體為類型，軸參數(shù)類型內(nèi)包括每個(gè)軸的使能，速度，加速度，脈沖當(dāng)量，回零速度，回零方向，反向間隙等；系統(tǒng)參數(shù)包括插補(bǔ)，到位檢測(cè)周期，刀庫坐標(biāo)位置，深度檢測(cè)深度，深度檢測(cè)速度；加工參數(shù)包括進(jìn)給速度，提升速度，工作行程，主軸轉(zhuǎn)速，換刀方式，斷鉆檢測(cè)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(hào)；機(jī)床坐標(biāo)參數(shù)則包括機(jī)床的坐標(biāo)和相對(duì)坐標(biāo)參數(shù)。所有這些參數(shù)除了和相對(duì)坐標(biāo)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(shè)置的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。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(jī)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;                //速度（mm/min）（A）

　　double AccelSpeed;                                  //加速度（mm/min︿2）3600000

　　double PulseFactor;                                 //脈沖當(dāng)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(cè)長(zhǎng)度

　　double HomeOffsetDis;                               //回零后的移動(dòng)距離

　　double DepthCheckDis;                               //深度檢測(cè)的下降距離

　　}AXIS_PARAM_SET,*PAXIS_PARAM_SET;

　　4）運(yùn)動(dòng)與換刀控制 運(yùn)動(dòng)與換刀控制是鉆床運(yùn)動(dòng)的部分，完成鉆床的孔加工（包括啟動(dòng)，定位，下鉆，提升），回零，回停車位和換刀的動(dòng)作。本模塊的代碼都在專門建立的運(yùn)動(dòng)控制線程PubWorkThreadHandler（LPVOID pParam）里面執(zhí)行。

　　a、孔加工  當(dāng)用戶加工準(zhǔn)備就緒，按下啟動(dòng)加工的按鈕的時(shí)候，線程開始自動(dòng)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(shè)定的速度發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令給MPC08運(yùn)動(dòng)控制器，控制器發(fā)出脈沖使機(jī)床快速運(yùn)動(dòng)并定位到該孔坐標(biāo)，接著以給定的下鉆速度和下鉆深度進(jìn)行孔加工，然后再以給定的速度提升，提升的同時(shí)迅速定位到下一個(gè)加工孔的坐標(biāo)位置。

　　b、回零  準(zhǔn)確的回零對(duì)機(jī)床的定位和加工起著重要的作用，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的回零方式借助于伺服電機(jī)的Z脈沖，當(dāng)按下回零按鈕后，程序的運(yùn)動(dòng)控制線程即按相應(yīng)步驟發(fā)出回零指令給控制器，使機(jī)床準(zhǔn)確的回零。設(shè)計(jì)的回零步驟為：各軸快速朝原點(diǎn)方向運(yùn)動(dòng)à碰到原點(diǎn)開關(guān)后緩?fù)（ぞ復(fù)：蠓聪虻退龠\(yùn)動(dòng)à當(dāng)接收到伺服電機(jī)的Z脈沖信號(hào)后停下來。機(jī)床即以停下來的坐標(biāo)位置作為機(jī)床的原點(diǎn)。程序里面對(duì)每個(gè)步驟定義了一個(gè)宏，以此來區(qū)分加工到那一步驟。

　　c、回停車位  當(dāng)按下回停車位的按鈕后，發(fā)出回停車位的指令，使機(jī)床的XY軸分別運(yùn)動(dòng)到加工前設(shè)定到加工參數(shù)管理模塊的停車位坐標(biāo)。

　　d、換刀  鉆床加工PCB板的時(shí)候需要加工不同直徑的孔，這就要求在加工過程中當(dāng)加工完一種直徑的孔以后進(jìn)行換刀，取到另外一直徑的刀具進(jìn)行加工。本系統(tǒng)的換刀方式有手動(dòng)換刀和自動(dòng)換刀兩種。手動(dòng)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(dòng)把原刀具取下來并換上新的刀具然后恢復(fù)加工。手動(dòng)換刀效率比較，現(xiàn)在的機(jī)床一般都采取自動(dòng)換刀，本次設(shè)計(jì)的換刀流程如下：

　　Z軸回零--壓腳抬起--X軸移動(dòng)到原刀庫的位置--Y軸移動(dòng)到原刀庫的位置--Z軸移動(dòng)到換刀位置--張夾頭放刀--延時(shí)--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(dòng)到目標(biāo)刀具的位置--Y軸移動(dòng)到目標(biāo)刀具的位置--Z軸移動(dòng)到換刀位置--合夾頭取刀--延時(shí)--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(shí)現(xiàn)同樣是在運(yùn)動(dòng)控制線程里按以上步驟一步步完成，每個(gè)步驟類似回零步驟一樣定義了一個(gè)宏來區(qū)分。當(dāng)整個(gè)換刀流程執(zhí)行完畢以后，機(jī)床繼續(xù)加工剩余的孔。

　　5）自診斷檢測(cè)  自診斷模塊對(duì)機(jī)床的調(diào)試，檢測(cè)，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(shí)的檢測(cè)到機(jī)床電器信號(hào)狀態(tài)，包括機(jī)床輸入到控制器的信號(hào)和使用者通過控制器輸出到機(jī)床的控制信號(hào)。程序里是通過另一個(gè)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(duì)話框顯示出來。

　　3 應(yīng)用

　　該系統(tǒng)利用了MPC08運(yùn)動(dòng)控制器的強(qiáng)大功能，并在模塊化思想指導(dǎo)下進(jìn)行軟件編程，終有效的應(yīng)用于PCB鉆床的控制系統(tǒng)中，運(yùn)行效果良好，并且通過了在PCB數(shù)控機(jī)床中高和速度的加工測(cè)試，加工使用0.1-0.3mm大小的刀徑，孔間距為0.5mm,其各軸的速度，以及每分鐘的鉆孔個(gè)數(shù)均達(dá)到了預(yù)期的要求。