众为兴ADT-8949G1运动控制卡在雕刻机上的应用

雕刻机是制造作业内最为常见的一种加工设备，通常由于加工材质的不同和被细分为金属雕刻，木工雕刻，亚克力雕刻等等，由于其工艺是建立在标准铣床的运动模型基础上，所以有着很多和加工中心，数控铣床相似的运动控制需求，但同时也存在一些功能定位上的差异；例如很多行业的制造需求越来越倾向定制化，所以虽然加工中心能完全替代雕刻机，但却替代不了雕刻机的市场定位和发展趋势，雕刻机有着轻量级加工中心之说，但在速度和光洁度上，雕刻机却要求比加工中心要高，主要体现在雕刻机所面向的材料和应用上。这在很大程度上提出了对运动控制的速度规划要求和平稳要求。

采用运动控制卡来做雕刻机，是目前常见的一种雕刻机解决方案，主要体现在windows是一个开放性的平台，很容易做产品整合，例如加视觉等等；采用windows+运动控制卡来开发雕刻机软件，相对于嵌入式数控平台的开发来说门槛低很多，同时也非常方便开发一些接口来扩展新的功能。常见的雕刻机软件通常需要下面几个模块就可以工作了。

人机界面：

“人机界面”是雕刻机和其他的软件和操作者交互的模块。

译码器：

G代码或CAD解析器是雕刻机的“译码器”，用于读入制图软件产生的加工轨迹数据文件。

轨迹运算：

有了“人机界面”和“译码器”后，雕刻机接下来只需要把加工轨迹计算成雕刻机的空间坐标，例如处理双Z轴的坐标交换，也就是“轨迹计算”。

速度规划：

然后通过“速度规划”，能够提升光洁度和加工时间。

控制补偿：

采用“控制补偿”，可以控制提升加工的精度。

事实上很多商业的以windows为平台的雕刻机应用系统，也都是围绕着这几个模块内容，一直做模块的深度开发而已，特别是有关速度规划，由于相关机械本体以及伺服电机，一直也是应用工程师开发的软肋；针对于一些开发周期短和工艺复杂的项目，工程师更愿意把精力放在人机交互和工艺处理上，这就要求运动控制卡能够处理这些类似速度规划的运动控制需求，本文中选用的深圳众为兴公司研发的一款ADT-8949G1运动控制卡可以很好的处理这些需要。

ADT-8949G1是一款支持四路电机控制接口的PCI运动控制卡；和之前的ADT-8940G1稍有不同，这款卡带了一个C6000的高速DSP和FPGA，可以处理海量的运动数据，并完成速度规划等控制计算。ADT-8949G1支持T，E，S型加减速，不对称加减速，可有效控制电机的起停惯性冲击。支持空间圆弧插补，可以直接给出空间三点坐标绘制出空间圆弧，这个特性可以直接衔接教导数据；更多的特性可以上官网查看，本文侧重分析该卡在雕刻机上的速度规划的功能应用。

我们先从监控图上来分析，当原始轨迹是由多段曲线组成，通常我们采用离散的方法，折合成小线段进行逼近，常规运动卡会对每个线段做加减速，这样速度频繁的起停，就导致加工整体速度上不去，另外刀具的速度不均光洁度下降。而采用匀速做法，在速度效率是上去了，但在拐弯处由于存在离心向心力，不做减速会导致圆弧误差过大。另外在存在换向时，匀速控制会导致机械本体的冲击过大，这影响了机械的寿命和加工的噪音。

那么什么样的速度控制是比较合理的呢？这也是运动控制永远的课题。在本文中，我们分析ADT-8949G1控制卡内部的“自适应控制模型”，便于理解运动控制的基础算法；同时也相当一种抛砖引玉，读者甚至可以借用其思想自己重构属于自己需要的速度规划功能，并通过ADT-8949G1的FIFO功能直接输出自规划的速度曲线。

ADT-8949G1的“自适应控制模型”，实际上相当一个行为约束器，在分析速度规划原理，我们需要可以用现实中常见的案例来比喻复杂轨迹，通常我喜欢用开车来比喻空间刀具的运动。我们列举“自适应控制模型”内三种约束模型来做分析：

运行速度约束：

假设我们开辆车按照上图中的原始轨迹移动，那么我们发现，在直线段，好比车子上了高速，我们希望是有多快开多快，这样可以缩短加工时间，但会增加轮胎的磨损寿命，同样的原理，在雕刻机中，速度和刀具的磨损是成正比的，所以，在直线段，我们只需要约束一下最高的速度即可。

圆弧速度约束：

车子下高速一般总会有个弧形拐弯，我相信没有一个司机敢踩死油门下高速，原因很简单，车子在做圆弧运动的时候，是存在一个离心力的，这个离心力会迫使车子往外飘，车速越大，离心力就越大，另外圆弧的半径越小，同样速度下的离心力也会越大；我们并不能改变轨道的圆度，所以只能降低到一个合适的速度，就可以控制离心力和车子的摩擦力相平衡，这样车子才可以不产生漂移。这在雕刻机中同样适用，圆弧的误差是由于圆周运动的离心力导致，这个误差我们可以计算表达式为 e=K*(F/R) （e误差，K系数， F线速度， R半径)；通过表达式，可以换算出误差和线速度及半径的关系，也就方便的实现自动离心力约束。

加速度约束：

在开车时急刹车，我们会感觉到整个人向前飞出去，这是因为存在加速度的关系。同样过大的加速度也会让电机不舒服，这体现在误差，噪音变大，所以，对加速度需要做一个约束。规划过的速度曲线必须保证任意时刻的加速度不能大于设定值。

如图所示，经过这些条件的约束，我们就可以有效的保证了速度的平稳和精度。而这些可以有运动控制卡的处理器来高速运算完成，对于应用者来说，只需要把各个约束条件录入，开发重心可以更多放在工艺处理和人机交互上。

当然，这还需要一个前提是需要有一个很大的缓存空间来存放数据；目前ADT8949G1支持10000段数据缓存，而且由于其圆弧插补指令是硬件插补，所以圆弧占用的缓存只占用两个数据位，这对那些上G的海量数据文件来说绰绰有余了。

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。