众为兴ADT-8949G1运动控制卡在雕刻机上的应用

• 关键词：运动控制卡,雕刻机控制卡,雕刻机系统,运动控制技术
• 摘要：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。

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。