運動控制卡是一種基于工業PC機、用于各種運動控制場合（包括位移、速度、加速度等）的上位控制單元。它的出現主要是因為：（1）為了滿足新型數控系統的標準化、柔性、開放性等要求；（2）在各種工業設備（如切割、雕刻、噴涂、點膠、焊接等）、國防裝備（如跟蹤定位系統等）、智能醫療裝置等設備的自動化控制系統研制和改造中，急需一個運動控制模塊的硬件平臺；（3）PC機在各種工業現場的廣泛應用，也促使配備相應的控制卡以充分發揮PC機的強大功能。 1 數控系統組織結構及控制原理圖 采用PC+運動控制卡的簡易數控系統，其主要組成及其控制流程圖如圖1所示。 通過上述組織結構圖不難看出：一個完整的數控系統主要有“執行結構”和“上位控制”兩部分組成。“執行機構”主要包括: 步進電機，伺服電機，以及由繼電器輸出控制的交流馬達、汽缸、液壓缸等，“執行機構”通過機械聯結裝置將運動傳遞到刀具或工件，進而實現機械部件的運動；“上位控制”單元主要包括：PC機，運動控制卡，數控應用軟件和輔助工具軟件。 “上位控制”單元是數控系統的“指揮中心”，“執行機構”的所有動作都受“上位控制”的統一調度，從而確保了各部件協調動作。在“上位控制”對“執行機構”實施控制的過程中，運動控制卡起了關鍵性的作用，她是PC機和執行機構聯系的橋梁，是執行機構的直接控制者，所以運動控制卡性能的優劣將直接影響整個數控系統的性能。 深圳眾為興數控技術有限公司是一家專業從事數控硬件產品和應用系統開發的公司，運動控制卡作為公司的一項核心產品，其性能指標一直穩居在國內的先進行列，基于運動控制卡自主研發的數控應用系統滲透到了植毛鉆孔機，水射流切割、火焰切割、異形玻璃切割、噴涂機、雕刻機、焊接機、醫療機械等領域。下面詳細討論運動控制卡在異型玻璃切割行業中的應用。 2 異形玻璃切割系統 2.1 行業概述 傳統的玻璃切割采用手工和簡易機械切割方式，在玻璃僅僅用于門窗的時代，上述切割方式已經綽綽有余。然而隨著科技和生活水平的不斷提高，玻璃在電子產品、工藝品、裝飾品、家庭日用品等領域的應用越來越普及，利用傳統方式去切割厚度很厚，面積大，形狀復雜，精度要求高的玻璃非常困難，而且效率很低。傳統切割方式在玻璃切割領域中的應用已經走到了盡頭，取而代之的最佳方式莫過于將數控技術應用到玻璃切割中。 深圳眾為興數控技術有限公司結合自身所長，自主開發了異形玻璃切割系統，該系統在玻璃切割行業中已經得到了廣泛的應用。 2.2 系統設計 （1）硬件方案 因PLC和其他控制器存在圖形處理麻煩、存儲容量和內存容量小等缺陷，所以最終采用PC+運動控制卡硬件方案。 運動控制卡是基于PC機各種總線的步進電機或數字式伺服電機的上位控制單元，總線形式也是多種多樣，通常使用的是基于ISA總線，PCI總線和PC104總線的。隨著PC機的發展，主板上ISA插槽已經越來越少，而PC104總線插槽僅出現在價格昂貴的工控主板上，PCI總線已經成為普通PC機的主流。 綜合玻璃切割工藝，加工過程中需要使用到兩軸聯動、三軸聯動、、兩軸直線插補、三軸直線插補和自動加減速等功能，所以選擇PCI插槽的ADT8940四軸運動控制卡作為運動控制單元。 （2）軟件方案 ADT8940運動控制卡具有開放式結構、使用簡便、功能豐富、可靠性高等特點，其所有功能都是以庫函數形式出現，用戶只管調用，無須了解具體的實現方式，所以可以在短期內，開發出既滿足性能要求，又能大幅度降低成本的系統。 在傳統數控系統中，通常需要專業人員手工編輯G代碼，或者使用Mastercam等專業性很強的繪圖工具生成G代碼，G代碼是系統唯一能夠識別的加工指令，這對操作人員提出了很高的要求。為了開發出通用性強，性價比高的系統，我們分析了目前比較通用的各種繪圖工具，決定在兼容傳統的G代碼的基礎上，增加目前通用性強的DXF文件（AutoCAD）和PLT（AutoCAD、CoreDraw）文件作為切割加工的原始數據，從而解決了客戶使用G代碼的煩惱。 VC中提供的數據鏈表模板類，可以很方便地管理數據，加上VC有強大的圖形處理功能，可以方便地將數據文件格式轉化成圖形格式，直觀地反映出來。所以選用VC作為軟件開發工具。 （3）功能規劃及設計要點 解析功能—系統具有對DXF、PLT、CNC、NC文件的解析功能，從而自動生成加工過程中所需要的數據。解析總體思路采用短直線逼近法來模擬實際軌跡，解析精度可調，用戶可以根據實際需要進行設定。 編輯功能—在玻璃切割中，經常需要批量切割排列規則的方形和圓形工件，如果通過繪圖方式很不方便。為了增強系統的通用性和靈活性，系統中增加了方形和圓形工件的排版和編輯功能，以方便的實現方形和圓形工件的切割加工。 回零功能—系統上電啟動，每個軸正常需要回零，確保系統找到機械零點，通常用原點接近開關作為原點信號。 設定起點—在機械零點的基礎上，人為設定的加工零點。設定加工起點的目的，主要是為了提高加工效率。 抬刀功能—在切割加工過程中，如果刀具在工件中旋轉較大角度，既會影響刀具的使用壽命，同時還會在拐角處留下圓角。為避免上述現象的發生，用戶可以通過設定抬刀角度，確保刀具旋轉角度在超出抬刀角度的情況下，刀具先抬起，然后旋轉，接著下刀進行后續切割。 變速功能—在加工過程中，如果采用統一速度進行高速切割加工，那么在拐角較大處，就會留下不規則的弧形，影響產品的加工精度。為此，系統增加了拐角減速功能。 暫停記憶—系統在暫停時，會自動記憶當前的位置，以保證繼續加工時，所有運動軸都能準確回到暫停時的位置，確保加工的準確性。 手動功能—為提高手動調機的靈活性，系統采用了手持盒控制和鍵盤控制和鼠標控制三種方式來實現各運動軸的移動，同時還提供了指定坐標移動法，確保各運動軸運動到指定位置。 IO診斷—該功能主要用于裝機調試和故障檢測中。機器安裝完畢，必須保證所有的輸入和輸出信號正常后，方可進行加工，否則將會帶來安全隱患和加工出現異常的現象。 保護功能—系統使用了三級保護措施，一級保護采用硬件限位開關，二級保護采用軟件限位，三級保護采用了急停關閉所有電機驅動器使能的應急方案，確保了系統加工過程的安全。 （4）運動控制卡操作 ADT8940控制卡是基于PCI總線的控制卡，它提供了豐富的運動控制函數，可方便基于XY平臺的數控系統、機器人系統、雕刻切割系統、座標測量系統的應用（具體在系統中主要用到了單軸運動、兩軸聯動、三軸聯動、兩軸直線插補，三軸直線插補等功能。對于XY兩軸插補，只需設置X軸的速度曲線，三軸插補需要設置X軸的速度，Z軸的倍率及驅動速度應與X軸設置相同，同時Z軸的初始速度也應設為X軸的驅動速度）。 下面簡單介紹系統中所用庫函數的功能和使用方法。 （1）初始化卡常用函數 int adt8940_initial（void）—該函數用于檢測運動控制卡和復位運動控制卡，這是調用其他函數的前提。函數返回值為ADT8940運動控制卡的數量，返回值<=0，表示初始化失敗。 int set_range（int cardno, int axis, long value）—該函數用于設定倍率，倍率是決定速度，加減速度和加減速度變化率的參數。 int set_pulse_mode（int cardno,int axis,int value,int logic,int dir_logic）—該函數用于設置輸出脈沖的工作方式，運動控制卡提供獨立脈沖和雙脈沖的工作方式。 int set_command_pos（int cardno,int axis,long value）—該函數用于設定邏輯計數器的值。 int set_actual_pos（int cardno,int axis,long value）—該函數用于設定實位計數器的值。 （2）運動控制常用函數 int set_startv（int cardno,int axis,long value）—設定起始速度。 int set_speed（int cardno,int axis,long value）—設定驅動速度。 int set_acc（int cardno,int axis,long value）—設定加速度。 int pmove（int cardno,int axis,long pulse）—單軸驅動函數，連續向不同軸發送此指令，即可實現多軸聯動。 int inp_move2（int cardno,int no,long pulse1,long pluse2）—兩軸插補函數，no的取值決定是前兩軸還是后兩軸插補。 int inp_move3（int cardno,long pulse1,long pluse2,long pulse3）—兩軸插補函數。 （3）狀態檢查函數 int get_status（int cardno,int axis,int ＊value）—獲取單軸驅動狀態，該函數主要用于單軸運動和多軸聯動的場合。 int get_inp_stauts（int cardno,int no,int ＊value）—獲取插補驅動狀態。 int get_inp_status2（int cardno,int no,int ＊value）—獲取連續插補允許寫狀態,通過使用該函數可以在當前插補未結束的情況下，插入下一條插補指令，以便保證插補的連續性。 （4）參數檢查函數 int get_command_pos（int cardno,int axis,long ＊value）—獲取邏輯計數器的值。 Int get_actual_pos（int cardno,int axis,long ＊value）—獲取 實位計數器（通常為編碼器和光柵尺）的值。 int get_speed（int cardno,int axis,long ＊speed）—獲取運動軸的速度 （5）開關量操作函數 int read_bit（int cardno,int number）—讀單個輸入點狀態。 int write_bit（int cardno,int number,int value）—輸出單點。 以上函數的詳細說明，請參見ADT850運動控制卡說明書。 （6）軟件設計 在需要調用運動控制函數的地方，正確調用相應函數，最后組合成完整的異形玻璃切割系統。 3 結束語 運動控制卡作為運動控制系統的核心部件，“上位控制”單元的性能決定了整套系統的運動控制功能的強弱。根據不同的應用場合，根據各自的應用條件，為您的運動控制系統選擇一款適用的“管家”吧！ 第二屆伺服與運動控制論壇論文集 第三屆伺服與運動控制論壇論文集