可执行G代码的三轴运动控制器的研制运动伺服工业自动化控制247.docx

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可执行G代码的三轴运动控制器的研制运动伺服工业自动化控制247

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可执行G代码的三轴运动控制器的研制_运动伺服_工业自

动化控制

1、引言

近年来，国外、国内多家公司先后推出了独立工作式运动控制器，这些控制器有显示屏、有按键、不需要PC机就可以工作;其核心芯片有各种形式，如:

ARM、DSP以及FPGA和专用芯片，并配有函数库或其自己制定的指令集。

客户使用函数库编写程序或使用专用的指令集编成，都比较麻烦。

国内进行自动化设备设计、维护的工程师，多数为机电类专业人员，他们对数控机床及数控指令十分熟悉。

针对这一特点，作者在AVR单片机运动控制器上，以数控加工指令代码（G指令、M指令）为基础，充分利用G代码运动控制的优势，并增加了I/O控制指令、条件判断和循环控制指令，使独立式运动控制器的指令使用起来十分简单、方便。

2、AVR运动控制器硬件系统

为了设计出性价比高的硬件，选用了AVR单片机为硬件系统的核心芯片。

AVR单片机是ATMEL公司在单片机市场竞争白热化的形式下，发挥其FLASH存储器技术特长，并吸取了PIC及8051单片机的优点，于1997年由A先生和V先生采用RISC结构，共同研发出AVR单片机。

AVR单片机有以下主要优点[1]:

1（速度快:

在相同时钟频率下比8051快12倍;AVR最大时钟频率为16MHz。

2（片内资源丰富:

AVRATmega128单片机上有128KFlash、4KEEPROM、4KRAM、53个I/O，32个通用工作寄存器，以及定时/计数器、模拟比较器、AD转换器、步串行口等资源若干。

3（编程、下载程序方便:

有JTAG和ISP接口。

4（工作可靠、安全:

工作电压范围宽，4.5,5.5V;抗干扰能力强;程序存储器具有多重密码保护锁功能。

AVR运动控制器原理图如图1所示:

图1AVR运动控制器硬件原理图

J6、J7、J8为三个运动轴的控制端口，每个端口上都有一组控制步进电机的脉冲和方向信号，运动轴的原点信号和前、后限位信号。

J4为8路数字输出信号端口，为提高系统的抗干扰能力，每一路信号都采用了光电隔离电路;J5为8路数字输入信号端口，每一路信号不但采用了光电隔离电路，而且还加入了RC低通滤波器。

J3是按键端口及LCD端口。

J2是RS232通讯端口，J1是JTAG端口。

图2为该控制器应用于点胶机的面板图。

其上有一个4行20列文本显示屏，有25个按键。

图2点胶机控制面板

3、运动控制指令集

本运动控制器的指令集采用ISO数控代码，符合ISO-1056-1975E标准，该标准在数控程序编制中已被广泛使用，它通过G、M等指令代码，描述加工工艺过程和数控机床的运动特征[2]。

I/O控制、条件判断和循环控制等指令是根据数控代码的标准自定义的指令。

目前共有16条数控代码，在此基础上还可以继续扩充。

在编程中全部采用增量坐标系，即运动轨迹的终点坐标以其起点计量，坐标的单位为毫米。

程序可以在控制器面板上输入并编辑;也可以在PC机上编写好后，通过RS232口下载至控制器。

1）准备功能G指令:

点定位指令G00

语法:

G00XLYmZn

其中XL可选。

表示X轴从当前位置移动L毫米。

Ym可选。

表示Y轴从当前位置移动m毫米。

Zn可选。

表示Z轴从当前位置移动n毫米。

说明:

该指令使所选电机以固定速度的移动，启、停过程有加减速控制。

直线插补指令G01

语法:

G01XLYmZnFs

其中Fs可选。

若不选Fs，则直线的速度和前面指令中设定的速度相同。

顺圆插补指令G02

语法:

G02XmYnRLFs

其中XmYn表示圆弧终点相对于起点的坐标（m,n）。

RL表示圆弧半径为L毫米。

也可以在X,Z和Y,Z坐标里画顺园。

格式为:

G02XmZnRLFs

G02YmZnRLFs

逆圆插补指令G03

语法:

G03XmYnRLFs

G03XmZnRLFs

G03YmZnRLFs

延时指令G04

语法:

G04Pt

其中Pt必需。

t为延时长度，单位为秒。

（Pause）

等待电机停止指令G05

语法:

G05XYZ

其中X、Y、Z可选。

表示等待X轴或Y轴或Z轴电机停止。

说明:

该指令让控制器不断查询电机的状态，等待指定的电机停止。

该指令

一般在G00、G10和G12之后，或G01、G02和G03之前使用。

设置该指令的目的是:

在G00、G10和G12指令执行的时候，控制器还可以

进行I/O控制。

加速指令G08

语法:

G08

说明:

该指令不能单独使用，只能写在G01、G02、G03代码的尾部，表示电

机开始运动时有加速过程。

减速指令G09

语法:

G09

说明:

该指令不能单独使用，只能写在G01、G02、G03代码的尾部，表示电

机结束运动时有减速过程。

回原点指令G10

语法:

G10XYZ

其中X、Y、Z可选。

表示X轴，或Y轴，或Z轴回原点。

说明:

该指令使平台以固定速度的返回原点。

移至曲线起点指令G12

语法:

G12

说明:

该指令使平台以固定速度移至人工设定的曲线起点。

2）辅助功能M指令

程序结束指令M02

语法:

M02

说明:

该指令表示程序结束，控制器退出自动控制状态。

开外设指令M80

语法:

M80Un

其中Un必需。

n为外设编号。

（Unit）

关外设指令M81

语法:

M81Un

外设开跳转指令M95

语法:

M95UiDm

其中Ui必需。

Ui表示第i号输入设备。

Dm必需。

m为程序跳转目的指令序号。

（Destination）

说明:

该指令让控制器查询输入设备Ri的状态，若Ri为开，程序跳转至序号为Nm的指令处;否则，控制器继续往下执行程序。

Dm的书写格式必须和目的指令序号的书写格式相同。

外设关跳转指令M96

语法:

M96UiDm

说明:

和M96类似，只是开改为关。

程序循环跳转指令M90

语法:

M90DmCnLx

其中Dm必需。

m为程序跳转目的指令的序号。

m的书写格式必须和目的指

令序号的书写格式相同。

（Destination）

Cn可选。

n为从序号为Nm的指令到M90前一条指令段的循环次数。

（Count）

Lx可选。

表示不同的循环跳转指令，x为0或1。

（Loop）

3）数控程序格式

一个完整的数控程序由若干行指令组成。

每行指令以N加序号开头;一行指令结束必须回车换行。

一行只能写一个指令。

程序的最后一行指令一定要是M02。

指令序号大小不限，序号可以有间隔，如:

N010，N020，N030„，以便于修改程序时，程序中添加指令。

在PC机上编写程序时，程序中可以加注释。

注释以’符号开头。

既可以加在指令后也可以单独写一行;程序中允许有空行。

但在控制器上不显示注释和空行。

4）程序示例

点胶机上，X、Y轴控制点胶针头的运动，Z轴控制点胶针头的上下;电磁阀U1控制工装加紧、松开，电磁阀U2控制点胶针管加压的开关;R1为“开始”按钮。

点胶曲线如下图3红线所示，灰线为起点定位的轨迹。

图3点胶轨迹曲线

程序代码如下:

N010M96R1D010等待“开始”按键按下

N020M80U1夹紧工装

N030G10XYZ回原点

N040G05XYZ等待X、Y、Z电机停止

N050G12移动至曲线起点

N060G05XY等待X，Y电机停止

N070G00Z10针头降下10mm

N080M80U2开始点胶

N090G04P0.2延时0.2秒

N100G01X0Y5F80G08NO.0直线插补，带加速

N110G01X10Y20NO.1直线插补，速度F=80mm/s

N120G02X30Y0R20NO.2圆弧插补，速度F=80mm/s

N130G01X10Y-20NO.3直线插补，速度F=80mm/s

N140G01X0Y-5G09NO.4直线插补，带减速

N150M81U2停止点胶

N160G00Z-10针头提起10mm

N170M81U1松开工装

N180M02程序结束

4、AVR运动控制器软件结构及算法

图4为AVR运动控制器软件结构图。

图4AVR运动控制器软件结构图

1）电机运动控制算法

电机的速度控制:

采用梯形速度曲线控制电机的加、减速，速度由查表法确定。

三维直线插补:

采用积分法进行直线插补，该算法在同一时刻，三个轴可以同时运动，所以，该算法运动较平稳，且误差小于半步。

[3]

二维圆弧插补:

采用单步跟踪法进行圆弧插补，该算法不需要乘法运算，只用加、减法就可完成圆弧插补运算，使圆弧插补运动速度和直线插补速度一样快。

[3]

实测AVR运动控制器，其控制步进电机运动的脉冲频率最小为2Hz，最大为13889Hz;步进电机驱动器设为4细分，即电机的分辨率为800步/转时，可控制步进电机的最大转速为1040rpm。

2）LCD编辑功能

为在LCD上方便的编辑程序，软件可实现按键功能切换、滚动浏览、插入、删除等功能:

按键状态切换:

按[Shift]键，光标在“_”和“?

”之间切换。

光标在“_”状态:

输入数字、光标移动、删除（Del）;

光标在“?

”状态:

输入字母、Space（空格）。

光标上下移动:

按[?

]、[?

]键，控制光标上下移动;当光标在第一行或第四行时，可以控制屏幕向上或向下翻滚一行，以便于浏览。

光标左右移动:

按[?

]、[?

]键，控制光标左右移动;当光标移动第1行第

1列处，不能再左移;当光标移动第4行最后一列处，不能再右移。

回车换行:

按[Ent]键，回车换行。

如果光标后面有字符，将被删除。

插入行:

光标在“?

”状态下，当光标在第1列时，按[Ent]键，将在此行前插入一行。

删除字符、行:

按[Del]键一次，将光标前的字符删除一个;当光标在第1列时，按[Del]键，将此行删除。

3）运动控制指令的编译

在执行程序之前，要进行一次预处理，将程序的行号、指令中的十进制数据由ACSII码转换成16进制的数值;再将每行的行号和其启始地址存入RAM中的一个2维数组，以便于执行跳转指令。

在执行指令时，利用G代码和M代码的指令号进行散转控制;只有M02和其它M指令号相差较大，要特殊处理一下。

1、引言

近年来，国外、国内多家公司先后推出了独立工作式运动控制器，这些控制器有显示屏、有按键、不需要PC机就可以工作;其核心芯片有各种形式，如:

ARM、DSP以及FPGA和专用芯片，并配有函数库或其自己制定的指令集。

客户使用函数库编写程序或使用专用的指令集编成，都比较麻烦。

国内进行自动化设备设计、维护的工程师，多数为机电类专业人员，他们对数控机床及数控指令十分熟悉。

针对这一特点，作者在AVR单片机运动控制器上，以数控加工指令代码（G指令、M指令）为基础，充分利用G代码运动控制的优势，并增加了I/O控制指令、条件判断和循环控制指令，使独立式运动控制器的指令使用起来十分简单、方便。

2、AVR运动控制器硬件系统

为了设计出性价比高的硬件，选用了AVR单片机为硬件系统的核心芯片。

AVR单片机是ATMEL公司在单片机市场竞争白热化的形式下，发挥其FLASH存储器技术特长，并吸取了PIC及8051单片机的优点，于1997年由A先生和V先生采用RISC结构，共同研发出AVR单片机。

AVR单片机有以下主要优点[1]:

1（速度快:

在相同时钟频率下比8051快12倍;AVR最大时钟频率为16MHz。

2（片内资源丰富:

AVRATmega128单片机上有128KFlash、4KEEPROM、4KRAM、53个I/O，32个通用工作寄存器，以及定时/计数器、模拟比较器、AD转换器、步串行口等资源若干。

3（编程、下载程序方便:

有JTAG和ISP接口。

4（工作可靠、安全:

工作电压范围宽，4.5,5.5V;抗干扰能力强;程序存储器具有多重密码保护锁功能。

AVR运动控制器原理图如图1所示:

图1AVR运动控制器硬件原理图

J6、J7、J8为三个运动轴的控制端口，每个端口上都有一组控制步进电机的脉冲和方向信号，运动轴的原点信号和前、后限位信号。

J4为8路数字输出信号端口，为提高系统的抗干扰能力，每一路信号都采用了光电隔离电路;J5为8路数字输入信号端口，每一路信号不但采用了光电隔离电路，而且还加入了RC低通滤波器。

J3是按键端口及LCD端口。

J2是RS232通讯端口，J1是JTAG端口。

图2为该控制器应用于点胶机的面板图。

其上有一个4行20列文本显示屏，有25个按键。

图2点胶机控制面板

3、运动控制指令集

本运动控制器的指令集采用ISO数控代码，符合ISO-1056-1975E标准，该标准在数控程序编制中已被广泛使用，它通过G、M等指令代码，描述加工工艺过程和数控机床的运动特征[2]。

I/O控制、条件判断和循环控制等指令是根据数控代码的标准自定义的指令。

目前共有16条数控代码，在此基础上还可以继续扩充。

在编程中全部采用增量坐标系，即运动轨迹的终点坐标以其起点计量，坐标的单位为毫米。

程序可以在控制器面板上输入并编辑;也可以在PC机上编写好后，通过RS232口下载至控制器。