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

1、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

2、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

3、资源丰富:AVR ATmega128单片机上有128K Flash、4K EEPROM、4K RAM、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1 AVR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

4、，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

5、，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: G00 XL Ym Zn 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: G01 XL Ym Zn Fs 其中 Fs 可选。若不选Fs，则直线的速度和前面指令中设定

6、的速度相同。 顺圆插补指令G02 语法: G02 Xm Yn RL Fs 其中 Xm Yn 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: G02 Xm Zn RL Fs G02 Ym Zn RL Fs 逆圆插补指令G03 语法: G03 Xm Yn RL Fs G03 Xm Zn RL Fs G03 Ym Zn RL Fs 延时指令G04 语法: G04 Pt 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: G05 X Y Z 其中 X、Y、Z可选。表示等待X轴或Y轴或Z轴电机停止。

7、 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: G10 X Y Z 其中 X、Y、Z 可选。表示X轴，或Y轴，或Z轴回原点。

8、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: M80 Un 其中 Un必需。n为外设编号。(Unit) 关外设指令M81 语法: M81 Un 外设开跳转指令M95 语法: M95 Ui Dm 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N

9、m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: M96 Ui Dm 说明:和M96类似，只是开改为关。 程序循环跳转指令M90 语法: M90 Dm Cn Lx 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

10、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: N010 M96 R1 D010 等待“开始”

11、按键按下 N020 M80 U1 夹紧工装 N030 G10 X Y Z 回原点 N040 G05 X Y Z 等待X、Y、Z电机停止 N050 G12 移动至曲线起点 N060 G05 X Y 等待 X ，Y 电机停止 N070 G00 Z10 针头降下10mm N080 M80 U2 开始点胶 N090 G04 P0.2 延时0.2秒 N100 G01 X0 Y5 F80 G08 NO. 0 直线插补，带加速 N110 G01 X10 Y20 NO. 1 直线插补，速度F=80 mm/s N120 G02 X30 Y0 R20 NO. 2 圆弧插补，速度F=80 mm/s N130 G01

12、 X10 Y-20 NO. 3 直线插补，速度F=80 mm/s N140 G01 X0 Y-5 G09 NO. 4 直线插补，带减速 N150 M81 U2 停止点胶 N160 G00 Z-10 针头提起10mm N170 M81 U1 松开工装 N180 M02 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4 AVR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

13、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1040 rpm。 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)。

14、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ACSI

15、I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

16、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16M

17、Hz。 2(片内资源丰富:AVR ATmega128单片机上有128K Flash、4K EEPROM、4K RAM、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1 AVR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

18、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。