雕刻機(jī)是制造作業(yè)內(nèi)最為常見的一種加工設(shè)備，通常由于加工材質(zhì)的不同和被細(xì)分為金屬雕刻，木工雕刻，亞克力雕刻等等，由于其工藝是建立在標(biāo)準(zhǔn)銑床的運(yùn)動(dòng)模型基礎(chǔ)上，所以有著很多和加工中心，數(shù)控銑床相似的運(yùn)動(dòng)控制需求，但同時(shí)也存在一些功能定位上的差異;例如很多行業(yè)的制造需求越來越傾向定制化，所以雖然加工中心能完全替代雕刻機(jī)，但卻替代不了雕刻機(jī)的市場(chǎng)定位和發(fā)展趨勢(shì)，雕刻機(jī)有著輕量級(jí)加工中心之說，但在速度和光潔度上，雕刻機(jī)卻要求比加工中心要高，主要體現(xiàn)在雕刻機(jī)所面向的材料和應(yīng)用上。這在很大程度上提出了對(duì)運(yùn)動(dòng)控制的速度規(guī)劃要求和平穩(wěn)要求。
采用運(yùn)動(dòng)控制卡來做雕刻機(jī)，是目前常見的一種雕刻機(jī)解決方案，主要體現(xiàn)在 windows是一個(gè)開放性的平臺(tái)，很容易做產(chǎn)品整合，例如加視覺等等;采用windows+運(yùn)動(dòng)控制卡來開發(fā)雕刻機(jī)軟件，相對(duì)于嵌入式數(shù)控平臺(tái)的開發(fā)來說門檻低很多，同時(shí)也非常方便開發(fā)一些接口來擴(kuò)展新的功能。常見的雕刻機(jī)軟件通常需要下面幾個(gè)模塊就可以工作了。
人機(jī)界面：
“人機(jī)界面”是雕刻機(jī)和其他的軟件和操作者交互的模塊。
譯碼器：
G代碼或CAD解析器是雕刻機(jī)的“譯碼器”，用于讀入制圖軟件產(chǎn)生的加工軌跡數(shù)據(jù)文件。
軌跡運(yùn)算：
有了“人機(jī)界面”和“譯碼器”后，雕刻機(jī)接下來只需要把加工軌跡計(jì)算成雕刻機(jī)的空間坐標(biāo)，例如處理雙Z軸的坐標(biāo)交換，也就是“軌跡計(jì)算”。
速度規(guī)劃：
然后通過“速度規(guī)劃”，能夠提升光潔度和加工時(shí)間。
控制補(bǔ)償：
采用“控制補(bǔ)償”，可以控制提升加工的精度。
事實(shí)上很多商業(yè)的以windows為平臺(tái)的雕刻機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，也都是圍繞著這幾個(gè)模塊內(nèi)容，一直做模塊的深度開發(fā)而已，特別是有關(guān)速度規(guī)劃，由于相關(guān)機(jī)械本體以及伺服電機(jī)，一直也是應(yīng)用工程師開發(fā)的軟肋;針對(duì)于一些開發(fā)周期短和工藝復(fù)雜的項(xiàng)目，工程師更愿意把精力放在人機(jī)交互和工藝處理上，這就要求運(yùn)動(dòng)控制卡能夠處理這些類似速度規(guī)劃的運(yùn)動(dòng)控制需求，本文中選用的深圳眾為興公司研發(fā)的一款A(yù)DT-8949G1運(yùn)動(dòng)控制卡可以很好的處理這些需要。
ADT- 8949G1是一款支持四路電機(jī)控制接口的PCI運(yùn)動(dòng)控制卡;和之前的ADT-8940G1稍有不同，這款卡帶了一個(gè)C6000的高速DSP和FPGA，可以處理海量的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并完成速度規(guī)劃等控制計(jì)算。ADT-8949G1支持T，E，S型加減速，不對(duì)稱加減速，可有效控制電機(jī)的起停慣性沖擊。支持空間圓弧插補(bǔ)，可以直接給出空間三點(diǎn)坐標(biāo)繪制出空間圓弧，這個(gè)特性可以直接銜接教導(dǎo)數(shù)據(jù);更多的特性可以上官網(wǎng)查看，本文側(cè)重分析該卡在雕刻機(jī)上的速度規(guī)劃的功能應(yīng)用。
我們先從監(jiān)控圖上來分析，當(dāng)原始軌跡是由多段曲線組成，通常我們采用離散的方法，折合成小線段進(jìn)行逼近，常規(guī)運(yùn)動(dòng)卡會(huì)對(duì)每個(gè)線段做加減速，這樣速度頻繁的起停，就導(dǎo)致加工整體速度上不去，另外刀具的速度不均光潔度下降。而采用勻速做法，在速度效率是上去了，但在拐彎處由于存在離心向心力，不做減速會(huì)導(dǎo)致圓弧誤差過大。另外在存在換向時(shí)，勻速控制會(huì)導(dǎo)致機(jī)械本體的沖擊過大，這影響了機(jī)械的壽命和加工的噪音。
那么什么樣的速度控制是比較合理的呢?這也是運(yùn)動(dòng)控制永遠(yuǎn)的課題。在本文中，我們分析ADT-8949G1控制卡內(nèi)部的“自適應(yīng)控制模型”，便于理解運(yùn)動(dòng)控制的基礎(chǔ)算法;同時(shí)也相當(dāng)一種拋磚引玉，讀者甚至可以借用其思想自己重構(gòu)屬于自己需要的速度規(guī)劃功能，并通過ADT-8949G1的FIFO功能直接輸出自規(guī)劃的速度曲線。
ADT-8949G1的“自適應(yīng)控制模型”，實(shí)際上相當(dāng)一個(gè)行為約束器，在分析速度規(guī)劃原理，我們需要可以用現(xiàn)實(shí)中常見的案例來比喻復(fù)雜軌跡，通常我喜歡用開車來比喻空間刀具的運(yùn)動(dòng)。我們列舉“自適應(yīng)控制模型”內(nèi)三種約束模型來做分析：
運(yùn)行速度約束：
假設(shè)我們開輛車按照上圖中的原始軌跡移動(dòng)，那么我們發(fā)現(xiàn)，在直線段，好比車子上了高速，我們希望是有多快開多快，這樣可以縮短加工時(shí)間，但會(huì)增加輪胎的磨損壽命，同樣的原理，在雕刻機(jī)中，速度和刀具的磨損是成正比的，所以，在直線段，我們只需要約束一下最高的速度即可。
圓弧速度約束：
車子下高速一般總會(huì)有個(gè)弧形拐彎，我相信沒有一個(gè)司機(jī)敢踩死油門下高速，原因很簡單，車子在做圓弧運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，是存在一個(gè)離心力的，這個(gè)離心力會(huì)迫使車子往外飄，車速越大，離心力就越大，另外圓弧的半徑越小，同樣速度下的離心力也會(huì)越大;我們并不能改變軌道的圓度，所以只能降低到一個(gè)合適的速度，就可以控制離心力和車子的摩擦力相平衡，這樣車子才可以不產(chǎn)生漂移。這在雕刻機(jī)中同樣適用，圓弧的誤差是由于圓周運(yùn)動(dòng)的離心力導(dǎo)致，這個(gè)誤差我們可以計(jì)算表達(dá)式為 e=K*(F/R) (e誤差，K系數(shù)， F線速度， R半徑);通過表達(dá)式，可以換算出誤差和線速度及半徑的關(guān)系，也就方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)離心力約束。
加速度約束：
在開車時(shí)急剎車，我們會(huì)感覺到整個(gè)人向前飛出去，這是因?yàn)榇嬖诩铀俣鹊年P(guān)系。同樣過大的加速度也會(huì)讓電機(jī)不舒服，這體現(xiàn)在誤差，噪音變大，所以，對(duì)加速度需要做一個(gè)約束。規(guī)劃過的速度曲線必須保證任意時(shí)刻的加速度不能大于設(shè)定值。
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如圖所示，經(jīng)過這些條件的約束，我們就可以有效的保證了速度的平穩(wěn)和精度。而這些可以有運(yùn)動(dòng)控制卡的處理器來高速運(yùn)算完成，對(duì)于應(yīng)用者來說，只需要把各個(gè)約束條件錄入，開發(fā)重心可以更多放在工藝處理和人機(jī)交互上。
當(dāng)然，這還需要一個(gè)前提是需要有一個(gè)很大的緩存空間來存放數(shù)據(jù);目前ADT8949G1支持10000段數(shù)據(jù)緩存，而且由于其圓弧插補(bǔ)指令是硬件插補(bǔ)，所以圓弧占用的緩存只占用兩個(gè)數(shù)據(jù)位，這對(duì)那些上G的海量數(shù)據(jù)文件來說綽綽有余了。
