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摘要：使用VisualStudio2019社區(qū)版開發(fā)平臺，根據(jù)固高運動控制器支持的電子齒輪運動指令，采用C++編程語言能夠很方便地開發(fā)電子手輪控制程序，為運動控制系統(tǒng)增加手輪控制功能。電子手輪控制程序包括了初始化、讀取編碼器位置以及手脈軸選和倍率、軸號選擇以及倍率變換和從軸運動函數(shù)。經(jīng)測試，運動軸能夠很好地跟隨電子手輪運動。

關(guān)鍵詞：運動控制器；電子手輪；電子齒輪

1概述

在機器人、自動化化生產(chǎn)線和印刷機械等領(lǐng)域，電子手輪都有廣泛應(yīng)用。特別是在數(shù)控機床上，操作人員經(jīng)常需要進(jìn)行數(shù)控機床的工作原點設(shè)定、對刀和微調(diào)等操作，電子手輪可以為用戶使用帶來很大方便[1]。在多軸運動控制系統(tǒng)中，可以增加電子手輪控制功能為設(shè)備的調(diào)試與操作提供支持。運動控制是自動化領(lǐng)域里的一個重要研究方向，在很多行業(yè)中，運動控制性能的優(yōu)良決定了用戶產(chǎn)品的競爭力。由于小型PLC運動控制功能弱，運動控制器已經(jīng)成為多軸運動控制系統(tǒng)的主要部件。在多軸運動控制系統(tǒng)中，經(jīng)常需要一個軸運動的同時，另一個軸可按一定比例跟隨運動。基于固高運動控制器的電子齒輪功能能夠方便地實現(xiàn)電子手輪控制程序的開發(fā)。

2固高控制器

GTS-800-PV-PCI運動控制器是由固高公司生產(chǎn)，核心由FPGA和DSP組成，可以實現(xiàn)高性能的控制計算，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCIe總線接口，以IBM-PC及其兼容機為主機，適用領(lǐng)域廣泛，提供C語言等函數(shù)庫和Windows動態(tài)鏈接庫，可以實現(xiàn)點位高速運動控制等復(fù)雜控制功能[2]。在進(jìn)行運動控制系統(tǒng)的設(shè)備調(diào)試時，使用者可通過專有調(diào)試軟件完成各軸的Jog、點位運動控制，并能控制各信號的輸入輸出。可以利用Windows動態(tài)鏈接庫方便實現(xiàn)固高運動控制器的編程。GTS-800-PV-PCI運動控制器由控制板CN17和轉(zhuǎn)接板CN18兩部組成。端子板是運動控制器與外部設(shè)備進(jìn)行信號傳遞的接口，例如編碼器信號、外部傳感器信號、電機軸信號等都是通過端子板與控制器進(jìn)行信息傳遞。此款運動控制器支持1路4倍頻增量式手輪編碼器輸入，最高頻率10KHz（4倍頻后）和7路軸選、倍率開關(guān)輸入。運動控制器配套端子板為8軸端子板，其中CN20接口是手輪接口（MPG接口），有24V和5V電源，1路輔助編碼器輸入（可接收A相和B相差分輸入），7路數(shù)字量IO輸入（低電平有效，默認(rèn)24V）。

3電子手輪

電子手輪由于本質(zhì)上是增量式光電編碼器，因此也稱為手脈、手搖脈沖發(fā)生器、手動脈沖發(fā)生等[3]。電子手輪上一般都有波段開關(guān)用于軸和倍率的選擇，脈沖發(fā)生器用于產(chǎn)生發(fā)出脈沖便于控制系統(tǒng)采集。當(dāng)旋轉(zhuǎn)手輪時，可以驅(qū)動內(nèi)部編碼器的軸轉(zhuǎn)動，從而可以產(chǎn)生相對手輪運動的脈沖信號。電子手輪按供電電壓、信號輸出種類、分辨率等有不同分類，這里選擇使用手持單元盒外掛式型號為OMT1469-100B-4A電子手輪，支持x1、x10、x1003檔倍率和4軸選擇切換。

4電子手輪控制程序設(shè)計與實現(xiàn)

4.1電子齒輪模式

固高運動控制卡支持電子齒輪模式，可以很方便實現(xiàn)在多軸運動時，一個軸運動的同時，使另外一個軸按給定比例同時運動。因此電子齒輪模式是一種多軸聯(lián)動模式，所能實現(xiàn)的運動效果與兩個機械齒輪的嚙合運動相似。通過電子齒輪功能能夠在多種運動控制時，實現(xiàn)軸的主從運動，達(dá)到將兩軸或多軸聯(lián)系起來，實現(xiàn)精確的同步運動，從而可以替代傳統(tǒng)的機械齒輪連接機構(gòu)。在電子手輪應(yīng)用中，一般都是實現(xiàn)電子手輪轉(zhuǎn)動時，其他軸跟隨其運動。在程序設(shè)計時，必須選定主軸和從軸。而主軸是被跟隨軸，這里就是指電子手輪；從軸是跟隨軸，即跟隨電子手脈輪運動的軸。電子齒輪模式下，一個主軸可以驅(qū)動多個從軸，從軸能夠跟隨主軸的規(guī)劃位置和編碼器位置運動。主軸速度與從軸速度的比例可以在程序中通過設(shè)置傳動比決定。當(dāng)主軸速度發(fā)生變化時，從軸速度也會隨之變化，并保持固定的傳動比。電子齒輪模式能夠方便靈活地設(shè)置傳動比，而不用改變機械系統(tǒng)，可以節(jié)省機械系統(tǒng)的安裝時間。當(dāng)主軸速度變化時，從軸會根據(jù)設(shè)定好的傳動比自動改變速度。在運動過程中，電子齒輪模式也允許改變傳動比。當(dāng)改變傳動比時，可以設(shè)置離合區(qū)，實現(xiàn)平滑變速。離合區(qū)位移不是指從軸變速時所走過的位移，而是從軸平滑變速過程中主軸所運動的位移。在電子手脈輪控制中，從軸的運動模式要設(shè)置為電子齒輪模式。一旦改變傳動比，在離合區(qū)位移內(nèi)，從軸速度會從零逐漸增大直到到達(dá)設(shè)定傳動比。離合區(qū)越大，從軸速度的變化過程就越緩慢，也就使從軸傳動比能夠平穩(wěn)變化。

4.2軟件開發(fā)工具

在Windows系統(tǒng)下使用運動控制器，首先要安裝驅(qū)動程序。固高控制卡對軟件開發(fā)工具有良好的開放性，為用戶提供了運動控制器指令函數(shù)動態(tài)鏈接庫，用戶可以在VC、VB、Python等任何支持動態(tài)鏈接庫開發(fā)的環(huán)境下進(jìn)行程序開發(fā)。C++是一種運行高效的程序設(shè)計語言，在運動控制系統(tǒng)中可以通過C++編寫系統(tǒng)軟件實現(xiàn)各種運動控制。VisualStudio是美國微軟公司發(fā)布的開發(fā)工具包產(chǎn)品，提供了基本完整的開發(fā)工具集，支持C、C++、C#編程語言。VisualStudio分為社區(qū)版、專業(yè)版和企業(yè)版，其中社區(qū)版為免費版本，擁有比較完整的編譯平臺，適合一般用戶程序開發(fā)使用。因此可以選用目前在Windows平臺下比較常用的VisualStu-dio2019社區(qū)版，利用VC++創(chuàng)建Win32控制臺手輪控制應(yīng)用程序。

4.3與電子手輪相關(guān)指令

電子齒輪運動需要使用的指令，如表1所示。電子齒輪運動指令中常用參數(shù)包括profle（規(guī)劃軸號）、dir（跟隨方式）、mastereType（主軸類型）、mas-terEvn（主軸位移）、slaveEvn（從軸位移）、masterSlope（離合區(qū)）。

4.4手輪控制伺服電動機

利用固高運動控制器實現(xiàn)手輪對伺服軸跟隨控制，需要按以下步驟實現(xiàn)：

（1）硬件連接，交流伺服控制廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，交流伺服電動機是無刷電機，適合實現(xiàn)復(fù)雜低速平穩(wěn)運行的運動定位控制系統(tǒng)。這里通過采用電子手輪去控制由安川∑7交流伺服電機驅(qū)動的運動模組為例，說明固高控制器GTS-800-PV-PCI如何實現(xiàn)電子手輪控制功能。首先要完成相應(yīng)的系統(tǒng)硬件接線，主要包括運動控制器與端子板之間的連接、端子板與外接各設(shè)備之間的接線和外部設(shè)備之間接線。運動控制器與端子板接線時要先關(guān)閉計算機電源，采用專有的屏蔽電纜連接控制器的CN17與端子板CN17端口，另用一根電纜線連接轉(zhuǎn)接板的CN18與端子板的CN18。根據(jù)任務(wù)需要，端子板需要完成與電子手輪、伺服驅(qū)動器的連接，此外還需要完成伺服驅(qū)動器與伺服電機接線，伺服驅(qū)動器與編碼器接線。

（2）配置運動控制器模式和伺服驅(qū)動器參數(shù)，在計算機上安裝完固高運動控制器驅(qū)動程序后，打開運動控制器系統(tǒng)調(diào)試軟件MotionControlToolkit2009（MC2008），能夠用于檢測主機與運動控制器是否能夠建立通信。如果MC2008能夠正常打開，說明通信正常，如圖1所示正常打開MCT2008。否則會提示“打開板卡失敗”的錯誤提示信息。MC2008提供運動控制器的配置功能，用戶可以利用MC2008根據(jù)任務(wù)完成各軸以及I/O限位報警的配置，并可以生成相應(yīng)的配置文件GTS800.cfg。對伺服驅(qū)動器進(jìn)行配置，采用USB通信線連接安川驅(qū)動器的調(diào)試口與計算機USB接口；打開安川伺服驅(qū)動器軟件“SigmaWin+Ver.7”；打開軟件連接伺服驅(qū)動器，通過點擊軟件界面左上角“Home”圖標(biāo)，選擇下拉菜單中的“開始”，“連接伺服”，進(jìn)入通信設(shè)定界面，檢索伺服單元，實現(xiàn)連接；伺服參數(shù)設(shè)定，通過點擊所選伺服單元“菜單”按鈕，點擊“參數(shù)編輯”進(jìn)入?yún)?shù)編輯界面。這里可以修改驅(qū)動器參數(shù)的值包括旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)、控制方式選擇、指令脈沖形態(tài)、電子齒輪比（分子）、電子齒輪比（分母）以及編碼器分頻脈沖數(shù)等。修改好的參數(shù)要通過點擊“參數(shù)編輯”界面中的“正在編輯的參數(shù)”命令寫入到伺服驅(qū)動器中。為使寫入伺服驅(qū)動器的參數(shù)有效，需要將伺服驅(qū)動器主回路電源關(guān)閉，然后重新上電，從而完成對伺服驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定任務(wù)。

（3）新建項目，在VisualStudio中根據(jù)需要新建32位的C++手輪工作臺控制項目工程。

（4）手輪控制項目創(chuàng)建后，VS會自動在指定位置生成許多文件。在固高運動控制器配套光盤dll文件夾中選擇對應(yīng)32位程序版本的動態(tài)鏈接庫gts.dll，頭文件gts.h，靜態(tài)鏈接庫文件gts.lib，以及運動控制器配置文件GTS800.cfg復(fù)制到工程文件夾中。在打開的VS項目窗口右側(cè)解決方案資源管理器中中右擊“頭文件”，選擇“添加”、“現(xiàn)有項”，找到“gts.h”，選擇“添加”。添加完成后，需要在應(yīng)用程序中加入函數(shù)庫頭文件的聲明即代碼#include“gts.h”。添加庫文件有兩種方法，一種方法是在VS軟件窗口“項目”菜單中選擇“屬性”，在彈出的“屬性”窗口中選擇“鏈接器”、“輸入”、“附加依賴項”中找到庫文件添加gts.lib到庫文件。另一種方法是在應(yīng)用程序中直接使用#pragmacomment（lib,''gts.lib''），實現(xiàn)庫文件的添加。

（5）按照手脈控制程序設(shè)計內(nèi)容要求編寫代碼。利用固高控制器實現(xiàn)手輪控制程序需要包含初始化、獲取手輪數(shù)據(jù)、從軸運動幾個子函數(shù)。主函數(shù)完成調(diào)用初始化、獲取手輪數(shù)據(jù)，讓手脈可以工作。初始化函數(shù)實現(xiàn)運動控制卡的初始化功能，需要完成啟動運動控制器、復(fù)位運動控制器、配置運動控制器，并進(jìn)行電機軸異常清除和位置清零。在程序中GT_LoadConfig（"GTS800.cfg"）命令是用來實現(xiàn)運動控制器配置的，程序編譯時有可能出現(xiàn)錯誤提示。如果提示錯誤，可以通過在VS軟件窗口中選擇“項目”菜單下“屬性”，在打開的屬性對話框中選擇“C++”、“語言”中的“符合模式”改成否。讀取編碼器位置以及手脈軸選和倍率函數(shù)通過GT_GetDi（MC_MPG,&IGpiValue）讀取手輪接口的軸選和倍率的IO輸入狀態(tài)的DI信號獲得變量IGpiValue的值。軸號選擇以及倍率變換函數(shù)接收傳入的手脈軸號以及倍率的值。由于變量IGpiValue低4位存儲的是軸選信號，第5、6、7位存儲的是倍率信號。因此必須在該函數(shù)中要對IGpiValue值進(jìn)行處理，將IGpiValue值和0x0f（00001111）進(jìn)行按位與運算，運算結(jié)果就只保留前4位有效，從而獲取軸選數(shù)據(jù)slaveAxis，將IGpiVal-ue值和0x70（01110000）進(jìn)行按位與運算，運算結(jié)果得到5～7位的數(shù)據(jù)，從而獲取倍率設(shè)置數(shù)據(jù)slaveEvn。根據(jù)獲取的軸選數(shù)據(jù)，確定需要手輪控制的選定軸，由于每次只能選定一個軸，必須停止其他軸。通過GT_GetEncPos（masterAxis,&mpgPos,1）能夠讀取手輪編碼器位置信息，其中masterAxis是指主軸手脈的軸號，由于手脈是外接到控制器端子板上的，它的軸號固定為11。從軸運動函數(shù)的實現(xiàn)是通過GT_PrfGear（SlaveAx-is）設(shè)置從軸SlaveAxis運動模式為電子齒輪模式，通過GT_SetGearMaster（SlaveAxis,masterAxis,GEAR_MAS-TER_ENCODER）設(shè)置從軸跟隨主軸編碼器，GT_Set-GearRatio（SlaveAxis,masterEvn,SlaveEvn,slope）設(shè)置從軸的傳動比和離合區(qū)。最后通過GT_GearStart（1<<（SlaveAxis-1））指令啟動電子齒輪。主函數(shù)voidmain()分別調(diào)用初始化函數(shù)、讀取編碼器位置以及手脈軸選和倍率函數(shù)，讓手脈工作。

（6）檢測代碼無誤后，編譯生成解決方案，進(jìn)行程序調(diào)試。運行程序，使用手脈分別改變軸號和倍率，轉(zhuǎn)動手脈手柄，觀察軸運動狀態(tài)。經(jīng)測試，利用固高電子齒輪功能，能夠很好地實現(xiàn)從軸跟隨手脈的功能。

5結(jié)語

隨著機電一體化設(shè)備技術(shù)要求的不斷提高，運動控制系統(tǒng)越來越多地采用以運動控制器為核心體系結(jié)構(gòu)。固高運動控制器能夠很容易地利用電子齒輪運動模式實現(xiàn)電子手輪的控制功能。增加了電子手輪的運動控制系統(tǒng)，將大大提升用戶的操作體驗，方便設(shè)備的調(diào)試。

參考文獻(xiàn)

[1]王益紅,陳志同.基于PMAC的數(shù)控機床手輪功能的實現(xiàn)[J].機械工程師,2005,(12):68-70.

[2]楊軍軍,武建新.基于固高控制器的焊接機器人控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用,2015,(3):200-204.

[3]汪小寶,錢明珠.電子手輪常見故障診斷與維修[J].電腦知識與技術(shù),2020,16(4):240-241.

作者：李強 單位：山東理工職業(yè)學(xué)院