The CNC system with stepper motor drives

In the paper the conception of CNC system with stepper motor drives is presented. The system consists of a PC computer and a stand-alone CNC controller based on FPGA (Field Programmable Gate Array). In order to eliminate geometric discontinuities of motion trajectory in "G" and "M" codes, special conversion to NURBS (Non Uniform Rational B-Spline) curves on the PC is realized. Additionally, optimization of the motion trajectory feedrate is achieved by using the Look-Ahead algorithm. In the standalone CNC controller the software processor and CLK pulses generator are implemented. CLK pulses with high resolution and varying time period are sent to each of drives independently. An appropriate test to verify the correctness of CNC system was realized.

Na rysunku 1 przedstawiono schemat blokowy proponowanego układu sterowania CNC. Układ może być użyty do sterowania napędami skokowymi jak i serwonapędami. Złożony jest z komputera PC oraz autonomicznego sterownika CNC (rys. 2). Na komputerze PC wykonywane są obliczenia związane z realizacją funkcji interpretera kodu numerycznego, konwertera opisu trajektorii ruchu z kodów "G" i "M" na opis z wykorzystaniem krzywych NURBS (ang. Non Uniform Rational B-Spline) oraz profilowania prędkości parametrycznej z wykorzystaniem algorytmu Look-Ahead. Autonomiczny układ sterownika CNC realizuje zadania związane z generacją sygnałów sterujących CLK z dużą rozdzielczością dla poszczególnych napędów skokowych osi mechanicznych. Opis trajektorii ruchu w kodach G1, charakteryzuje się występowaniem nieciągłości geometrycznych. Proponowanym opisem trajektorii ruchu jest opis z wykorzystaniem krzywych NURBS. Opis za pomocą krzywych NURBS umożliwia minimalizację występowania nieciągłości geometrycznych. Na rysunku 3 przedstawiono przykład trajektorii ruchu, opisanej z wykorzystaniem krzywych NURBS. W celu optymalnego dostosowania prędkości realizacji trajektorii ruchu zastosowano profilowanie prędkości po krzywej "S" z jednoczesną analizą zadanej trajektorii ruchu w przód - algorytm Look-Ahead. Na rysunku 4 przedstawiono budowę autonomicznego sterownika CNC. Sterownik zbudowany jest na układzie FPGA (ang. Field Programmable Gate Array). W układzie FPGA zaimplementowano procesor MicroBlaze oraz układ generacji sygnałów sterujących CLK dla napędów skokowych. Generator impulsów z dużą rozdzielczością oblicza okresy impulsów CLK dla każdej z osi i niezależnie wysyła je do napędów skokowych. Badania układu CNC miały na celu sprawdzenie poprawności działania aplikacji uruchomionej na komputerze PC (algorytmu Look- Ahead i konwersji z kodów "G" i "M" na opis z wykorzystaniem NURBS) oraz komunikacji poprzez port USB. W autonomicznym sterowniku CNC przeprowadzono badania związane z poprawnością przetwarzania otrzymywanych danych z komputera PC poprze port USB. Przykłady trajektorii ruchu w postaci okręgu i linii łamanej opisanej w kodzie G1 przedstawiono na rysunku. 5. Na rysunku 6 przedstawiono oscylogramy impulsów CLK wysyłanych do napędów skokowych.