基于PMAC的数控电解加工机床控制系统设计.pdf

2 0 1 0年 8月 第 3 8卷 第 1 5 期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS Au g ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 1 5 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 ～ 3 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 5 ． 0 1 6 基于 P M A C的数控电解加工机床控制系统设计 付 立冬 ，康敏 ，杨 勇 南京农业大学工学院，江苏南京 2 1 0 0 3 1 摘要为解决难加工材料零件上复杂曲面的加工难题，设计一台具有 、y 、Z 3个平动轴和A、B 2个回转轴的五轴数 控电解加工机床，其数控系统硬件采用 P MA C卡嵌入 I P C的开放式结构，用户可以根据需求扩展控制系统的功能模块。软 件采用 V C 6 ． 0编写，具有初始化、参数设置、实时状态显示、代码生成等功能，能满足不同结构零件上复杂曲面的加 工要求。 关键词电解机床；数控系统；P M A C 中图分类号 T G 6 6 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 5 0 5 0 3 Co n t r o l S y s t e m De s i g n o f NC El e c t r o c h e mi c a l M a n u f a c t u r i n g M a c h i n e To o l Ba s e d o n PmC F U L i d o n g． KANG Mi n， YANG Yo n g C o l l e g e o f E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g A g r i c u h u r a l U n i v e r s i t y ，N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 3 l ，C h i n a Abs t r a c t I n o r de r t o s o l v e p r o c e s s i n g p r o b l e m o f wo r k pi e c e s wi t h c o mp l e x s u r f a c e wh i c h we r e ma d e o f h a r d t o c u t ma t e r i a l s，a fi v e a x i s CN C e l e c t r o c h e mi c a l ma n u f a c t u r i n g ma c h i n e t o o l w h i c h h a d X，Y，Z t h r e e p a r a l l e l mo v e me n t a x e s a n d A，B t wo r o t a r y mo v e me n t ax e s w a s d e s i g n e d ． P MAC c a r d w a s i n s e r t e d i n t o I P C t o ma k e u p a n o p e n a r c h i t e c t u r e o f t h e h a r d w a r e o f C NC s y s t e m． Ac c o r d i n g t o t h e d e ma n d．u s e r s c a n e x t e n d t h e f u n c t i o n mo d u l e s o f t h e c o n t r o l s y s t e m． T h e s o f t w a r e w a s p r o g r a mme d b y VC6 ． 0， w i t h i n i t i a l i z a t i o n，p a r a me t e r s e t t i n g，r e a l t i me s h o wi n g o f s t a t e ，c o d e g e n e r a t i o n a n d o t h e r f u n c t i o n s ，w h i c h c a n me e t t h e p r o c e s s i n g r e q u i r e me n t s o f di f f e r e n t s t r u c t u r e p a r t s wi t h c o mp l e x s u r f a c e ． Ke y wo r d s El e c t r o c h e mi c a l ma n u f a c t u r i n g ma c h i n e t o o l ； N u me r i c a l c o n t r o l l e d s y s t e m ； P MAC 随着现代加工技术的发展，由难加工材料 如 不锈钢、硬质合金、高温合金等制成的复杂件的 应用越来越广泛。这些材料的切削性能差 ，对由其制 成的零件上的复杂曲面，采用传统的数控铣削方式加 工往往会因刀具刚性不足或磨损过快而无法获得高的 加工精度和表面质量。 电解 加工是利用金属在 电解液 中产生阳极溶解的 原理来去 除金属材料 的，加工中工具阴极无损耗 、无 宏观切削力 ，对于难加工材料 、复杂形状零件的批量 生产是一 种高效 、高表面 质量 、高经 济性 的工艺 方 法。传统的电解加工采用成形阴极按拷 贝方式加工型 腔 、型面 ，其成形阴极 的设计及制造困难 ，且制造周 期长 ，再加上 阴极形状复杂 、加工面积大 ，使得拷 贝 式加工的复制精度 、重复精度都不高。 为了解决上述 问题 ，国内外从 2 O世纪 8 0年代 中 期开始研究利用简单形状的工具阴极，通过计算机控 制阴极相对于工件的运动来加工复杂 曲面的数控 电解 加工技术。该技术通过程序控制阴极相对工件的运动 而加工出复杂型面，避免了复杂成形阴极的设计与制 造 ，可用于小批量 、多品种甚 至单件试制 的生产 中。 再则 ，在数控电解加工过程中 ，阴极上参 与加工的区 域与传统拷贝式加工相比大为减小，从而使得电解液 中产生的气体及热量的影响显著下降，因而可提高加 工精度和表面质量 ” 。 为了对难加工材料零件上复杂型面进行加工 ，设 计 了一台具有 3个平动轴 X、Y 、 Z和 2个 回转轴 B轴 、c轴 的数控 电解 加工机 床 ，采用 N C嵌入 P C型开放式数 控系统结 构 ，将功 能强大 的 P M A C运 动控制卡插入工控机 的扩展槽内组成主从分布式控制 系统 ，既保证了系统的控制精度又保证 了系统的柔性 和开放性，用户可根据自己的加工需求增加或减少控 制功能 ，配置不 同的伺服轴数和功能模块 ，满 足复杂 型 面电解加工的需要 。 1 控制系统硬件构成 1 ． 1 控 制 系统硬 件 结构 控制 系统 的硬件结构 如 图 I所示 ，以 P M A C 2 A ． P C 1 0 4型运动控制卡作 为控制核心 ，负 责实现整个系 统控制功能 ，包括完成轨迹插补运算 ，实现复杂曲面 收稿 E l 期 2 0 0 9 0 7 2 9 基金项目江苏省农机局科研启动金项 目 G X Z 0 8 0 1 0 ；南京农业大学青年科技创新项目 K J 0 7 0 2 9 作者简介 付立冬 1 9 8 3 一 ，男， 硕士研究生， 研究方向为C A D ／ C A M在特种加工中的应用。电话1 3 9 1 3 3 0 7 4 3 8 ， E m a i l 4 0 7 68 0 52 3 qq ． C O n l 。 第 1 5期 付立冬 等 基 于 P MA C的数控电解加 工机 床控 制系统设计 5 1 的加工 ；伺服系统的控制及向驱动装置发 出正确 的控 制指令 ，保证 整个 系统 的安全性 和 运动 控制 的 准确 性 ；系统运 行状 态信 号 的采集 ，运 行 状况 的 实时 监 控 ；回零 、限位 及伺 服 报错 等功 能 的 实 现。 以 A D ． V A N T E C H- 6 1 0型工业控制 计算机作为人机 交互 平 台， 利用其处理速度快 、计算 能力强 和工作 稳定 的特点 ， 可以准确快速地通过软件完成系统的信息 管理 、数控 指令 的发送 、系统状态监测 以及实 时加工状态监测显 示等功能 。伺服驱动 系统采用 C y c l o n e 交 流伺服 驱动 电机经传动 比为 5的带轮减 速机构减速后驱动滚珠丝 杠运动 ，进给速度最小可达 0 ． 1 ra m ／ ra i n 。 图 1 控制 系统硬件结构 图 1 ． 2 P MA C运动控 制卡 介 绍 P M A C运动控制 器是 由美 国 D e l t a T a u公 司推 出 的基 于 D S P技术 的 多轴运 动控 制器 ，具 有 响应速 度 快 、精度高 、开发周期短 、编 程和操 作简 单 的特点 ， 已广泛运用于机器人 、数控 机床等 多轴联动控制 的高 精度伺服装置上。P MA C主机板内部的核心部件有一 块 D S P 5 6 0 0 1 ／ D S P 5 6 0 0 2芯片和两块 用户 门阵列 芯 片 ， 它能够对存储在它 内部 的程序进行单独运算 ，执行运 动程序 、P L C程序 以及伺服 环更新 ，可以同时操 纵 8 根轴 ，并 以串 口、总线两种方式与 主机进行通讯 ，而 且它还可 以 自动对任务进行优先等级判别 ，从而进行 实 时多任务处理 ，这使得它在 处理时间和任务切换这 两方 面大大减轻 了主机和编程器的负担 ，提高了整个 控制 系统 的运行速度和控制精度 。 1 ． 3伺服 系统 机床能否正常加工 的一个重要条件就是伺服系统 的运行是否 正常 。C y c l o n e交 流伺服 系统具 有很 高 的 准确性和稳定性 ，同时具有 良好的 自我保 护性 能 ，完 全能够满足加工复杂 曲面的控制要求 。建立 P M A C与 伺 服驱动器之问 的正确连接是保证整个系统正常平稳 运转 的关键 因素 ，伺服驱动接线原理图如图 2所示 。 伺服 驱动PMAC ⋯⋯- I l A o A C H A l A O ／ - A C H A l ／ Bo _ CH Bl Bo ， CH Bl ／ Z o ’ H l Zo ， CH Cl ／ HM FLI Ll M l S P DC oM 一 D ACl ． 1 I M l G N D H A G N D F A U L T l GN D AENA 1 图 2 伺服驱动接线图 2系统软件设计 控制软 件是 系统 的人 机 交 互 界 面及 控 制 核 心。 P M A C具有 良好 的软件开放性 ，允许用户使用 V C 、 C、c 、V B 、D e l p h i 等多 种语 言根据 需求 自由开 发控制软件 。为了便 于 P M A C与上层 Wi n d o w s 进行通 信 ，D e l t a T a u公司提供 了 P C o m m 3 2动 态链接 库作为 上层应用程序与 P MA C之间通信的桥梁。P C o m m 3 2 是一个非 常有 效 的开 发 工具 ，它 由 P M A C ． D L L 通 讯 函 数 库 、 P M A C ． S Y S 内 核 驱 动 器 和 P M A C ． V X D 3 3 2位 虚 拟设 备 驱 动 器 3个 文件 组 成 ，共 包 含 了 2 5 0多 个 函数 ，几 乎 包 括 了所 有 与 P M A C的通信 方法 。由于 P C o m m 3 2动态 链 接库 函数 与 V C 有 良好 的 兼 容 性 ，控 制 软 件 采 用 V i s u a l C 6 ． 0开发 ，通过 调用 P C o m m 3 2 ． D L L动态链 接库 函数实现软件与 P MA C卡之 间的通信和数据交换 ，从 而实现对整个 系统的控制。 为了保证软件的开放性 和可扩展性 ，软件系统采 用分层模 块化结 构 如 图 3所 示 。系统分 为两层 ， 第一层 为通讯层 ，主要功能是建立软件与 P M A C之间 的通讯 ；第二层是应用管理层，包含一系列的应用模 块和管理模块 ，主要功能 是实现 P M A C的初 始 化 、 加 工 参 数 设 置 、手 动 控 制 、自动加 工 、实时位置 显示 和 译 码解 释 程 序 等 ， 用户可以根据 自己需求增 加或删减模块 ，充分体现 系统的开放性 。 图3 软件结构图 2 ． 1 通讯 层的功 能 与 实现 通讯层功能的实现主要是依靠调用 P C o n n n 3 2 ． D L L 动态链接库文件中的函数，但是在使用这些 函数之 前 ，需 要首先将 P C o m m 3 2 ． D L L中的函数加载 到应用 程序之中，这些函数才能被使用。对于编程人员来 说 ，编写这些 函数 的头文件和源文件是一件很繁琐 的 5 2 机床与液压 第 3 8卷 工作。 为 了 避 免 这 些 繁 琐 而 重 复 的 工 作 ，在 P C o m m 3 2 P R O的安装 目录下有一 个 V C T e s t 的文 件 ， 在这 个文 件夹 内，可 以找 到 m y r u n t i m e ． h和 m y r u n t i m e ． c p p两个文件 ，这两个文件包含所有 P C o m m 3 2 动 态连接库函数的头文件 和源文件 ，只要在工程 中包含 这两个文件 ，就可 以像调用 系统库 函数那 样来 调用 P C o m m ． D L L中的任意函数。 同时为 了在工程 中加载动态连接库 函数 ，需要在 工程主程序 的初始 化程序 O n I n i t D i a l o g 中加 入 以 下代码 i f 0 p e n R u n t i me L i n k N U L L C l o s e R u n t i m e L i n k ； 这样才可以实现对 P C o m m 3 2动态链接库 函数调 用 ，完成软件和 P MA C之间的数据通讯 。 2 ． 2 应用管理层的模块组成 应用 管理层是整个软件的核心部分 ，通过应用管 理层的各个功能模块实现系统的控制 、监测及文件管 理等功能。软件 主要 由以下模块组成 1 初始化模 块。主要 实现 电机激 活 、系统参 数设置 、电机参数设 置功能 。 电机激活，对电机进行相应参数设置是整个系统 运行 的前 提。P M A C通 过 I 变 量 定义 电机 的相 关参 数 ，I 变量 的描述如表 1 。 表 1 P MA C的 I 变量 变量名 变量描述 全局 I 变量 数据采集 I 变量 电机 I 变量 坐标 系 I 变量 编码器及其他 I 变量 系统参数设置包括伺服中断时间 、程序段运动 时 间 、快速运动模式控制 、刀具补偿 、间隙滞后等。电 机参数设置包括 电机故障跟随误差极限 、电机警告跟 随误差极限、电机正负方 向软限位 、手动速度 、回零 速度和方向、电机间隙大小等。 2 实时状 态显示 模块 。加工过 程 中，实 时显 示位置 、速度 、加工误差 等参数 ，确保加工过程正常 进行。 P M A C的 M变量是指 向内存的指针变量 ，利用 M 变量读取位置 、速度 、加工误差等参数的寄存地址即 可获得相应 的参数 ，如通过读取 M 1 6 2即可获得 1电 机现在的位置信息。 3 加工 模 块。包 括 手 动 控 制 、对 刀 、回零 、 自动加工功能 ，软件通 过向 P MA C发送控制字符 串和 文件 的方式将程序写入 P M A C的内存 中 ，P MA C按照 输入的控制指令或程序 向伺服系统发 出控 制命令 ，完 成零件 的加工。 4 短路保护模块。电解加工阴阳极之间间隙 通常只有0 ． 1 0 ． 3 m m，加工过程中若间隙过小或由 于电解液过滤 不干净 而存 在导 电颗粒 ，将会 引起短 路 ，将工件 、工具 和电源烧坏 。因此设计短路保 护模 块 ，一旦检测到电流突变就及时切断加工 电源并控制 阴极快速 回退 ，保护工件 、工具和电源。 5 译码 解释程 序模块 。该 系统译码 解释程 序 功能模块主要是对 G、M代码进行解释 ，使用户可以 使用一般的数控系统代码进行编程，体现了软件的开 放性 。 G代码 、M代码解释程序分别 以特定程序 P R O G 1 0 0 0 G x x就是 跳转 到程 序 的 N x x O 0 0行 和 P R O G 1 0 0 1 M x x 就是跳转 到程序 的 N x x 0 0 0行 给 出，经 P MA C内部调试器编译调试后 ，下载到 P M A C固定 内 存中 可擦写存储器 ，在实际加工时被 P M A C以子 程序方式 自动调用 。 如 G O 1 ，G O 2 ，G O 3的解释程序如下 OPEN PROG 1 0 0 0 CI EAR N O 1 0 0 0 L I N E A R R E T ； G O 1 直线插补 N 0 2 0 0 0 C I R C L E L R E T ； G 0 2 顺 时针 圆弧插补 N 0 3 0 0 0 C I R C L E 2 R E T ； G O 3逆时针圆弧插补 3结束语 以 P MA C运动控制卡 为控 制核 心 ，研 华 6 1 0型 工业 控制计算机作为人 机交 互平 台 ，设计 了五轴数 控 电解 加工机床的控制 系统 。根 据数控 电解加 工 的 特点 ，利 用 V i s u a l C 6 ． 0以分 层模块 化 的思 想编 写了控制软件，编制了针对机床 自身结构及控制系 统 的后置处理程 序 ，可实 现复杂 型面 的五轴 电解 加 工 。 参考文献 【 1 】朱树敏， 陈远龙． 电化学加工技术[ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． 【 2 】康敏． 整体叶轮的精密展成电解加工技术研究[ D] ． 南 京 南京航空航天大学， 2 0 0 3 ． 【 3 】王建业， 徐家文． 电解加工原理及应用[ M ] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． 1 ． 【 4 】郑晓峰． 数控技术与应用[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 o o8． 【 5 】D e l t a T a u D a t a S y s t e m I n c ． P M A C U S E R ’S M A N U A L [ M] ． De l t a Ta u Da t a S y s t e m I n c， 2 0 01 ． 。。。‘。‘。’。’。‘。。。‘。。。’。‘。。 。。。‘。‘。。。。。‘。‘。‘ ◇ 2 欢 迎 订 阅 机 床 与 液 压 杂 志 3 工 O ． ． ． 。． 。． ． ． ． ．。．。． ． ． ．。． ．。．。．。．。． 。． 。． 埽 - 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