基于PMAC的鏜銑加工中心數(shù)控系統(tǒng)的研究

孫建業(yè) 李 強

（沈陽理工大學(xué)遼寧省高速切削工程技術(shù)研究中心，遼寧沈陽 110159）

開放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)今數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，PC+運動控制器的結(jié)構(gòu)是目前實現(xiàn)開放式數(shù)控系統(tǒng)的有效、現(xiàn)實的途徑。這種基于開放式可編程運動控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以通用微機為平臺，以PC機標(biāo)準(zhǔn)插件形式的開放式可編程運動控制器為核心，支持用戶的開發(fā)和擴展，具有上、下兩級的開放性。Delta Tau公司的可編程多軸控制器（PMAC）是這種運動控制器的典型代表。其擁有自身的CPU，同時開放包括通信端口、存儲結(jié)構(gòu)在內(nèi)的大部分地址空間、具有靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計算機所有資源等特點［1］。它是一個擁有高性能的伺服運動控制器，可最多控制三十二軸的同時運動。

本文以鏜銑加工中心為測試平臺，在PMAC多軸運動控制卡基礎(chǔ)上，建立開放式數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)通訊和控制功能。利用Microsoft的專業(yè)開發(fā)工具Visual C++6．0，按照標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控系統(tǒng)界面的基本要求，初步構(gòu)建了一個開放式的數(shù)控系統(tǒng)人機界面，進行了調(diào)試和驗證，效果良好。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1．1 鏜銑加工中心機床結(jié)構(gòu)

鏜銑加工中心結(jié)合了鏜床和銑床的兩種功能于一體，可以實現(xiàn)水平和垂直2個方向的加工，一次安裝就能夠?qū)ζ?個表面的車銑、鏜孔、曲面的加工，實現(xiàn)對工件平面的銑削、鉆孔、攻絲等工序的復(fù)合式加工。使加工效率更高、精度更好，極大地提高了產(chǎn)品品質(zhì)和勞動效率。鏜銑加工中心機床結(jié)構(gòu)如圖1所示，機床分為兩個坐標(biāo)系:銑刀坐標(biāo)系與鏜刀坐標(biāo)系。銑刀垂直運動方向為Z1軸，水平運動方向為Y1軸。鏜刀水平運動方向為Z2軸，垂直運動方向為Y2與Y3軸，采用雙電動機同步控制。工作臺的運動為X軸方向，為兩個坐標(biāo)系共用。工作臺的旋轉(zhuǎn)采用液壓控制。加工時根據(jù)工藝要求選擇軸組，按照需要進行切換。

1．2 鏜銑加工中心電氣結(jié)構(gòu)

鏜銑加工中心電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示。本系統(tǒng)采用Turbo PMAC－PCI型卡，卡自身可提供8通道軸接口。輸入與輸出模塊為PMAC提供的DTC－32IN與DTC－32OUT模塊。PMAC提供了位置轉(zhuǎn)接板ACC－8P，方便實現(xiàn)對PMAC板卡上的接口進行轉(zhuǎn)接。J7與J8是PMAC與機械驅(qū)動設(shè)備的接口，它是PMAC多軸運動控制器用來驅(qū)動伺服單元和獲取編碼器反饋信號等信息的專用接口。一個JMACH接口包含四組通道，每一組通道包括:模擬量輸出引腳、增量式脈沖編碼器反饋信號輸入引腳、相關(guān)的輸入/輸出的標(biāo)志引腳和電源引腳。該機床具有雙主軸，雙刀庫控制系統(tǒng)，含6個坐標(biāo)軸，一個手搖脈沖發(fā)生器。Turbo PMAC－PCI自帶8通道軸接口，需進行擴展。ACC－24P是Delta Tau公司提供的4通道擴展附件，通過與PMAC卡上的JEXP接口及ACC－8P轉(zhuǎn)接板附件相連，可以實現(xiàn)4個軸口的擴展。

2 軟件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)以Windows為系統(tǒng)平臺，通過IPC的ISA總線插槽與PMAC連接，在VC++6．0編輯環(huán)境下調(diào)用Pcomm32．dll動態(tài)鏈接庫，分別編制不同任務(wù)的前端用戶界面程序，方便地構(gòu)造用戶操作界面，具有很大的靈活性和開放性［1］。Pcomm32．dll是Delta Tau公司提供的動態(tài)鏈接庫。包含了與PMAC進行通訊的各種方法，并將其主要函數(shù)進行分類、封裝，根據(jù)用戶需要而調(diào)用。不用直接對端口進行操作就可以完成對 PMAC硬件的操作。通過PEWIN32PRO軟件實現(xiàn)對PMAC的參數(shù)設(shè)置與調(diào)試，并且程序設(shè)計靈活迅速及可移植性好。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 人機界面的實現(xiàn)

3．1 人機界面程序編制

鏜銑加工中心的人機界面程序主要是將數(shù)控系統(tǒng)的操作界面顯示在屏幕上，為操作者提供一個直觀的操作環(huán)境。如圖4所示，主界面設(shè)計包括程序編輯、打開程序、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、手動操作、狀態(tài)顯示、自動循環(huán)、MDI模式，循環(huán)啟動與停止等。整個人機界面基于Windows環(huán)境，采用菜單式按鈕，具有很好的人機交互性［2］。

3．2 動態(tài)鏈接庫的調(diào)用

在VC程序中調(diào)用Pcomm32．dll動態(tài)鏈接庫就能完成上位機同PMAC之間的數(shù)據(jù)交換。在VC中用隱式調(diào)用的方法如下:

設(shè)定庫函數(shù)的鏈接路徑點擊菜單Project，而后點擊Setting。在彈出的窗口中找到Link分頁。在Object/library modules的欄中填寫lib文件所在的路徑默認是 C:windowssystem32pcomm32．lib。

在全局作用域中聲明導(dǎo)入函數(shù):extern“C”_declspec（dllimport）BOOL_stdcallOpenPmacDevice（DWOR－D dwDevice）;函數(shù)原型:BOOL OpenPmac-Device（DWOR－D dwDevice）;調(diào)用方式:OpenPmac-Device（0）。

3．3 界面功能的實現(xiàn)

在VC++環(huán)境中實現(xiàn)動態(tài)鏈接庫加載后，要實現(xiàn)人機界面與PMAC之間的通信，首先要在所編寫的界面初始化函數(shù)“BOOL CMyDlg::OnInitDialog（）”中加入其通信函數(shù)“{OpenPmacDevice（0）;}”（0代表第一塊PMAC卡），這樣就可以利用其鏈接庫的函數(shù)與PMAC進行通信。其中手動控制、參數(shù)設(shè)置等功能都可以通過函數(shù)“PmacGetResponseA（DeviceNumber，Response，255，“String”）”來實現(xiàn)，只要改變 String 字符串的內(nèi)容發(fā)送不同的指令，如設(shè)置電動機1正轉(zhuǎn)，將String替換為“#1J+”。若要設(shè)置PMAC參數(shù)，可通過以下函數(shù)實現(xiàn):

String為需要改變的變量與賦值，當(dāng)PMAC中的變量值被改變后，需發(fā)送一個“SAVE”命令進行保存，否則重啟時變量的值將恢復(fù)之前的狀態(tài)。

位置與速度的實時顯示，這里利用了Timer定時器控件，同時將函數(shù) PmacGetResponseA（Device－Number，Response，255，“String”）添加到該定時器的WM－TIMER消息處理函數(shù)OnTimer（）中，其中String為PMAC中地址寄存器Mxx66或速度寄存器Mxx61（xx為電動機號），將讀取到的數(shù)值經(jīng)過換算實時反饋到界面上，并定時更新。

3．4 程序跟蹤功能的實現(xiàn)

PMAC提供了許多的在線指令供調(diào)試和控制，其中“LIST PE”指令為列出正在執(zhí)行的程序行。在Timer的定時器的WM－TIMER消息處理函數(shù)OnTimer（）中加入“PmacGetResponseA（0，Response，255，“LIST PE”）”函數(shù)。定時從PMAC中傳回正在執(zhí)行的程序行并存儲在Response中，給編輯框添控件加變量m_edit，然后對編輯框進行行列索引，定義“int charIndex=m_edit．LineIndex－ （row）+column;”。使用 if語句進行判斷，如果Response中的值與上一次不同，則令當(dāng)前行數(shù)row++，否則不變。通過函數(shù)“m_edit．SetSel（charIndex，charIndex）;”改變光標(biāo)的位置，讓其指向當(dāng)前執(zhí)行的程序行，這樣就實現(xiàn)了程序跟蹤的功能。

4 雙軸組之間的切換

該鏜銑加工中心為雙軸組系統(tǒng)，每一個軸組都有一個獨立的坐標(biāo)系，在加工時我們要根據(jù)要求進行選擇。所以在PMAC中我們定義兩個坐標(biāo)系＆1與＆2（其中＆為PMAC的坐標(biāo)系選址指令），將＆1定義為鏜刀坐標(biāo)系，＆2定義為銑刀坐標(biāo)系，將電動機分配到所對應(yīng)的軸上。其中工作臺的移動方向的電動機為兩坐標(biāo)系共用。在加工時先選擇坐標(biāo)系然后再編寫加工程序。在人機界面上，編寫程序前要先注明是T（鏜）還是X（銑）。如果為T，那么所編寫的程序?qū)⒈蛔詣颖４嬖冢?坐標(biāo)系下，為X將被保存在＆2坐標(biāo)系下。在加工時自動執(zhí)行所選的坐標(biāo)系相對應(yīng)的程序。在兩軸組間增加互鎖功能，只有停止?fàn)顟B(tài)才能進行切換。

5 電動機同步功能的實現(xiàn)

鏜銑加工中心的鏜刀升降機構(gòu)采用雙電動機驅(qū)動控制，所以在加工過程中要涉及電動機的同步功能的實現(xiàn)。由于升降機構(gòu)的的運動方式主要分為自動運行、點動運行、回零操作3種，每種運動方式各有其特殊性，所以在實現(xiàn)電動機同步過程中采用不同的方法。

5．1 自動運行

將兩臺電動機分配給同一個軸，這樣在程序中單個軸的運動將給復(fù)合的電動機以完全相同命令，用這種方式協(xié)調(diào)并行的電動機來實現(xiàn)鏜刀升降機構(gòu)的電動機的同步控制，這時候的同步誤差為兩個軸的定位精度之和。

5．2 點動運行

點動運行有兩種實現(xiàn)方式:一種是先設(shè)置一個虛擬軸，然后采用兩軸跟隨一個虛擬軸的方式，當(dāng)用戶啟動點動命令時，發(fā)出虛擬軸運動命令，釋放點動按鈕時，終止虛擬軸運動，這樣既可實現(xiàn)兩臺電動機的同步點動功能［3］。另一種可以通過PLC程序設(shè)置當(dāng)該軸的電動按鈕被按下時，向PMAC發(fā)送在線指令“COMMAND‘#1J+#2J+’”，此時兩臺電動機將同時向正向移動。當(dāng)按鈕被釋放時，向PMAC發(fā)送在線指令“COMMAND^A”，兩臺電動機將同時停止運動。

5．3 回零控制

回零控制在機床操作中比較重要。在回零過程中，可先將其中一臺電動機作為主電動機進行回零，從電動機進行跟隨運動，在主電動機回零完畢后，將主電動機作為從電動機，從電動機作為主電動機再進行二次回零。從而減小同步誤差，消除因從電動機滯后在兩臺電動機間產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩，保證系統(tǒng)的同步性能。

由于兩臺電動機都是由單獨的伺服系統(tǒng)驅(qū)動，彼此之間是相互獨立的單元。在同步過程中極有可能因外部干擾等原因而引起的位置不同步現(xiàn)象，而造成伺服性能下降，機械結(jié)構(gòu)的損壞。為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，可通過電動機跟隨誤差限制來進行調(diào)整，若超出允許的誤差范圍則及時進行處理。

6 結(jié)語

本文針對特定的鏜銑加工中心平臺，采用PMAC多軸可編程運動控制器，研制了開放式數(shù)控系統(tǒng)。以VC++6．0為平臺建立人機交互界面便于操作，實現(xiàn)通訊與控制功能，并根據(jù)機床的結(jié)構(gòu)要求實現(xiàn)軸組切換，電動機的同步控制功能。通過調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，確保了系統(tǒng)響應(yīng)速度與控制精度。

［1］白海清，彭玉海，何寧．基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)研究［J］．機床與液壓．2007，35（2）:59－61．

［2］張冰蔚，黃彬，王佳．基于PMAC的活塞車床開放式數(shù)控系統(tǒng)［J］．機電一體化，2006（1）．

［3］王亞軍，陳東生，蒲潔，等．雙電動機驅(qū)動升降機構(gòu)運動實時同步控制技術(shù)［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)．2009（9）:60－62．

［4］馬永波，贠超，劉相權(quán)，等．基于PMAC的自動化藥房出藥升降機的同步控制［J］．機械工程與自動化，2008（3）:122－124，128．

［5］PMAC用戶手冊［Z］．北京鈞義志成科技發(fā)展有限責(zé)任公司．

［6］PMAC/PMAC2 Software Reference Manual［Z］ ．DEL TATAU Data Systems，Inc．2003．

［7］DELTA TAU Data Sys tem Inc．PMAC USER’S MANUAL［M］．USA:DELTA TAU Data Sys temInc，1999．