基于PMAC的数控电解加工机床控制系统设计
2010年8月
第38卷第15期
机床与液压
MAC H I NE TOOL&HYDRAULI CS
Aug 12010
Vol 138No 115
DO I :10.3969/j 1issn 11001-3881120101151016
收稿日期:2009-07-29
基金项目:江苏省农机局科研启动金项目(GXZ08010);南京农业大学青年科技创新项目(K J 07029)作者简介:付立冬(1983)),男,硕士研究生,研究方向为CAD /C A M 在特种加工中的应用。电话:139********,E-mai:l
407680523@qq 1co m 。
基于PMAC 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,江苏南京210031)
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X 、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PMAC 卡嵌入IPC 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VC++610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 MAC
中图分类号:TG662 文献标识码:B 文章编号:1001-3881(2010)15-050-3
Con trol Syste m Design of NC E lectroche m ica lM anufa ctur i n g M achine T ool Based on P M AC
F U Lidong ,K AN
G M in ,YANG Yong
(College of Engi n eering ,N anji n g Agricu lturalUn i v ersity ,N an jing Ji a ngsu 210031,China)
Abstr ac t :In order to solve process i ng pro b l em of workpieces with co mp lex s u rface wh ich we re m ade of hard 2to 2cut m ater i a ls ,a
fi ve 2axis CNC e l ectrochem i ca l m anu fact u ri ng m achi ne tool which had X ,Y ,Z three para lle l m ove m ent axes and A ,B t wo rotary m ove m ent axes was desi gned .P MAC card was inserted i nto IPC to m ake up an open arch itecture of t he hard ware of C NC syste m.Ac 2cording to the de m and ,users can extend t he functi on modu les of t he control syste m.The soft ware was programm ed by VC++610,w it h i n iti a li za ti on ,para m eter se tti ng ,real 2ti m e sho wi ng of state ,code genera ti on and other f uncti ons ,wh i ch can m eet t he processing
requ irem ents of d ifferent structure parts w it h co mp l ex surface .
K eyword s :E l ec troche m i ca lm anufacturi ng m ach i ne too;l Nu m er i ca l controlled system ;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20世纪80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
[1-3]
。
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NC 嵌入PC 型开放式数控系统结构,将功能强大的P MAC 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[4]
。
1 控制系统硬件构成
111 控制系统硬件结构
控制系统的硬件结构如图1所示,以P MAC2A 2PC104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
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AD 2VANTEC H 2610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Cyclone 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011mm /m i n
。
图1 控制系统硬件结构图
112 P MAC 运动控制卡介绍
P MAC 运动控制器是由美国Delta Tau 公司推出的基于DSP 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 MAC 主机板内部的核心部件有一块DSP56001/DSP56002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、PLC 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[5]
。
113 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。Cyclone 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 MAC 与伺服驱动器之间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。
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 MAC 具有良好的软件开放性,允许用户使用VC++、C 、C++、VB 、Delph i 等多种语言根据需求自由开发控制软件。为了便于P MAC 与上层W i ndo ws 进行通信,Delta Tau 公司提供了PCo mm32动态链接库作为上层应用程序与P MAC 之间通信的桥梁。PCo mm32是一个非常有效的开发工具,它由P MAC 1DLL (通讯函数库)、P MAC 1S YS (内核驱动器)和P MAC 1VXD3(32位虚拟设备驱动器)3个文件组成,共包含了250多个函数,几乎包括了所有与P MAC 的通信方法。由于PCo mm32动态链接库函数与VC ++有良好的兼容性,控制软件采用V isua l C++610开发,通过调用PCo mm321DLL 动态链接库函数实现软件与P MAC 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 MAC 之间的通讯;第二层是应用管理层,包含一系列的应用模图3 软件结构图块和管理模块,主要功能是实现P MAC 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。
211 通讯层的功能与实现
通讯层功能的实现主要是依靠调用PCo m m321DLL 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PCo mm 321DLL 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
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工作。为了避免这些繁琐而重复的工作,在PCo m m32P RO的安装目录下有一个VC Test的文件,在这个文件夹内,可以找到myruntm i e1h和m yrunt2 m i e1cpp两个文件,这两个文件包含所有PCo mm32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PCo m m1DLL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OnI n it Dialog()中加入以下代码:
if(OpenRunt m i eLi nk()=NULL)
C l ose R untm i e L i nk();
这样才可以实现对PCo m m32动态链接库函数调用,完成软件和P MAC之间的数据通讯。
212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 MAC通过I变量定义电机的相关参数,I变量的描述如表1。
表1P MAC的I变量
变量名变量描述
I0)I18全局I变量
I19)I99数据采集I变量
Ix00)Ix86电机I变量
Ix87)Ix96坐标系I变量
I900)I1024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 MAC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M162即可获得#1电机现在的位置信息。
(3)加工模块。包
自动加工功能,软件通过向P MAC
文件的方式将程序写入P MAC的内存中,P MAC
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011~013mm,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PROG 1000(Gxx就是跳转到程序的Nxx000行)和PROG 1001(Mxx就是跳转到程序的Nxx000行)给出,经P MAC内部调试器编译调试后,下载到P MAC固定内存中(可擦写存储器),在实际加工时被P MAC以子程序方式自动调用。
如G01,G02,G03的解释程序如下:
OPEN PROG1000CLEAR
,,
N01000LI NEAR RET;G01直线插补
N02000C I RCLEL RET;G02顺时针圆弧插补
N03000C I RCLE2RET;G03逆时针圆弧插补
3结束语
以P MAC运动控制卡为控制核心,研华610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 isual C++610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,2006.
=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,2003.
=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,2001.1.
=4>郑晓峰.数控技术与应用[M].北京:机械工业出版社, 2008.
=5>Delta Tau Data Syste m Inc.P MAC USER p S MA NUAL[M].
Delta Tau Data Syste m Inc,2001.
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