0　引言

　　近年來(lái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(Industrial PC,簡(jiǎn)稱IPC)進(jìn)入數(shù)控領(lǐng)域,取得了較大的成功,使開放式數(shù)控系統(tǒng)的普遍應(yīng)用成為可能。應(yīng)用IPC可以及時(shí)地引入PC技術(shù)的最新硬、軟件發(fā)展成果,縮短產(chǎn)品的研制周期,充分提高系統(tǒng)的可靠性和通用性。硬質(zhì)合金旋轉(zhuǎn)銼是模具加工和其它鉗工工作中廣泛使用的一種刀具,刀齒較多,形廓復(fù)雜,且品種規(guī)格繁多,給刃磨工作帶來(lái)很大的困難。隨著開放式數(shù)控系統(tǒng)概念的深入,以及IPC、運(yùn)動(dòng)控制器的廣泛應(yīng)用,為旋轉(zhuǎn)銼的數(shù)控刃磨技術(shù)研究帶來(lái)新的機(jī)遇。

1 旋轉(zhuǎn)銼刃磨數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　1.1 控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)旋轉(zhuǎn)銼刃磨的功能需求,結(jié)合當(dāng)前開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r,決定采用“IPC—運(yùn)動(dòng)控制器—驅(qū)動(dòng)器—步進(jìn)電機(jī)”的控制方案?？刂葡到y(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)圖1。

　　IPC作為整個(gè)系統(tǒng)的核心,擔(dān)負(fù)系統(tǒng)資源的分配、任務(wù)的調(diào)度、人機(jī)交互及數(shù)據(jù)計(jì)算等任務(wù)。運(yùn)動(dòng)控制器的作用是接收IPC傳送的數(shù)據(jù),將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖和方向信號(hào)輸出到驅(qū)動(dòng)器,再由驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)。

　　1.2 硬件選型

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)要遵循開放式數(shù)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的原則,同時(shí)兼顧整體系統(tǒng)的可靠性要求,各硬件模塊之間必須完全兼容。本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是:按照系統(tǒng)總體方案要求,考慮開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,在滿足精度要求的前提下保證整體系統(tǒng)的可靠性和工作過(guò)程的穩(wěn)定性,同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)的主要硬件包括工業(yè)控制機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、端子板、驅(qū)動(dòng)器及步進(jìn)電機(jī)等。

圖1　控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖

　　1.2.1 工業(yè)控制機(jī)(IPC)

　　工業(yè)控制機(jī)(IPC)是本數(shù)控系統(tǒng)的核心部件,它的作用是對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算,將結(jié)果傳送至運(yùn)動(dòng)控制器,控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng),它的品質(zhì)直接影響整體系統(tǒng)的可靠性和工作過(guò)程的穩(wěn)定性。按照系統(tǒng)總體方案要求并考慮經(jīng)濟(jì)性,選用了研祥公司的普通箱式工業(yè)控制機(jī)IPC-810。其基本配置為: IPC-810型14槽上架型機(jī)箱, IPC-6114P4底板,內(nèi)設(shè)10個(gè)ISA插槽和4個(gè)PCI插槽。IPC-586DF型全長(zhǎng)CPU卡, Intel Pentium CPU,主頻266MHz, 64MB內(nèi)存, 4GB硬盤。

　　1.2.2　步進(jìn)電機(jī)

　　步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)直線位移或角位移的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器。步進(jìn)電機(jī)具有控制方便、工作可靠及價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn),在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)通常分為3種類型:永磁式、反應(yīng)式和混合式。本系統(tǒng)為精度和動(dòng)態(tài)性能要求高的控制系統(tǒng),通過(guò)各項(xiàng)對(duì)比,選用混合式步進(jìn)電機(jī)。選擇相數(shù)應(yīng)兼顧步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)性。通常,隨著相數(shù)的增加,步進(jìn)電機(jī)的步距角變小,啟動(dòng)和運(yùn)行頻率響應(yīng)提高,穩(wěn)定性好,但相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。因此,本系統(tǒng)選用兩相步進(jìn)電機(jī)。選擇步距角時(shí),應(yīng)考慮脈沖當(dāng)量和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比,兼顧系統(tǒng)精度和速度方面的要求。根據(jù)系統(tǒng)要求,選擇步距角為1.8°。根據(jù)以上分析,選用86BYG450E-01型步進(jìn)電機(jī)。

　　1.2.3　驅(qū)動(dòng)器

　　驅(qū)動(dòng)器的功能是接收來(lái)自控制機(jī)的脈沖及方向信號(hào),進(jìn)行脈沖分配及功率放大,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。為使步進(jìn)電機(jī)達(dá)到需要的輸出,驅(qū)動(dòng)器必須給步進(jìn)電機(jī)提供足夠的電壓和電流。根據(jù)所選步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)及性能,選用了滿度電流為5A(高于步進(jìn)電機(jī)的相電流4A)的SH-2H090M型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)器。

　　1.2.4　運(yùn)動(dòng)控制器

　　運(yùn)動(dòng)控制器的作用是輸出數(shù)字脈沖和方向信號(hào),經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本系統(tǒng)要求四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng),選用固高科技的GT-400-SG-PCI運(yùn)動(dòng)控制器,它具有如下特點(diǎn):¹可實(shí)現(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)或同時(shí)獨(dú)立地對(duì)4個(gè)軸進(jìn)行控制,為每個(gè)軸提供步進(jìn)脈沖和方向信號(hào),驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);º看門狗實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)DSP的工作狀態(tài);»基于坐標(biāo)系編程的連續(xù)軌跡控制,可實(shí)現(xiàn)空間直線、圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng);¼提供程序緩沖區(qū),實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)處理,以獲得高質(zhì)量的運(yùn)動(dòng)控制,并降低主機(jī)通訊實(shí)時(shí)性的要求;½面向各控制軸實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)控制,具有可編程S形曲線、梯形曲線、速度控制和電子齒輪運(yùn)動(dòng)控制方式;¾使用32位(二進(jìn)制)有效數(shù)字計(jì)算,實(shí)現(xiàn)高精度的軌跡控制;¿可編程設(shè)置采樣周期,四軸采樣(插補(bǔ))周期為162Ls。

　　GT-400-SG-PIC是高性能的運(yùn)動(dòng)控制器,它可以同步控制4個(gè)運(yùn)動(dòng)軸,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。其核心由數(shù)字信號(hào)處理器ADSP2181和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA組成,可實(shí)現(xiàn)高性能的控制計(jì)算。

　　1.3　硬件模塊的連接

　　運(yùn)動(dòng)控制器插入IPC機(jī)的底板上空閑的PCI插槽中,端子板通過(guò)62芯電纜與運(yùn)動(dòng)控制器連接;然后,通過(guò)端子板上的4路輸出接口與驅(qū)動(dòng)器連接,再由驅(qū)動(dòng)器對(duì)各軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。

　　1.3.1　運(yùn)動(dòng)控制器與驅(qū)動(dòng)器的連接

　　GT-400-SG-PCI運(yùn)動(dòng)控制器提供了一個(gè)62針D型端口,可使用62芯電纜通過(guò)ACC2端子板CN5～CN8接口與SH-2H090M驅(qū)動(dòng)器相連接。這種連接方法簡(jiǎn)單易行,可靠性也較高。下面,以端子板的CN5端口為例說(shuō)明運(yùn)動(dòng)控制器(端子板)與驅(qū)動(dòng)器連接過(guò)程。

　　在斷電的情況下,先使用兩條屏蔽電纜,將GT-400-SG的端口CN1、CN2分別與端子板對(duì)應(yīng)端口CN1、CN2相連。端子板和驅(qū)動(dòng)器的連接可以采用脈沖/方向單端方式或正/負(fù)脈沖雙端方式。本文中選用脈沖/方向單端方式,在這種模式下,要將驅(qū)動(dòng)器的方向電平信號(hào)(DIR)與步進(jìn)脈沖信號(hào)(CP)接到CN5的正信號(hào)端,即9腳DIR0+端及23腳PULSE0+端,同時(shí)應(yīng)注意,負(fù)信號(hào)端應(yīng)懸空。

　　另外,為了使控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器能夠正常通訊,避免相互干擾, SH-2H090M型驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用光耦器件對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行隔離,將3路輸入信號(hào),即方向電平信號(hào)(DIR)、步進(jìn)脈沖信號(hào)(CP)與脫機(jī)信號(hào)(FREE)的正輸入端連在一起作為一個(gè)公共端,稱之為共陽(yáng)端(OPTO)。OPTO端通常接外部系統(tǒng)的VCC,如果VCC是+5V則可直接接入,否則必須另加限流電阻以保證給驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部光耦器件提供8mA～15mA的驅(qū)動(dòng)電流。在這里, CN5的7腳提供+5V的電源輸出,可直接接入驅(qū)動(dòng)器的OPTO端。CN5的2腳ALM端為驅(qū)動(dòng)報(bào)警,根據(jù)安全標(biāo)準(zhǔn),其輸入信號(hào)應(yīng)為常閉狀態(tài),在本系統(tǒng)中未使用,須將該腳與1腳外部電源地(OGND)短接。

　　1.3.2　驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)的連接

　　兩相驅(qū)動(dòng)器與步進(jìn)電機(jī)的連接方法有兩種,一是兩相串聯(lián)方式,二是兩相并聯(lián)方式。在這里,采用兩相串聯(lián)方式來(lái)進(jìn)行連接。驅(qū)動(dòng)器的A、A-端與步進(jìn)電機(jī)的一相兩個(gè)繞組串聯(lián)連接, B、B-端與另一相兩個(gè)繞組串聯(lián)連接。

2　旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨系統(tǒng)軟件開發(fā)

　　軟件的設(shè)計(jì)可分為兩個(gè)層面:一是系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)的輸入輸出、刃磨運(yùn)動(dòng)模型的建立及計(jì)算、人機(jī)交互等無(wú)實(shí)時(shí)性要求的一般計(jì)算與處理工作;二是插補(bǔ)運(yùn)算等有實(shí)時(shí)性要求的控制工作。由于采用了運(yùn)動(dòng)控制器,直線、圓弧的插補(bǔ)運(yùn)算工作可直接調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)附的庫(kù)函數(shù)實(shí)現(xiàn),簡(jiǎn)化了編程,提高了運(yùn)算速度。但尚需注意的是,對(duì)于象拋物線、三次曲線等插補(bǔ)運(yùn)算,還需通過(guò)編程與運(yùn)動(dòng)控制器相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。在本文中,旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨系統(tǒng)軟件使用VisualBasic 6.0,基于Windows環(huán)境,結(jié)合GT400運(yùn)動(dòng)控制器提供的庫(kù)函數(shù)來(lái)開發(fā)。

　　系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。其中,多任務(wù)調(diào)度是系統(tǒng)的核心,它監(jiān)控各任務(wù)狀態(tài),并根據(jù)調(diào)度策略改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài),本系統(tǒng)各模塊均受其管理。

　　2.1　系統(tǒng)的工作流程

　　筆者選用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言Visual Basic 6.0編程。系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)圖3。其中,加工循環(huán)過(guò)程為:安裝工件→機(jī)床啟動(dòng)→快速接近→加工齒形→快速返回原點(diǎn)→機(jī)床停止。

圖2　系統(tǒng)軟件總體方案設(shè)計(jì)圖

　　2.2　加工控制模塊流程

　　各項(xiàng)參數(shù)輸入完畢后,就可以進(jìn)入加工過(guò)程了。為確保加工過(guò)程正確、可靠地進(jìn)行,應(yīng)檢查所需參數(shù)的完整性,如缺少參數(shù)則給出提示,要求補(bǔ)充輸入。處理單步加工過(guò)程時(shí)應(yīng)注意,在單步加工完幾個(gè)齒形之后,應(yīng)能夠使用工作循環(huán)完成剩余齒數(shù)的加工,這樣,可以簡(jiǎn)化操作,使加工過(guò)程更為靈活。加工控制模塊主要流程為:起始工作位置→徑向進(jìn)給→工作行程→快速讓刀→快速返回/分度→判斷所有齒是否加工完畢,是否進(jìn)入下一循環(huán),至所有齒加工完畢為止。

　　2.3　人機(jī)接口設(shè)計(jì)

　　數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)接口是數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件與機(jī)床操作人員之間的接口。硬件接口是指數(shù)控系統(tǒng)給用戶預(yù)留的一些接口;軟件接口是指數(shù)控系統(tǒng)供用戶觀察、修改、設(shè)置參數(shù)及輸入數(shù)據(jù)、獲得信息的人機(jī)交互界面。旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要用于完成所需參數(shù)的輸入、工作模式的選擇、運(yùn)行的管理與控制及信息的輸出等功能的實(shí)現(xiàn)。

3　結(jié)論

　　本文介紹了旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程。實(shí)踐證明,使用IPC和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)成的開環(huán)CNC系統(tǒng),完成旋轉(zhuǎn)銼的刃磨加工是完全可行的。由筆者參與研制的基于IPC的旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨機(jī)已經(jīng)投入生產(chǎn),經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行,證明該數(shù)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定,能夠滿足旋轉(zhuǎn)銼數(shù)控刃磨的要求。

圖3　系統(tǒng)工作流程圖