董秋艷，郭兵，韓成順，趙清亮

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001)

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各種對(duì)稱、非對(duì)稱、非球曲面、甚至更為復(fù)雜的異形曲面零件的加工越來(lái)越引起世界各國(guó)制造業(yè)的高度重視。這些高精度的曲面類零件廣泛地應(yīng)用于武器裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源及電子信息等領(lǐng)域的尖端設(shè)備中［1］。曲面的超精密加工要求加工機(jī)床具有高精度、高剛度以及良好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)需要多軸聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)。因此，數(shù)控系統(tǒng)作為超精密機(jī)床的控制中心，已成為決定超精密曲面加工的關(guān)鍵性因素。目前，超精密機(jī)床多采用NC(Numerical Control)嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。這種開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植、可擴(kuò)展性、交互簡(jiǎn)單、運(yùn)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。

文中根據(jù)超精密磨床磨削非球曲面的要求，依托PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡和上位機(jī)工控機(jī)組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)，基于Windows操作平臺(tái)，綜合運(yùn)用VC++6.0和PMAC驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)。

1 PMAC簡(jiǎn)介

PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是由美國(guó)Delta Tau公司推出的具有開放式體系結(jié)構(gòu)的多軸運(yùn)動(dòng)控制器。PMAC功能強(qiáng)大，性價(jià)比較高，具有精度高、響應(yīng)快、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，它采用了Motorola的DSP56系列數(shù)字芯片，可以靈活運(yùn)行多種高級(jí)語(yǔ)言，最多可以控制八軸同時(shí)運(yùn)動(dòng)［2］。

PMAC本身就是一臺(tái)完整的計(jì)算機(jī)，它不僅可以通過(guò)自己內(nèi)部的程序獨(dú)立運(yùn)行，還可以與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行;它是集執(zhí)行PLC程序、伺服環(huán)更新、電機(jī)換向更新、資源管理以及與主機(jī)通訊于一體的多功能運(yùn)動(dòng)控制器，能夠執(zhí)行多個(gè)任務(wù)并對(duì)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)做出正確的判斷［3］。

PMAC通過(guò)串口、總線 (PC、PCI、STD或者VME)或者雙端口RAM與主機(jī)通訊，通過(guò)特殊設(shè)計(jì)的DSPGATES用戶門陣列 IC與各軸通訊［4］。每個(gè)PMAC卡都能控制8個(gè)軸，最多可以有16個(gè)PMAC卡級(jí)聯(lián)。

基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)是開放式數(shù)控系統(tǒng)，這主要是由于PMAC硬件結(jié)構(gòu)的開放性和軟件結(jié)構(gòu)的開放性。其中硬件結(jié)構(gòu)的開放性是指它能夠與不同硬件平臺(tái)匹配、與各種伺服系統(tǒng)匹配、與各種檢測(cè)元件匹配以及與PC機(jī)采用多種方式進(jìn)行通信。軟件結(jié)構(gòu)的開放性是指其人機(jī)界面的對(duì)外開放性、數(shù)控功能的對(duì)外開放性和PLC功能的對(duì)外開放性以及控制系統(tǒng)定制的對(duì)外開放性［5］。

2 超精密磨數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 超精密磨床的總體結(jié)構(gòu)

超精密磨床主要用于磨削半球面、非球曲面、圓環(huán)面等復(fù)雜曲面。由于機(jī)床具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性的運(yùn)動(dòng)部件及超精密驅(qū)動(dòng)和反饋系統(tǒng)，具有3個(gè)軸和1個(gè)超精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，同時(shí)具備在位測(cè)量補(bǔ)償加工、砂輪在機(jī)修整和在線修銳功能，因此可以磨削超精密精度等級(jí)的復(fù)雜曲面。機(jī)床的總體布局如圖1所示。

圖1 機(jī)床的總體布局圖

超精密磨床主軸采用氣體靜壓主軸，精度高，熱變形小，回轉(zhuǎn)速度大。機(jī)床的X軸和Z軸采用液體靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌采用T形布局，剛度高，承載能力大，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，直線運(yùn)動(dòng)精度高。同時(shí)采用了氣浮二維超精密回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，即B軸，可以通過(guò)三軸或四軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工。機(jī)床X軸，Z軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，減少了機(jī)械傳動(dòng)的中間環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)剛度，減少了由于傳動(dòng)帶來(lái)的跟隨誤差。

2.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件組成

該超精密磨床的數(shù)控系統(tǒng)是NC嵌入PC式開放式數(shù)控系統(tǒng)，即PMAC嵌入工控機(jī)中。如圖2所示，該系統(tǒng)的工控機(jī)采用研華公司的工控機(jī)，控制卡類型為Turbo PMAC PCI Lite。該數(shù)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、PMAC運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動(dòng)器、檢測(cè)反饋元件四部分組成。其核心部分是下位機(jī)PMAC控制器。其中上位機(jī)與下位機(jī)通過(guò)PCI總線通訊。同時(shí)由ACC-8P擴(kuò)展卡將PMAC的JMACH接口信號(hào)與伺服驅(qū)動(dòng)器和反饋信號(hào)連接起來(lái)［4］。

上位機(jī)工控機(jī)具有存儲(chǔ)量大、運(yùn)行速度快、操作靈活等特點(diǎn)，主要用于后臺(tái)管理、人機(jī)交互界面的開放性設(shè)計(jì)、程序編輯、運(yùn)動(dòng)處理及運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。下位機(jī)PMAC具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、效率高等特點(diǎn)，主要用于前臺(tái)控制，包括各軸運(yùn)動(dòng)控制、插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、程序執(zhí)行、反饋信號(hào)接收和處理以及機(jī)床邏輯功能A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。在實(shí)際應(yīng)用中，用戶通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入、命令輸入、參數(shù)設(shè)定、程序編輯等準(zhǔn)備工作，然后通過(guò)PCI總線與PMAC進(jìn)行通訊，再由PMAC根據(jù)上位機(jī)的要求發(fā)送指令給相應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)器，由伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)來(lái)執(zhí)行相關(guān)指令，推動(dòng)導(dǎo)軌到指定的位置或者使主軸和B軸按照指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)。與此同時(shí)，光柵尺或者圓光柵作為檢測(cè)反饋元件將采集到的數(shù)據(jù)不斷地反饋給PMAC，通過(guò)PMAC的復(fù)合反饋功能使系統(tǒng)具有較好的靜動(dòng)態(tài)特性。

圖2 基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)概述

上位機(jī)軟件是基于 Windows操作系統(tǒng)，使用VC++6.0開發(fā)的。Delta Tau公司為PMAC上位軟件開發(fā)提供了軟件開發(fā)包PcommSever。PcommSever是一個(gè)包含50多種函數(shù)功能的軟件包。上位機(jī)與PMAC的通訊和數(shù)據(jù)交換都可以通過(guò)PcommSever中的函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

該系統(tǒng)軟件分為4個(gè)操作窗體，一個(gè)父窗體，3個(gè)子窗體，每個(gè)窗體及其功能都封裝成一個(gè)類。軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。父窗體是操作的主界面，如圖4所示。主界面的設(shè)計(jì)采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、初始化模塊、程序模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、輔助及其他模塊。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

圖4 程序主界面

3.2 軟件系統(tǒng)的功能分析

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性特點(diǎn)，如果該軟件不能滿足用戶需求，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)新的功能模塊。同時(shí)，系統(tǒng)軟件作為人機(jī)交互界面，可以通過(guò)軟件上的簡(jiǎn)單操作與PMAC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將從PMAC得到的信息顯示在主界面上。此外，該軟件的模塊化設(shè)計(jì)使界面美觀簡(jiǎn)潔、操作簡(jiǎn)單、友好交互，可以減少操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。打開系統(tǒng)軟件首先顯示登陸界面，以提示用戶在操作機(jī)床過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。然后進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，其中主界面的各個(gè)模塊的功能如下所示:

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊:此模塊包括各軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，工作模態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，進(jìn)給速度倍率監(jiān)測(cè)模塊。各軸狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)各軸電機(jī)是否上電和閉環(huán)、各軸是否處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否觸及限位開關(guān)，同時(shí)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地反映從PMAC采集回來(lái)的X軸和Z軸的實(shí)際位置以及B軸和C軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。工作模態(tài)監(jiān)測(cè)模塊反映此時(shí)機(jī)床處于哪種工作模式下，其中包括JOG運(yùn)動(dòng)模式、手輪輸入模式、自動(dòng)運(yùn)行模式、編輯模式、回零模式以及手動(dòng)快速運(yùn)動(dòng)模式等。進(jìn)給速度倍率監(jiān)測(cè)模塊用以顯示進(jìn)給速率值的百分比。

初始化模塊:此模塊的主要功能是給各個(gè)電機(jī)上電及閉環(huán)，其上電和閉環(huán)狀態(tài)會(huì)在狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊中顯示出來(lái)。

程序模塊:此模塊由兩部分組成，除了主界面上的程序模塊外還包括一個(gè)程序編輯子界面 (如圖5所示)。主界面上的程序模塊用于打開下載前不需要進(jìn)行編輯的程序，然后進(jìn)行下載和運(yùn)行。程序編輯子界面用于打開下載前需要編輯的程序，這時(shí)候可以通過(guò)該子界面打開程序，并對(duì)程序進(jìn)行編輯和保存，同時(shí)可以將程序下載到PMAC中或者將程序從PMAC讀取至上位機(jī)中。

圖5 程序編輯子界面

運(yùn)動(dòng)控制模塊:此模塊包括JOG運(yùn)動(dòng)控制模塊、B軸和C軸控制模塊，用以設(shè)置各軸的運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)方向，并使各軸進(jìn)行正反方向運(yùn)動(dòng)和回零運(yùn)動(dòng)。

PID調(diào)節(jié)模塊:此模塊用于打開PID調(diào)節(jié)相關(guān)的PmacTurningPro2軟件和PmacPlot32Pro2軟件。此外，該模塊還設(shè)置了階躍信號(hào)整定和拋物線信號(hào)整定過(guò)程中可能出現(xiàn)的曲線形狀，并指出供用戶參考的相應(yīng)調(diào)節(jié)方法，以提高工作效率。

輔助功能及其他模塊:此模塊包括油泵的開啟和關(guān)閉、氣泵和冷卻液的狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及急停和退出軟件系統(tǒng)?；诎踩钥紤]，設(shè)置了電機(jī)閉環(huán)前必須開啟油泵和電機(jī)處于閉環(huán)時(shí)不能停止油泵的保護(hù)方法。

3.3 部分模塊功能的具體實(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)采用顯式鏈接的方式將PcommSever.exe添加到VC++6.0的MFC程序中，由此導(dǎo)入了PcommSever.exe中的封裝類IPmacDevice。軟件系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊都是基于VC++6.0的MFC程序框架，調(diào)用類IPmacDevice中的函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。其中軟件的主要功能是通過(guò) GetResponseEx(dwDevice，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer，＆Pstatus)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的［6］。

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)軟件，要先解決上位機(jī)與PMAC的通訊問(wèn)題。首先在程序中聲明IPmacDevice類型的全局 變 量 PmacDevice， 然 后 通 過(guò) PmacDevice.SelectDevice(NULL，＆dwDevice，＆pbSuccess)和PmacDevice.Open(dwDevice，＆pbSuccess)函數(shù)建立通訊［7］。

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊要完成顯示狀態(tài)信息和更新界面信息的功能。例如X軸 (即#1軸)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)是調(diào) 用 PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，"M140"，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer，＆pStatus)實(shí)現(xiàn)的。該函數(shù)向PMAC發(fā)送不同的M變量指令，并從PMAC得到響應(yīng)指令pAnswer，然后將變量pAnswer轉(zhuǎn)換成int型變量，判斷該int型變量的值得出此時(shí)電機(jī)是否上電。各軸位置信息的實(shí)時(shí)更新是通過(guò)定時(shí)器實(shí)現(xiàn)的，以X軸為例，X軸的位置是通過(guò)定時(shí)器發(fā)送WM_TIMER消息，然后在OnTimer()消息響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用GetResponseEx()函數(shù)向PMAC發(fā)送"#1p"指令來(lái)更新的。此外，模塊中其他狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能與X軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)方法基本一致。

初始化模塊中，X軸上電功能是通過(guò)函數(shù)GetResponseEx()來(lái)改變變量M7904的值實(shí)現(xiàn)的。按下按鈕時(shí)，先判斷電機(jī)的上電狀態(tài)，如果電機(jī)未上電，則令M7904=1給電機(jī)上電，如果電機(jī)已上電，則令M7904=0使電機(jī)斷電。同時(shí)利用定時(shí)器控件來(lái)改變當(dāng)前電機(jī)的上電狀態(tài)。其他初始化按鈕的實(shí)現(xiàn)方法基本類似。

JOG運(yùn)動(dòng)控制模塊主要用來(lái)進(jìn)行加工前的對(duì)刀工作。速度控制通過(guò)改變變量Ix22來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中x表示電機(jī)號(hào)。運(yùn)動(dòng)模式通過(guò)函數(shù)GetResponseEx()向PMAC發(fā)送"#xj:"和"#xj="指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，而正負(fù)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)向PMAC發(fā)送指令"#Xj+"和"#Xj－"來(lái)實(shí)現(xiàn)。

PID調(diào)節(jié)模塊程序調(diào)用指令:WinExec("C:Program FilesDelta TauPMAC Executive Pro2SuitePmacTuningPro2 PmacTuningPro2.exe"，SW _SHOWNORMAL)

程序模塊的部分功能實(shí)現(xiàn)指令如下:

程序運(yùn)行指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，command，0，＆pAnswer，＆pStatus)

程序終止指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，"A"，0，＆pAnswer，＆pStatus)

程序下載指令:PmacDevice.Download(dwDevice，filepath，1，1，1，1，＆pbSuccess);其中 filepath 表示要打開的文件路徑。

程序上傳指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，str，0，＆pAnswer，＆pStatus);其 中 str=LIST PROG N，N表示需要上傳到主機(jī)的程序號(hào)。

4 結(jié)論

根據(jù)超精密磨床的特點(diǎn)和加工要求，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合的方式，上位機(jī)工控機(jī)負(fù)責(zé)后臺(tái)管理和人機(jī)交互，下位機(jī)PMAC負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制和信號(hào)處理;采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，基于VC++的MFC基礎(chǔ)類框架，調(diào)用PMAC軟件開發(fā)包的封裝類，形成了一套功能齊全、交互友好、可以進(jìn)行二次開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)軟件。該數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期短、成本低、具有良好的開放性，目前已在超精密磨床上投入使用，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，可以滿足加工制造的要求。

【1】陳明君，郭偉星，李旦．基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用新進(jìn)展［J］．航空精密制造技術(shù)，2005，41(2):28－31．

【2】PMAC用戶手冊(cè)．北京鈞義志成科技發(fā)展有限責(zé)任公司，2006．

【3】PMAC Quick Reference．DELTA TAU Data Systems Inc．，2009．

【4】Bai J，Sun L，Pan J，et al．Research and Development of Embedded Numerical Control System Based on Digital Signal Processor［C］//Mechatronic and Embedded Systems and Applications，Proceedings of the 2nd IEEE/ASME International Conference on．IEEE，2006:1 －5．

【5】劉毅．基于PMAC的微小型機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006．

【6】Software Reference Manual．DELTA TAU Data Systems Inc．，2003．

【7】PcommServer Library of PMAC Functions．DELTA TAU Data Systems Inc．，2009．