0　引言

　　近年來工業控制計算機(Industrial PC,簡稱IPC)進入數控領域,取得了較大的成功,使開放式數控系統的普遍應用成為可能。應用IPC可以及時地引入PC技術的最新硬、軟件發展成果,縮短產品的研制周期,充分提高系統的可靠性和通用性。硬質合金旋轉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,形廓復雜,且品種規格繁多,給刃磨工作帶來很大的困難。隨著開放式數控系統概念的深入,以及IPC、運動控制器的廣泛應用,為旋轉銼的數控刃磨技術研究帶來新的機遇。

1 旋轉銼刃磨數控系統硬件設計

　　1.1 控制系統總體方案設計

　　根據旋轉銼刃磨的功能需求,結合當前開放式數控系統的發展狀況,決定采用“IPC—運動控制器—驅動器—步進電機”的控制方案。控制系統總體方案設計框圖見圖1。

　　IPC作為整個系統的核心,擔負系統資源的分配、任務的調度、人機交互及數據計算等任務。運動控制器的作用是接收IPC傳送的數據,將其轉化為數字脈沖和方向信號輸出到驅動器,再由驅動器控制步進電機轉動,從而實現機床各坐標軸的運動。

　　1.2 硬件選型

　　系統硬件設計要遵循開放式數控系統標準化、模塊化的原則,同時兼顧整體系統的可靠性要求,各硬件模塊之間必須完全兼容。本系統硬件設計的出發點是:按照系統總體方案要求,考慮開放式數控系統設計原則,在滿足精度要求的前提下保證整體系統的可靠性和工作過程的穩定性,同時兼顧經濟性。系統的主要硬件包括工業控制機、運動控制器、端子板、驅動器及步進電機等。

圖1　控制系統總體方案設計框圖

　　1.2.1 工業控制機(IPC)

　　工業控制機(IPC)是本數控系統的核心部件,它的作用是對輸入的數據進行分析和運算,將結果傳送至運動控制器,控制執行機構的運動,它的品質直接影響整體系統的可靠性和工作過程的穩定性。按照系統總體方案要求并考慮經濟性,選用了研祥公司的普通箱式工業控制機IPC-810。其基本配置為: IPC-810型14槽上架型機箱, IPC-6114P4底板,內設10個ISA插槽和4個PCI插槽。IPC-586DF型全長CPU卡, Intel Pentium CPU,主頻266MHz, 64MB內存, 4GB硬盤。

　　1.2.2　步進電機

　　步進電機是一種將電脈沖信號轉變為相應直線位移或角位移的數/模轉換器。步進電機具有控制方便、工作可靠及價格便宜等優點,在工業上得到了廣泛應用。步進電機通常分為3種類型:永磁式、反應式和混合式。本系統為精度和動態性能要求高的控制系統,通過各項對比,選用混合式步進電機。選擇相數應兼顧步進電機和驅動器的技術指標和經濟性。通常,隨著相數的增加,步進電機的步距角變小,啟動和運行頻率響應提高,穩定性好,但相應驅動器結構復雜,成本高。因此,本系統選用兩相步進電機。選擇步距角時,應考慮脈沖當量和機械傳動系統的傳動比,兼顧系統精度和速度方面的要求。根據系統要求,選擇步距角為1.8°。根據以上分析,選用86BYG450E-01型步進電機。

　　1.2.3　驅動器

　　驅動器的功能是接收來自控制機的脈沖及方向信號,進行脈沖分配及功率放大,驅動步進電機轉動。為使步進電機達到需要的輸出,驅動器必須給步進電機提供足夠的電壓和電流。根據所選步進電機的技術參數及性能,選用了滿度電流為5A(高于步進電機的相電流4A)的SH-2H090M型兩相混合式步進電機細分驅動器。

　　1.2.4　運動控制器

　　運動控制器的作用是輸出數字脈沖和方向信號,經過驅動器控制步進電機轉動。本系統要求四坐標聯動,選用固高科技的GT-400-SG-PCI運動控制器,它具有如下特點:¹可實現四軸聯動或同時獨立地對4個軸進行控制,為每個軸提供步進脈沖和方向信號,驅動步進電機轉動;º看門狗實時監測DSP的工作狀態;»基于坐標系編程的連續軌跡控制,可實現空間直線、圓弧插補運動;¼提供程序緩沖區,實現運動軌跡預處理,以獲得高質量的運動控制,并降低主機通訊實時性的要求;½面向各控制軸實現點到點的運動控制,具有可編程S形曲線、梯形曲線、速度控制和電子齒輪運動控制方式;¾使用32位(二進制)有效數字計算,實現高精度的軌跡控制;¿可編程設置采樣周期,四軸采樣(插補)周期為162Ls。

　　GT-400-SG-PIC是高性能的運動控制器,它可以同步控制4個運動軸,實現復雜的多軸協調運動。其核心由數字信號處理器ADSP2181和現場可編程門陣列FPGA組成,可實現高性能的控制計算。

　　1.3　硬件模塊的連接

　　運動控制器插入IPC機的底板上空閑的PCI插槽中,端子板通過62芯電纜與運動控制器連接;然后,通過端子板上的4路輸出接口與驅動器連接,再由驅動器對各軸步進電機進行控制。

　　1.3.1　運動控制器與驅動器的連接

　　GT-400-SG-PCI運動控制器提供了一個62針D型端口,可使用62芯電纜通過ACC2端子板CN5～CN8接口與SH-2H090M驅動器相連接。這種連接方法簡單易行,可靠性也較高。下面,以端子板的CN5端口為例說明運動控制器(端子板)與驅動器連接過程。

　　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分別與端子板對應端口CN1、CN2相連。端子板和驅動器的連接可以采用脈沖/方向單端方式或正/負脈沖雙端方式。本文中選用脈沖/方向單端方式,在這種模式下,要將驅動器的方向電平信號(DIR)與步進脈沖信號(CP)接到CN5的正信號端,即9腳DIR0+端及23腳PULSE0+端,同時應注意,負信號端應懸空。

　　另外,為了使控制系統和驅動器能夠正常通訊,避免相互干擾, SH-2H090M型驅動器內部采用光耦器件對輸入信號進行隔離,將3路輸入信號,即方向電平信號(DIR)、步進脈沖信號(CP)與脫機信號(FREE)的正輸入端連在一起作為一個公共端,稱之為共陽端(OPTO)。OPTO端通常接外部系統的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動器內部光耦器件提供8mA～15mA的驅動電流。在這里, CN5的7腳提供+5V的電源輸出,可直接接入驅動器的OPTO端。CN5的2腳ALM端為驅動報警,根據安全標準,其輸入信號應為常閉狀態,在本系統中未使用,須將該腳與1腳外部電源地(OGND)短接。

　　1.3.2　驅動器與步進電機的連接

　　兩相驅動器與步進電機的連接方法有兩種,一是兩相串聯方式,二是兩相并聯方式。在這里,采用兩相串聯方式來進行連接。驅動器的A、A-端與步進電機的一相兩個繞組串聯連接, B、B-端與另一相兩個繞組串聯連接。

2　旋轉銼數控刃磨系統軟件開發

　　軟件的設計可分為兩個層面:一是系統初始化、數據的輸入輸出、刃磨運動模型的建立及計算、人機交互等無實時性要求的一般計算與處理工作;二是插補運算等有實時性要求的控制工作。由于采用了運動控制器,直線、圓弧的插補運算工作可直接調用運動控制器內附的庫函數實現,簡化了編程,提高了運算速度。但尚需注意的是,對于象拋物線、三次曲線等插補運算,還需通過編程與運動控制器相結合來實現。在本文中,旋轉銼數控刃磨系統軟件使用VisualBasic 6.0,基于Windows環境,結合GT400運動控制器提供的庫函數來開發。

　　系統軟件總體方案設計見圖2。其中,多任務調度是系統的核心,它監控各任務狀態,并根據調度策略改變任務狀態,本系統各模塊均受其管理。

　　2.1　系統的工作流程

　　筆者選用面向對象的編程語言Visual Basic 6.0編程。系統的工作流程見圖3。其中,加工循環過程為:安裝工件→機床啟動→快速接近→加工齒形→快速返回原點→機床停止。

圖2　系統軟件總體方案設計圖

　　2.2　加工控制模塊流程

　　各項參數輸入完畢后,就可以進入加工過程了。為確保加工過程正確、可靠地進行,應檢查所需參數的完整性,如缺少參數則給出提示,要求補充輸入。處理單步加工過程時應注意,在單步加工完幾個齒形之后,應能夠使用工作循環完成剩余齒數的加工,這樣,可以簡化操作,使加工過程更為靈活。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,是否進入下一循環,至所有齒加工完畢為止。

　　2.3　人機接口設計

　　數控系統的人機接口是數控系統硬件和軟件與機床操作人員之間的接口。硬件接口是指數控系統給用戶預留的一些接口;軟件接口是指數控系統供用戶觀察、修改、設置參數及輸入數據、獲得信息的人機交互界面。旋轉銼數控刃磨系統人機交互界面主要用于完成所需參數的輸入、工作模式的選擇、運行的管理與控制及信息的輸出等功能的實現。

3　結論

　　本文介紹了旋轉銼數控刃磨系統的開發過程。實踐證明,使用IPC和運動控制器構成的開環CNC系統,完成旋轉銼的刃磨加工是完全可行的。由筆者參與研制的基于IPC的旋轉銼數控刃磨機已經投入生產,經過實際運行,證明該數控系統性能穩定,能夠滿足旋轉銼數控刃磨的要求。

圖3　系統工作流程圖