隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各種對(duì)稱(chēng)、非對(duì)稱(chēng)、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(lèi)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。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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。這種開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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?xún)r(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)。

　　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。

　　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(hù)門(mén)陣列 IC 與各軸通訊。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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，這主要是由于 PMAC 硬件結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性和軟件結(jié)構(gòu)的開(kāi)放性。其中硬件結(jié)構(gòu)的開(kāi)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(kāi)放性是指其人機(jī)界面的對(duì)外開(kāi)放性、數(shù)控功能的對(duì)外開(kāi)放性和 PLC 功能的對(duì)外開(kāi)放性以及控制系統(tǒng)定制的對(duì)外開(kāi)放性。

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(kāi)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(kāi)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(lèi)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)。

　　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(kāi)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(hù)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 開(kāi)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(kāi)發(fā)的。Delta Tau 公司為 PMAC 上位軟件開(kāi)發(fā)提供了軟件開(kāi)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(lèi)。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4 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(kāi)放性特點(diǎn)，如果該軟件不能滿(mǎn)足用戶(hù)需求，用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要開(kāi)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(kāi)系統(tǒng)軟件首先顯示登陸界面，以提示用戶(hù)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi) 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(hù)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(kāi)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)。基于安全性考慮，設(shè)置了電機(jī)閉環(huán)前必須開(kāi)啟第7 期 董秋艷 等: 基于 PMAC 的超精密磨床開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究油泵和電機(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 Pcom-mSever. exe 中的封裝類(lèi) 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(lèi) 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。

　　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(lèi)型的全局 變 量 PmacDevice， 然 后 通 過(guò) PmacDe-vice. SelectDevice ( NULL， ＆dwDevice， ＆pbSuccess )和 PmacDevice. Open ( dwDevice，＆pbSuccess) 函數(shù)建立通訊。

　　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) GetRe-sponseEx ( ) 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(lèi)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: \ Pro-gram Files \ Delta Tau \ PMAC Executive Pro2Suite \PmacTuningPro2 \ 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( dwDe-vice，command，0，＆pAnswer，＆pStatus)程序終止指令: PmacDevice. GetResponseEx( dwDe-vice，" 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(kāi)的文件路徑。

　　程序上傳指令: PmacDevice. GetResponseEx( dwDe-vice，str，0，＆pAnswer，＆pStatus ) ; 其 中 str = LISTPROG 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(kāi)發(fā)了一套基于 PMAC 的開(kāi)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(lèi)框架，調(diào)用 PMAC 軟件開(kāi)發(fā)包的封裝類(lèi)，形成了一套功能齊全、交互友好、可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)軟件。該數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期短、成本低、具有良好的開(kāi)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(mǎn)足加工制造的要求。