基于PMAC的五轴数控铣床系统设计

　　随着现代加工制造技术的发展，五轴数控加工机床已经成为整个机床行业的研究重点，五坐标数控加工是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段。五轴数控机床可以加工三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的自由曲面，如飞机发动机的叶片、模具的复杂型腔等。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。

　　为在高等职业院校中开展五轴数控加工技术的研究，解决因购买大型五坐标加工中心带来的资金难题，本文通过对一台普通立铣床进行改造，设计具有3个平动轴和2个数控回转轴的五轴数控铣床，既满足了高等职业院校的学生学习五轴数控加工技术的要求，同时经济实用、降低了设备成本，又是科研人员研究开放式数控系统可以代用的重要实验设备。

1 铣床机械本体结构设计

　　五轴数控加工机床结构上由沿X、Y、Z轴的平动和绕X、Y、Z中任何两个轴的转动组成，基本可分为三种形式：双摆头式、双转台式和摆头转台式。本文设计的五轴数控铣床采用摆头转台式结构(如图l所示)，即沿X，Y，Z方向的平动、绕Y轴的摆动(B)和绕Z轴的转动(C)，各轴均采用交流伺服电机驱动。其中摆动轴和转动轴均采用蜗轮蜗杆结构形式。该套设备具备了以下特点：

　　(1)机床刚性大。改装后，降低了机床主轴头部分的整体质量，在增加转动自由度的同时，保证了机床系统具有较强的静态和动态刚性。

　　(2)进给调速范围宽。为确保动态交变负荷下加工的稳定性，机床各平动轴采用南京工艺装备厂生产的数控精密工作台，其进给速度从空载到满载变化量小于0．025 mm/min。最低进给速度为0．1 mm/min，最高空程速度达到500mm/min。

　　(3)机床精度高，具有稳定的加工质量，能加工复杂形状的零件。

　　(4)机床自动化程度较高，降低了操作者的工作强度，可满足教学和科研的不同需求。

　　(5)制造成本低，经济实用，适合高等职业院校进行数控专业的教学和实验。

图1 五轴数控铣床结构示意图

2 铣床控制系统设计

　　2.1 开放式数控系统

　　IEEE(国际电气电子工程师协会)定义开放系统具有下列特性：“符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，有与其他的系统应用互操作性，并且具有一致的用户交互界面。”实质上，开放式数控系统是一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。目前，开放式数控系统已成为数控系统的发展趋势，主要有以下三种类型：

　　(1)“PC+数控专用模块”结构的开放式数控系统：在PC机上嵌入数控专用模块，这种系统的开放性仅限于PC机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态；

　　(2)“PC+可编程运动控制器”结构的开放式数控系统：基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用PC机为硬件平台，可编程运动控制器为控制核心。双CPU并行通信，是一种便于开发的开放式数控系统；

　　(3)纯PC型开放式数控系统；其开放式功能完全由软件实现，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。

　　“PC+可编程运动控制器”结构的开放式数控系统，其特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源，是当前最为理想的开放式数控系统，已广泛应用于数控机床、各类机器人、三坐标测量、在线检测及加工、卫星定位跟踪、弯管机、注塑机以及各类机床的数控化改造。

　　本文设计的五轴数控铣床的控制系统采用第二种结构，即“1PC+PMAC”的开放式数控结构，以IPC为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用ISA总线形式；以多轴运动控制器PMAC为系统从机，进而构成主从分布式结构体系。采用这种体系结构，可充分利用PC机的系统软件和数据处理功能。工控机采用研华ADzVANTECH-610.CPU主频2.6 GHz，具有响应速度快、计算能力强、工作稳定等特点，能够满足实际加工的要求。PMAC是美国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、数控机床等多轴控制的高精度伺服装置上。本文设计的控制系统体系示意图，如图2所示。

图2控制系统体系示意图