活塞环数控车床控制系统设计

　　活塞环CAD／CAM软件是活塞环全数控加工的一个重要组成部分。与活塞环仿形车床相比较，活塞环数控车床更能满足现代产品多品种、小批量、高精度的市场要求。而活塞环CAD／CAM作业是实现快速更换产品型号必不可少的一个环节。活塞环CAD／CAM主要任务是根据不同活塞环的参数及计算模型．自动完成活塞环自由型线数据的计算，对活塞环加工速度和加速度特性进行分析，生成符合活塞环全数控机床加工要求的NC程序。

　　数控系统是数控机床的核心，它是一个实时多任务系统．包括输入输出装置、数控装置、伺服系统等主要组成部分，其中起着关键作用的是数控装置部分。本文将介绍活塞环数控车床控制系统的设计和开发。

1 活塞环数控加工控制原理

　　活塞环数控机床是利用“电子靠模”代替原有的机械靠模完成活塞环自由型线的加工。图1上半部为机械靠模的工作原理，它是利用凸轮强制驱刀具完成所需要的运动，凸轮轮廓曲线是根据从动件运动规律进行设计的。若要改变从动件的运动规律，必须重新设计、更换凸轮。图1下半部为“电子靠模”工作原理图。它以主轴编码器所产生脉冲为信息源。通过系统中存储的“电子凸轮”来驱动径向进给电机完成所需的进给运动，通过修改存储系统内的“电子凸轮”数据可以很方便的完成各种活塞环型线的加工。

图1 电于霏模与机械靠梗原理

　　因而，在活塞环数控车床加工时，机床主轴的旋转运动与刀具的径向进给运动是由“电子靠模”保持着严格的运动关系。此外，为加工出整个活塞环表面．还需要刀具作轴向进给运动，该运动与主轴转动仅是一种维持匀速进给运动的关系。由此可见，活塞环车床数控系统的选择侧重是如何保证刀具径向进给运动高速响应工件旋转运动的能力，尤其是高转速条件下的响应能力。

2 基于PMAC的开放型数控系统

　　2.1 开放型数控系统

　　从麻省理工学院(MIT)所研制的第一台数控机床问世至今，数控机床的发展已走过了半个多世纪的历程，数控系统的性能和可靠性随着科学技术的发展得到了根本性的提高。

　　从2O世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是本身软硬件还是外围器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化程度越来越高，功能越来越强，而成本却越来越底，原来在中小型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。利用PC微机优越性，美国首先推出了基于PC微机的数控系统，IPPCNC系统，它被划人所谓的第六代开放型数控系统。

　　开放式数控系统的目的是使系统构筑于一个开放的平台之上，具有模块化的组织结构，允许用户根据需要进行选配和集成．能够自由更改或扩展系统功能，以适应不同的应用需求。开放式数控系统以通用PC机为基础，构成总线式模块、开放型、嵌入式的体系结构，为数控设备制造厂和最终用户进行集成和二次开发给予了有力的支持。此外。开放式数控系统还为用户提供强大的联网能力，除了RS232串口通讯外，还带有远程缓冲功能的DNC接口，甚至MAP或Ethernet接口，可实现控制器与控制器之间的连接，以及直接连接主机，便于将不同制造厂的数控设备用标准化通信网络连接起来，促进系统集成化和信息综合化。使远程操作、遥控及故障诊断成为可能。

　　基于PC微机的开放式数控系统是当今数控技术的发展方向。目前有三种PC型数控系统结构形式：① 在PC机上增加数控模块；②在数控系统上增加IPC模块；③以纯PC软件形式。其中第一种形式，即在PC机中插入CNC运动模块是一种常见的开放式数控系统的结构形式，如人们常用PC微机+PMAC运动控制器开发开放式数控系统。

　　2.2 PMAC简介

　　PMAC (Programmable Multi—Axes Controler)是美国Delta Tau公司开发的新一代控制器．它集主机通讯、运动控制、后台任务处理等基本数控功能于一体。PMAC采用Motorola 56000DSP f数字信号处理器)作为其CPU，由专门的PROM、RAM、EAROM以及IC门阵列电路等组成。PMAC能完成运动控制系统的插补计算、伺服控制、PLC控制等实时任务．并能够与上位PC机进行实时数据通讯．接收主机发来的各种控制指令并将伺服电机的各种运行状态、位置信息等返回给主机。

　　在伺服控制过程中，PMAC通过DAC模拟电压输出给伺服驱动器实现对伺服运动的控制，同时PMAC可接收0～5V的数字正交编码器反馈信号实现位置闭环，在PAMC和伺服驱动器之间通过信号转接板Acc-8P进行连接，除提供高精度的模拟输出外。还接收编码器的反馈信号构成闭环或半闭环控制。

　　PMAC主要功能有：强大的伺服控制和插补计算；多轴控制；网络通讯；与外部事件同步；高分辨率的模拟输出控制；数据采集和分析；反向间隙和多种误差补偿：软硬件超行程限位等功能。PMAC的最主要特点也就其软硬件的全面开放性，它可以适用于各种不同总线、放大驱动器、反馈元件和检测元件。通过调用PMAC所提供的函数，可在VC、VB等语言编译器和不同操作系统平台下，实现应用程序与PMAC的可靠通讯，保证用户完成对应用程序的开发。

3 机床数控系统

　　所研制的活塞环车床数控系统应具有开放性．以便于机床特有功能的开发。其核心由工控机和主频为40MHZ的PMAC构成，采用WINDOWS操作平台，具有刀具补偿、提前预处理、以及标准以太网接口等一般高档数控系统所具有的功能，可以满足活塞环所要求的高速响应控制精度要求。

　　该数控系统的硬件结构如图2所示．其主机为通用工控机(IPC)，PMAC运动控制器通过ISA总线插槽嵌入PC微机，从而构成主从控制结构形式。PMAC作为从机负责伺服计算、轨迹插补、数据采集、PLC逻辑计算等实时性控制任务：主机拥有丰富的软硬件资源，负责完成人机交互、网络通讯功能。IPC与PMAC主从机之间通过双端El RAM(DPRAM)实现数据交换，从而具有高速的数据通信能力，共同协调完成控制任务。

图2 基于PMAC的开放型数控系统硬件结构