八工位组合机床数控系统开发

0 引言

　　组合机床是针对特定工件进行特定加工而设计的一种高效率自动化专用加工设备，大多能多刀同时工作，并具有自动循环的功能。笔者针对组合机床的特点，设计开发出与之配套的数控系统，嵌入了钻孔、攻丝等工艺程序，实现了编程的参数化。

1 组合机床工作原理与过程分析

　　组合机床通常由标准通用部件和加工专用部件组合构成，动力部件采用电动机驱动或液压系统驱动，由电气系统进行工作自动循环的控制，是典型的机电或机电液一体化的自动化加工设备。常见的组合机床，标准通用部件有动力滑台各种加工动力头以及回转工作台等，可用电动机驱动，也可用液压驱动。

　　笔者所述组合机床为八工位组合机床，有 8 个滑台，各载 1 个加工动力头，组成 8 个加工工位。除此之外，还有 8 个夹具、8 个辅助工装(用于装夹工件)以及冷却和液压系统，如图 1。机床的 8 个加工动力头可以同时对 8 个工件进行钻孔、攻丝和扩孔等加工，1 道工序就能生产出 1 个合格的零件。

图 1 八工位组合机床示意图

2 加工工艺分析

　　首先将一个工件安装在上料工位工装1(上料工位可以设置)上，按下启动键后，各工作台先回到工作原点，启动冷却，启动主轴。各工位根据系统设置的参数快速定位到工件安全表面，执行相应的工艺加工(钻孔、攻丝、扩孔)操作，完成后回到工作原点，并等待其他工位完成加工。在等待期间，上料工位可以执行工件装夹操作。待所有工位都完成加工，工作台抬起旋转到下一工位，等待启动按钮进入下一次循环。

　　回转工作台的工作原理为：按下启动回转工作台按钮，回转工作台松开，控制工作台上升的电磁阀通电，使工作台慢慢抬起，待抬起到位行程开关后，工作台停止抬起，控制工作台旋转的电磁阀通电，使得工作台开始旋转，当碰到第 1 个旋转到位行程开关后，工作台开始低速回退，待脱离旋转到位行程开关后，工作台开始反靠，碰到第 2 个旋转到位开关后，工作台停止转动，工作台落下并夹紧。

3 数控系统硬件组成

　　如上所述，八工位组合机床数控系统应具有以下功能：1) 控制至少 10 轴运动(攻丝工位采用伺服主轴)；2) 内嵌钻孔、攻丝等工序的加工工艺；3) 多轴多通道加工；4) 运动轴坐标及系统的状态显示。根据上述功能要求，笔者采用了上位机工业计算机(IPC)+下位机运动控制卡(MC)的结构，运动控制卡采用 FPGA 器件，两者通过 PC104 总线接口连接，采用 FIFO 技术实现并行数据交换。

　　数控系统组成框图如图 2 所示，其中操作箱采用防尘密闭机箱结构，由控制面板、主机(IPC 板卡)和从机(运动控制卡)等部件组成。

图 2 数控系统硬件框图

　　主机(IPC 板卡)采用研祥 EC3-1641，该板卡采用 AMD LX800-500MHz微处理器，板载 256M DDR内存，1 个 ATA100 IDE 接口，支持 2 个 IDE 设备，1个 TYPE I/II CompactFlash 接口，1 个 PC104 接口，3个USB2.0接口，4个串口(可选择RS232/422/485)，硬件资源满足设计需求。控制面板表面采用全覆膜按键，控制芯片采用 TI 公司的 TMS320F28035，该芯片主频 60 MHz，45 个可复用的多功能 GPIO 接口，3 个 32 位的 CPU 时钟，板载 Flash、SARAM等存储功能，标准 SCI 传输功能，完全满足键盘的按键扫描、信号点灯以及和主机通讯的要求。从机(运动控制卡)采用 Actel 公司的 Cortex_M3 内核的FPGA，该芯片采用 ARMv7-M 架构，具有 16 Gbit/s带宽的 AHB 总线矩阵，单周期乘法指令，Thumb-2指令集等特点，完全满足运动控制的要求。

　　这样的硬件设计构成 IPC 与 FPGA 组成前后台方式的主、从多 CPU 并行处理结构。软件开发平台IPC 采用 DOS6.22 操作系统，BorlandC++3.3 开发平台，主要完成系统的人机接口界面和与外部网络的互联以及部分数据处理任务，完成指令解释工作，生成粗插补数据，这些开发内容涉及到程序流程控制、数据类型定义、重载函数、类定义及对象声明等；FPGA 采用 VHDL 语言开发，主要完成实时控制任务，包括开关信号采集与控制、加减速控制、插补控制、各种补偿和 PLC 等控制功能，实现数据精插补功能。该平台在多个数控系统产品上有成功应用，这样的系统开发平台既可以满足数控系统与计算机网络的互连，便于系统升级和数据交换与共享，也可以满足系统实时控制要求，实现数控系统的控制功能。