基于 PMAC 的超精密磨床开放式数控系统的研究

　　随着科学技术的日益发展，各种对称、非对称、非球曲面、甚至更为复杂的异形曲面零件的加工越来越引起世界各国制造业的高度重视。这些高精度的曲面类零件广泛地应用于武器装备、航空航天、生物医学、能源及电子信息等领域的尖端设备中。曲面的超精密加工要求加工机床具有高精度、高刚度以及良好的动态性能，同时需要多轴联动控制技术。因此，数控系统作为超精密机床的控制中心，已成为决定超精密曲面加工的关键性因素。目前，超精密机床多采用 NC ( Numerical Control) 嵌入 PC 型开放式数控系统。这种开放式数控系统具有可移植、可扩展性、交互简单、运用灵活等优点。

　　文中根据超精密磨床磨削非球曲面的要求，依托PMAC 多轴运动控制卡和上位机工控机组成的开放式数控系统，基于 Windows 操作平台，综合运用 VC + +6. 0 和 PMAC 驱动程序进行了数控系统的软件开发。

1 PMAC 简介

　　PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller) 是由美国 Delta Tau 公司推出的具有开放式体系结构的多轴运动控制器。PMAC 功能强大，性价比较高，具有精度高、响应快、操作简单等特点，它采用了 Motorola 的 DSP56 系列数字芯片，可以灵活运行多种高级语言，最多可以控制八轴同时运动。

　　PMAC 本身就是一台完整的计算机，它不仅可以通过自己内部的程序独立运行，还可以与计算机连接起来进行联合运行; 它是集执行 PLC 程序、伺服环更新、电机换向更新、资源管理以及与主机通讯于一体的多功能运动控制器，能够执行多个任务并对任务的优先级做出正确的判断。

　　PMAC 通过串口、 总线 ( PC、 PCI、 STD 或者VME) 或者双端口 RAM 与主机通讯，通过特殊设计的 DSPGATES 用户门阵列 IC 与各轴通讯。每个PMAC 卡都能控制 8 个轴，最多可以有 16 个 PMAC卡级联。

　　基于 PMAC 的数控系统是开放式数控系统，这主要是由于 PMAC 硬件结构的开放性和软件结构的开放性。其中硬件结构的开放性是指它能够与不同硬件平台匹配、与各种伺服系统匹配、与各种检测元件匹配以及与 PC 机采用多种方式进行通信。软件结构的开放性是指其人机界面的对外开放性、数控功能的对外开放性和 PLC 功能的对外开放性以及控制系统定制的对外开放性。

2 超精密磨数控系统结构

　　2.1 超精密磨床的总体结构

　　超精密磨床主要用于磨削半球面、非球曲面、圆环面等复杂曲面。由于机床具有高精度、高刚度、高稳定性的运动部件及超精密驱动和反馈系统，具有 3个轴和 1 个超精密回转工作台，同时具备在位测量补偿加工、砂轮在机修整和在线修锐功能，因此可以磨削超精密精度等级的复杂曲面。机床的总体布局如图1 所示。

图 1 机床的总体布局图

　　超精密磨床主轴采用气体静压主轴，精度高，热变形小，回转速度大。机床的 X 轴和 Z 轴采用液体静压导轨，导轨采用 T 形布局，刚度高，承载能力大，运动平稳，直线运动精度高。同时采用了气浮二维超精密回转工作台，即 B 轴，可以通过三轴或四轴联动实现复杂曲面的加工。机床 X 轴，Z 轴均采用直线电机驱动，减少了机械传动的中间环节，增加了系统的动态刚度，减少了由于传动带来的跟随误差。

　　2.2 开放式数控系统硬件组成

　　该超精密磨床的数控系统是 NC 嵌入 PC 式开放式数控系统，即 PMAC 嵌入工控机中。如图 2 所示，该系统的工控机采用研华公司的工控机，控制卡类型为 Turbo PMAC PCI Lite。该数控系统主要由上位机工业控制计算机、PMAC 运动控制器、伺服电机及其伺服驱动器、检测反馈元件四部分组成。其核心部分是下位机 PMAC 控制器。其中上位机与下位机通过 PCI总线通讯。同时由 ACC-8P 扩展卡将 PMAC 的 JMACH接口信号与伺服驱动器和反馈信号连接起来。

　　上位机工控机具有存储量大、运行速度快、操作灵活等特点，主要用于后台管理、人机交互界面的开放性设计、程序编辑、运动处理及运动实时监测等。下位机 PMAC 具有实时性强、稳定性好、效率高等特点，主要用于前台控制，包括各轴运动控制、插补运算、刀具补偿、程序执行、反馈信号接收和处理以及机床逻辑功能 A/D、D/A 转换等。在实际应用中，用户通过上位机进行系统相关的数据输入、命令输入、参数设定、程序编辑等准备工作，然后通过 PCI总线与 PMAC 进行通讯，再由 PMAC 根据上位机的要求发送指令给相应的伺服驱动器，由伺服驱动器驱动电机来执行相关指令，推动导轨到指定的位置或者使主轴和 B 轴按照指定转速转动。与此同时，光栅尺或者圆光栅作为检测反馈元件将采集到的数据不断地反馈给 PMAC，通过 PMAC 的复合反馈功能使系统具有较好的静动态特性。

图 2 基于 PMAC 的开放式数控系统硬件结构图