基于 PMAC 的开放式外圆磨床数控系统研究
2018-8-9 来源： 福州大学 机械工程及自动化学院 作者：谢招龙，聂晓根
摘 要: 针对外圆磨床特有的结构及功能，基于 PMAC 构建了开放式外圆磨床数控系统的硬件结构，对 PMAC 端口进行分配并设计了 PLC 程序流程。在 Visual Studio 2012 VC++开发环境下编写外圆磨床数控系统软件，所设计的外圆磨床数控系统具有成本低、针对性强、易扩展等优点。并对软件主要功能模块的实现方法进行了说明。
关键词: PMAC; 外圆磨床; 数控系统; 设计
0 、引言
外圆磨削是一种获取零件精确公差及光洁表面的精加工方法，广泛应用在纺织、汽车、军工等领域。随着用户需求的升级，外圆磨床的分类趋向模糊，取而代之的是满足个性化需求，融入应用企业经验的各类“专、精、特”数控外圆磨床，这就要求数控系统具有较强的开放性，允许用户对系统功能进行重构与扩充。目前外圆数控系统开放性的研究主要采用 PC 嵌入 NC 结构，如西门子和华中数控系统的二次开发，该结构虽然较为成熟，但系统冗杂且价格昂贵。针对上述情况，本文基于 PMAC运动控制器设计了开放式数控外圆磨床的硬件和软件系统，该套系统在满足加工要求的同时，具有结构精简、性价比高、移植性与开放性强的特点。
1 、外圆磨床数控系统硬件结构
1．1 外圆磨床功能与结构
外圆磨床结构如图 1 所示，由床身、回转工作台、主轴箱、尾架、砂轮架、砂轮修整器和各轴进给系统构成。床身是机床的总支承件，上方装有沿 z 轴和 x 轴做往复运动的回转工作台与砂轮架。回转工作台分上、下 2 层，上工作台通过丝杆螺母机构可绕下工作台的定位心轴转动一定角度，用以磨削圆锥面。工作台上配有头架和尾座，可夹持工件并带动其旋转。主轴箱上安装有修整器，用以修整砂轮。
1．2 数控系统硬件构成
数控系统采用“IPC+PMAC”的双 CPU 开放式结构。上位机选用 NOＲCO－2000H 工控机，负责人机交互与参数配置等非实时性任务，下位机选用 PMAC2A－PC/104，负责各个轴的运动控制与 PLC 程序运行等实时性任务。上、下位机间通过 5151 卡将 PC104 总线转化为 ISA 总线实现通讯。外圆磨床有 5 个轴，其中 3 个伺服轴( x 轴、z轴和 B 轴) 与 2 个非伺服轴( 主轴和砂轮轴) ，而 PMAC2A－PC / 104 的端口最多只能连接 4 个物理电机，需要 ACC－1P 板进行 5－8 轴端口的拓展。DTC－ 8B 与 SS2 作为伺服信号中转板与 I/O 接口板。系统硬件结构图如图 2 所示。
2 、PMAC 端口分配与 PLC 程序设计
PMAC2A－PC / 104 有 4 组控制物理电机的通道端口，使用其中的 1#、2#、3#通道控制外圆磨床的 x 轴电机、z 轴电机、b 轴电机，4#通道不接物理电机。PMAC2A－PC/104可供自定义使用的 I/O 端口有限，通过将 I425 参数的 17位置 1，解除#4 通道的限位和回零功能，使其 MLIM4、PLIM4 和 HOME4 可作为用户 I / O 端口使用。数控外圆磨床的控制面板上安装有 2 个三档旋钮开关、5 个按钮开关与 4 个指示灯，其所对应的功能、PMAC 端口地址与 M变量如表 1 所示。
表 1 高氮钢电子束焊接母材的质量分数
图 1 外圆磨床结构图
图 2 系统硬件结构图
PMAC 内置有软件化的 PLC 功能，使 PMAC 在执行运动程序的同时也能实现 I/O 接口输入与输出信号的逻辑关系。I/O 接口的输入信号主要有: 控制面板的旋钮开关和控制按钮信号，各伺服轴的机械零点信号和行程开关的限位信号等。I/O 接口的输出信号主要有: 各轴回零指示灯信号和正负行程限位信号等。设置 I5 = 2 可使 PLC在上电就自动执行。数控外圆磨床的 PLC 程序流程图如图 3 所示。
图 3 PLC 程序流程图
3 、外圆磨床数控系统软件开发
3．1 系统软件结构概述
软件利用 VC++丰富的 MFC 基础类库以面向对象的方法进行开发，以提高程序的模块化和稳定性，同时利于系统的移植与扩展。根据外圆磨床所需的功能和磨削工艺，将软件分为初始化模块、主界面模块、编程模块、设置模块、用户模块和退出模块。系统启动时调用初始化模块进行上下位机的通讯，通讯成功后初始化系统并进入主界面模块，如图 4 所示，主界面模块、编程模块、设置模块与用户模块间可相互切换，退出模块用以参数存储与系统退出。系统软件的结构及功能如图 5 所示。
图 4 主界面模块运行图
图 5 系统软件结构及功能图
3．2 上下位机通讯的实现
采用显 示 链 接 的 方 法 实 现 上 位 机 软 件 与 动 态 库PComm32 的链接，以减少内存资源的占用。首先创建与PComm32 函数数据类型相吻合的函数指针，使用 Win32的 API 函数 Load Library( ) 获取 PComm32 的实例句柄。然后通过 API 函数 Get Proc Address( ) 获取 PComm32 中函数的地址，并把结果赋值给自定义函数的指针类型。链接PComm32 成功后，调用 Open Pmac Device( ) 函数，完成上位机与指定 PMAC 的通讯初始化。
3．3 坐标实时显示的实现
实时显示功能用以实时更新坐标系，此处以 x 轴进行说明。调用 Set Timer( ) 函数生成 1 个定时器，该定时器每隔 1 个更新周期触发 1 次 WM_TIMEＲ 消息，由系统回调函数 On Timer( ) 处理消息。在 On Timer( ) 中调用 Pmac Ge-tＲesponse Ex W( ) 函数，向 PMAC 发送" #1p" 和" M191" 指令，获取 x 轴电机的绝对位置和比例因子，进行单位转换后可获得 x 轴的机床坐标。再将 x 轴机床坐标减去工件原点与机床原点的偏置量就可得出 x 轴的程序坐标，部分代码如下:
3．4 砂轮自动化修整功能的实现
砂轮在使用一段时间后需要用修整工具对砂轮进行修整，以提高磨削效率与质量。砂轮修整代码的参数化生成所需参数有: 砂轮直径 d，砂轮宽度 b，修整长度 H，修整圆角 Ｒ，修整倾角 θ，安全距离 ΔS ，x 轴方向修整量Δx，z 轴方向修整量 Δz，修整行程 N。修整模型如图 6 所示，修改 H，Ｒ，θ 三个参数可修整出不同截面形状的砂轮，点 A、B、C、D 是砂轮的轮廓点，将这 4 点在修整坐标系 xoz中的坐标值构成磨前砂轮轮廓矩阵 P，设第 n 次修整行程的变换矩阵为 Tn，则第 n 次修整行程的砂轮轮廓矩阵 P'n可由以下公式求得:
图 6 砂轮修整示意图
假设 XMD，ZMD( ) 为修整坐标系原点在机床坐标系中的坐标，则砂轮修整代码生成流程如图 7 所示。
图 7 砂轮修整代码生成流程图
4 、结语
结合外圆磨床的结构特点和功能需求，构建了基于PMAC 的开放式外圆磨床数控系统，对 PMAC 端口进行了合理配置并设计了 PLC 程序流程。基于 VC++的 MFC 基础类库，编写了外圆磨床数控系统的软件，对其上下位机通讯机理、坐标实时显示和砂轮自动化修整功能的实现方法进行了论述。所设计的外圆磨床数控系统具有成本低、针对性强、易扩展等优点，通过构建 PMAC 控制系统实验平台，对控制系统进行了实验验证，程序运行稳定、动作准确，可满足数控外圆磨床的应用要求。
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