1.開放式模塊化滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)與PC - PMAC策略

　　對于全功能數(shù)控滾齒機(jī), 機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)軸(滾刀架旋轉(zhuǎn)A、滾刀旋轉(zhuǎn)B、工件旋轉(zhuǎn)C、軸向進(jìn)給Z、切向串刀Y、徑向進(jìn)給X軸) 都是數(shù)控的, 基于軟件插補(bǔ)的滾齒加工數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制, 其它軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。根據(jù)被加工齒輪和使用刀具的參數(shù)以確定刀具與工件之間特定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系(即所謂的電子齒輪箱) 。其優(yōu)點(diǎn)是工件主軸的轉(zhuǎn)速完全由數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制, 因此, 可以通過編制適當(dāng)?shù)能浖? 用通用的刀具來高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪, 且加工精度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的機(jī)械靠模加工方法。

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展, 基于PC開發(fā)數(shù)控系統(tǒng), 可以充分利用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)高速發(fā)展所帶來的眾多成果(包括軟、硬件) , 而PC硬件的標(biāo)準(zhǔn)化也為系統(tǒng)的升級(jí)換代和維修提供了最便捷的方式。具體地說, 就是鑒于PC總線是一種開放性總線, 所以這種系統(tǒng)就具有了開放性、模塊化可嵌入的特點(diǎn), 系統(tǒng)生產(chǎn)商可以在PC機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 大量使用市場上現(xiàn)售的軟件和硬件板卡, 改善數(shù)控系統(tǒng)的功能, 縮短開發(fā)周期和降低成本。機(jī)床廠商和用戶可以對CNC進(jìn)行重新設(shè)置、修改、擴(kuò)充和改裝, 并允許模塊化地集成傳感器、加工過程監(jiān)控等功能, 最終構(gòu)造和重組出最適合的數(shù)控系統(tǒng)功能和其它控制功能。

　　與其它數(shù)控機(jī)床相比, 滾齒機(jī)運(yùn)動(dòng)相對復(fù)雜, 因此起步較晚。盡管全功能數(shù)控系統(tǒng)目前在國外已占了主導(dǎo)地位, 但大多數(shù)仍然是普通數(shù)控系統(tǒng)的變形, 且屬于各公司的封閉式系統(tǒng), 而且真正體現(xiàn)齒輪加工專業(yè)特點(diǎn)的開放式系統(tǒng)還很少。因此, 開發(fā)現(xiàn)代滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的要求非常迫切, 如: 能夠根據(jù)具體控制機(jī)床的功能需要來增加或減少部件; 對同一個(gè)CNC系統(tǒng), 可以通過面向功能的動(dòng)、靜態(tài)重構(gòu), 柔性地控制滾齒機(jī)、磨齒機(jī)、插齒機(jī)、齒輪加工單元等不同的對象或控制不同型號(hào)的同一類齒輪加工機(jī)床。目前, 基于PC的開放式CNC一般有三種實(shí)現(xiàn)途徑：

　　(1) PC嵌入CNC。將PC機(jī)作為傳統(tǒng)CNC的前端接口, 在傳統(tǒng)的非開放式CNC上插入一塊專門的、開放的個(gè)人計(jì)算機(jī)模板, PC板與CNC之間通過專用總線連接, 使傳統(tǒng)CNC實(shí)現(xiàn)個(gè)人計(jì)算機(jī)的一些特性。在這種模式下, CNC部分與原來的CNC相同, 進(jìn)行實(shí)時(shí)控制; 而PC部分則進(jìn)行非實(shí)時(shí)控制。這一形式主要為一些大型CNC控制器制造廠商所采用, 其優(yōu)點(diǎn)是原型CNC可以幾乎不加改動(dòng)地使用, 且傳遞數(shù)據(jù)快、系統(tǒng)響應(yīng)快, 缺點(diǎn)是不能直接使用PC, 開放程度受到限制, 代價(jià)高不適合小型加工使用。這種模式在嚴(yán)格意義上不能稱之為“基于” PC 的開放式CNC系統(tǒng)。

　　(2) CNC嵌入PC。將運(yùn)動(dòng)控制板或整個(gè)CNC單元插入到PC的擴(kuò)展槽中, PC作非實(shí)時(shí)處理, 實(shí)時(shí)控制由CNC單元或運(yùn)動(dòng)控制板來承擔(dān)。這種結(jié)構(gòu)形式使整個(gè)系統(tǒng)可以共享PC機(jī)的硬件資源, 并利用其豐富的支撐軟件直接與網(wǎng)絡(luò)和CAD /CAM系統(tǒng)連接, 軟件的通用性強(qiáng), 且編程處理靈活、代價(jià)低。對于CNC單元插入到PC的結(jié)構(gòu), 其開放性只限于PC微機(jī)部分, 專業(yè)的數(shù)控部分仍處于封閉狀態(tài); 而對于運(yùn)動(dòng)控制板插入到PC的結(jié)構(gòu), 其開放性則取決于運(yùn)動(dòng)控制板的開放性。

　　(3) 純PC機(jī)型。即完全采用PC機(jī)的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC系統(tǒng)的各項(xiàng)功能, 如編譯、解釋、插補(bǔ)和PLC等, 均由軟件模塊來實(shí)現(xiàn), 并通過裝在PC擴(kuò)展槽中的接口卡對伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。這類系統(tǒng)借助現(xiàn)有的操作平臺(tái), 在應(yīng)用軟件的支持下, 通過對PC軟件的適當(dāng)組織、劃分規(guī)范和開發(fā), 可望實(shí)現(xiàn)CNC各個(gè)層次的開放。其優(yōu)點(diǎn)是開放性好、編程處理相當(dāng)靈活、軟件的通用性強(qiáng)。缺點(diǎn)是在通用PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)處理較困難, 難以利用原型CNC資源, 其可靠性的確保也是一個(gè)有待進(jìn)一步研究的問題。

圖1　PC + PMAC滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

　　PMAC與各個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器使用接線器以方便連接, 徑向(X) 和軸向( Z) 可以使用編碼器反饋 (圖1所示) 的半閉環(huán)控制, 也可以使用光柵進(jìn)行閉環(huán)控制。

　　PMAC運(yùn)動(dòng)控制器與主機(jī)之間的通訊采用了兩種方式。一種是總線通訊方式, 即主機(jī)到指定的地址上去尋找PMAC, 其中指定的地址是由PMAC的跳線確定。另一種是利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。PMAC為DPRAM提供了許多自動(dòng)存取功能, 這些自動(dòng)功能以一定的周期在PMAC與IPC間傳遞實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù), 而且用戶還可以用PMAC的M 變量和主機(jī)的指針變量來指定DPRAM中沒有使用的寄存器以實(shí)現(xiàn)自定義的通訊功能。用DPRAM來進(jìn)行PC與PMAC間的數(shù)據(jù)通訊和命令通訊具有快速的優(yōu)點(diǎn), 一方面, 雙端口RAM在用于向PMAC寫數(shù)據(jù)時(shí), 在實(shí)時(shí)狀態(tài)下能夠快速地將位置數(shù)據(jù)信息或程序信息進(jìn)行重復(fù)下載; 另一方面, DPRAM在用于從PMAC中讀取數(shù)據(jù)時(shí), 可以快速地重復(fù)地獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息。如交流伺服電機(jī)的狀態(tài)、位置、速度、跟隨誤差等數(shù)據(jù)可以不停地被更新, 并且能夠被PLC 或被PMAC 自動(dòng)地寫入DPRAM。由于通過DPRAM進(jìn)行的數(shù)據(jù)存取不需要經(jīng)過通訊口發(fā)送命令和等待響應(yīng), 所以響應(yīng)的速度要快得多。利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)存取, 提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和加工精度, 同時(shí)也方便了控制系統(tǒng)中各模塊之間的快速通訊和地址表的設(shè)定, 降低了編程難度。

　　PMAC系統(tǒng)的內(nèi)置PLC功能是經(jīng)智能I/O接口的輸入輸出實(shí)現(xiàn)的。在控制系統(tǒng)中, 送入PLC的輸入信號(hào)主要有: 操作面板和機(jī)床上的控制按鈕、選擇開關(guān)等信號(hào); 各軸的行程開關(guān)、機(jī)械零點(diǎn)開關(guān)等信號(hào);機(jī)床電器動(dòng)作、限位、報(bào)警等信號(hào); 強(qiáng)電柜中接觸器、氣動(dòng)開關(guān)接觸等信號(hào); 各伺服模塊工作狀態(tài)信號(hào)等。這些信號(hào)通過光電隔離以后送到智能I/O 接口上, 有效地將計(jì)算機(jī)數(shù)字量通道與外部過程模擬量通道隔離起來, 可大大地減小了外部因素的干擾, 提高整機(jī)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。PLC輸出的信號(hào)主要有: 指示燈信號(hào), 控制繼電器、接觸器、電磁閥等動(dòng)作信號(hào), 伺服模塊的驅(qū)動(dòng)使能和速度使能信號(hào)等。

2.系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

　　PC + PMAC滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 整個(gè)軟件系統(tǒng)由主控模塊及各個(gè)功能模塊組成。主控模塊是為用戶提供一個(gè)友好的系統(tǒng)操作界面, 在此界面下, 系統(tǒng)的各功能模塊以菜單的形式被調(diào)用。由于滾齒加工的復(fù)雜性、加工工藝參數(shù)計(jì)算難度大,主控模塊應(yīng)顯示滾刀和被加工齒輪的相關(guān)參數(shù)、齒輪加工固定循環(huán)、滾齒過程中的各軸坐標(biāo)位置、動(dòng)態(tài)加工軌跡等信息, 操作人員只需輸入加工零件的齒數(shù)、高度、角度等信息, 選擇相應(yīng)的加工循環(huán), 數(shù)控系統(tǒng)就能夠自動(dòng)生成齒輪加工的NC代碼。

圖2　PC + PMAC滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)示意圖

　　系統(tǒng)的功能模塊可分為實(shí)時(shí)控制類功能模塊和非實(shí)時(shí)管理類模塊兩大類。實(shí)時(shí)控制類功能模塊是控制機(jī)床當(dāng)前運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作的軟件模塊, 具有毫秒級(jí)甚至更高要求的時(shí)間響應(yīng); 非實(shí)時(shí)管理類模塊沒有嚴(yán)格的時(shí)間響應(yīng)要求。

　　非實(shí)時(shí)管理類模塊包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)診斷、系統(tǒng)通訊以及NC程序編輯等內(nèi)容。這類軟件模塊可利用PC微機(jī)和PMAC所提供的計(jì)算機(jī)語言和軟件工具實(shí)現(xiàn)。由于時(shí)間響應(yīng)要求不高, 故由PC微機(jī)負(fù)責(zé)運(yùn)行。

　　實(shí)時(shí)控制類功能模塊包括加工程序解釋、伺服驅(qū)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采集以及PLC等。實(shí)時(shí)控制軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮軟件的開放性和滾齒加工的專業(yè)性, 用戶可以根據(jù)某些具體要求增加軟件的功能模塊。在這些實(shí)時(shí)控制類功能模塊中, PMAC已提供良好的軟件開發(fā)功能(工具) 。

　　加工程序解釋模塊由G代碼解釋程序、M代碼解釋程序和T代碼解釋程序組成。可在PEW IN環(huán)境下對已有的PMAC解釋程序進(jìn)行編輯和調(diào)試, 并下載到PMAC固定內(nèi)存中, 在實(shí)際加工時(shí)被PMAC自動(dòng)調(diào)用。另外, 伺服中斷時(shí)間、電機(jī)相位等參數(shù)由PEW IN執(zhí)行程序來設(shè)置, 從而實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制部件的參數(shù)化。

　　插補(bǔ)模塊中可直接選擇調(diào)用PMAC提供的直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)及樣條插補(bǔ)功能; PMAC還提供了PVT(位置- 速度- 時(shí)間) 運(yùn)動(dòng)模式, 該模式可以對軌跡圖形進(jìn)行直接地緊湊地控制, 用戶可以對以上幾種模式加以選擇和組合。也可自行定義G、M、T代碼。如滾齒加工中的G64 (展成運(yùn)動(dòng)功能) ; G65 (滾斜齒輪) ; G66 (滾鼓形齒) ; G67 (滾小錐度齒) 等。由于一些滾齒加工工藝完成的動(dòng)作循環(huán)十分典型, 并且需要多次循環(huán), 故對這些固定循環(huán)用某種功能代碼進(jìn)行定義, 可大大減少編程工作。如軸徑向矩形逆銑、軸徑向矩形順銑等。

　　伺服驅(qū)動(dòng)模塊可以選擇PID位置環(huán)伺服濾波器、陷波濾波器或擴(kuò)展濾波器, 并設(shè)置其控制參數(shù); 用戶也可以定制自己的伺服算法, 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的伺服控制。由于滾齒加工屬于斷續(xù)切削, 不僅在加工過程中切削力、滾刀轉(zhuǎn)速有很大的變化, 工件及工作臺(tái)要承受斷續(xù)的沖擊力, 而且在滾刀切入切出過程中工件及工作臺(tái)的受力情況也在不斷變化, 用常規(guī)的控制器整定方法已不能獲得滿意的機(jī)床性能, 故系統(tǒng)中除了采用在線可編程的數(shù)字PID 整定外, 還應(yīng)增加速度前饋、加速度前饋濾波方式。

　　PLC控制模塊用于機(jī)床系統(tǒng)的開關(guān)量的邏輯控制。開發(fā)者需要根據(jù)自身控制面板要求和機(jī)床控制邏輯進(jìn)行編制。當(dāng)運(yùn)動(dòng)程序在前臺(tái)有序運(yùn)行時(shí), PMAC可以在后臺(tái)運(yùn)行多達(dá)32個(gè)異步PLC程序。PLC程序可以以極高的采樣速率監(jiān)視模擬輸入和數(shù)字輸入、命令運(yùn)動(dòng)停止/起動(dòng)等作業(yè), 以5 ～10ms甚至更高的循環(huán)速度對PLC 程序進(jìn)行反復(fù)掃描。PLC 程序采用PMAC提供的命令語言編寫, 可以直接運(yùn)行, 也可經(jīng)編譯后執(zhí)行。

　　這里有必要提一下雙CPU的通訊程序, 由于其開發(fā)工作量大, 也很具有技巧性。利用DeltaTau公司提供的Pcomm32 動(dòng)態(tài)連接庫和PTALKT控件是一個(gè)明智的選擇。它囊括了同PMAC通訊的所有方式, 而且將其主要函數(shù)進(jìn)行分類、封裝, 最終形成一種用戶應(yīng)用程序友好界面, 使用戶從32 位驅(qū)動(dòng)庫中解脫出來, 將全部精力用于定義和開發(fā)自己的CNC系統(tǒng)應(yīng)用程序。

3.結(jié)束語

　　根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和滾齒加工特點(diǎn), 在開放式數(shù)控系統(tǒng)的3種開發(fā)策略中, 以通用工業(yè)控制機(jī)為基礎(chǔ), 采用功能強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)控制器PMAC承擔(dān)插補(bǔ)計(jì)算、位置控制、速度控制等實(shí)時(shí)任務(wù)是一種較為理想的滾齒機(jī)數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)方法。能夠?qū)崿F(xiàn)軟件管理和實(shí)時(shí)控制兩個(gè)級(jí)別的開放度, 具有專業(yè)性強(qiáng)、開發(fā)靈活及周期短、易于技術(shù)實(shí)現(xiàn)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。