0 引言

　　組合機(jī)床是針對(duì)特定工件進(jìn)行特定加工而設(shè)計(jì)的一種高效率自動(dòng)化專(zhuān)用加工設(shè)備，大多能多刀同時(shí)工作，并具有自動(dòng)循環(huán)的功能。筆者針對(duì)組合機(jī)床的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出與之配套的數(shù)控系統(tǒng)，嵌入了鉆孔、攻絲等工藝程序，實(shí)現(xiàn)了編程的參數(shù)化。

1 組合機(jī)床工作原理與過(guò)程分析

　　組合機(jī)床通常由標(biāo)準(zhǔn)通用部件和加工專(zhuān)用部件組合構(gòu)成，動(dòng)力部件采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)或液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，由電氣系統(tǒng)進(jìn)行工作自動(dòng)循環(huán)的控制，是典型的機(jī)電或機(jī)電液一體化的自動(dòng)化加工設(shè)備。常見(jiàn)的組合機(jī)床，標(biāo)準(zhǔn)通用部件有動(dòng)力滑臺(tái)各種加工動(dòng)力頭以及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等，可用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，也可用液壓驅(qū)動(dòng)。

　　筆者所述組合機(jī)床為八工位組合機(jī)床，有 8 個(gè)滑臺(tái)，各載 1 個(gè)加工動(dòng)力頭，組成 8 個(gè)加工工位。除此之外，還有 8 個(gè)夾具、8 個(gè)輔助工裝(用于裝夾工件)以及冷卻和液壓系統(tǒng)，如圖 1。機(jī)床的 8 個(gè)加工動(dòng)力頭可以同時(shí)對(duì) 8 個(gè)工件進(jìn)行鉆孔、攻絲和擴(kuò)孔等加工，1 道工序就能生產(chǎn)出 1 個(gè)合格的零件。

圖 1 八工位組合機(jī)床示意圖

2 加工工藝分析

　　首先將一個(gè)工件安裝在上料工位工裝1(上料工位可以設(shè)置)上，按下啟動(dòng)鍵后，各工作臺(tái)先回到工作原點(diǎn)，啟動(dòng)冷卻，啟動(dòng)主軸。各工位根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)快速定位到工件安全表面，執(zhí)行相應(yīng)的工藝加工(鉆孔、攻絲、擴(kuò)孔)操作，完成后回到工作原點(diǎn)，并等待其他工位完成加工。在等待期間，上料工位可以執(zhí)行工件裝夾操作。待所有工位都完成加工，工作臺(tái)抬起旋轉(zhuǎn)到下一工位，等待啟動(dòng)按鈕進(jìn)入下一次循環(huán)。

　　回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的工作原理為：按下啟動(dòng)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)按鈕，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)松開(kāi)，控制工作臺(tái)上升的電磁閥通電，使工作臺(tái)慢慢抬起，待抬起到位行程開(kāi)關(guān)后，工作臺(tái)停止抬起，控制工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)的電磁閥通電，使得工作臺(tái)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，當(dāng)碰到第 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)到位行程開(kāi)關(guān)后，工作臺(tái)開(kāi)始低速回退，待脫離旋轉(zhuǎn)到位行程開(kāi)關(guān)后，工作臺(tái)開(kāi)始反靠，碰到第 2 個(gè)旋轉(zhuǎn)到位開(kāi)關(guān)后，工作臺(tái)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，工作臺(tái)落下并夾緊。

3 數(shù)控系統(tǒng)硬件組成

　　如上所述，八工位組合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：1) 控制至少 10 軸運(yùn)動(dòng)(攻絲工位采用伺服主軸)；2) 內(nèi)嵌鉆孔、攻絲等工序的加工工藝；3) 多軸多通道加工；4) 運(yùn)動(dòng)軸坐標(biāo)及系統(tǒng)的狀態(tài)顯示。根據(jù)上述功能要求，筆者采用了上位機(jī)工業(yè)計(jì)算機(jī)(IPC)+下位機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡(MC)的結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)控制卡采用 FPGA 器件，兩者通過(guò) PC104 總線接口連接，采用 FIFO 技術(shù)實(shí)現(xiàn)并行數(shù)據(jù)交換。

　　數(shù)控系統(tǒng)組成框圖如圖 2 所示，其中操作箱采用防塵密閉機(jī)箱結(jié)構(gòu)，由控制面板、主機(jī)(IPC 板卡)和從機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制卡)等部件組成。

圖 2 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖

　　主機(jī)(IPC 板卡)采用研祥 EC3-1641，該板卡采用 AMD LX800-500MHz微處理器，板載 256M DDR內(nèi)存，1 個(gè) ATA100 IDE 接口，支持 2 個(gè) IDE 設(shè)備，1個(gè) TYPE I/II CompactFlash 接口，1 個(gè) PC104 接口，3個(gè)USB2.0接口，4個(gè)串口(可選擇RS232/422/485)，硬件資源滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。控制面板表面采用全覆膜按鍵，控制芯片采用 TI 公司的 TMS320F28035，該芯片主頻 60 MHz，45 個(gè)可復(fù)用的多功能 GPIO 接口，3 個(gè) 32 位的 CPU 時(shí)鐘，板載 Flash、SARAM等存儲(chǔ)功能，標(biāo)準(zhǔn) SCI 傳輸功能，完全滿(mǎn)足鍵盤(pán)的按鍵掃描、信號(hào)點(diǎn)燈以及和主機(jī)通訊的要求。從機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制卡)采用 Actel 公司的 Cortex_M3 內(nèi)核的FPGA，該芯片采用 ARMv7-M 架構(gòu)，具有 16 Gbit/s帶寬的 AHB 總線矩陣，單周期乘法指令，Thumb-2指令集等特點(diǎn)，完全滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)控制的要求。

　　這樣的硬件設(shè)計(jì)構(gòu)成 IPC 與 FPGA 組成前后臺(tái)方式的主、從多 CPU 并行處理結(jié)構(gòu)。軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)IPC 采用 DOS6.22 操作系統(tǒng)，BorlandC++3.3 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，主要完成系統(tǒng)的人機(jī)接口界面和與外部網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)以及部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)，完成指令解釋工作，生成粗插補(bǔ)數(shù)據(jù)，這些開(kāi)發(fā)內(nèi)容涉及到程序流程控制、數(shù)據(jù)類(lèi)型定義、重載函數(shù)、類(lèi)定義及對(duì)象聲明等；FPGA 采用 VHDL 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，主要完成實(shí)時(shí)控制任務(wù)，包括開(kāi)關(guān)信號(hào)采集與控制、加減速控制、插補(bǔ)控制、各種補(bǔ)償和 PLC 等控制功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)精插補(bǔ)功能。該平臺(tái)在多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品上有成功應(yīng)用，這樣的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)既可以滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的互連，便于系統(tǒng)升級(jí)和數(shù)據(jù)交換與共享，也可以滿(mǎn)足系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的控制功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　通過(guò)對(duì)鉆孔攻絲等加工工藝分析，結(jié)合八工位組合機(jī)床特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的參數(shù)化編程軟件。軟件開(kāi)發(fā)主要包括：1) 控制面板軟件設(shè)計(jì)；2) 開(kāi)發(fā)鉆孔攻絲等工序加工的參數(shù)輸入界面；3) 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面；4) 根據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成加工程序，控制機(jī)床自動(dòng)加工。

　　4.1 控制面板功能介紹

　　控制面板包括 PC 鍵盤(pán)和 NC 鍵盤(pán) 2 部分。PC鍵盤(pán)上包括 26 個(gè)英文字符按鍵、0～9 數(shù)字鍵、字符編輯按鍵和一些功能按鍵。PC 鍵盤(pán)主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)(包括程序、參數(shù)等)的輸入、編輯以及模式切換等操作。NC 鍵盤(pán)上共有 30 個(gè)功能按鍵，每個(gè)按鍵后面都配置有一個(gè) LED 燈，用來(lái)顯示按鍵的狀態(tài)。表1 介紹了 NC 鍵盤(pán)的按鍵功能。

表 1 NC 鍵盤(pán)功能

　　表 2 介紹了系統(tǒng)中特殊按鍵功能。

表 2 特殊按鍵功能

　　4.2 運(yùn)動(dòng)控制板 I/O 地址分配

　　根據(jù)控制工藝的要求，筆者設(shè)計(jì)了如表 3 和表4 所述的 I/O 地址分配：運(yùn)動(dòng)控制板輸入輸出接口采用 25 芯 D 型插頭。由于篇幅限制，這里只列出其中板 0(控制工位 1～3)的輸入接口定義。

表 3 板 0 輸入接口定義

表 4 板 0 輸出接口定義

　　4.3 工藝軟件設(shè)計(jì)

　　控制系統(tǒng)采用兩級(jí)插補(bǔ)方案，粗插補(bǔ)由主機(jī)軟件完成，系統(tǒng)主機(jī)軟件采用 C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，完成對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的操作，負(fù)責(zé)人機(jī)交互、文件編輯與管理、參數(shù)管理、NC 按鍵處理、NC 程序預(yù)編譯、信息集成與管理、與從機(jī)的數(shù)據(jù)交換控制等。系統(tǒng)的精插補(bǔ)由從機(jī)系統(tǒng) FPGA 實(shí)現(xiàn)，從機(jī)軟件完成實(shí)時(shí)性要求較高的控制功能。圖 3 是系統(tǒng)控制流程。

圖 3 軟件控制流程

　　工藝參數(shù)輸入界面式直接面向最終用戶(hù)。筆者采用填表式輸入方式設(shè)計(jì)工藝參數(shù)輸入界面。每個(gè)工位都有對(duì)應(yīng)的參數(shù)輸入界面，用戶(hù)通過(guò)上下按鍵來(lái)選擇不同的工位，立即保存輸入的參數(shù)，方便了用戶(hù)的操作，圖 4 是工藝參數(shù)輸入界面。

圖 4 工藝參數(shù)輸入界面

　　數(shù)控系統(tǒng)嵌入了鉆孔攻絲等加工工藝信息，工藝參數(shù)以填表的方式呈現(xiàn)給用戶(hù)。工藝參數(shù)的內(nèi)容主要包括進(jìn)刀參數(shù)、輔助參數(shù)和控制參數(shù) 3 個(gè)部分。進(jìn)刀參數(shù)主要是設(shè)置加工零件的尺寸參數(shù)，包括工作零位、加工深度、回退長(zhǎng)度、進(jìn)刀速度、退到速度等；輔助參數(shù)包括啟用工位、啟用主軸、啟用冷卻等參數(shù)；控制參數(shù)包括吹氣時(shí)間、深度分段、分段暫停時(shí)間等參數(shù)。

　　多工位的數(shù)控機(jī)床，每一個(gè)工位都可以根據(jù)實(shí)際加工需要配置成為鉆孔工位或者攻絲工位，如果采用手動(dòng)編程的方式，每一次工藝信息的更改都需要修改程序，這樣不但要求操作者具有編程的能力，而且修改過(guò)程相當(dāng)繁瑣，不方便推廣應(yīng)用。內(nèi)嵌工藝信息的技術(shù)解決了上述問(wèn)題，操作者只需要根據(jù)工藝圖紙的需要修改相應(yīng)工位的參數(shù)，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)自動(dòng)生成加工程序。用戶(hù)還可以通過(guò)參數(shù)設(shè)置相關(guān)的輔助信息，控制外部輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)慢速調(diào)試的功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　實(shí)踐結(jié)果證明：由主機(jī) IPC 和從機(jī)運(yùn)動(dòng)控制卡為硬件平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)，完全能夠滿(mǎn)足八工位組合機(jī)床工藝軟件的開(kāi)發(fā)需求。目前，在該硬件平臺(tái)上的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)研制成功，并且和組合機(jī)床成功配套，投入到正常使用中。