基于PMAC的活塞车床开放式数控系统

引言

随着汽车、航空和船舶工业的飞速发展，对发动机的性能要求不断提高，中高速发动机的关键部件活塞经常被设计成非圆截面(中凸变椭圆)。目前，同内外活塞制造主要采用硬靠模，这种加工方法不利于多品种、小批量特种环的生产和新产品的研究与开发。活塞的“软靠模”技术就是把活塞的横截面形状或数据输入计算机，再由计算机控制刀具运动，完成活塞变椭圆截面的车削加工。它不仅能切削各种复杂的截面形状，而且具有切削效率高、加工精度高、柔性好等优点。活塞中凸变椭圆数控车削时，X轴进给机构的性能和控制方法决定了加T精度和表面质量，因而对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和进给加速度。对于一般数控机床，由于受到传统机械结构(即旋转电动机+滚珠丝杠)进给方式的限制，其有关伺服性能指标(特别是快速响应性)难以突破提高。而直线电机驱动机构作为一种新的高速进给方式能提供120—200m／min的速度和5～10g的加速度。进给机构由直线电机直接驱动，消除了中间环节的机械滞后及螺距误差，其运动精度取决于反馈装置、控制系统和直线导轨，从而可达到很高的精度。

1、数控活塞车床X轴进给机构结构及原理

本文将直线电机作为X轴进给驱动部件，设计的数控车床X轴进给机构结构如图1所示。直线电机对称立式安装，滑台和简易刀架采用轻质高强度合金材料，优化的结构设计尽可能减小滑台质量以提高进给系统的快速响应性能和加速度，导轨采用直线滚动导轨。进给系统行程限位采用接近开关和弹簧空气阻尼式机械挡块二级安全过冲防护，以确保滑台不会因为误操作而冲出导轨。光栅位置反馈装置位于滑台内部，以免受到外界油污和铁屑污染。系统具有全封闭防护结构和由内向外的吹风冷却功能(图1中未表示)。由于采用无铁芯动子(初级)结构，发热量小，散热容易，这使得加工中受热变形的影响小。整个活塞车床的结构如图2所示。

图1 活塞车床的X轴进给机构结构

图2 活塞车床整体结构图

2、活塞车床数控系统设计

已成为数控系统发展趋势的开放式数控系统是计算机硬件技术、信息技术、控制技术融人数控技术的产物，它具有强大的适应性和灵活配置能力，能适应各种数控设备，可灵活配置，随意集成。该系统遵循统一的标准体系结构规范，模块之问具有兼容性，部件具有互换性和互操作性。目前的开放式数控系统主要有以下3种结构：

(1) PC机＋数控专用模块

即在Pc机上嵌入数控专用模板。这种数控系统的开放性只限于PC微机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态。

(2) PC机＋可编程运动控制器

这种基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用微机为平台，以PC机标准插件形式的可编程运动控制器为控制核心，双CPU并行通信，是一种便于开发的全方位开放式体系结构。

(3) 纯PC机

即完全采用PC机的全软件形式的数控系统。这类系统由于受到PC机实时性的限制，目前正处于探索阶段。

本数控系统采用的是第二种方式，即IPC十PMAC(programmable multi－axes controller)的开放式结构体系，系统运行速度快、控制精度高、开发周期短。数控系统软件采用VC+6.0开发，使用美国Delta Tau公司提供的动态链接库PComm32。

2.1 数控系统硬件设计

本系统硬件结构如图3所示。工控机采用研祥的PCl04／PⅢ800型嵌入式： 控机，主板上配有104总线接口。运动控制卡采用美国Delta Tau公司的PMAC2／PC104型控制卡，可以直接和104总线接口的工控机相连。PMAC的核心是MOTOROLA的DSP56001／56002数字信号处理器，可同时控制1～8个轴，既可单独执行存储于其内部的程序，也可执行运动程序和PLC程序，并进行伺服环更新及以串口、总线两种方式与上位机进行通信。PMAC还可自动对任务优先级进行判别，从而进行实时多任务处理。由于PMAC卡具有强大的数字运算能力来完成数控捅补、PLC程序运行等实时任务，简化了实现数控系统实时性任务的开发T作，只需根据要求开发上位机界面、NC程序编辑、机床状态量读取等非实时任务。工控机和PMAC之间通过104总线通信，只需通过调用动态链接库PComm32就可实现两者间的实时通信。

图3 数控系统硬件结构

2.2 数控系统软件设计

活塞车床数控系统的软件采用模块化没计，用面向对象的高级语言VC++ 6.0编写，通过PMAC提供的动态链接库管理实时运动程序。系统软件主要包括上位机人机界面、上下位机通信程序和PLC程序等几部分。软