基于PMAC的超精密磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究

董秋艷，郭兵，韓成順，趙清亮

(哈爾濱工業(yè)大學精密工程研究所，黑龍江哈爾濱150001)

隨著科學技術的日益發(fā)展，各種對稱、非對稱、非球曲面、甚至更為復雜的異形曲面零件的加工越來越引起世界各國制造業(yè)的高度重視。這些高精度的曲面類零件廣泛地應用于武器裝備、航空航天、生物醫(yī)學、能源及電子信息等領域的尖端設備中［1］。曲面的超精密加工要求加工機床具有高精度、高剛度以及良好的動態(tài)性能，同時需要多軸聯(lián)動控制技術。因此，數(shù)控系統(tǒng)作為超精密機床的控制中心，已成為決定超精密曲面加工的關鍵性因素。目前，超精密機床多采用NC(Numerical Control)嵌入PC型開放式數(shù)控系統(tǒng)。這種開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植、可擴展性、交互簡單、運用靈活等優(yōu)點。

文中根據(jù)超精密磨床磨削非球曲面的要求，依托PMAC多軸運動控制卡和上位機工控機組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)，基于Windows操作平臺，綜合運用VC++6.0和PMAC驅(qū)動程序進行了數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)。

1 PMAC簡介

PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是由美國Delta Tau公司推出的具有開放式體系結(jié)構的多軸運動控制器。PMAC功能強大，性價比較高，具有精度高、響應快、操作簡單等特點，它采用了Motorola的DSP56系列數(shù)字芯片，可以靈活運行多種高級語言，最多可以控制八軸同時運動［2］。

PMAC本身就是一臺完整的計算機，它不僅可以通過自己內(nèi)部的程序獨立運行，還可以與計算機連接起來進行聯(lián)合運行;它是集執(zhí)行PLC程序、伺服環(huán)更新、電機換向更新、資源管理以及與主機通訊于一體的多功能運動控制器，能夠執(zhí)行多個任務并對任務的優(yōu)先級做出正確的判斷［3］。

PMAC通過串口、總線 (PC、PCI、STD或者VME)或者雙端口RAM與主機通訊，通過特殊設計的DSPGATES用戶門陣列 IC與各軸通訊［4］。每個PMAC卡都能控制8個軸，最多可以有16個PMAC卡級聯(lián)。

基于PMAC的數(shù)控系統(tǒng)是開放式數(shù)控系統(tǒng)，這主要是由于PMAC硬件結(jié)構的開放性和軟件結(jié)構的開放性。其中硬件結(jié)構的開放性是指它能夠與不同硬件平臺匹配、與各種伺服系統(tǒng)匹配、與各種檢測元件匹配以及與PC機采用多種方式進行通信。軟件結(jié)構的開放性是指其人機界面的對外開放性、數(shù)控功能的對外開放性和PLC功能的對外開放性以及控制系統(tǒng)定制的對外開放性［5］。

2 超精密磨數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構

2.1 超精密磨床的總體結(jié)構

超精密磨床主要用于磨削半球面、非球曲面、圓環(huán)面等復雜曲面。由于機床具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性的運動部件及超精密驅(qū)動和反饋系統(tǒng)，具有3個軸和1個超精密回轉(zhuǎn)工作臺，同時具備在位測量補償加工、砂輪在機修整和在線修銳功能，因此可以磨削超精密精度等級的復雜曲面。機床的總體布局如圖1所示。

圖1 機床的總體布局圖

超精密磨床主軸采用氣體靜壓主軸，精度高，熱變形小，回轉(zhuǎn)速度大。機床的X軸和Z軸采用液體靜壓導軌，導軌采用T形布局，剛度高，承載能力大，運動平穩(wěn)，直線運動精度高。同時采用了氣浮二維超精密回轉(zhuǎn)工作臺，即B軸，可以通過三軸或四軸聯(lián)動實現(xiàn)復雜曲面的加工。機床X軸，Z軸均采用直線電機驅(qū)動，減少了機械傳動的中間環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的動態(tài)剛度，減少了由于傳動帶來的跟隨誤差。

2.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件組成

該超精密磨床的數(shù)控系統(tǒng)是NC嵌入PC式開放式數(shù)控系統(tǒng)，即PMAC嵌入工控機中。如圖2所示，該系統(tǒng)的工控機采用研華公司的工控機，控制卡類型為Turbo PMAC PCI Lite。該數(shù)控系統(tǒng)主要由上位機工業(yè)控制計算機、PMAC運動控制器、伺服電機及其伺服驅(qū)動器、檢測反饋元件四部分組成。其核心部分是下位機PMAC控制器。其中上位機與下位機通過PCI總線通訊。同時由ACC-8P擴展卡將PMAC的JMACH接口信號與伺服驅(qū)動器和反饋信號連接起來［4］。

上位機工控機具有存儲量大、運行速度快、操作靈活等特點，主要用于后臺管理、人機交互界面的開放性設計、程序編輯、運動處理及運動實時監(jiān)測等。下位機PMAC具有實時性強、穩(wěn)定性好、效率高等特點，主要用于前臺控制，包括各軸運動控制、插補運算、刀具補償、程序執(zhí)行、反饋信號接收和處理以及機床邏輯功能A/D、D/A轉(zhuǎn)換等。在實際應用中，用戶通過上位機進行系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)輸入、命令輸入、參數(shù)設定、程序編輯等準備工作，然后通過PCI總線與PMAC進行通訊，再由PMAC根據(jù)上位機的要求發(fā)送指令給相應的伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機來執(zhí)行相關指令，推動導軌到指定的位置或者使主軸和B軸按照指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。與此同時，光柵尺或者圓光柵作為檢測反饋元件將采集到的數(shù)據(jù)不斷地反饋給PMAC，通過PMAC的復合反饋功能使系統(tǒng)具有較好的靜動態(tài)特性。

圖2 基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計概述

上位機軟件是基于 Windows操作系統(tǒng)，使用VC++6.0開發(fā)的。Delta Tau公司為PMAC上位軟件開發(fā)提供了軟件開發(fā)包PcommSever。PcommSever是一個包含50多種函數(shù)功能的軟件包。上位機與PMAC的通訊和數(shù)據(jù)交換都可以通過PcommSever中的函數(shù)來實現(xiàn)。

該系統(tǒng)軟件分為4個操作窗體，一個父窗體，3個子窗體，每個窗體及其功能都封裝成一個類。軟件結(jié)構如圖3所示。父窗體是操作的主界面，如圖4所示。主界面的設計采用了模塊化設計思想，主要包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、初始化模塊、程序模塊、運動控制模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、輔助及其他模塊。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構

圖4 程序主界面

3.2 軟件系統(tǒng)的功能分析

軟件系統(tǒng)的設計充分體現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性特點，如果該軟件不能滿足用戶需求，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)新的功能模塊。同時，系統(tǒng)軟件作為人機交互界面，可以通過軟件上的簡單操作與PMAC進行數(shù)據(jù)交換，并將從PMAC得到的信息顯示在主界面上。此外，該軟件的模塊化設計使界面美觀簡潔、操作簡單、友好交互，可以減少操作者的勞動強度，提高工作效率。打開系統(tǒng)軟件首先顯示登陸界面，以提示用戶在操作機床過程中應該注意的問題。然后進入系統(tǒng)的主界面，其中主界面的各個模塊的功能如下所示:

狀態(tài)監(jiān)測模塊:此模塊包括各軸狀態(tài)監(jiān)測模塊，工作模態(tài)監(jiān)測模塊，進給速度倍率監(jiān)測模塊。各軸狀態(tài)監(jiān)測模塊實時地監(jiān)測各軸電機是否上電和閉環(huán)、各軸是否處于運動狀態(tài)以及運動過程中是否觸及限位開關，同時實時動態(tài)地反映從PMAC采集回來的X軸和Z軸的實際位置以及B軸和C軸的轉(zhuǎn)動角度。工作模態(tài)監(jiān)測模塊反映此時機床處于哪種工作模式下，其中包括JOG運動模式、手輪輸入模式、自動運行模式、編輯模式、回零模式以及手動快速運動模式等。進給速度倍率監(jiān)測模塊用以顯示進給速率值的百分比。

初始化模塊:此模塊的主要功能是給各個電機上電及閉環(huán)，其上電和閉環(huán)狀態(tài)會在狀態(tài)監(jiān)測模塊中顯示出來。

程序模塊:此模塊由兩部分組成，除了主界面上的程序模塊外還包括一個程序編輯子界面 (如圖5所示)。主界面上的程序模塊用于打開下載前不需要進行編輯的程序，然后進行下載和運行。程序編輯子界面用于打開下載前需要編輯的程序，這時候可以通過該子界面打開程序，并對程序進行編輯和保存，同時可以將程序下載到PMAC中或者將程序從PMAC讀取至上位機中。

圖5 程序編輯子界面

運動控制模塊:此模塊包括JOG運動控制模塊、B軸和C軸控制模塊，用以設置各軸的運動位置、運動速度和運動方向，并使各軸進行正反方向運動和回零運動。

PID調(diào)節(jié)模塊:此模塊用于打開PID調(diào)節(jié)相關的PmacTurningPro2軟件和PmacPlot32Pro2軟件。此外，該模塊還設置了階躍信號整定和拋物線信號整定過程中可能出現(xiàn)的曲線形狀，并指出供用戶參考的相應調(diào)節(jié)方法，以提高工作效率。

輔助功能及其他模塊:此模塊包括油泵的開啟和關閉、氣泵和冷卻液的狀態(tài)監(jiān)測以及急停和退出軟件系統(tǒng)。基于安全性考慮，設置了電機閉環(huán)前必須開啟油泵和電機處于閉環(huán)時不能停止油泵的保護方法。

3.3 部分模塊功能的具體實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)采用顯式鏈接的方式將PcommSever.exe添加到VC++6.0的MFC程序中，由此導入了PcommSever.exe中的封裝類IPmacDevice。軟件系統(tǒng)的各個功能模塊都是基于VC++6.0的MFC程序框架，調(diào)用類IPmacDevice中的函數(shù)實現(xiàn)的。其中軟件的主要功能是通過 GetResponseEx(dwDevice，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer，＆Pstatus)函數(shù)實現(xiàn)的［6］。

對于整個系統(tǒng)軟件，要先解決上位機與PMAC的通訊問題。首先在程序中聲明IPmacDevice類型的全局 變 量 PmacDevice， 然 后 通 過 PmacDevice.SelectDevice(NULL，＆dwDevice，＆pbSuccess)和PmacDevice.Open(dwDevice，＆pbSuccess)函數(shù)建立通訊［7］。

狀態(tài)監(jiān)測模塊要完成顯示狀態(tài)信息和更新界面信息的功能。例如X軸 (即#1軸)的運動狀態(tài)監(jiān)測是調(diào) 用 PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，"M140"，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer，＆pStatus)實現(xiàn)的。該函數(shù)向PMAC發(fā)送不同的M變量指令，并從PMAC得到響應指令pAnswer，然后將變量pAnswer轉(zhuǎn)換成int型變量，判斷該int型變量的值得出此時電機是否上電。各軸位置信息的實時更新是通過定時器實現(xiàn)的，以X軸為例，X軸的位置是通過定時器發(fā)送WM_TIMER消息，然后在OnTimer()消息響應函數(shù)中調(diào)用GetResponseEx()函數(shù)向PMAC發(fā)送"#1p"指令來更新的。此外，模塊中其他狀態(tài)監(jiān)測功能與X軸的運動狀態(tài)監(jiān)測功能的實現(xiàn)方法基本一致。

初始化模塊中，X軸上電功能是通過函數(shù)GetResponseEx()來改變變量M7904的值實現(xiàn)的。按下按鈕時，先判斷電機的上電狀態(tài)，如果電機未上電，則令M7904=1給電機上電，如果電機已上電，則令M7904=0使電機斷電。同時利用定時器控件來改變當前電機的上電狀態(tài)。其他初始化按鈕的實現(xiàn)方法基本類似。

JOG運動控制模塊主要用來進行加工前的對刀工作。速度控制通過改變變量Ix22來實現(xiàn)，其中x表示電機號。運動模式通過函數(shù)GetResponseEx()向PMAC發(fā)送"#xj:"和"#xj="指令來實現(xiàn)，而正負方向的運動通過向PMAC發(fā)送指令"#Xj+"和"#Xj－"來實現(xiàn)。

PID調(diào)節(jié)模塊程序調(diào)用指令:WinExec("C:Program FilesDelta TauPMAC Executive Pro2SuitePmacTuningPro2 PmacTuningPro2.exe"，SW _SHOWNORMAL)

程序模塊的部分功能實現(xiàn)指令如下:

程序運行指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，command，0，＆pAnswer，＆pStatus)

程序終止指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，"A"，0，＆pAnswer，＆pStatus)

程序下載指令:PmacDevice.Download(dwDevice，filepath，1，1，1，1，＆pbSuccess);其中 filepath 表示要打開的文件路徑。

程序上傳指令:PmacDevice.GetResponseEx(dwDevice，str，0，＆pAnswer，＆pStatus);其 中 str=LIST PROG N，N表示需要上傳到主機的程序號。

4 結(jié)論

根據(jù)超精密磨床的特點和加工要求，設計開發(fā)了一套基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)采用上位機和下位機結(jié)合的方式，上位機工控機負責后臺管理和人機交互，下位機PMAC負責運動控制和信號處理;采用模塊化的設計方法，基于VC++的MFC基礎類框架，調(diào)用PMAC軟件開發(fā)包的封裝類，形成了一套功能齊全、交互友好、可以進行二次開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)軟件。該數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期短、成本低、具有良好的開放性，目前已在超精密磨床上投入使用，經(jīng)過長期可靠運行，可以滿足加工制造的要求。

【1】陳明君，郭偉星，李旦．基于PMAC開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究與應用新進展［J］．航空精密制造技術，2005，41(2):28－31．

【2】PMAC用戶手冊．北京鈞義志成科技發(fā)展有限責任公司，2006．

【3】PMAC Quick Reference．DELTA TAU Data Systems Inc．，2009．

【4】Bai J，Sun L，Pan J，et al．Research and Development of Embedded Numerical Control System Based on Digital Signal Processor［C］//Mechatronic and Embedded Systems and Applications，Proceedings of the 2nd IEEE/ASME International Conference on．IEEE，2006:1 －5．

【5】劉毅．基于PMAC的微小型機床數(shù)控系統(tǒng)研究［D］．哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學，2006．

【6】Software Reference Manual．DELTA TAU Data Systems Inc．，2003．

【7】PcommServer Library of PMAC Functions．DELTA TAU Data Systems Inc．，2009．