基于A3200軟內(nèi)核的組合電加工機(jī)床控制系統(tǒng)

雷艷華，何建國，張勇斌，劉廣民，吳祉群

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽621900)

電火花加工是特種加工技術(shù)中最重要的部分之一，是與機(jī)械加工性質(zhì)完全不同的一種新工藝、新技術(shù)。電火花加工方法能夠適應(yīng)某些加工領(lǐng)域生產(chǎn)發(fā)展的需要，并在應(yīng)用中顯出很多優(yōu)異的性能，因此得到了迅速發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)用。

由于電火花的電極成形消耗時(shí)間與工件加工時(shí)間相比較，占據(jù)了相當(dāng)大的比值，使得加工效率成為電火花加工的弱勢環(huán)節(jié)。以提高加工效率作為研制進(jìn)程的重要著力點(diǎn)，并瞄準(zhǔn)高精度的微細(xì)電加工目標(biāo)，基于國內(nèi)外學(xué)者以及作者所在單位已取得的研究成果，研制了支持多工位、雙通道獨(dú)立加工的EDM ＆ ECM復(fù)合微細(xì)組合電加工裝備的工程樣機(jī)。

作為組合電加工設(shè)備的核心功能部件，數(shù)控系統(tǒng)必須能依照極間放電狀態(tài)，控制伺服軸完成相應(yīng)的加工動(dòng)作，需要較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性，由于電火花加工過程耗時(shí)較長，數(shù)控系統(tǒng)還需保證其運(yùn)行具有良好的可靠性。A3200 是一套基于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核軟件構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)控制器，通過IEEE-1394 總線與其他智能驅(qū)動(dòng)器組建控制網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)最多32 軸聯(lián)動(dòng)控制。它與現(xiàn)有的PC 機(jī)的操作系統(tǒng)并行工作，共享同一硬件資源，成本經(jīng)濟(jì)。

研制了一套基于A3200 軟內(nèi)核的組合電加工數(shù)控系統(tǒng)，通過A3200 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了多軸伺服進(jìn)給控制，并依據(jù)放電間隙狀態(tài)檢測來完成相應(yīng)的插補(bǔ)路徑回退功能。該系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)的工藝實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其良好的加工與控制性能。

1 組合電加工數(shù)控系統(tǒng)硬件體系

同傳統(tǒng)的開放式數(shù)控系統(tǒng)相比，以A3200 軟內(nèi)核作為數(shù)控核心的系統(tǒng)構(gòu)建，在硬件上無法體現(xiàn)上下位機(jī)的結(jié)構(gòu)體系，見圖1。Windows 操作系統(tǒng)與Intime 實(shí)時(shí)內(nèi)核共同運(yùn)行在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)的硬件環(huán)境里。數(shù)控系統(tǒng)采用了通過1394 串行總線完成位置指令模式與高精度光柵尺構(gòu)成的全閉環(huán)雙通道XYZC 伺服控制平臺(tái)的方案。

抽象的上位機(jī)系統(tǒng)采用WindowXP 操作系統(tǒng)，包含了界面GUI、NC 程序預(yù)處理、工藝數(shù)據(jù)庫、程序文件操作以及外設(shè)通信等功能模塊，提供了較為完善且全面的人機(jī)交互操作功能。不同于傳統(tǒng)意義的上下位機(jī)通信，IPC 上位機(jī)通過內(nèi)存共享來完成與下位機(jī)的通信，進(jìn)行命令發(fā)送與狀態(tài)獲取等功能。

下位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由A3200 軟控制內(nèi)核、工業(yè)以太網(wǎng)IO 及智能驅(qū)動(dòng)器組成，負(fù)責(zé)完成伺服運(yùn)動(dòng)控制和邏輯過程控制等實(shí)時(shí)性任務(wù)。A3200 采用分層式結(jié)構(gòu)，在低層執(zhí)行實(shí)時(shí)性任務(wù)，在較高層實(shí)現(xiàn)程序編輯及顯示等非實(shí)時(shí)任務(wù)。強(qiáng)魯棒性的高性能運(yùn)動(dòng)控制引擎，使用IPC 的主板CPU 芯片，單軸的伺服周期可達(dá)到500 μs，并且能夠最大同時(shí)精確控制32 軸，可為組合電加工提供更小的伺服周期。同時(shí)高速總線的應(yīng)用使得系統(tǒng)的反饋實(shí)時(shí)性得到增強(qiáng)。如圖1 所示，A3200 內(nèi)核以軟件形式安裝在工業(yè)PC 的操作系統(tǒng)上。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)

A3200 內(nèi)核通過1394 串行總線完成與所有外部設(shè)備的各類信號(hào)的通信。智能驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)完成光柵反饋信號(hào)的采集處理并進(jìn)行直線電機(jī)的精密運(yùn)動(dòng)控制，并通過模擬或數(shù)字接口模塊完成模擬量信號(hào)和限位等數(shù)字信號(hào)的采集。而智能驅(qū)動(dòng)器采集的所有信號(hào)以串行通信數(shù)據(jù)幀的形式實(shí)時(shí)發(fā)送給A3200 內(nèi)核，同時(shí)實(shí)時(shí)更新來自A3200 內(nèi)核的路徑規(guī)劃及插補(bǔ)模塊的輸出命令。

數(shù)控系統(tǒng)還包含其他的硬件系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)式電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制器NServo 組成的滾珠絲杠傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)單元。工業(yè)以太網(wǎng)IO 模塊采集手持單元的軸選和倍率信號(hào)，以及獨(dú)立的PLC 模塊負(fù)責(zé)完成冷卻液泵以及伺服電磁閥等的控制，完成吹絲及冷卻液開關(guān)功能。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

組合電加工機(jī)床控制軟件是整個(gè)系統(tǒng)集成的重要部分，是使各分系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的中樞?？刂栖浖捎脙蓪咏Y(jié)構(gòu)，上層為人機(jī)界面，以方便用戶使用為原則進(jìn)行模塊的劃分和菜單的設(shè)置;下層為控制內(nèi)核層，是不需要直接和用戶打交道的功能以及用戶不需要看見的功能，作為人機(jī)界面的支撐。其具體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 控制軟件功能模塊構(gòu)成

HMI 軟件以WindowsXP 操作系統(tǒng)為平臺(tái)，其設(shè)計(jì)為多進(jìn)程結(jié)構(gòu)。每個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能模塊占有一個(gè)獨(dú)立進(jìn)程，所有進(jìn)程的創(chuàng)建和銷毀由管理進(jìn)程實(shí)現(xiàn)。

其中，MenuWindow 進(jìn)程作為管理者，負(fù)責(zé)全局熱鍵的注冊(cè)、各功能模塊進(jìn)程的創(chuàng)建銷毀、菜單式按鈕管理以及通信用共享內(nèi)存的創(chuàng)建銷毀，并利用全局消息通知子進(jìn)程內(nèi)存創(chuàng)建完畢。當(dāng)各個(gè)獨(dú)立進(jìn)程創(chuàng)建完畢，由MenuWindow 來枚舉所有的子進(jìn)程窗口，進(jìn)行窗口句柄的獲取以用于整體窗口布局。因此，Menuwindow 進(jìn)程，除了交互用的菜單式按鈕的操作處理，主要不在可視化界面數(shù)據(jù)的處理上，而是所有進(jìn)程可視化窗口數(shù)據(jù)的布局管理。

Machine 進(jìn)程負(fù)責(zé)各坐標(biāo)軸的位置顯示、軟MCP按鍵的交互管理、非強(qiáng)實(shí)時(shí)性的軟PLC 管理以及脈沖電源的加工信息顯示等。它作為加工環(huán)節(jié)中與用戶交互最頻繁的進(jìn)程，肩負(fù)了與NC 內(nèi)核和脈沖電源系統(tǒng)的大部分通信工作。

Program 進(jìn)程作為重要的管理模塊，不但要進(jìn)行工藝庫管理和NC 程序的瀏覽、編輯，還需要執(zhí)行設(shè)備的NC 程序安全性規(guī)則檢查的任務(wù)。

Parameter 進(jìn)程負(fù)責(zé)通用的R 參數(shù)讀寫處理以及電參數(shù)的讀寫處理。

Service 進(jìn)程負(fù)責(zé)測量系統(tǒng)的通信處理以及可配置的遠(yuǎn)程信息管理等。

Diagnose 進(jìn)程負(fù)責(zé)報(bào)警信息的顯示和歷史日志管理。

Header 進(jìn)程則在所有的操作中，都會(huì)處于頂層顯示位置，始終為用戶提供當(dāng)前的模式以及工作界面區(qū)域等信息，以及當(dāng)前報(bào)警中的最新條目的顯示等。

多進(jìn)程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還考慮了二次開發(fā)，通過定義二次開發(fā)規(guī)則以及相應(yīng)的配置文件，最終用戶進(jìn)行二次界面功能定制。

進(jìn)程的人機(jī)交互功能通過傳統(tǒng)數(shù)控形式的水平和垂直按鈕來完成。為了適應(yīng)所有子進(jìn)程的獨(dú)立交互需求，設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來表征交互命令接口，稱之為菜單式按鈕二叉樹，樹葉分別為水平和垂直按鈕。

菜單式按鈕的每個(gè)命令節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)上一級(jí)命令追溯。為了實(shí)現(xiàn)返回到上一命令的功能，在每個(gè)進(jìn)程窗口作為頂層窗口激活時(shí)，需要將當(dāng)前置頂?shù)拇翱陉P(guān)聯(lián)的命令鏈表指針賦予命令管理變量，并動(dòng)態(tài)更新鏈表的節(jié)點(diǎn)關(guān)系。命令鏈表的形式見圖3。每個(gè)子進(jìn)程都攜帶著自己獨(dú)有的命令節(jié)點(diǎn)緩沖池，每個(gè)進(jìn)程窗口對(duì)象負(fù)責(zé)自己的命令鏈表對(duì)應(yīng)的處理過程。

圖3 命令節(jié)點(diǎn)鏈表

在子進(jìn)程中，當(dāng)需要更新命令節(jié)點(diǎn)時(shí)，向Menu-Window 管理窗口發(fā)送更新消息，并指定需要更新的類型。而在更新命令時(shí)，并不局限于命令鏈表的定義，也就是可以在更新命令時(shí)靈活指定需要顯示的命令節(jié)點(diǎn)。

為了動(dòng)態(tài)獲取當(dāng)前需要顯示的命令數(shù)量，在每次命令更新消息處理函數(shù)中，進(jìn)行遞歸式查詢，獲得水平與垂直命令的數(shù)量，并據(jù)此來使能或禁止擴(kuò)展操作。

當(dāng)命令節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過可視化按鈕的數(shù)量時(shí)，僅與按鈕相同數(shù)量的命令節(jié)點(diǎn)被顯示，而此時(shí)“擴(kuò)展”按鈕被使能，允許用戶通過擴(kuò)展操作瀏覽所有命令節(jié)點(diǎn)。

3 基于M 代碼的接觸感知功能

接觸感知作為電加工機(jī)床的獨(dú)有功能提供了加工的對(duì)刀位置。針對(duì)組合電加工的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，基于A3200 系統(tǒng)M 代碼定義配合HMI 軟件多線程處理實(shí)現(xiàn)了雙通道的接觸感知功能模塊。

設(shè)計(jì)原理如下:首先運(yùn)行通道加工程序，當(dāng)加工程序執(zhí)行M 代碼時(shí)，加工程序運(yùn)行掛起，通過函數(shù)回調(diào)功能完成動(dòng)態(tài)鏈接庫的調(diào)用，并根據(jù)相關(guān)定義完成消息發(fā)送，結(jié)束回調(diào)，進(jìn)入無限等待循環(huán)。HMI軟件提供專用的M 代碼處理模塊，并通過進(jìn)程間的全局消息監(jiān)聽，負(fù)責(zé)獲取回調(diào)函數(shù)發(fā)送的M 代碼激活的消息。當(dāng)M 代碼激活消息收到后，通過M 代碼指令解析過程，將相應(yīng)的M 代碼內(nèi)存標(biāo)志位置位。同時(shí)M 代碼的軟PLC 線程持續(xù)監(jiān)測M 內(nèi)存標(biāo)志位，并根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)志位進(jìn)行邏輯判斷，進(jìn)行外部脈沖電源通信或直接處理，最終返回M 代碼執(zhí)行結(jié)果并進(jìn)行M 代碼內(nèi)存善后清除工作，執(zhí)行結(jié)果決定著通道加工程序是否結(jié)束等待，執(zhí)行下一加工指令，流程見圖4。

圖4 輔助M 代碼實(shí)現(xiàn)流程

A3200 提供的用戶M 代碼定義是通過宏定義來完成的。宏定義在組合電加工設(shè)備中能夠?qū)崿F(xiàn)的功能局限性很大，還不足以完成設(shè)備獨(dú)有功能的實(shí)現(xiàn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)M 代碼，如向脈沖電源系統(tǒng)或者輔助循環(huán)系統(tǒng)發(fā)送特定指令，HMI 軟件必須承擔(dān)“中間人”的角色，在特定時(shí)刻能夠建立脈沖電源系統(tǒng)或其他單元系統(tǒng)和A3200 系統(tǒng)間通信的橋梁。

4 伺服進(jìn)給路徑回退設(shè)計(jì)

組合電加工的放電過程根據(jù)平均間隙電壓和伺服參考電壓的差值來決定前進(jìn)、回退或保持不動(dòng)。

圖5 信號(hào)處理流程

平均間隙電壓信號(hào)由脈沖電源系統(tǒng)的A/D 芯片與軟件濾波模塊實(shí)時(shí)獲取，并在預(yù)設(shè)的數(shù)控伺服周期內(nèi)將平均間隙電壓與伺服參考電壓作比較，通過D/A 芯片完成相應(yīng)的命令輸出，向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送倍率信號(hào)，由數(shù)控系統(tǒng)完成位置及速度控制。

在電加工過程中，不論EDM 還是ECM 加工，壓差(平均間隙電壓與伺服參考電壓的差值)表達(dá)了放電狀態(tài)的模糊定義，進(jìn)而根據(jù)壓差決定電加工的進(jìn)給。當(dāng)壓差進(jìn)入短路閾值定義范圍內(nèi)，則進(jìn)給停止開始回退;在回退的過程中，如果壓差值的大小處于開路閾值范圍，則回退流程結(jié)束，重新啟動(dòng)進(jìn)給;如果進(jìn)給過程中壓差處于正常放電加工的閾值定義范圍內(nèi)，則進(jìn)給停止維持放電過程。當(dāng)電加工進(jìn)行時(shí)，脈沖電源模塊在每個(gè)伺服周期內(nèi)，先判斷壓差，決定速度方向及大小，接著根據(jù)運(yùn)算結(jié)果給出進(jìn)給倍率模擬量，通過差分電路將信號(hào)傳輸給A3200 數(shù)控內(nèi)核，由A3200 負(fù)責(zé)加工路徑進(jìn)給速度及方向的最終決策，向智能驅(qū)動(dòng)器發(fā)出位置指令信號(hào)，繼而實(shí)現(xiàn)各軸相應(yīng)的位置速度控制，完成后再進(jìn)入下一周期，如此反復(fù)直到進(jìn)給至加工終點(diǎn)或回退到可回退路徑的起點(diǎn)。電加工進(jìn)給過程控制的時(shí)間間隔即為電加工的伺服周期，對(duì)于電加工極為重要，兼顧系統(tǒng)響應(yīng)頻率，考量電加工的放電機(jī)制及特性。該數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)電加工周期為20 ms，實(shí)驗(yàn)證明滿足了穩(wěn)定電加工的要求。

5 樣件加工實(shí)驗(yàn)

將數(shù)控系統(tǒng)裝在組合電加工機(jī)床(見圖6)上，進(jìn)行層銑、成形電極以及微細(xì)孔加工等實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)整體性能以及關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)效果。

圖6 ECM ＆ EDM 組合電加工機(jī)床

為了體現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)接觸感知以及伺服進(jìn)給路徑回退功能，分別進(jìn)行了微細(xì)孔以及梅花的加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)主軸的Z 軸快速抬刀以及XY 插補(bǔ)路徑回退的能力進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7 梅花加工樣件

6 結(jié)束語

研制了基于A3200 軟內(nèi)核的組合電加工數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)的坐標(biāo)軸采用直線電機(jī)全閉環(huán)位置模式的控制體系，實(shí)現(xiàn)了電加工過程中的接觸感知、進(jìn)給路徑回退及雙通道四軸聯(lián)動(dòng)等多項(xiàng)關(guān)鍵控制技術(shù)。通過應(yīng)用于組合電加工機(jī)床，進(jìn)行了樣件的加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)控系統(tǒng)優(yōu)異的加工與控制性能。同時(shí)文中開發(fā)的交互操作以及可視化界面，均向?qū)I(yè)數(shù)控靠攏，利用開放式數(shù)控核心，打造了專業(yè)數(shù)控的交互接口，促進(jìn)新研發(fā)的組合電加工設(shè)備更易于被機(jī)床行業(yè)所認(rèn)知并接受。

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