基于運動控制器的數控深孔加工系統的應用研究

王憲偉，程廣亮

(長春大學電子信息工程學院，吉林長春130022)

0 引言

隨著現代制造技術的不斷發展和產品需求的多樣化，近年來深孔加工技術越來越受到人們的關注，不僅在軍工生產，而且在航空航天、機械制造等高新技術產業領域應用廣泛。深孔加工約占孔加工量的40%以上，是機械加工中尤為重要的關鍵性工序。由于深孔鉆削屬于封閉切削加工，排屑和散熱問題會直接影響鉆孔的順利進行，同時操作者使用的不合理，也會導致加工過程比較困難，加工精度難以保證，因此加工難度較大［1－2］。傳統的扁鉆、高速鋼麻花鉆等加工深孔方法，為排屑和冷卻功效而采用步進方式加工，勞動強度大、周期長致使生產效率和加工精度無法提高。價格便宜且加工效率高的槍鉆是孔類加工刀具的一個很好的選擇，目前已成為深孔加工的理想解決方案。

為了充分發揮數控機床自身的特點，有效提高機床的加工效率，降低操作人員的勞動強度，設計了在Windows系統中基于VC++開發平臺，以工業控制計算機為核心，采用松下MINAS驅動器結合槍鉆的深孔加工伺服控制系統，能夠安全快速、高效準確的達到所要求的鉆孔位置和精度控制要求，這種數字化伺服系統被廣泛應用在精細進給、高精度數控機床及特種加工裝備中，具有良好的人機交互以及數字化、智能化的特點。

1 深孔鉆數控運動控制系統

1.1 系統結構的整體架構

深孔加工數控系統的基本結構示意圖如圖1所示。為便于操作，高壓冷卻液從機床后端提供，鉆頭通過旋轉夾持套固定在主軸上，可以選擇工件或刀具進行位置的調整，也可選擇主軸移動或工作臺移動的方式實現進給加工。

圖1 數控深孔鉆機械系統結構示意圖

機床上設有切屑回收箱，切屑由此排出，并將冷卻液回收冷卻循環使用，在回收箱前端裝有導引套從而引導鉆頭正確對準工件表面。對于鉆頭長度超過支撐長度的情況，還要適當增加中間支撐，防止加工過程中槍鉆自身的振動產生加工誤差。

1.2 數控系統結構

數控系統是由工控機作為控制核心，基于固高公司的4軸控制器GE－400－PV，外部I/O接口轉換板以及松下交流伺服系統組成。其電路原理結構如圖2所示。固高公司生產的GE系列運動控制卡可同步控制4個軸協調運動，分別實現XYZ三軸的自由度的控制，其中Y軸方向上兩軸控制同步運動。

圖2 GE運動控制器組成的控制系統框圖

運動控制卡通過PCI插槽內嵌入PC機，不占用PC機資源，形成PC機作為上位機，GE－400－PV為下位機的分布式控制方式，PC機進行非實時任務管理，而由GE－400－PV完成運動規劃如伺服控制、差補運算等高性能控制計算的實時任務，較好的發揮了各自的作用，這有利于用戶集中精力去解決運動控制中的復雜問題。

1.3 GE－400－PV 運動控制器

GE系列運動控制卡是以DSP以及可編程器件FPGA作為控制單元，實現多軸聯動，GE－400－PV運動控制卡的結構如圖3所示，該型號運動控制卡實現運動系統的點位控制。

圖3 GE－400－PV運動控制卡

GE運動控制器提供標準的ISA總線和PCI總線兩種系列的產品，提供C語言函數庫以及在Windows操作系統下的動態鏈接庫，以適應用戶在不同領域應用需求。用戶只需在應用程序中調用函數庫中的指令，就可以實現所要求的控制器功能。

2 運動控制器的VC編程

2.1 Windows系統下動態庫鏈接

在Windows操作系統下使用GE系列運動控制卡首先應該安裝驅動程序，VC++應用程序應將動態庫文件、頭文件和lib文件復制到工程文件中，GE－400－PV點位控制卡所需安裝的動態庫文件為gep.dll。同時加入函數庫頭文件聲明:

#include“gep.h”

完成以上工作后，用戶可以利用封裝的DLL訪問相應的控制函數，在VC++中調用運動卡函數庫中的指令，編寫應用程序。

圖4 梯形曲線運動機械加工流程圖

2.2 運動控制卡的初始化

在使用運動控制卡前要建立控制卡與PC上位機之間的通訊，調用GT_Open()打開運動控制卡，在使用PCI總線時不需要設置基地址。然后調用GT_Reset()復位所有寄存器到默認狀態，一般在打開運動控制卡之后調用該指令。

以下為部分初始化程序:

由于篇幅限制，更多編程信息請參看固高科技(深圳)有限公司的《GE系列運動控制器編程手冊》等相關文件［3－5］。

3 實驗結論

在槍鉆深孔加工過程國際公認:槍鉆加工的方法滿足直線度(偏差)0.8～1.25mm/m。為驗證設計系統裝置的性能，實驗中選取矩形工件加工深孔，尺寸為8×200mm，直線度公差要求在0.25mm。首先根據工件材料、加工孔的位置、大小、深度，包括設置機床的主軸進給速度及其他工藝參數信息輸入PC機，如圖5所示。

圖5 測試與結果

通過對工件加工后測試數據的分析結果表明，孔直線性好，能達到0.10/1000，孔的精度等級2～5，孔的光潔度0.8Ra，位置偏差小于0.2mm，完全滿足深孔加工技術的要求。

4 結語

針對基于運動控制器的槍鉆深孔加工數控伺服系統的應用研究，實驗結果表明，設計的數控系統在加工過程中孔的位置精確，平直度、同軸度高，具有良好的表面光潔度和可重復性，設備已應用于實際工程并取得了良好的控制效果。采用GE系列運動控制卡的交流伺服系統的具有良好的驅動性能，在機械加工以及其他控制領域應用前景廣泛。

［1］蘇禮，趙不賄.基于伺服電機與 PLC自動控制的深孔鉆設計［J］.工具技術，2009，43(10):52－54.

［2］漆志平，王榮芳.槍鉆在數控加工中心上應用探索［J］.工具技術，2012，(5):236－239.

［3］許小明，魏澤峰，胡立明，等.基于PC與運動控制器的開放式數控系統研究與開發［J］.制造業自動化，2012，34(2):107－110.

［4］固高科技(深圳)有限公司.GE 系列運動控制器編程手冊［Z/OL］.［2015－06－20］.http://wenku.baidu.com.

［5］陳哲銜，王清明，裴海龍.開放式數控系統任務管理的研究與設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2010(1):98－101.