基于IPC的龍門鉆床數(shù)控系統(tǒng)的設計

于來寶，張　濤

(武漢城市職業(yè)學院 機電工程學院，湖北　武漢　430064)

0　引言

隨著熱能工程、化工等行業(yè)的發(fā)展，管板類零件的加工越來越多。如武漢某化工企業(yè)，因生產(chǎn)需要，需在煉油裝置區(qū)內(nèi)安裝不同規(guī)格的換熱器。換熱器一般由管束、管板、換熱管等組成。為了使換熱管能順利地插入管板，要求管板上的每個孔均有一定的加工精度，孔間位置誤差要求控制在0.05 mm以內(nèi)。傳統(tǒng)的加工方式是在管板上人工劃線，而后在龍門鉆床上鉆孔。這種方法工作強度大，經(jīng)常由于加工精度不高，導致?lián)Q熱管插不進管板，造成工件重新加工，甚至報廢。因此設計一種高精度的數(shù)控龍門鉆控制系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)控加工對提高生產(chǎn)效率、降低勞動強度具有積極的意義。

1　龍門鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件整體設計

結(jié)合當前開放式數(shù)控系統(tǒng)的特點及龍門鉆床的發(fā)展趨勢[1]，采用NC嵌入PC的技術模式，在工控機(IPC)基礎上，以MPC08E運動控制卡作為數(shù)控系統(tǒng)的控制信號核心，構(gòu)成主、從式雙微處理器結(jié)構(gòu)的龍門鉆床控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括MPC08運動控制卡、IPC和驅(qū)動系統(tǒng)等。

所設計的數(shù)控鉆床系統(tǒng)共有C、X、Y、Z四個軸，其中X、Y軸控制平面兩個方向的定位，Z軸控制鉆頭的進給量，X、Y、Z可直線聯(lián)動。主軸C是利用MPC08的通用I/O與變頻器進行通訊，實現(xiàn)對主軸高轉(zhuǎn)速的控制。系統(tǒng)工作時，根據(jù)孔坐標在工件上的位置、加工孔的深度、孔半徑等參數(shù)，編制工件的指令集文件，系統(tǒng)根據(jù)指令集文件自動完成加工。

工控機IPC-810是整個系統(tǒng)的用戶交互及管理核心，負責GUI操作、發(fā)送控制指令、任務調(diào)度管理、參數(shù)輸入等。MPC08作為系統(tǒng)運動控制的內(nèi)核，安裝在IPC-810的PCI插槽中。MPC08的指令系統(tǒng)可滿足龍門鉆床鉆削加工的高速度、定位準的點位運動要求。此外，MPC08提供的I/O口用于反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)MPC08與機床輸入和輸出通道的連接與控制；MPC08發(fā)送脈沖信號及方向信號到伺服、步進驅(qū)動電機單元即可實現(xiàn)所需要的運動[2]。

圖1　數(shù)控龍門鉆床硬件結(jié)構(gòu)框圖

2　各軸切削進給驅(qū)動系統(tǒng)

數(shù)控龍門鉆床系統(tǒng)設計采用了最成熟的半閉環(huán)、開環(huán)混合伺服系統(tǒng)方案，保證了數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高精度鉆削加工方式。

步進電機采用開環(huán)控制，使用DSSH-5型驅(qū)動板驅(qū)動。DSSH-5驅(qū)動板是由中地數(shù)控公司開發(fā)的一款步進電機驅(qū)動板卡，在數(shù)控系統(tǒng)的設計改造過程中得到大量應用，板卡工作穩(wěn)定，性能優(yōu)良，特別是使用該板卡后，電機的矩頻特性得到極大改善，低頻段可輸出較大力矩，同時可保證在5 kHz～6 kHz高頻下穩(wěn)定工作。系統(tǒng)中應用DSSH-5驅(qū)動板，使電路結(jié)構(gòu)更加簡單，系統(tǒng)的可靠性大大提高。

伺服驅(qū)動選用EP100系列，EP100采用成熟的數(shù)字控制，低速性能好，動態(tài)響應快，并擴展了多種數(shù)字量和模擬量接口，與各種板卡互聯(lián)方便。本系統(tǒng)選用松下永磁同步交流伺服電機，伺服電機由光電編碼器進行速度反饋，實現(xiàn)半閉環(huán)控制，如圖2所示。

圖2　半閉環(huán)控制示意圖

3　高速主軸驅(qū)動系統(tǒng)

龍門鉆床工作時需要主軸高速旋轉(zhuǎn)，切割線速度越大，主軸轉(zhuǎn)速就越高，加工效果越好，加工效率也更高，因此高速主軸單元是鉆削加工機床的關鍵部件。

系統(tǒng)選用CD400系列變頻器，CD400由Control Techniques Ltd.公司生產(chǎn)，載波頻率范圍為2.9 kHz～11.7 kHz，采用SPWM調(diào)制方式。壓頻特性可以在很寬的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，可滿足主軸高速運轉(zhuǎn)的要求。

4　龍門鉆床控制系統(tǒng)軟件設計

龍門鉆床控制系統(tǒng)軟件是一個非常復雜的多任務實時軟件，軟件包括系統(tǒng)管理軟件和實時控制軟件兩個部分。系統(tǒng)管理部分包括通訊、顯示、輸入、I/O處理、加工文件管理及故障診斷等程序。系統(tǒng)的實時控制部分包括速度處理、刀具補償、譯碼、插補和位置控制等程序。本數(shù)控龍門鉆床控制系統(tǒng)軟件采用多窗口模式進行設計，即先設計一個人機交互及控制界面，再將每一個功能模塊設計在每一個功能子窗口上，其框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可看出，整個控制軟件系統(tǒng)包括加工文件管理功能模塊、加工參數(shù)管理模塊、狀態(tài)檢測顯示模塊以及加工運動控制模塊4個部分。該模塊化設計完全滿足了伸縮性、移植性、擴展性和互操作性的要求，當需求變化時，軟件只需要做少量改動就可以滿足新增的要求。

此外，為了實現(xiàn)高實時性控制，軟件采用了多線程設計，除去與用戶之間進行數(shù)據(jù)交互工作的用戶線程，還另外創(chuàng)建了一個后臺工作線程workSysData，用以完成后臺的實時運動控制，配合采用VS提供的精確時間函數(shù)，完成了1微秒的精確定時，滿足了龍門鉆床的實時性需要，實現(xiàn)了鉆床控制系統(tǒng)的高精度、高速度。同時，運動控制卡提供硬件中斷信號，利用這些中斷信號，當所有數(shù)據(jù)準備好后硬件就會發(fā)出中斷信號，這些中斷轉(zhuǎn)由虛擬可編程中斷控制器進行初始化，在缺省情況下，調(diào)用虛擬機中的中斷程序處理硬件中斷，進一步提高了系統(tǒng)的實時性。

圖3　數(shù)控龍門鉆床控制系統(tǒng)軟件框架圖

5　總結(jié)

本文在研究和分析了數(shù)控技術發(fā)展過程及開放式數(shù)控系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀的基礎上，以MPC08運功控制卡為核心部件，選用NC嵌入PC型結(jié)構(gòu)的硬件開發(fā)平臺，構(gòu)建了一個基于研祥IPC-810型工控機的開放式龍門鉆床控制系統(tǒng)，完成了對該系統(tǒng)的硬件設計及軟件設計，所設計系統(tǒng)滿足一般的規(guī)范標準，具有通用性和開放性。

參考文獻：

[1]于來寶，楊代華，石寶松.NC嵌入PC型開放式數(shù)控雕刻系統(tǒng)的設計[J].機械工程與自動化,2009(2):125-126.

[2]吳濤.數(shù)控石材雕刻機CAD/CAM系統(tǒng)研制[D].武漢：中國地質(zhì)大學，2004:30-45.