随着现代加工制造技术的发展，五轴数控加工机床已经成为整个机床行业的研究重点，五坐标数控加工是实现大型与异型复杂零件的高效高质量加工的重要手段。五轴数控机床可以加工三轴数控机床所不能加工或很难一次装夹完成加工的自由曲面，如飞机发动机的叶片、模具的复杂型腔等。五轴联动数控是数控技术中难度最大、应用范围最广的技术，它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密、自动化加工。国际上把五轴联动数控技术作为一个国家生产设备自动化水平的标志。由于其特殊的地位，特别是对于航空、航天、军事工业的重要影响，以及技术上的复杂性，西方工业发达国家一直把五轴数控系统作为战略物资实行出口许可证制度，对我国实行禁运。因而，研究五轴数控加工技术对国家科技力量和综合国力的提高有重要意义。

　　为在高等职业院校中开展五轴数控加工技术的研究，解决因购买大型五坐标加工中心带来的资金难题，本文通过对一台普通立铣床进行改造，设计具有3个平动轴和2个数控回转轴的五轴数控铣床，既满足了高等职业院校的学生学习五轴数控加工技术的要求，同时经济实用、降低了设备成本，又是科研人员研究开放式数控系统可以代用的重要实验设备。

1 铣床机械本体结构设计

　　五轴数控加工机床结构上由沿X、Y、Z轴的平动和绕X、Y、Z中任何两个轴的转动组成，基本可分为三种形式：双摆头式、双转台式和摆头转台式。本文设计的五轴数控铣床采用摆头转台式结构(如图l所示)，即沿X，Y，Z方向的平动、绕Y轴的摆动(B)和绕Z轴的转动(C)，各轴均采用交流伺服电机驱动。其中摆动轴和转动轴均采用蜗轮蜗杆结构形式。该套设备具备了以下特点：

　　(1)机床刚性大。改装后，降低了机床主轴头部分的整体质量，在增加转动自由度的同时，保证了机床系统具有较强的静态和动态刚性。

　　(2)进给调速范围宽。为确保动态交变负荷下加工的稳定性，机床各平动轴采用南京工艺装备厂生产的数控精密工作台，其进给速度从空载到满载变化量小于0．025 mm/min。最低进给速度为0．1 mm/min，最高空程速度达到500mm/min。

　　(3)机床精度高，具有稳定的加工质量，能加工复杂形状的零件。

　　(4)机床自动化程度较高，降低了操作者的工作强度，可满足教学和科研的不同需求。

　　(5)制造成本低，经济实用，适合高等职业院校进行数控专业的教学和实验。

图1 五轴数控铣床结构示意图

2 铣床控制系统设计

　　2.1 开放式数控系统

　　IEEE(国际电气电子工程师协会)定义开放系统具有下列特性：“符合系统规范的应用可运行在多个销售商的平台上，有与其他的系统应用互操作性，并且具有一致的用户交互界面。”实质上，开放式数控系统是一种通用计算机上的标准应用程序，而非传统数控系统那样包含许多插件板的专有硬件系统。目前，开放式数控系统已成为数控系统的发展趋势，主要有以下三种类型：

　　(1)“PC+数控专用模块”结构的开放式数控系统：在PC机上嵌入数控专用模块，这种系统的开放性仅限于PC机部分，其专业的数控部分仍处于封闭状态；

　　(2)“PC+可编程运动控制器”结构的开放式数控系统：基于开放式可编程运动控制器的系统结构以通用PC机为硬件平台，可编程运动控制器为控制核心。双CPU并行通信，是一种便于开发的开放式数控系统；

　　(3)纯PC型开放式数控系统；其开放式功能完全由软件实现，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。

　　“PC+可编程运动控制器”结构的开放式数控系统，其特点是灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源，是当前最为理想的开放式数控系统，已广泛应用于数控机床、各类机器人、三坐标测量、在线检测及加工、卫星定位跟踪、弯管机、注塑机以及各类机床的数控化改造。

　　本文设计的五轴数控铣床的控制系统采用第二种结构，即“1PC+PMAC”的开放式数控结构，以IPC为主控计算机，组件采用商用标准化模块，总线采用ISA总线形式；以多轴运动控制器PMAC为系统从机，进而构成主从分布式结构体系。采用这种体系结构，可充分利用PC机的系统软件和数据处理功能。工控机采用研华ADzVANTECH-610.CPU主频2.6 GHz，具有响应速度快、计算能力强、工作稳定等特点，能够满足实际加工的要求。PMAC是美国Delta Tau公司推出的基于DSP技术的多轴运动控制器，具有响应速度快、精度高、开发周期短、编程和操作简单的特点，已广泛运用于机器人、数控机床等多轴控制的高精度伺服装置上。本文设计的控制系统体系示意图，如图2所示。

图2控制系统体系示意图

　　2.2 硬件体系设计

　　PMAC的核心部件是MOTOROLA的DSP56001／56002数字信号处理器，可以同时控制1～8个轴，既可单独对内部存储程序进行运算，也可执行运动程序、PI。C程序和进行伺服环更新，并以串口、总线两种方式与主机进行通讯。PMAC还可自动对任务进行优先等级判别，从而进行实时的多任务处理，在处理时间和任务切换这两方面大大减轻了主机和编程器的负担。提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。本文设计的数控系统硬件原理如图3所示。

图3数控系统硬件组成原理图

　　IPC的CPU作为系统的主处理器，主要完成系统管理、人机交互、动态显示、预处理等任务。PMAC控制数控铣床各轴的运动，对反馈的数据信息实时扫描。IPC与PMAC通过ISA总线进行通讯，PMAC与电机通过DPRAM进行通讯。ACC-8P EMOTION负责与驱动器的连接，驱动器与各轴电机相连，伺服电机驱动各轴，最终实现五轴数控加工的运动方式控制。

　　2.3 软件体系设计

　　五轴数控铣床控制系统的软件体系实现对机床各轴电机的控制、加工程序的生成管理。整个软件开发包括以下几个方面：软件功能设计及功能模块化、人机交互界面设计、各功能模块的设计及编码与调试、整个应用软件的集成、调试与运行等。本文设计的软件体系基于WindowsXP操作系统，采用模块化设计思想，利用Visual C++6.0开发，通过调用Pcomm32Pro中的库函数，与PMAC数据交换，实现各项控制功能。试验系统的人机界面程序是整个数控软件开发中比较重要的环节，可以将数控系统的操作界面直观的显示在LCD显示器上，为操作人员提供一个便捷的操作环境。本研究设计的人机界面主要包括初始化、程序生成、参数设置等，如图4所示。

图4软件体系各模块

　　初始化模块建立与PMAC的通讯。根据用户的需要，程序生成模块将编写的程序下载到指定的PMAC内存中。参数设置包括电机参数、各变量及各坐标轴的设置。手动操作模块便于操作者完成加工之前的准备工作。程序运行模块是PMAC执行内存中的的指令。试验加工模块根据试验要求，操作者可编写不同的加工程序。状态显示模块用于显示电机的实际位置、速度以及运行时间等各种参数，便于操作者了解加工过程的参数变化，从而根据试验需要有效的调整参数设置模块中的参数设置。故障诊断模块用于显示加工过程中出现的故障及原因。

　　2.4 PMAC对G代码的识别

　　PMAC可执行数控机床的程序，它把G、M，T和D代码作为子程序来调用。如在PMAC的内存程序(PROGl000)中有相应的G代码解释程序。当遇到语句G01时，它将自动调用PROGl000中标识为N01000的运动程序。相应的M代码、T代码、D代码的解释程序分别在PROGl001、PROGl002、PROGl003中。

3 结论与讨论

　　本文通过对一台普通立铣床的改造，设计制造了适于高等职业学校数控专业教学和实验的五轴数控铣床，开发了基于“IPC+PMAC”的开放式数控系统，完善了控制系统软件体系的部分功能，不仅满足了高等职业院校的数控人才学习、应用五轴数控加工技术的要求，而且经济实用、降低了设备成本，为科研人员进一步研究开放式数控系统奠定了良好的基础。

　　从本文的研究可以引伸出更进一步的研究方向：

　　(1)研究多轴联动控制算法，对一般曲面进行加工试验，提高加工的稳定性、加工精度和表面质量；

　　(2)进一步开发和完善控制软件的各模块功能，例如在线加工仿真模块。