0　引言

　　近年来工业控制计算机(Industrial PC,简称IPC)进入数控领域,取得了较大的成功,使开放式数控系统的普遍应用成为可能。应用IPC可以及时地引入PC技术的最新硬、软件发展成果,缩短产品的研制周期,充分提高系统的可靠性和通用性。硬质合金旋转锉是模具加工和其它钳工工作中广泛使用的一种刀具,刀齿较多,形廓复杂,且品种规格繁多,给刃磨工作带来很大的困难。随着开放式数控系统概念的深入,以及IPC、运动控制器的广泛应用,为旋转锉的数控刃磨技术研究带来新的机遇。

1 旋转锉刃磨数控系统硬件设计

　　1.1 控制系统总体方案设计

　　根据旋转锉刃磨的功能需求,结合当前开放式数控系统的发展状况,决定采用“IPC—运动控制器—驱动器—步进电机”的控制方案。控制系统总体方案设计框图见图1。

　　IPC作为整个系统的核心,担负系统资源的分配、任务的调度、人机交互及数据计算等任务。运动控制器的作用是接收IPC传送的数据,将其转化为数字脉冲和方向信号输出到驱动器,再由驱动器控制步进电机转动,从而实现机床各坐标轴的运动。

　　1.2 硬件选型

　　系统硬件设计要遵循开放式数控系统标准化、模块化的原则,同时兼顾整体系统的可靠性要求,各硬件模块之间必须完全兼容。本系统硬件设计的出发点是:按照系统总体方案要求,考虑开放式数控系统设计原则,在满足精度要求的前提下保证整体系统的可靠性和工作过程的稳定性,同时兼顾经济性。系统的主要硬件包括工业控制机、运动控制器、端子板、驱动器及步进电机等。

图1　控制系统总体方案设计框图

　　1.2.1 工业控制机(IPC)

　　工业控制机(IPC)是本数控系统的核心部件,它的作用是对输入的数据进行分析和运算,将结果传送至运动控制器,控制执行机构的运动,它的品质直接影响整体系统的可靠性和工作过程的稳定性。按照系统总体方案要求并考虑经济性,选用了研祥公司的普通箱式工业控制机IPC-810。其基本配置为: IPC-810型14槽上架型机箱, IPC-6114P4底板,内设10个ISA插槽和4个PCI插槽。IPC-586DF型全长CPU卡, Intel Pentium CPU,主频266MHz, 64MB内存, 4GB硬盘。

　　1.2.2　步进电机

　　步进电机是一种将电脉冲信号转变为相应直线位移或角位移的数/模转换器。步进电机具有控制方便、工作可靠及价格便宜等优点,在工业上得到了广泛应用。步进电机通常分为3种类型:永磁式、反应式和混合式。本系统为精度和动态性能要求高的控制系统,通过各项对比,选用混合式步进电机。选择相数应兼顾步进电机和驱动器的技术指标和经济性。通常,随着相数的增加,步进电机的步距角变小,启动和运行频率响应提高,稳定性好,但相应驱动器结构复杂,成本高。因此,本系统选用两相步进电机。选择步距角时,应考虑脉冲当量和机械传动系统的传动比,兼顾系统精度和速度方面的要求。根据系统要求,选择步距角为1.8°。根据以上分析,选用86BYG450E-01型步进电机。

　　1.2.3　驱动器

　　驱动器的功能是接收来自控制机的脉冲及方向信号,进行脉冲分配及功率放大,驱动步进电机转动。为使步进电机达到需要的输出,驱动器必须给步进电机提供足够的电压和电流。根据所选步进电机的技术参数及性能,选用了满度电流为5A(高于步进电机的相电流4A)的SH-2H090M型两相混合式步进电机细分驱动器。

　　1.2.4　运动控制器

　　运动控制器的作用是输出数字脉冲和方向信号,经过驱动器控制步进电机转动。本系统要求四坐标联动,选用固高科技的GT-400-SG-PCI运动控制器,它具有如下特点:¹可实现四轴联动或同时独立地对4个轴进行控制,为每个轴提供步进脉冲和方向信号,驱动步进电机转动;º看门狗实时监测DSP的工作状态;»基于坐标系编程的连续轨迹控制,可实现空间直线、圆弧插补运动;¼提供程序缓冲区,实现运动轨迹预处理,以获得高质量的运动控制,并降低主机通讯实时性的要求;½面向各控制轴实现点到点的运动控制,具有可编程S形曲线、梯形曲线、速度控制和电子齿轮运动控制方式;¾使用32位(二进制)有效数字计算,实现高精度的轨迹控制;¿可编程设置采样周期,四轴采样(插补)周期为162Ls。

　　GT-400-SG-PIC是高性能的运动控制器,它可以同步控制4个运动轴,实现复杂的多轴协调运动。其核心由数字信号处理器ADSP2181和现场可编程门阵列FPGA组成,可实现高性能的控制计算。

　　1.3　硬件模块的连接

　　运动控制器插入IPC机的底板上空闲的PCI插槽中,端子板通过62芯电缆与运动控制器连接;然后,通过端子板上的4路输出接口与驱动器连接,再由驱动器对各轴步进电机进行控制。

　　1.3.1　运动控制器与驱动器的连接

　　GT-400-SG-PCI运动控制器提供了一个62针D型端口,可使用62芯电缆通过ACC2端子板CN5～CN8接口与SH-2H090M驱动器相连接。这种连接方法简单易行,可靠性也较高。下面,以端子板的CN5端口为例说明运动控制器(端子板)与驱动器连接过程。

　　在断电的情况下,先使用两条屏蔽电缆,将GT-400-SG的端口CN1、CN2分别与端子板对应端口CN1、CN2相连。端子板和驱动器的连接可以采用脉冲/方向单端方式或正/负脉冲双端方式。本文中选用脉冲/方向单端方式,在这种模式下,要将驱动器的方向电平信号(DIR)与步进脉冲信号(CP)接到CN5的正信号端,即9脚DIR0+端及23脚PULSE0+端,同时应注意,负信号端应悬空。

　　另外,为了使控制系统和驱动器能够正常通讯,避免相互干扰, SH-2H090M型驱动器内部采用光耦器件对输入信号进行隔离,将3路输入信号,即方向电平信号(DIR)、步进脉冲信号(CP)与脱机信号(FREE)的正输入端连在一起作为一个公共端,称之为共阳端(OPTO)。OPTO端通常接外部系统的VCC,如果VCC是+5V则可直接接入,否则必须另加限流电阻以保证给驱动器内部光耦器件提供8mA～15mA的驱动电流。在这里, CN5的7脚提供+5V的电源输出,可直接接入驱动器的OPTO端。CN5的2脚ALM端为驱动报警,根据安全标准,其输入信号应为常闭状态,在本系统中未使用,须将该脚与1脚外部电源地(OGND)短接。

　　1.3.2　驱动器与步进电机的连接

　　两相驱动器与步进电机的连接方法有两种,一是两相串联方式,二是两相并联方式。在这里,采用两相串联方式来进行连接。驱动器的A、A-端与步进电机的一相两个绕组串联连接, B、B-端与另一相两个绕组串联连接。

2　旋转锉数控刃磨系统软件开发

　　软件的设计可分为两个层面:一是系统初始化、数据的输入输出、刃磨运动模型的建立及计算、人机交互等无实时性要求的一般计算与处理工作;二是插补运算等有实时性要求的控制工作。由于采用了运动控制器,直线、圆弧的插补运算工作可直接调用运动控制器内附的库函数实现,简化了编程,提高了运算速度。但尚需注意的是,对于象抛物线、三次曲线等插补运算,还需通过编程与运动控制器相结合来实现。在本文中,旋转锉数控刃磨系统软件使用VisualBasic 6.0,基于Windows环境,结合GT400运动控制器提供的库函数来开发。

　　系统软件总体方案设计见图2。其中,多任务调度是系统的核心,它监控各任务状态,并根据调度策略改变任务状态,本系统各模块均受其管理。

　　2.1　系统的工作流程

　　笔者选用面向对象的编程语言Visual Basic 6.0编程。系统的工作流程见图3。其中,加工循环过程为:安装工件→机床启动→快速接近→加工齿形→快速返回原点→机床停止。

图2　系统软件总体方案设计图

　　2.2　加工控制模块流程

　　各项参数输入完毕后,就可以进入加工过程了。为确保加工过程正确、可靠地进行,应检查所需参数的完整性,如缺少参数则给出提示,要求补充输入。处理单步加工过程时应注意,在单步加工完几个齿形之后,应能够使用工作循环完成剩余齿数的加工,这样,可以简化操作,使加工过程更为灵活。加工控制模块主要流程为:起始工作位置→径向进给→工作行程→快速让刀→快速返回/分度→判断所有齿是否加工完毕,是否进入下一循环,至所有齿加工完毕为止。

　　2.3　人机接口设计

　　数控系统的人机接口是数控系统硬件和软件与机床操作人员之间的接口。硬件接口是指数控系统给用户预留的一些接口;软件接口是指数控系统供用户观察、修改、设置参数及输入数据、获得信息的人机交互界面。旋转锉数控刃磨系统人机交互界面主要用于完成所需参数的输入、工作模式的选择、运行的管理与控制及信息的输出等功能的实现。

3　结论

　　本文介绍了旋转锉数控刃磨系统的开发过程。实践证明,使用IPC和运动控制器构成的开环CNC系统,完成旋转锉的刃磨加工是完全可行的。由笔者参与研制的基于IPC的旋转锉数控刃磨机已经投入生产,经过实际运行,证明该数控系统性能稳定,能够满足旋转锉数控刃磨的要求。

图3　系统工作流程图