通用PC数控系统设计及其在机床数控化改造中的应用

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关键词:PC 数控系统 机床

    一、引 言

      数控机床是现代制造业的基础设备,是柔性制造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS)的重要组成部分。其中,数控系统又是数控机床的核心和关键。目前从使用的计算机类型来看,数控系统有专用计算机数控和通用计算机数控2种结构。前者所用计算机是数控系统生产厂为其系统专门设计和制造的,因此不同的系统具有不同的软硬件模块、不同的编程语言、多种实时操作系统等,不仅给用户带来了使用和维修上的复杂性,也给车间物流层的集成带来了困难。近几年来,随着计算机技术的飞速发展和通用微机的广泛普及,美、日等发达国家正研究新一代具有开放性体系结构的通用微机(PC)数控系统,以加强工业基础的规范化和标准化,增强市场竞争能力,适应FMS、CIMS的需要。目前,以通用PC机为主体控制机的MNC数控系统已逐渐成为数控领域中的一个重要发展方向,研究通用PC机在数控领域的应用技术有着重要的意义。本文以CA6140车床的数控化改造为例,探讨了通用PC数控系统的设计方法及其在机床数字化改造中的应用。

    二、微机数控系统设计

      1.硬件结构

      图1所示为采用通用PC机(486以上)及其外设组成的数控车床数控系统。

      2.软件设计

      通用PC数控系统的功能大部分都采用软件来实现,因此,数控软件的设计及其功能是数控系统的核心。数控软件可分为3个部分:操作系统、系统控制软件、零件加工程序。操作系统以Windows98为基础,配以全图形彩色汉字人机界面、程序编辑窗口和帮助系统。零件加工程序由用户根据加工要求用ISO标准NC代码编写。控制软件包括各种加工插补控制程序、实时显示程序、换刀程序、刀具补偿与丝杆间隙补偿程序等。控制软件的总体结构如图2所示。

    图2控制软件结构

      由于软件开发方法决定着软件的开发周期、效率和软件使用的可靠性,因此,确定软件的编程语言和开发平台是软件开发的重要步骤。我们选择了面向对象的程序设计方法,以C++为开发语言,可以方便地将多个功能模块集成在一起,且易于调试和维护,可靠性高。设计时首先分析确定各功能模块,然后进行抽象概括,建立各类属层次(即基类、子类)模块,接着编写这些类的定义和实现方法,最后将它们组装在一起。图3是主控部分的类属层次模块图。

     其最外层是车削类、铣削类等对象类,它们是从系统类中派生出来的,系统类抽象概括了加工系统的共同特性,定义了该系统最基本的数据和操作。主控部分的第二层是6个基本功能类,它们是编辑类、编译类、设置类、加工类、手动类、帮助类,分别完成系统的相关任务。其中编辑类定义了NC程序编辑的实现操作,在各系统中其任务是相同的,因此定义了一个全局对象实例,供各系统调用。其余的5个均为基类,派生出对应于车、铣功能的子类,完成各系统特有的功能,它们在各系统中是作为内部私有变量定义的。主控部分最内一层是基本功能类,它们完成最基本的控制任务,例如插补类、延时类、显示类等。例如下面的程序段完成插补任务:


      系统的辅助部分分类属有窗口类、文本类、菜单类等。

      该系统界面形式如图4所示,其中:

     

      编辑程序:编辑修改NC零件加工程序,可读取硬盘上已有的NC程序,建立保存新的NC程序,是数控系统的输入接口;

      编译程序:将NC程序转换为数控代码和控制指令,并进行程序数据和语法的自动查错;

      系统设置:设置零件仿真或加工时的系统参数:

      如刀补、丝补、系统坐标、显示比例、刀具设置等;

      模拟显示:进行仿真加工,观察仿真结果,确定程序是否正确。模拟显示部分采用了数据、图形分  割法,能够保证在加工速度(包括2 500 mm/min快速移动)的前提下完成数据、图形与加工过程的同步显示;

      零件加工:进行零件正式加工,有动态图形同步显示;

      手动控制:用光标键控制步进电机进行刀具位置调整或简单的切削加工;

      帮助系统:提供系统操作说明和系统联机帮助。

    三、车床数控化改造总体方案

      图5所示为我们为某厂CA6140车床进行数控化改造的总体方案。

     
    图5 车床数控改造总体方案

      数控系统为前述通用PC数控系统;驱动元件采用步进电机,驱动电源采用恒流斩波和脉宽调制(PWM)技术,有利于电机输出转矩的提高;进给传动系统经一级齿轮变速后带动滚珠丝杆转动,从而实现纵向与横向二轴联动;刀架采用四工位自动换刀装置;主轴传动系统采用变频调速器调速,可用S代码直接指令转速,主轴上装有脉冲发生器,可以加工螺纹;备有通用的RS232接口,可实现与计算机的数据通信。

      该车床经改造后,拓展了加工范围,提高了机床精度和加工效率,经螺距误差补偿后机床定位精度为0.04 mm,重复定位精度为±0.01 mm,能够满足一般的数控加工要求。

    四、结 语

      随着国家经济建设的发展,数控技术和数控机床的应用将愈来愈广泛。目前,数控化率(机床拥有量中数控机床占有的比例)已成为衡量企业的制造水平和技术经济实力的一个重要指标。但数控机床一般较贵,普通数控车床的售价多在10万元以上,而用通用PC数控系统对普通车床进行数控化改造,其总费用约在3~5万元之间(包括新车床的价格),且功能和精度能够满足一般加工的要求,因此非常经济实惠,特别适合我国国情。本文介绍的通用PC数控系统不但可用于数控车床改造,也可用于数控铣床、镗床等的改造。考虑到一般工厂生产环境的电磁干扰较严重,为提高数控机床的抗干扰能力,建议选用工控机作主控制机。

    (审核编辑: 智汇张瑜)