基于PCI總線運動控制卡的開放式圓柱凸輪數控加工系統的開發

0 前言

　　PC2NC 是當前流行的數控系統開放化途徑,符合國際數控技術發展的最新潮流。也就是在PC 機硬件平臺和操作系統的基礎上,使用自己開發的硬件插卡(運動控制卡) ,來實現數控系統的功能。

　　傳統的數控系統采用專用(專用硬件) 、封閉(軟件的封閉性,不公布核心技術,無統一的通信協議) 的體系結構,整個系統缺乏靈活性、兼容性及可擴展性。隨著用戶需求的多樣化,生產的批量化以及計算機技術的發展,傳統的數控加工系統已經被更具靈活性、柔性的開放式數控系統所取代。因此作為開放式數控系統最終用戶的加工企業,可以在標準的硬件和軟件平臺上,根據自己的需要,隨時選購不同廠商生產的軟硬件功能模塊作為插件,嵌入自己的平臺,重構自己的系統。

　　基于PC 總線開放式體系結構是當今CNC 系統發展的必然趨勢。我們在充分利用C 機的開放的開發環境基礎上,通過嵌入式運動控制卡來設計開發了一套圓柱凸輪數控加工系統。實踐證明,以IPC 機為數控系統的硬件是切實可行的,由于IPC機的中斷型硬件結構,加上合適的操作系統,能夠很好地實現實時加工,并且能夠方便地實現良好的人機界面、各種編輯、文件管理和圖形顯示等。

1 圓柱凸輪的加工

　　1.1 圓柱凸輪的加工方法

　　對于圓柱凸輪來說,過去多采用展成加工法,靠模仿形加工法等進行生產,勞動強度大,效率低同時精度也難保證。當前設計與加工圓柱凸輪輪廓,主要是借用CNC 成形技術通過加工中心來實現。盡管加工的精度與效率有了保證,但是加工成本高,數控編程比較困難。

　　為適應當前國內企業數控化程度不高的現狀,降低成產成本,適應市場需要,我們在實際工作過程中通過對原有的普通數控銑床進行改造,盡量降低數控銑床的軸數,采用了三軸變兩軸的加工方法,用增加了數控轉盤的數控銑床來加工圓柱凸輪。

　　1.2 圓柱凸輪加工創成原理

　圓柱凸輪的加工一般需要同時進行三種運動,現以凸輪曲線為余弦加速度曲線(S= h0/2(1-cos(π

圖1 　滾子運動軌跡及凸輪理論曲線展開圖

　　(1) 凸輪隨數控轉盤作回轉運動

　　(2) 銑刀沿X 軸作直線運動

　　(3) 銑刀在XY 坐標平面內作圓弧插補

　　經濟型圓柱凸輪的加工系統采用了三軸變兩軸的處理方法,需同時進行兩種運動:

　　(1) 銑刀沿X 軸作直線運動

　　(2) 將銑刀在XY坐標平面上的圓弧插補運動中的Y向位移疊加在凸輪的理論曲線軌跡上各點的< 向位移上, 即將其附加在凸輪隨數控轉盤的回轉運動中,于是得到圖1 中的修正曲線。

2 系統硬件設計

　　2.1 系統要求

　　本數控系統以IPC 機為硬件開發平臺并作為上位機通過PCI 總線與下位機(運動控制卡) 進行通信。同時銑床的位置信號通過編碼器反饋到運動控制器,構成半閉環控制系統。

　　2.2 系統原理與框圖

　　系統的硬件結構框圖如圖2 所示,其中IPC 機與運動控制卡進行雙向通信并負責整個系統的管理。它是整個系統的核心,它的性能決定了整個系統的品質。運動控制卡(我們采用了ADLINK公司的PCI - 8132) 負責指令的執行,實現位置和速度控制。PCI28132 開發了上層數控軟件,實現了兩軸的位置、速度、加速度以及直線和圓弧插補等基本的數控功能。