机床数控软件化结构体系

0 前言 受计算机和微电子科学与技术发展历史过程的影响，逐步形成了数控机床由金属切削机床、伺服驱动电动机和数控系统三大模块构成的传统结构模式。近年来，为了提高数控机床的系统集成性与智能化程度，国外继NC和CNC之后，提出了新一代数控NGC和全开放结构OSA，数控系统趋向于与PC结构体系兼容的多机互连开放型系统，其结构有两种形式：一种是PC+NC，另一种为PC-based。这些数控系统的共同特点是采用上下级多CPU结构，上级使用PC，具有一定的开放性，而下级往往有多个CPU，其类型五花八门，总线各异，数控系统的结构千差万别，上下级计算机的通信方式多种多样，都没有实现开放化和通用化。例如，目前国产的高中档数控系统中，有的下级使用了多片MCS-51/96系列8/16位单片机和专用板卡；有的下级是SS-Bus上的多主8086/87系统，SS-Bus与上级PC的ISA总线由专用的数据通信板桥接；还有的系统采用了TOKO公司的3700系列专用芯片。 在传统的数控机床概念下，数控系统既要实现数控机床的工艺功能又要完成数控机床的运动控制，因而其上下级CPU软硬件联系紧密，下级CPU系统的不开放性会影响到整个数控系统的开放性、可扩展性和升级能力，数控机床的工艺性能与数控系统的硬件交织在一起。在这种局面下，机床数控化对于机床生产厂家仍是一个较为艰难和复杂的过程，数控机床开发与升级受到来自数控系统软硬件的多方面限制，数控机床的柔性和可集成性难以提高，给制造自动化的实现造成了困难。 注意到上述问题，并结合近年来PC理论、技术与应用的飞速发展，本文提出了一种机床数控软件化结构体系，即 PC＋基于PC的完备数字机床的结构体系。在这一概念下，工艺软件在一台Host-PC上运行，所生成的设备动作信息由串口(或Modem卡)传送给完备数字机床。完备数字机床接受符合ISO标准的文字地址程序段格式、函数、样条、表格或逐点给出的伺服系统位置参考信号，它相当于允许用户自由的定义插补算法，从而大大增加了两轴以上的多轴联动设备加工程序编制的灵活性，使数控机床复杂曲线(面)加工的能力、速度和精度都有所提高。 图1 机床数控软件化结构体系 1 机床数控软件化结构体系与分析 机床数控软件化结构体系可由图1表示。在机床数控软件化结构体系中，一台完备数字机床就是一台PC标准外设设备，类似于一台X-Y绘图仪，而完备则意味着可在PC的控制下实现机床所有可能的动作，这样就可由PC上运行的工艺软件实现所有可能的加工工艺，从而使得数控机床成为PC上运行的各种工艺软件及其控制下的完备数字机床。通过构造数字机床的设备驱动程序，工艺软件完全独立于具体的数字机床，机床生产厂生产不同类型和型号的数控机床时，硬件都是工业PC及其系列扩展模块，不同的主要是软件工作，机床数控化将彻底摆脱来自数控系统软硬件的限制。另一方面，不同厂家和型号的同类数字机床可以使用同一个工艺软件。 由于PC在组网技术上十分灵活，而且技术也很成熟，可以支持包括乙太网、Petri网，甚至Internet网在内的多种网络协议及拓扑结构，加之PC版本CAD/CAM/CAPP已十分丰富，在CAD/CAM/CAPP集成方面有突出优势，其面向智能制造系统IMS和远程制造的性能有很大提高。 此外，机床数控软件化结构体系有利于提高加工精度和速度。在这一方面，国外目前在定点DSP的基础上，又在考虑采用浮点 DSP，并为其设计高性能实时操作系统；国内则仍以MCS-51/96系列单片机(SOC)为主，对每一个控制轴单独使用一片CPU，以满足高采样频率的要求。由于SOC的速度，精度以及硬件资源都十分有限，而DSP的优势也主要集中在快速完成加法和乘法运算，如进行快速傅里叶变换(FFT)或构成数字滤波器，因此使用SOC或DSP构成数字控制器在很大程度上限制了系统性能的进一步提高，并且开放性和通用性差，开发工具有限，开发周期长，开发成本高。鉴于目前Pentium CPU的综合性能已经超过了DSP，本项目提出构成与PC完全兼容的、基于Pentium CPU的32位高性能控制器。该技术还可用于具有强烈轴间动力学祸合的机床，如虚拟轴机床以及机器人的运动控制，这时若采用独立的单轴控制是不可能获得好的性能的。可见，机床数控软件化结构体系所提供的某些功能在现有数控系统支持下很难做到或者根本无法做到。 2 完备数字机床及其控制器 在图1所示系统中，完备数字机床控制器硬件是PC及其扩展板，在相应的软件支持下，完成手动面板控制，指令解释与机床状态报告，以及运动控制。完备数字机床控制器与机床的机械部分一起构成完备数字机床，可用如图2所示的方框图表示。 图2 完备数字机床方框图 完备数字机床手动面板 完备数字机床手动面板实现机床基本I/0开关量的手动控制，如机床基本状态的显示，工作台面位置手动调整和急停。现有数控机床的手动面板，往往直接由数控系统的开关量控制模块控制，面板与数控系统之间的信息传递是并行的，接口复杂，而且无法规定标准与协议。为了解决这一问题，完备数字机床手动面板由 MCS51系列单片机管理，采用标准串行通信与数字机床控制器交换信息。完备数字机床上电后，数字机床控制器和单片机开始系统自检，之后便进入等待状态，单片机定时检查输入状态有无变化，并将变化了的输入状态由串行中断送入数字机床控制器，由其作出相应的反应。数字机床控制器输出到手动面板的显示信息由单片机的中断服务程序进行相应的处理。手动面板的输入输出信息有： 完备数字机床的工作方式选择：手动/联机。 手动单步进给。 手动连续进给。 回原点。 进给速度倍率。 进给坐标选择。 主轴电动机、泵、电磁离合制动器等的状态。 急停。 暂停及显示。 进给坐标超行程显示。 故障显示。 完备数字机床控制器软件 完备数字机床控制器软件是在DOS下用C++语言开发的，其框图如图3所示。数字机床控制器软件基于DOS，主要是由于在这一操作系统下可以直接访问数字机床控制器扩展板卡，而且DOS的实时性也得到认同。在图3中，实时控制模块由中断服务程序实现，它是整个系统中唯一具有实时性要求的模块。为了实时运行其他的模块，只使用了为数不多的几个数据队列，每一个队列由一个类来维护，通过成员函数可以对其数据和状态进行访问。 图3 数字机床控制器软件框图 主控计算机和手动面板的运动指令经过监控和指令解释模块预处理后生成运动代码队列，该队列由运动代码解释模块解释，生成参考信号数据队列。在完备数字机床处于自动状态时，运动和辅助功能指令由主控计算机的工艺控制软件生成。完备数字机床的状态，包括当前位置、故障信息以及继电器/接触器触点通/断等，可以根据工艺控制软件显示的要求由标准串口送至主控计算机。 图3所示的完备数字机床控制器软件，与具体机床及其工艺性能的控制无关，也就是说该数字机床控制器软件支持具有机床数控软件化结构体系的不同种类和型号的机床，如各种铣床、车床或磨床等。不同工艺所要求的机床进给轴数和辅助功能等方面的差异不影响数字机床控制器软件，同时也不是数字机床控制器要控制的对象，完备数字机床控制器使机床传感器输出、运动控制(进给伺服电动机输入)以及其他的一些低级操作对于主控计算机是能控的，并且是完备的。另一方面，由于引入了完备数字机床的概念和数字机床控制器，数控机床工艺的控制与硬件的接口是标准串行通信，数控机床工艺的控制是独立于硬件的软件，从而实现了机床数控软件化。 3 应用实例 上述机床数控软件化结构体系已经被应用于一台三坐标两联动数控铣床的改造。改造前，该数控铣床采用基于PC-XT的开放式数控系统，三轴伺服控制采用直流伺服电动机驱动，码盘进行半闭环位置检测，最终由日本TOKO公司的专用伺服板卡进行位置伺服控制，可控制机床完成两轴圆弧运动，三轴直线及螺旋线运动。为了提高该数控铣床的性能和检验本文提出的机床数控软件化结构体系，将原有数控系统拆除，新开发了D3M-2A三坐标完备数字铣床，其控制器主板选用工业控制级的80486DX4-100，光栅计数卡、D/A卡及开关量I/0卡均为AT总线扩展卡，性能指标如下 所有精度指标不劣于原机床。 三坐标三联动。 智能手动面板简洁友好，最大可读入81个键值，输出16个显示。 人机界面友好，可以接受标准G代码、参数方程和逐点数据。 速度快、功能全、可靠性高。 将机床性能升级的软硬件工作分离开，可以独立进行软硬件升级。 D3M-2A三坐标完备数字铣床控制软件可用于其他机床(尤其是三轴以上多轴联动机床)机电设备的运动控制。 图4是D3M-2A三坐标完备数字铣床在主控计算机控制下铣削玫瑰线的刀具中心轨迹及其极坐标方程，若加工平面选xy平面，则主控计算机生成该轨迹的划坐标并发送到D3M-2A的程序段如下 图4 立铣刀中心轨迹及其极坐标方程 =0; while(t { j=(p/tf)t r=10.000cos3j x=rcosj y=rcosj Send.Data t+=0.004 /*置初始时间为零*/ /*循环至结束时间tf*/ /*计算极角，随时间均匀增加*/ /*计算极径，按图4中的方程/* /*极坐标到直角坐标换算/* /*极坐标到直角坐标换算/* /*调发送数据函数*/ /*时间增加一个采样周期*/ 由此可见，在本文提出的数控机床结构体系下，加工这一类可用方程描述的复杂曲线/面(如采用样条函数描述的自由曲面)的编程大大简化，而且直截了当，