0 前言

　　北京理工大學自行研制的基于Stewart 原理的BKXI型變軸數控機床，是通過控制6 根可伸縮桿的伸縮運動實現動平臺6個自由度的變化,從而帶動刀具實現6 自由度的加工。本文介紹與之相配套的基于IPC+PMAC硬件平臺和Win2000、Vc6.0、Pcomm32pro 軟件平臺的開放式數控系統,該系統采用模塊化設計,面向用戶,操作方便,具有良好的易維護性和可擴展性。

1 BKX- I 型變軸機床的數控系統

　　1.1 數控系統的硬件構成及實現

　　該數控系統采用上下位機(即工業控制機IPC+多軸控制卡PMAC) 模式的硬件數控結構。

　　IPC 充分利用Windows2000 以及其它主流操作系統的普及性,實現對系統方便的管理及維護;PMAC 則完成對機床的6 + 1軸運動的實時控制以及對開關量具體實時控制。

　　上位機與下位機之間的通訊采用總線通訊方式。下位機實時監測和保存機床的運動狀態,并根據上位機的要求和外部機床開關量的信號對機床進行實時的控制。上位機則定時查詢下位機的工作狀態以及下位機保存的機床狀態信息,如PMAC 緩沖區的大小、機床開關量信號等等,然后根據下位機的工作狀態、機床的工作狀態以及工作人員的要求對下位機通訊,同時給工作人員提供相應的提示。

　　BKX-I型變軸機床不同于傳統機床,其6個自由度是耦合在一起的,無論進行什么樣的運動都是基于6條腿的協調運動實現。主軸的運動是相對獨立于這6條腿運動的,采用變頻器控制,實現無級變速,考慮到PMAC 是8軸控制卡,利用容余軸的控制通道,本系統將主軸也加入到PMAC 的控制中來,具體實現如下:

　　(1) 在PMAC 卡中把6 條腿的協調運動控制設定在一個坐標系&1 內,主軸運動則設定在另一個坐標系&2 內。

　　(2) 主軸的運行模式是速度模式, IPC通過對PMAC第4軸控制通道的DAC存儲單元進行直接賦值操作,使DAC發出0到10v 的模擬電壓給變頻器,從而實現對主軸速度的控制。6條腿采用速度-位移- 時間控制模式, IPC把軌跡點下載給PMAC,PMAC 根據已設定好參數完成對6條腿的實時控制。

　　(3) 對主軸電機的開啟和正反轉的控制是利用PMAC 的I/O實現的。IPC通過對相應I/O的地址直接賦值來操縱繼電器的開關, 以此實現對主軸電機的開啟和換向功能以及實現對冷卻泵的開啟功能。潤滑和冷卻的實現也是同樣的。

　　對刀儀和工件定位器的信號也是通過PMAC的I/O口與PMAC進行通訊的,但此時需要PMAC 后臺PLC的定時掃描。上位機定時掃描下位機保存的信息,然后上位機根據所得信息作出相應的反應,實現刀具對刀和工件定位功能。

　　1.2 數控系統的軟件任務調度

　　變軸機床的數控系統是一個多任務調度的操作系統。任務調度是實現數控系統軟件操作的控制核心。它實時監控各任務的狀態,決定任務獲取CPU 的優先權,并根據調度的策略改變任務的狀態。任務的劃分則主要根據各個事件的相互獨立性來劃分,根據面向對象和開放式數控系統的思想,本數控系統的任務主要劃分為:下位機實時任務調度和上位機多任務調度。

　　1.2.1 數控系統的下位機實時多任務調度

　　顧名思義實時任務是指實時性要求較高的任務,需要較高的優先權,實時任務又分為以下幾個任務:

　　(1) PLC掃描任務:下位機后臺PLC任務是周期性掃描機床來完成某些順序控制。

　　(2) I/O操作任務:下位機根據上位機的命令打開和關閉I/O ,同時監控I/O的輸入。

　　(3) 伺服控制:下位機根據上位機傳輸的指令和伺服電機的狀態,實時地進行伺服控制,伺服更新周期為442μm。

　　(4) 主軸電機驅動任務:下位機根據上位機的命令完成主軸電機速度的控制。

　　(5) 實時監控任務:下位機根據PLC掃描以及伺服驅動器反饋信號完成對機床工作狀態的實時監控。

　　(6) 精插補任務:下位機根據規定的插補周期和插補模式,對各軸的軌跡進行相應的細分插補。

　　1.2.2 數控系統的上位機多任務調度

　　上位機多任務調度主要包括:

　　(1) 軌跡規劃任務:完成某些特定曲線軌跡點的規劃和生成任務。

　　(2) 文件操作任務:完成虛擬軸坐標文件、傳統的G代碼文件和機床6軸文件的打開和存儲任務。

　　(3)工作空間校驗任務:對經過了軌跡規劃、粗插補的文件進行空間校驗,以確認刀位軌跡是否符合機床的操作空間要求。

　　(4)參數管理任務:實現對機床結構基本參數、運行參數和刀具參數的管理任務。

　　(5)粗插補任務:對已有的軌跡點進行細分,精確控制機床運動的軌跡。

　　(6)刀具補償任務:補償因刀具半徑不同和刀具長度不同,所造成的機床實際軌跡點失真問題。

　　(7)界面管理任務:實現工作人員對操作界面的管理,同時通過人機界面上的機床操作面板完成對機床運動的控制。

　　(8)上下位機的通訊任務:在win2000 操作系統環境下, IPC通過調用Pcomm32pro 動態連接庫,實現上下位機的通訊,包括對PMAC 緩沖區狀態的查詢任務、PMAC 程序運行狀態查詢任務、IPC 程序下載任務和定位消息查詢任務等等。

　　(9) 虛實變換任務:完成虛擬軸坐標和實軸坐標的轉換。

　　(10) 三維仿真顯示任務:為了診斷加工中存在的各種可能錯誤,可以先進行仿真操作,模擬機床的實際運動,以保證實際加工的正確性。

　　(11) 實時仿真任務:以圖形的方式,實時地顯示刀尖的軌跡點位置,使操作人員易于監控機床的走位。

　　(12) 走位文顯任務:以數字的方式,實時顯示機床刀尖軌跡點在虛軸坐標系下的位置和6 條腿的實際伸長量。

　　(13) 運行狀態顯示任務:實時顯示機床的操作狀態(自動、手動、微動) 、刀具的幾何參數、主軸電機的工作狀態和冷卻泵的工作狀態等。

　　(14) 對刀定位任務:完成刀具的定位功能,包括刀具的長度檢測和半徑檢測。

　　(15) 工件定位任務:根據PMAC 的狀態反饋,把相應的程序運行指令傳給下位機,同時記錄和計算相應的工作狀態實現工件在機床坐標系下的定位任務。

　　1.2.3 任務調度的實現

　　任務調度的實現依據各個任務的特點,分三種情況:

　　(1) 一次性調度: 人機界面、PLC 都是一次打開后就循環執行,前者主要占用IPC 的前臺處理,后者則是PMAC 后臺周期完成。

　　(2) 條件調度:當某一條件具備時,才調度相應的任務,如插補某一模式的運行、工作空間的校驗任務,以及對刀和工件定位程序的運行等都是屬于這種任務調度。

　　(3) 定時調度:這種任務的調度實時性較強。伺服控制刷新、機床位置數據采集、PMAC 的緩沖區的狀態查詢以及PMAC程序運行狀態的查詢等任務的調度都屬于定時任務調度。

2 結論

　　以IPC + PMAC 為硬件平臺和由win2000、vc6. 0、Pcomm32pro為軟件平臺,開發了基于BKX- I 型變軸機床的數控系統。并且實現了6 軸聯動、主軸驅動、工件定位和對刀等集成控制,系統采用模塊化設計,面向用戶,對此類機床的產業化奠定了基礎。