王 強(qiáng) ，張之敬，殷 亮

（北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院， 北京 100081）

0 引言

高頻群脈沖電解加工具有高效低成本、可加工材料范圍廣、工件表面無應(yīng)力殘留、無熱變形等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)陰極頭設(shè)計的不同，可加工圓孔、方孔以及其它異形孔類特征，可用于引信、武器彈藥等系統(tǒng)上薄片類微小型結(jié)構(gòu)件異形特征的精密加工。

現(xiàn)有的封閉式數(shù)控系統(tǒng)大多面向金屬切削機(jī)床設(shè)計，其操作界面、工藝參數(shù)、數(shù)控指令等都按照車削、銑削等加工方法開發(fā)，而對于電解加工等特種加工，尚無可直接可應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)。近些年來，開放式數(shù)控系統(tǒng)以其良好的硬件開放性、優(yōu)秀的軟件可定制性以及更少的開發(fā)成本和更短的開發(fā)周期，使其在各種專機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用[1,2]。在幾種不同開放式數(shù)控系統(tǒng)中，尤其以“NC 嵌入PC”式開放式數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最多[3～5]。

本文采用Delta Tau公司的PMAC2-PCI LITE與EVOC的IPC810H工業(yè)控制計算機(jī)組成“NC 嵌入PC”開放式數(shù)控系統(tǒng)，以Window為上位操作系統(tǒng)，以Visual Basic6.0為開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)了對HFGPECM-Ⅱ型高頻群脈沖電解加工機(jī)床的控制。

1 控制功能分析

高頻群脈沖電解加工機(jī)床，由機(jī)床本體、超高頻群脈沖電源、電氣控制柜以及電解液泵和電解液槽等附屬設(shè)備構(gòu)成。其中，超高頻群脈沖電源產(chǎn)生用于加工的超高頻群脈沖電流；電氣控制柜是機(jī)床控制系統(tǒng)的硬件載體，用于整個電解加工機(jī)床的運(yùn)動控制操作；電解液泵和電解液槽組成循環(huán)式供液過濾系統(tǒng)，為電解加工提供加工介質(zhì)。

機(jī)床本體為三軸加工機(jī)床，其中Z軸為加工進(jìn)給軸，重復(fù)定位精度為6μm，要求既可在空行程時高速進(jìn)給（進(jìn)給速度mm/sec），又可低速高精度加工進(jìn)給(mm/sec)；XY 兩軸為平臺定位軸，用于對被夾持工件對準(zhǔn)陰極頭，重復(fù)定位精度10μm。

2 控制硬件構(gòu)架

“NC嵌入PC ”的開放式數(shù)控系統(tǒng)，采用多軸運(yùn)動控制器作為嵌入式NC部件，通過計算機(jī)插槽或其他通信接口與控制計算機(jī)相連，組成上下位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)。本文采用PMAC2-PCI LITE為NC部件（下位機(jī)）。

上位機(jī)采用EVOC的IPC810H工業(yè)控制計算機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)以PCI插槽作為硬件接口。下位機(jī)與機(jī)床的連接，采用不同功能的接口卡完成。ACC-8S是專為伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)設(shè)計的兩軸接口卡，可輸出“脈沖+方向”控制信號，接入回零、正負(fù)限位等I/O信號，它通過50Pin扁平電纜與PMAC的JMACH端口相連。安川伺服驅(qū)動器和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的控制信號、編碼器的反饋信號以及行程限位開關(guān)觸點(diǎn)可直接接入ACC-8S。ACC-34AA是一塊通用I/O接口卡，它通過26Pin電纜與PMAC的JTHW端口相連，倍率波段開關(guān)、報警復(fù)位、急停開關(guān)輔助觸點(diǎn)、電源柜短路保護(hù)報警信號等機(jī)床I/O信號均接入ACC-34AA，并在PMAC中通過M變量訪問。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖 1 電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計

3.1 軟件構(gòu)架

“NC嵌入PC”式開放式數(shù)控系統(tǒng)要求上下位機(jī)之間保持良好的通信，才能滿足控制系統(tǒng)的要求。因上位機(jī)一般采用較為高級且完善的用戶操作系統(tǒng)（Windows或Linux等），故多采用上位機(jī)訪問下位機(jī)的方式進(jìn)行通信，采用上下位聯(lián)合編程的方法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能，其中，下位機(jī)上運(yùn)行運(yùn)動程序和PLC程序，上位機(jī)上運(yùn)行人機(jī)界面，用于機(jī)床狀態(tài)顯示、與操作者的交互操作以及工藝數(shù)據(jù)的管理和存儲等非實(shí)時任務(wù)，如圖 2所示。

3.2 機(jī)床PLC程序編制

PLC程序是一類特殊的程序，一旦系統(tǒng)啟動，它將按照硬件PLC的模式，往復(fù)循環(huán)地執(zhí)行，并根據(jù)編制的代碼對不同的條件進(jìn)行響應(yīng)[7]。在電解加工機(jī)床控制系統(tǒng)中，PLC程序的主要功能包括：初始化PLC運(yùn)行序列，I/O響應(yīng)，暫停、急停與報警清除響應(yīng)，回零。如表 1所示。

圖 2 電解加工機(jī)床軟件構(gòu)架

表1 電解加工機(jī)床PLC功能列表

3.3 I/O讀寫

I/O變量的讀取和寫入是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的基本功能，也是編制PLC程序的前提。在進(jìn)行I/O讀取操作中，PMAC采用M變量訪問I/O口[8]。TWS變量是一種專用于讀寫ACC-34系列接口卡中數(shù)據(jù)的M變量，它直接指向I/O口寄存器。但TWS變量是全32位字（full 32-bit word）變量，以串行方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，讀出和寫入任何一個I/O口都要刷新整個TWS變量，且該類型變量不能被運(yùn)動程序和前臺PLC程序直接訪問。為了避免PMAC執(zhí)行耗時的TWS字分解/合并任務(wù)，同時使任意類型的程序都能訪問獨(dú)立的I/O口，采用定點(diǎn)M變量作為映射字間接訪問I/O口，并以后臺PLC程序交換映射字與TWS變量的數(shù)據(jù)。具體方法如下（分號后面表示注釋）：

對于輸入口，設(shè)置如下變量：

M99-＞TWS:1；定義M99變量指向TWS:1

M100-＞D:$770；定義M100變量指向48位定點(diǎn)寄存器

M101-＞Y:$770,0；定義M101變量指向$770寄存器低位內(nèi)存的第0位

M102-＞Y:$770,1；定義M102變量指向$770寄存器低位內(nèi)存的第1位

……

M124-＞Y:$770,23；定義M124變量指向$770寄存器低位內(nèi)存的第23位

M125-＞X:$770,0；定義M125變量指向$770寄存器高位內(nèi)存的第1位

同理，對于輸出口：

M199-＞TWS:6；定義M99變量指向TWS:6

M200-＞D:$771；定義M200變量指向48位定點(diǎn)寄存器

M201-＞Y:$771,0；定義M125變量指向$770寄存器高位內(nèi)存的第1位

以PLC2交換映射字與TWS變量的數(shù)據(jù)，使映射字與TWS變量保持同步，即不斷地將輸入口TWS變量拷貝到輸入口映射字M100中，使M100完全反映輸入口狀態(tài)；將輸出口映射字M200拷貝到輸出口TWS變量中，是輸出口按M200的值改變狀態(tài)。PLC2內(nèi)容如下：

OPEN PLC2；打開PLC程序

CLEAR；清空緩沖區(qū)

M100=M99；將輸入口映射字內(nèi)容拷貝到輸入口TWS變量中

M199=M200；將輸出口TWS變量內(nèi)容拷貝到輸出口映射字中

CLOSE

3.4 回零功能

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)床Z軸沒有安裝機(jī)械零點(diǎn)行程開關(guān)，故在回零時采用機(jī)床Z軸上限位兼做機(jī)械零點(diǎn)使用，并將采用“回零偏置”變量Ix26將零點(diǎn)向下偏置以脫離限位行程開關(guān)。PMAC本身提供了回零在線指令home，但由于機(jī)床機(jī)械減速比很大，而回零偏置變量Ix26的上限為8388607個脈沖，超過該值將產(chǎn)生溢出，該數(shù)值不足以使限位擋塊完全脫離限位行程開關(guān)，故編制了PLC4實(shí)現(xiàn)回零功能，當(dāng)回零指令使機(jī)床Z軸到達(dá)Ix26設(shè)定的最大值后，采用Jog指令使Z軸繼續(xù)向下運(yùn)動，使Z軸上限位形成開關(guān)脫離限位擋塊并將當(dāng)前位置設(shè)為零點(diǎn)。

3.5 振動進(jìn)給功能

振動進(jìn)給功能是電解加工機(jī)床的一種加工進(jìn)給方式，陰極頭按照用戶設(shè)定的振幅和進(jìn)給速度做往復(fù)運(yùn)動靠近和脫離被加工零件，每次往復(fù)運(yùn)動進(jìn)給一定步距。文獻(xiàn)[9]采用小長度曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，以機(jī)械的方式實(shí)現(xiàn)振動進(jìn)給。在HFGPECM-Ⅱ型電解加工機(jī)床中，交流伺服電機(jī)具有優(yōu)異的動態(tài)加減速性能和較高的位置運(yùn)動控制精度，采用軟件控制的方法，不但可以充分發(fā)揮機(jī)床本身的運(yùn)動性能，還可以讓用戶根據(jù)不同材料、不同電流、不同電解液成分采用不同的工藝參數(shù)，靈活修改振幅、進(jìn)給速度和進(jìn)給步距，獲得更好的加工效果。采用上下位混合編程的方法，以循環(huán)方式編寫運(yùn)動程序（Program程序），下載并保存在PMAC中，上位界面調(diào)用和觸發(fā)該運(yùn)動程序?qū)崿F(xiàn)振動進(jìn)給功能。流程圖如圖 3所示。

4 結(jié)論

本文采用“NC嵌入PC”開放式構(gòu)架，以PMAC運(yùn)動控制卡與工業(yè)控制計算機(jī)組建了高頻群脈沖電解加工機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，并開發(fā)了相應(yīng)的應(yīng)用軟件。功能強(qiáng)大的下位運(yùn)動控制卡保證了數(shù)控系統(tǒng)控制精度，上位計算機(jī)上成熟的操作系統(tǒng)和開發(fā)工具使用戶操作界面友好、系統(tǒng)穩(wěn)定性好。兩者結(jié)合縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期、降低了開發(fā)成本，成功應(yīng)用于HFGPECM-Ⅱ型高頻群脈沖電解加工機(jī)床上，并進(jìn)行了相關(guān)的測試，用戶反映良好。

圖 3 振動進(jìn)給程序流程圖

[1] 郇極,尹旭峰.基于數(shù)字伺服現(xiàn)場總線技術(shù)的開放式數(shù)控系統(tǒng)[J].中國機(jī)械工,1999(10):1132-1134.

[2] 戴曉華,王文,王威,秦興,陳子辰.開放式數(shù)控系統(tǒng)研究綜述[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù),2000(11):5-7.

[3] 李淑萍,崔延.基于PMAC的電火花成型加工機(jī)床控制系統(tǒng)的研究[J].蘇州大學(xué)學(xué)報(工科版)2007(12):38-41.

[4] 王強(qiáng),羅學(xué)科,謝富春.基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)在全自動打膠機(jī)中的應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù),2006(02):85-87.

[5] 陳松敏,康敏.基于PMAC卡的數(shù)控超聲加工控制系統(tǒng)開發(fā)[J].現(xiàn)代制造工程2008(02):61-63.

[6] PCOMM32PRO SOFTWARE REFERENCE MANUAL,DELTA TAU Data System, Inc.

[7] PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL,DELTA TAU Data System, Inc.

[8] Accessory 34AA USER MANUAL, DELTA TAU Data System, Inc.

[9] 沈健,陳心昭,朱樹敏.振動進(jìn)給與脈沖電流電解加工的工藝特性[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報2002(03):110-114.