胡 磊，薄其樂(lè)，張 豪，王永青

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 現(xiàn)代制造研究所，遼寧 大連 116024)

0 引言

鏡像加工方法能夠保證大型薄壁件銑削加工時(shí)的局部剛度，減小工件顫振，提高加工效率和加工精度，是解決大型薄壁件制造難題的有效途徑[1-3]。面向大型薄壁構(gòu)件鏡像銑削過(guò)程，不僅需要滿足常規(guī)數(shù)控系統(tǒng)的多軸聯(lián)動(dòng)功能，還需要具備多參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等開放式軟件功能[4]。FANUC、SIEMENS等傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)屬于封閉式系統(tǒng)[5]，開放性不足，不能滿足鏡像加工裝備的多功能要求。王云平等[6]開發(fā)了一種以PC機(jī)為基礎(chǔ)，運(yùn)動(dòng)控制卡為核心的開放式軋輥磨床數(shù)控系統(tǒng)，保證了機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性。張生芳等[7]分析了基于PMAC的開放式軟件系統(tǒng)中提高定位精度的具體方法，采用合理的伺服控制方法應(yīng)用于航天薄壁件加工中，取得了良好的效果。

本文開發(fā)了基于PMAC的開放式薄壁構(gòu)件鏡像加工控制系統(tǒng)，通過(guò)與IPC結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了面向大型薄壁構(gòu)件鏡像加工功能的定制開發(fā)。采用模塊化設(shè)計(jì)方法，基于Visual 6.0中MFC平臺(tái)，采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)方法設(shè)計(jì)了大型薄壁構(gòu)件鏡像加工軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)包括線激光測(cè)量、超聲測(cè)量、加工管理和狀態(tài)監(jiān)測(cè)四大功能模塊，不僅具有快速響應(yīng)、操作簡(jiǎn)單等性能，同時(shí)滿足大型薄壁構(gòu)件鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的多參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、程序代碼自動(dòng)生成等功能要求。并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該軟件系統(tǒng)的性能。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)和功能

本鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用雙立柱對(duì)稱結(jié)構(gòu)布局，弧形工件立式裝夾，共有8個(gè)數(shù)控軸，單側(cè)4聯(lián)動(dòng)。使用3個(gè)ACC-24E2A型運(yùn)動(dòng)控制卡控制機(jī)床8個(gè)伺服軸、1個(gè)手輪脈沖編碼器，其中在Z1、Z2軸安裝光柵尺保證精度，電主軸通過(guò)變頻器連接在ACC-24E2A型運(yùn)動(dòng)控制卡的模擬量輸出口，使用1個(gè)ACC-11E型I/O 板卡接受控制面板輸入量實(shí)現(xiàn)機(jī)床電氣控制系統(tǒng)。

圖1 鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)

本鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的功能分為非實(shí)時(shí)管理功能和實(shí)時(shí)控制功能兩大類[8-9]。非實(shí)時(shí)管理功能包括多參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、代碼生成等。實(shí)時(shí)控制功能包括數(shù)控代碼解釋、插補(bǔ)處理、伺服驅(qū)動(dòng)、PLC 監(jiān)控等[10]，控制機(jī)床當(dāng)前運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作響應(yīng)。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，使軟件具有開放性，各模塊既可獨(dú)立運(yùn)行，互不影響，又可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互傳輸，同時(shí)可以隨時(shí)增加開發(fā)新的功能模塊[11]，其軟件框架和主要功能如圖2所示。

軟件系統(tǒng)主要分為4大模塊：線激光測(cè)量模塊、超聲測(cè)量模塊、加工管理模塊和狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊。其中，加工管理模塊為機(jī)床軟件系統(tǒng)主模塊，主要實(shí)現(xiàn)加工代碼自動(dòng)生成、代碼檢查、代碼傳輸下載等功能，保證加工過(guò)程自動(dòng)化。線激光測(cè)量模塊、超聲測(cè)量模塊和狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊是輔助模塊。線激光測(cè)量模塊實(shí)現(xiàn)線激光參數(shù)設(shè)置、采樣路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)等功能，獲取待加工工件輪廓信息。超聲測(cè)量模塊主要實(shí)現(xiàn)超聲測(cè)量參數(shù)設(shè)置、測(cè)量路徑規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)等功能，獲取工件加工前后厚度信息。狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床系統(tǒng)信息及加工過(guò)程動(dòng)態(tài)支撐力和局部法矢。

圖2 薄壁件鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件功能結(jié)構(gòu)

2.2 軟件系統(tǒng)的通訊

由于各個(gè)模塊及上下位機(jī)之間需要共享數(shù)據(jù)，因此實(shí)現(xiàn)各個(gè)硬件模塊之間的通訊是開發(fā)軟件系統(tǒng)的第一步。整個(gè)軟件系統(tǒng)的通訊包括上位機(jī)IPC與PMAC 的通訊, 上位機(jī)IPC與激光測(cè)量系統(tǒng)的通訊，上位機(jī)IPC與超聲測(cè)量系統(tǒng)的通訊，上位機(jī)IPC與渦流測(cè)量系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)力測(cè)量系統(tǒng)的通訊。

上位機(jī)IPC與PMAC的通訊硬件上采用USB通信，軟件上，使用Delta Tau公司提供的PcommSever通信驅(qū)動(dòng)程序庫(kù)。PcommSever提供了基于Windows操作系統(tǒng)下的400多個(gè)函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)幾乎所有與PMAC有關(guān)的功能，常用函數(shù)如下:

pamcDevice.SelectDevice();

pamcDevice.Download();

pamcDevice.GetResponseEx()。

上位機(jī)IPC與激光測(cè)量系統(tǒng)的通訊采用以太網(wǎng)連接，主要應(yīng)用函數(shù)如下：

m_pLLT = new CInterfaceLLT ("LLT.dll", &bLoadError);

m_pLLT-> GetActualProfile();

m_pLLT->ConvertProfile2Values()。

上位機(jī)IPC與超聲測(cè)量系統(tǒng)的通訊硬件上采用PCI總線連接，其主要函數(shù)如下：

InitWinWave();

GetDispBuf()。

上位機(jī)IPC與動(dòng)態(tài)力測(cè)量系統(tǒng)和渦流測(cè)量系統(tǒng)采用USB通信，主要應(yīng)用函數(shù)如下：

DRV_DeviceOpen();

m_DevFeatures.glGainList()。

2.3 軟件系統(tǒng)模塊功能開發(fā)

由于軟件系統(tǒng)功能模塊較多，利用Visual 6.0中MFC平臺(tái)，采用基于對(duì)話框的分類設(shè)計(jì)方法。對(duì)話框編程的優(yōu)點(diǎn)是易于放置控件來(lái)和用戶進(jìn)行交互，分類設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可繼承，封裝，便于修改和后續(xù)開發(fā)，便于保護(hù)代碼不被任意篡改和維護(hù)，可移植性和重用性高。

軟件系統(tǒng)主對(duì)話框如圖3所示，主對(duì)話框由類CCMainDialogAppDlg組成，在初始化函數(shù)InitInstance()中初始化對(duì)話框，在Paint()函數(shù)中加載圖片，完成主對(duì)話框的顯示。主對(duì)話框上增加四個(gè)按鈕：線激光、加工、PMAC、超聲，單擊線激光、加工、超聲按鈕分別進(jìn)入相應(yīng)的子對(duì)話框，子對(duì)話框的組成類為主對(duì)話框類CCMainDialogAppDlg的子類，繼承了主對(duì)話框類中有關(guān)機(jī)床系統(tǒng)狀態(tài)和工件加工狀態(tài)的變量和函數(shù)。單擊PMAC按鈕進(jìn)入PAMC系統(tǒng)軟件PEWIN32。子對(duì)話框都為模式對(duì)話框，其優(yōu)點(diǎn)是保證只有1個(gè)子對(duì)話框處于激活狀態(tài)，防止用戶誤操作。

圖3 軟件系統(tǒng)主對(duì)話框界面

線激光測(cè)量模塊分為測(cè)量和參數(shù)設(shè)置兩個(gè)子對(duì)話框，其界面如圖 4所示。測(cè)量子對(duì)話框由CMeasureOperationDlg類組成，其包含了激光傳感器的測(cè)量速度和測(cè)量結(jié)果等參數(shù)以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理函數(shù)，主要用于工件輪廓信息的獲取和后續(xù)數(shù)據(jù)處理，并將其傳輸?shù)郊庸す芾砟K，用于后續(xù)加工軌跡規(guī)劃。參數(shù)設(shè)置子對(duì)話框由CMeasureParametreDlg類組成，其封裝了需要設(shè)置的參數(shù)變量和相應(yīng)的處理函數(shù)，例如激光傳感器的采樣速度等參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸、測(cè)量程序生成等函數(shù)。

(a) 線激光測(cè)量模塊測(cè)量界面 (b) 線激光測(cè)量模塊參數(shù)設(shè)置界面圖4 線激光測(cè)量模塊界面

超聲測(cè)量模塊分為參數(shù)設(shè)置和超聲測(cè)量?jī)蓚€(gè)子對(duì)話框，其界面如圖 5所示。超聲測(cè)量子對(duì)話框由CUltrasonicMeasureOperationDlg類組成，包含了數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存和波形顯示等函數(shù)，實(shí)時(shí)顯示信號(hào)波形并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)處理并傳輸至加工管理模塊。超聲參數(shù)設(shè)置子對(duì)話框由CUltrasonicMeasureParametreDlg類組成，封裝了參數(shù)變量和相應(yīng)的處理函數(shù)，例如起始點(diǎn)基準(zhǔn)坐標(biāo)、采樣步長(zhǎng)、采樣速度、采樣范圍等參數(shù)和數(shù)據(jù)傳輸、程序生成等函數(shù)。

(a) 超聲測(cè)量模塊測(cè)量界面 (b) 超聲測(cè)量模塊參數(shù)設(shè)置界面圖5 超聲測(cè)量模塊界面

加工管理模塊分為加工參數(shù)設(shè)置和加工兩個(gè)子對(duì)話框，其界面如圖 6所示。加工子對(duì)話框由CMachineOperationDlg類組成，包含了代碼顯示、程序仿真、程序下載等函數(shù)。實(shí)時(shí)顯示機(jī)床位置信息和加工代碼，進(jìn)行加工代碼仿真。完成相關(guān)檢查后，系統(tǒng)將加工代碼傳輸至下位機(jī)PMAC并驅(qū)動(dòng)其完成加工。參數(shù)設(shè)置子對(duì)話框由CMachineParametreDlg類組成，封裝了工件加工的相關(guān)參數(shù)、存儲(chǔ)其他模塊數(shù)據(jù)和生成加工代碼的函數(shù)。

(a) 加工管理模塊加工管理界面 (b) 加工管理模塊參數(shù)設(shè)置界面圖6 加工管理模塊界面

狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊主要是為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)床狀態(tài)和加工過(guò)程中工件狀態(tài)，由于此功能在各個(gè)任務(wù)模塊中都要實(shí)現(xiàn)，故在主對(duì)話框CCMainDialogAppDlg類中添加相應(yīng)的變量和處理函數(shù)，由于每個(gè)子模塊對(duì)話框都是派生自類CCMainDialogAppDlg，可繼承其屬性完成狀態(tài)監(jiān)測(cè)。此模塊實(shí)時(shí)顯示機(jī)床系統(tǒng)狀態(tài)、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給倍率機(jī)床狀態(tài)和工件加工過(guò)程中局部法矢和動(dòng)態(tài)支撐力的變化，保證加工過(guò)程穩(wěn)定可控。

3 實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證該軟件系統(tǒng)的性能，在鏡像加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)工件進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，采用的工件為750mm×550mm×6mm的鋁7075。測(cè)試了上位機(jī)參數(shù)設(shè)置、工件信息獲取、加工軌跡規(guī)劃、加工過(guò)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。圖7為線激光傳感器獲取工件表面信息過(guò)程，圖8為加工過(guò)程中力傳感器和渦流傳感器監(jiān)測(cè)支撐力的變化和工件表面法矢的實(shí)驗(yàn)圖。

圖7 線激光傳感器測(cè)量過(guò)程

圖8 狀態(tài)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)圖

圖9為線激光傳感器測(cè)得的工件在機(jī)床坐標(biāo)系下的三維模型，線激光測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)精簡(jiǎn)等處理后共得有效數(shù)據(jù)點(diǎn)56000個(gè)，超聲傳感器測(cè)得相應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)工件厚度。依據(jù)此模型進(jìn)行了加工軌跡規(guī)劃，加工后工件剩余壁厚、表面質(zhì)量達(dá)到預(yù)期效果。圖10為加工過(guò)程中支撐力監(jiān)測(cè)結(jié)果，支撐力最小值230N，最大值598N。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取待加工工件的參數(shù)數(shù)據(jù)，能夠?qū)λ鶞y(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并自動(dòng)生成加工軌跡完成大型薄壁構(gòu)件鏡像加工。加工過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示系統(tǒng)具有良好的支撐效果，減小了加工過(guò)程中的工件顫振，提高了加工精度。該軟件系統(tǒng)集多參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能于一體 ，系統(tǒng)集成性好，操作界面簡(jiǎn)潔，同時(shí)具有高度的開放性，能夠兼容多類傳感器等硬件，滿足大型薄壁構(gòu)件的加工要求。

圖9 工件在機(jī)床坐標(biāo)系下的三維模型

圖10 加工過(guò)程中支撐力監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

鏡像加工方法能夠提高大型薄壁件銑削加工時(shí)過(guò)程中的局部剛度，減小工件顫振，提高加工效率和加工精度。本文基于IPC+PMAC的開放式軟件結(jié)構(gòu)，開發(fā)了鏡像加工軟件系統(tǒng)。該軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)大型薄壁構(gòu)件的多參數(shù)數(shù)據(jù)測(cè)量，加工軌跡自動(dòng)生成及加工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能。相比于傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)集多參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)交互、狀態(tài)監(jiān)測(cè)等開放式軟件功能于一體，為大型薄壁構(gòu)件鏡像加工提供了有效數(shù)據(jù)支持，提高了大型薄壁構(gòu)件加工精度和加工穩(wěn)定性。