隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，各種對稱、非對稱、非球曲面、甚至更為復(fù)雜的異形曲面零件的加工越來越引起世界各國制造業(yè)的高度重視。這些高精度的曲面類零件廣泛地應(yīng)用于武器裝備、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、能源及電子信息等領(lǐng)域的尖端設(shè)備中。曲面的超精密加工要求加工機(jī)床具有高精度、高剛度以及良好的動態(tài)性能，同時需要多軸聯(lián)動控制技術(shù)。因此，數(shù)控系統(tǒng)作為超精密機(jī)床的控制中心，已成為決定超精密曲面加工的關(guān)鍵性因素。目前，超精密機(jī)床多采用 NC ( Numerical Control) 嵌入 PC 型開放式數(shù)控系統(tǒng)。這種開放式數(shù)控系統(tǒng)具有可移植、可擴(kuò)展性、交互簡單、運用靈活等優(yōu)點。

　　文中根據(jù)超精密磨床磨削非球曲面的要求，依托PMAC 多軸運動控制卡和上位機(jī)工控機(jī)組成的開放式數(shù)控系統(tǒng)，基于 Windows 操作平臺，綜合運用 VC + +6. 0 和 PMAC 驅(qū)動程序進(jìn)行了數(shù)控系統(tǒng)的軟件開發(fā)。

1 PMAC 簡介

　　PMAC ( Programmable Multi-Axis Controller) 是由美國 Delta Tau 公司推出的具有開放式體系結(jié)構(gòu)的多軸運動控制器。PMAC 功能強(qiáng)大，性價比較高，具有精度高、響應(yīng)快、操作簡單等特點，它采用了 Motorola 的 DSP56 系列數(shù)字芯片，可以靈活運行多種高級語言，最多可以控制八軸同時運動。

　　PMAC 本身就是一臺完整的計算機(jī)，它不僅可以通過自己內(nèi)部的程序獨立運行，還可以與計算機(jī)連接起來進(jìn)行聯(lián)合運行; 它是集執(zhí)行 PLC 程序、伺服環(huán)更新、電機(jī)換向更新、資源管理以及與主機(jī)通訊于一體的多功能運動控制器，能夠執(zhí)行多個任務(wù)并對任務(wù)的優(yōu)先級做出正確的判斷。

　　PMAC 通過串口、 總線 ( PC、 PCI、 STD 或者VME) 或者雙端口 RAM 與主機(jī)通訊，通過特殊設(shè)計的 DSPGATES 用戶門陣列 IC 與各軸通訊。每個PMAC 卡都能控制 8 個軸，最多可以有 16 個 PMAC卡級聯(lián)。

　　基于 PMAC 的數(shù)控系統(tǒng)是開放式數(shù)控系統(tǒng)，這主要是由于 PMAC 硬件結(jié)構(gòu)的開放性和軟件結(jié)構(gòu)的開放性。其中硬件結(jié)構(gòu)的開放性是指它能夠與不同硬件平臺匹配、與各種伺服系統(tǒng)匹配、與各種檢測元件匹配以及與 PC 機(jī)采用多種方式進(jìn)行通信。軟件結(jié)構(gòu)的開放性是指其人機(jī)界面的對外開放性、數(shù)控功能的對外開放性和 PLC 功能的對外開放性以及控制系統(tǒng)定制的對外開放性。

2 超精密磨數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　2.1 超精密磨床的總體結(jié)構(gòu)

　　超精密磨床主要用于磨削半球面、非球曲面、圓環(huán)面等復(fù)雜曲面。由于機(jī)床具有高精度、高剛度、高穩(wěn)定性的運動部件及超精密驅(qū)動和反饋系統(tǒng)，具有 3個軸和 1 個超精密回轉(zhuǎn)工作臺，同時具備在位測量補(bǔ)償加工、砂輪在機(jī)修整和在線修銳功能，因此可以磨削超精密精度等級的復(fù)雜曲面。機(jī)床的總體布局如圖1 所示。

圖 1 機(jī)床的總體布局圖

　　超精密磨床主軸采用氣體靜壓主軸，精度高，熱變形小，回轉(zhuǎn)速度大。機(jī)床的 X 軸和 Z 軸采用液體靜壓導(dǎo)軌，導(dǎo)軌采用 T 形布局，剛度高，承載能力大，運動平穩(wěn)，直線運動精度高。同時采用了氣浮二維超精密回轉(zhuǎn)工作臺，即 B 軸，可以通過三軸或四軸聯(lián)動實現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工。機(jī)床 X 軸，Z 軸均采用直線電機(jī)驅(qū)動，減少了機(jī)械傳動的中間環(huán)節(jié)，增加了系統(tǒng)的動態(tài)剛度，減少了由于傳動帶來的跟隨誤差。

　　2.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件組成

　　該超精密磨床的數(shù)控系統(tǒng)是 NC 嵌入 PC 式開放式數(shù)控系統(tǒng)，即 PMAC 嵌入工控機(jī)中。如圖 2 所示，該系統(tǒng)的工控機(jī)采用研華公司的工控機(jī)，控制卡類型為 Turbo PMAC PCI Lite。該數(shù)控系統(tǒng)主要由上位機(jī)工業(yè)控制計算機(jī)、PMAC 運動控制器、伺服電機(jī)及其伺服驅(qū)動器、檢測反饋元件四部分組成。其核心部分是下位機(jī) PMAC 控制器。其中上位機(jī)與下位機(jī)通過 PCI總線通訊。同時由 ACC-8P 擴(kuò)展卡將 PMAC 的 JMACH接口信號與伺服驅(qū)動器和反饋信號連接起來。

　　上位機(jī)工控機(jī)具有存儲量大、運行速度快、操作靈活等特點，主要用于后臺管理、人機(jī)交互界面的開放性設(shè)計、程序編輯、運動處理及運動實時監(jiān)測等。下位機(jī) PMAC 具有實時性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、效率高等特點，主要用于前臺控制，包括各軸運動控制、插補(bǔ)運算、刀具補(bǔ)償、程序執(zhí)行、反饋信號接收和處理以及機(jī)床邏輯功能 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換等。在實際應(yīng)用中，用戶通過上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)相關(guān)的數(shù)據(jù)輸入、命令輸入、參數(shù)設(shè)定、程序編輯等準(zhǔn)備工作，然后通過 PCI總線與 PMAC 進(jìn)行通訊，再由 PMAC 根據(jù)上位機(jī)的要求發(fā)送指令給相應(yīng)的伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)來執(zhí)行相關(guān)指令，推動導(dǎo)軌到指定的位置或者使主軸和 B 軸按照指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。與此同時，光柵尺或者圓光柵作為檢測反饋元件將采集到的數(shù)據(jù)不斷地反饋給 PMAC，通過 PMAC 的復(fù)合反饋功能使系統(tǒng)具有較好的靜動態(tài)特性。

圖 2 基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 軟件設(shè)計概述

　　上位機(jī)軟件是基于 Windows 操作系統(tǒng)，使用VC + + 6. 0開發(fā)的。Delta Tau 公司為 PMAC 上位軟件開發(fā)提供了軟件開發(fā)包 PcommSever。PcommSever 是一個包含 50 多種函數(shù)功能的軟件包。上位機(jī)與PMAC 的通訊和數(shù)據(jù)交換都可以通過 PcommSever 中的函數(shù)來實現(xiàn)。

　　該系統(tǒng)軟件分為 4 個操作窗體，一個父窗體，3個子窗體，每個窗體及其功能都封裝成一個類。軟件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。父窗體是操作的主界面，如圖 4 所示。主界面的設(shè)計采用了模塊化設(shè)計思想，主要包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、初始化模塊、程序模塊、運動控制模塊、PID 調(diào)節(jié)模塊、輔助及其他模塊。

圖4 主界面

　　3.2 軟件系統(tǒng)的功能分析

　　軟件系統(tǒng)的設(shè)計充分體現(xiàn)了數(shù)控系統(tǒng)的開放性特點，如果該軟件不能滿足用戶需求，用戶可以根據(jù)自己的需要開發(fā)新的功能模塊。同時，系統(tǒng)軟件作為人機(jī)交互界面，可以通過軟件上的簡單操作與 PMAC 進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并將從 PMAC 得到的信息顯示在主界面上。此外，該軟件的模塊化設(shè)計使界面美觀簡潔、操作簡單、友好交互，可以減少操作者的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。打開系統(tǒng)軟件首先顯示登陸界面，以提示用戶在操作機(jī)床過程中應(yīng)該注意的問題。然后進(jìn)入系統(tǒng)的主界面，其中主界面的各個模塊的功能如下所示:

　　狀態(tài)監(jiān)測模塊: 此模塊包括各軸狀態(tài)監(jiān)測模塊，工作模態(tài)監(jiān)測模塊，進(jìn)給速度倍率監(jiān)測模塊。各軸狀態(tài)監(jiān)測模塊實時地監(jiān)測各軸電機(jī)是否上電和閉環(huán)、各軸是否處于運動狀態(tài)以及運動過程中是否觸及限位開關(guān)，同時實時動態(tài)地反映從 PMAC 采集回來的 X 軸和 Z 軸的實際位置以及 B 軸和 C 軸的轉(zhuǎn)動角度。工作模態(tài)監(jiān)測模塊反映此時機(jī)床處于哪種工作模式下，其中包括 JOG 運動模式、手輪輸入模式、自動運行模式、編輯模式、回零模式以及手動快速運動模式等。進(jìn)給速度倍率監(jiān)測模塊用以顯示進(jìn)給速率值的百分比。

　　初始化模塊: 此模塊的主要功能是給各個電機(jī)上電及閉環(huán)，其上電和閉環(huán)狀態(tài)會在狀態(tài)監(jiān)測模塊中顯示出來。

　　程序模塊: 此模塊由兩部分組成，除了主界面上的程序模塊外還包括一個程序編輯子界面 ( 如圖 5所示) 。主界面上的程序模塊用于打開下載前不需要進(jìn)行編輯的程序，然后進(jìn)行下載和運行。程序編輯子界面用于打開下載前需要編輯的程序，這時候可以通過該子界面打開程序，并對程序進(jìn)行編輯和保存，同時可以將程序下載到 PMAC 中或者將程序從 PMAC 讀取至上位機(jī)中。

圖 5 程序編輯子界面

　　運動控制模塊: 此模塊包括 JOG 運動控制模塊、B 軸和 C 軸控制模塊，用以設(shè)置各軸的運動位置、運動速度和運動方向，并使各軸進(jìn)行正反方向運動和回零運動。

　　PID 調(diào)節(jié)模塊: 此模塊用于打開 PID 調(diào)節(jié)相關(guān)的PmacTurningPro2 軟件和 PmacPlot32Pro2 軟件。此外，該模塊還設(shè)置了階躍信號整定和拋物線信號整定過程中可能出現(xiàn)的曲線形狀，并指出供用戶參考的相應(yīng)調(diào)節(jié)方法，以提高工作效率。

　　輔助功能及其他模塊: 此模塊包括油泵的開啟和關(guān)閉、氣泵和冷卻液的狀態(tài)監(jiān)測以及急停和退出軟件系統(tǒng)?；诎踩钥紤]，設(shè)置了電機(jī)閉環(huán)前必須開啟第7 期 董秋艷 等: 基于 PMAC 的超精密磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)的研究油泵和電機(jī)處于閉環(huán)時不能停止油泵的保護(hù)方法。

　　3.3 部分模塊功能的具體實現(xiàn)

　　軟件系統(tǒng)采用顯式鏈接的方式將 PcommSever. exe添加到 VC ++6. 0 的 MFC 程序中，由此導(dǎo)入了 Pcom-mSever. exe 中的封裝類 IPmacDevice。軟件系統(tǒng)的各個功能模塊都是基于 VC ++ 6. 0 的 MFC 程序框架，調(diào)用類 IPmacDevice 中的函數(shù)實現(xiàn)的。其中軟件的主要功 能 是 通 過 GetResponseEx ( dwDevice，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer ，＆Pstatus) 函數(shù)實現(xiàn)的。

　　對于整個系統(tǒng)軟件，要先解決上位機(jī)與 PMAC 的通訊問題。首先在程序中聲明 IPmacDevice 類型的全局 變 量 PmacDevice， 然 后 通 過 PmacDe-vice. SelectDevice ( NULL， ＆dwDevice， ＆pbSuccess )和 PmacDevice. Open ( dwDevice，＆pbSuccess) 函數(shù)建立通訊。

　　狀態(tài)監(jiān)測模塊要完成顯示狀態(tài)信息和更新界面信息的功能。例如 X 軸 ( 即#1 軸) 的運動狀態(tài)監(jiān)測是調(diào) 用 PmacDevice. GetResponseEx ( dwDevice， "M140" ，F(xiàn)ALSE，＆pAnswer，＆pStatus) 實現(xiàn)的。該函數(shù)向 PMAC 發(fā)送不同的 M 變量指令，并從 PMAC 得到響應(yīng)指令 pAnswer，然后將變量 pAnswer 轉(zhuǎn)換成 int型變量，判斷該 int 型變量的值得出此時電機(jī)是否上電。各軸位置信息的實時更新是通過定時器實現(xiàn)的，以 X 軸為例，X 軸的位置是通過定時器發(fā)送 WM_TIMER 消息，然后在 OnTimer ( ) 消息響應(yīng)函數(shù)中調(diào)用 GetResponseEx ( ) 函數(shù)向 PMAC 發(fā)送" #1p" 指令來更新的。此外，模塊中其他狀態(tài)監(jiān)測功能與 X軸的運動狀態(tài)監(jiān)測功能的實現(xiàn)方法基本一致。初始化模塊中，X 軸上電功能是通過函數(shù) GetRe-sponseEx ( ) 來改變變量 M7904 的值實現(xiàn)的。按下按鈕時，先判斷電機(jī)的上電狀態(tài)，如果電機(jī)未上電，則令 M7904 = 1 給電機(jī)上電，如果電機(jī)已上電，則令M7904 = 0 使電機(jī)斷電。同時利用定時器控件來改變當(dāng)前電機(jī)的上電狀態(tài)。其他初始化按鈕的實現(xiàn)方法基本類似。

　　JOG 運動控制模塊主要用來進(jìn)行加工前的對刀工作。速度控制通過改變變量 Ix22 來實現(xiàn)，其中 x 表示電機(jī)號。運動模式通過函數(shù) GetResponseEx ( ) 向PMAC 發(fā)送" #xj: " 和" #xj = " 指令來實現(xiàn)，而正負(fù)方向的運動通過向 PMAC 發(fā)送指令" #Xj + " 和"#Xj － " 來實現(xiàn)。

　　PID 調(diào)節(jié)模塊程序調(diào)用指令: WinExec( " C: \ Pro-gram Files \ Delta Tau \ PMAC Executive Pro2Suite \PmacTuningPro2 \ PmacTuningPro2. exe " ， SW _SHOWNORMAL )

　　程序模塊的部分功能實現(xiàn)指令如下:

　　程序運行指令: PmacDevice. GetResponseEx( dwDe-vice，command，0，＆pAnswer，＆pStatus)程序終止指令: PmacDevice. GetResponseEx( dwDe-vice，" A" ，0，＆pAnswer，＆pStatus)程序下載指令: PmacDevice. Download( dwDevice，filepath，1，1，1，1，＆pbSuccess) ; 其中 filepath 表示要打開的文件路徑。

　　程序上傳指令: PmacDevice. GetResponseEx( dwDe-vice，str，0，＆pAnswer，＆pStatus ) ; 其 中 str = LISTPROG N，N 表示需要上傳到主機(jī)的程序號。

4 結(jié)論

　　根據(jù)超精密磨床的特點和加工要求，設(shè)計開發(fā)了一套基于 PMAC 的開放式數(shù)控系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合的方式，上位機(jī)工控機(jī)負(fù)責(zé)后臺管理和人機(jī)交互，下位機(jī) PMAC 負(fù)責(zé)運動控制和信號處理; 采用模塊化的設(shè)計方法，基于 VC + + 的 MFC基礎(chǔ)類框架，調(diào)用 PMAC 軟件開發(fā)包的封裝類，形成了一套功能齊全、交互友好、可以進(jìn)行二次開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)軟件。該數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)周期短、成本低、具有良好的開放性，目前已在超精密磨床上投入使用，經(jīng)過長期可靠運行，可以滿足加工制造的要求。