基于PCI總線運(yùn)動(dòng)控制卡的開(kāi)放式圓柱凸輪數(shù)控加工系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

0 前言

　　PC2NC 是當(dāng)前流行的數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化途徑,符合國(guó)際數(shù)控技術(shù)發(fā)展的最新潮流。也就是在PC 機(jī)硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,使用自己開(kāi)發(fā)的硬件插卡(運(yùn)動(dòng)控制卡) ,來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。

　　傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)采用專用(專用硬件) 、封閉(軟件的封閉性,不公布核心技術(shù),無(wú)統(tǒng)一的通信協(xié)議) 的體系結(jié)構(gòu),整個(gè)系統(tǒng)缺乏靈活性、兼容性及可擴(kuò)展性。隨著用戶需求的多樣化,生產(chǎn)的批量化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的數(shù)控加工系統(tǒng)已經(jīng)被更具靈活性、柔性的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)所取代。因此作為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)最終用戶的加工企業(yè),可以在標(biāo)準(zhǔn)的硬件和軟件平臺(tái)上,根據(jù)自己的需要,隨時(shí)選購(gòu)不同廠商生產(chǎn)的軟硬件功能模塊作為插件,嵌入自己的平臺(tái),重構(gòu)自己的系統(tǒng)。

　　基于PC 總線開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)是當(dāng)今CNC 系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。我們?cè)诔浞掷肅 機(jī)的開(kāi)放的開(kāi)發(fā)環(huán)境基礎(chǔ)上,通過(guò)嵌入式運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套圓柱凸輪數(shù)控加工系統(tǒng)。實(shí)踐證明,以IPC 機(jī)為數(shù)控系統(tǒng)的硬件是切實(shí)可行的,由于IPC機(jī)的中斷型硬件結(jié)構(gòu),加上合適的操作系統(tǒng),能夠很好地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)加工,并且能夠方便地實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)界面、各種編輯、文件管理和圖形顯示等。

1 圓柱凸輪的加工

　　1.1 圓柱凸輪的加工方法

　　對(duì)于圓柱凸輪來(lái)說(shuō),過(guò)去多采用展成加工法,靠模仿形加工法等進(jìn)行生產(chǎn),勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低同時(shí)精度也難保證。當(dāng)前設(shè)計(jì)與加工圓柱凸輪輪廓,主要是借用CNC 成形技術(shù)通過(guò)加工中心來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管加工的精度與效率有了保證,但是加工成本高,數(shù)控編程比較困難。

　　為適應(yīng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)企業(yè)數(shù)控化程度不高的現(xiàn)狀,降低成產(chǎn)成本,適應(yīng)市場(chǎng)需要,我們?cè)趯?shí)際工作過(guò)程中通過(guò)對(duì)原有的普通數(shù)控銑床進(jìn)行改造,盡量降低數(shù)控銑床的軸數(shù),采用了三軸變兩軸的加工方法,用增加了數(shù)控轉(zhuǎn)盤的數(shù)控銑床來(lái)加工圓柱凸輪。

　　1.2 圓柱凸輪加工創(chuàng)成原理

　圓柱凸輪的加工一般需要同時(shí)進(jìn)行三種運(yùn)動(dòng),現(xiàn)以凸輪曲線為余弦加速度曲線(S= h0/2(1-cos(π

圖1 　滾子運(yùn)動(dòng)軌跡及凸輪理論曲線展開(kāi)圖

　　(1) 凸輪隨數(shù)控轉(zhuǎn)盤作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

　　(2) 銑刀沿X 軸作直線運(yùn)動(dòng)

　　(3) 銑刀在XY 坐標(biāo)平面內(nèi)作圓弧插補(bǔ)

　　經(jīng)濟(jì)型圓柱凸輪的加工系統(tǒng)采用了三軸變兩軸的處理方法,需同時(shí)進(jìn)行兩種運(yùn)動(dòng):

　　(1) 銑刀沿X 軸作直線運(yùn)動(dòng)

　　(2) 將銑刀在XY坐標(biāo)平面上的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)中的Y向位移疊加在凸輪的理論曲線軌跡上各點(diǎn)的< 向位移上, 即將其附加在凸輪隨數(shù)控轉(zhuǎn)盤的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中,于是得到圖1 中的修正曲線。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)要求

　　本數(shù)控系統(tǒng)以IPC 機(jī)為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)并作為上位機(jī)通過(guò)PCI 總線與下位機(jī)(運(yùn)動(dòng)控制卡) 進(jìn)行通信。同時(shí)銑床的位置信號(hào)通過(guò)編碼器反饋到運(yùn)動(dòng)控制器,構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng)。

　　2.2 系統(tǒng)原理與框圖

　　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示,其中IPC 機(jī)與運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行雙向通信并負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的管理。它是整個(gè)系統(tǒng)的核心,它的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的品質(zhì)。運(yùn)動(dòng)控制卡(我們采用了ADLINK公司的PCI - 8132) 負(fù)責(zé)指令的執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)位置和速度控制。PCI28132 開(kāi)發(fā)了上層數(shù)控軟件,實(shí)現(xiàn)了兩軸的位置、速度、加速度以及直線和圓弧插補(bǔ)等基本的數(shù)控功能。