基于PC的开放式数控系统微铣削伺服控制的研究

　　近年来,机床生产商和终端用户越来越感受到传统数控系统的封闭式体系结构带来的问题,随着用户需求的多样化,生产方式向着中小批量方向发展,要求数控系统更具柔性、灵活性和通用性。PC机技术的日益完善及软件资源的日益丰富,在数控领域中如何充分利用PC机资源,并将其功能集成到数控系统中去,发展基于PC的数控系统,已成为数控领域研究开发的重点[2~4]。

　　基于PC的开放式数控系统是当前较为理想的数控系统,根据实际应用场合与加工要求,允许用户的“个性化”开发,大大减小了成本,提高了系统的柔性化[5]。然而正是这种系统参数的不确定性,导致了用户需要对其伺服系统进行更多的调试,才能达到优化机床动态性能,提高数控系统控制精度的目的,因而有必要深入研究开放式数控系统下的机床伺服系统[6]。

　　本实验室在自行研制的微铣削机床试验台[1]的基础上,开发了基于PC的开放式数控系统,该系统可以通过手动或自动编程,实现机床三轴的运动控制;完成故障信号和辅助信号的监控与显示,实时检测机床运动状态量;基于开放式数控系统平台,开发伺服系统优化模块,可以自定义监控对象如位置、速度、转矩等信号,采用手动或自动的调节方法,实现对直线电机动态性能进行伺服参数调整和优化。通过在线测试的方法,深入研究和对比分析了伺服控制模式和运动模式对加工精度的影响,从而选择合适的模式,提高微铣削加工过程的高精密性。

　　1　开放式数控系统的硬件结构

　　开放式数控系统的构成要素应是模块化的,同时各模块之间的接口必须是标准化的,笔者所论述的“PC+运动控制器”型开放式数控系统的硬件构成如图1(a)所示。PC机通过PCI总线与运动控制卡相连接,利用高精度的微处理器可以实现复杂的控制算法和控制功能,驱动执行单元,实现数控系统的加工功能。其中核心部分是Galil公司的DMC1842高级运动控制器如图1(b);XY轴均采用Parker公司的406LXR型直线电机驱动平台,分别配置对应的驱动器;Z轴采用安川的伺服电机驱动滚珠滚轴丝杠平台;使用大功率气静压轴承电主轴,可实现最高转速100, 000 r/min。

　　整个硬件结构可主要分为3大块,分别是执行单元、监控系统以及辅助设备部分。执行单元根据控制器给定指令,完成数控机床的三轴及主轴运动;监控系统在线监控加工部件的状态,采集切削加工过程量,排除系统故障;辅助设备主要提供手轮运动、处理I/O开关量信号等,保证加工的顺利进行。

　　2　系统软件设计

　　开放式数控系统的开发主要是在Labwindows/CVI环境下进行,控制器Galil与Windows开发环境的交互通过动态链接库实现。主要包括两个库文件,其中DMCCOM.H涵盖了基础通讯路径函数,所有的Galil通讯程序必须包含该头文件;DMCMLIB.H则包含了运动相关的高级函数如椭圆、样条函数、S轮廓曲线以及三维螺旋状等复杂图形函数原型。