基于PCI总线运动控制卡的开放式圆柱凸轮数控加工系统的开发

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0 前言

　　PC2NC 是当前流行的数控系统开放化途径,符合国际数控技术发展的最新潮流。也就是在PC 机硬件平台和操作系统的基础上,使用自己开发的硬件插卡(运动控制卡) ,来实现数控系统的功能。

　　传统的数控系统采用专用(专用硬件) 、封闭(软件的封闭性,不公布核心技术,无统一的通信协议) 的体系结构,整个系统缺乏灵活性、兼容性及可扩展性。随着用户需求的多样化,生产的批量化以及计算机技术的发展,传统的数控加工系统已经被更具灵活性、柔性的开放式数控系统所取代。因此作为开放式数控系统最终用户的加工企业,可以在标准的硬件和软件平台上,根据自己的需要,随时选购不同厂商生产的软硬件功能模块作为插件,嵌入自己的平台,重构自己的系统。

　　基于PC 总线开放式体系结构是当今CNC 系统发展的必然趋势。我们在充分利用C 机的开放的开发环境基础上,通过嵌入式运动控制卡来设计开发了一套圆柱凸轮数控加工系统。实践证明,以IPC 机为数控系统的硬件是切实可行的,由于IPC机的中断型硬件结构,加上合适的操作系统,能够很好地实现实时加工,并且能够方便地实现良好的人机界面、各种编辑、文件管理和图形显示等。

1 圆柱凸轮的加工

　　1.1 圆柱凸轮的加工方法

　　对于圆柱凸轮来说,过去多采用展成加工法,靠模仿形加工法等进行生产,劳动强度大,效率低同时精度也难保证。当前设计与加工圆柱凸轮轮廓,主要是借用CNC 成形技术通过加工中心来实现。尽管加工的精度与效率有了保证,但是加工成本高,数控编程比较困难。

　　为适应当前国内企业数控化程度不高的现状,降低成产成本,适应市场需要,我们在实际工作过程中通过对原有的普通数控铣床进行改造,尽量降低数控铣床的轴数,采用了三轴变两轴的加工方法,用增加了数控转盘的数控铣床来加工圆柱凸轮。

　　1.2 圆柱凸轮加工创成原理

　圆柱凸轮的加工一般需要同时进行三种运动,现以凸轮曲线为余弦加速度曲线(S= h0/2(1-cos(π

图1 　滚子运动轨迹及凸轮理论曲线展开图

　　(1) 凸轮随数控转盘作回转运动

　　(2) 铣刀沿X 轴作直线运动

　　(3) 铣刀在XY 坐标平面内作圆弧插补

　　经济型圆柱凸轮的加工系统采用了三轴变两轴的处理方法,需同时进行两种运动:

　　(1) 铣刀沿X 轴作直线运动

　　(2) 将铣刀在XY坐标平面上的圆弧插补运动中的Y向位移叠加在凸轮的理论曲线轨迹上各点的< 向位移上, 即将其附加在凸轮随数控转盘的回转运动中,于是得到图1 中的修正曲线。

2 系统硬件设计

　　2.1 系统要求

　　本数控系统以IPC 机为硬件开发平台并作为上位机通过PCI 总线与下位机(运动控制卡) 进行通信。同时铣床的位置信号通过编码器反馈到运动控制器,构成半闭环控制系统。

　　2.2 系统原理与框图

　　系统的硬件结构框图如图2 所示,其中IPC 机与运动控制卡进行双向通信并负责整个系统的管理。它是整个系统的核心,它的性能决定了整个系统的品质。运动控制卡(我们采用了ADLINK公司的PCI - 8132) 负责指令的执行,实现位置和速度控制。PCI28132 开发了上层数控软件,实现了两轴的位置、速度、加速度以及直线和圆弧插补等基本的数控功能。