开放式数控系统在高频群脉冲电解加工机床中的应用研究

王 强 ，张之敬，殷 亮

（北京理工大学 机械与车辆学院， 北京 100081）

0 引言

高频群脉冲电解加工具有高效低成本、可加工材料范围广、工件表面无应力残留、无热变形等优点。根据阴极头设计的不同，可加工圆孔、方孔以及其它异形孔类特征，可用于引信、武器弹药等系统上薄片类微小型结构件异形特征的精密加工。

现有的封闭式数控系统大多面向金属切削机床设计，其操作界面、工艺参数、数控指令等都按照车削、铣削等加工方法开发，而对于电解加工等特种加工，尚无可直接可应用的数控系统。近些年来，开放式数控系统以其良好的硬件开放性、优秀的软件可定制性以及更少的开发成本和更短的开发周期，使其在各种专机的数控系统开发中得到广泛应用[1,2]。在几种不同开放式数控系统中，尤其以“NC 嵌入PC”式开放式数控系统技术最为成熟、应用最多[3～5]。

本文采用Delta Tau公司的PMAC2-PCI LITE与EVOC的IPC810H工业控制计算机组成“NC 嵌入PC”开放式数控系统，以Window为上位操作系统，以Visual Basic6.0为开发工具，实现了对HFGPECM-Ⅱ型高频群脉冲电解加工机床的控制。

1 控制功能分析

高频群脉冲电解加工机床，由机床本体、超高频群脉冲电源、电气控制柜以及电解液泵和电解液槽等附属设备构成。其中，超高频群脉冲电源产生用于加工的超高频群脉冲电流；电气控制柜是机床控制系统的硬件载体，用于整个电解加工机床的运动控制操作；电解液泵和电解液槽组成循环式供液过滤系统，为电解加工提供加工介质。

机床本体为三轴加工机床，其中Z轴为加工进给轴，重复定位精度为6μm，要求既可在空行程时高速进给（进给速度mm/sec），又可低速高精度加工进给(mm/sec)；XY 两轴为平台定位轴，用于对被夹持工件对准阴极头，重复定位精度10μm。

2 控制硬件构架

“NC嵌入PC ”的开放式数控系统，采用多轴运动控制器作为嵌入式NC部件，通过计算机插槽或其他通信接口与控制计算机相连，组成上下位机的硬件结构。本文采用PMAC2-PCI LITE为NC部件（下位机）。

上位机采用EVOC的IPC810H工业控制计算机。上位机与下位机以PCI插槽作为硬件接口。下位机与机床的连接，采用不同功能的接口卡完成。ACC-8S是专为伺服电机和步进电机设计的两轴接口卡，可输出“脉冲+方向”控制信号，接入回零、正负限位等I/O信号，它通过50Pin扁平电缆与PMAC的JMACH端口相连。安川伺服驱动器和步进电机驱动器的控制信号、编码器的反馈信号以及行程限位开关触点可直接接入ACC-8S。ACC-34AA是一块通用I/O接口卡，它通过26Pin电缆与PMAC的JTHW端口相连，倍率波段开关、报警复位、急停开关辅助触点、电源柜短路保护报警信号等机床I/O信号均接入ACC-34AA，并在PMAC中通过M变量访问。控制系统硬件结构如图 1所示。

图 1 电解加工机床控制系统硬件结构图

3 软件设计

3.1 软件构架

“NC嵌入PC”式开放式数控系统要求上下位机之间保持良好的通信，才能满足控制系统的要求。因上位机一般采用较为高级且完善的用户操作系统（Windows或Linux等），故多采用上位机访问下位机的方式进行通信，采用上下位联合编程的方法，实现系统的控制功能，其中，下位机上运行运动程序和PLC程序，上位机上运行人机界面，用于机床状态显示、与操作者的交互操作以及工艺数据的管理和存储等非实时任务，如图 2所示。

3.2 机床PLC程序编制

PLC程序是一类特殊的程序，一旦系统启动，它将按照硬件PLC的模式，往复循环地执行，并根据编制的代码对不同的条件进行响应[7]。在电解加工机床控制系统中，PLC程序的主要功能包括：初始化PLC运行序列，I/O响应，暂停、急停与报警清除响应，回零。如表 1所示。

图 2 电解加工机床软件构架

表1 电解加工机床PLC功能列表

3.3 I/O读写

I/O变量的读取和写入是机床数控系统的基本功能，也是编制PLC程序的前提。在进行I/O读取操作中，PMAC采用M变量访问I/O口[8]。TWS变量是一种专用于读写ACC-34系列接口卡中数据的M变量，它直接指向I/O口寄存器。但TWS变量是全32位字（full 32-bit word）变量，以串行方式进行数据传输，读出和写入任何一个I/O口都要刷新整个TWS变量，且该类型变量不能被运动程序和前台PLC程序直接访问。为了避免PMAC执行耗时的TWS字分解/合并任务，同时使任意类型的程序都能访问独立的I/O口，采用定点M变量作为映射字间接访问I/O口，并以后台PLC程序交换映射字与TWS变量的数据。具体方法如下（分号后面表示注释）：

对于输入口，设置如下变量：

M99-＞TWS:1；定义M99变量指向TWS:1

M100-＞D:$770；定义M100变量指向48位定点寄存器

M101-＞Y:$770,0；定义M101变量指向$770寄存器低位内存的第0位

M102-＞Y:$770,1；定义M102变量指向$770寄存器低位内存的第1位

……

M124-＞Y:$770,23；定义M124变量指向$770寄存器低位内存的第23位

M125-＞X:$770,0；定义M125变量指向$770寄存器高位内存的第1位

同理，对于输出口：

M199-＞TWS:6；定义M99变量指向TWS:6

M200-＞D:$771；定义M200变量指向48位定点寄存器

M201-＞Y:$771,0；定义M125变量指向$770寄存器高位内存的第1位

以PLC2交换映射字与TWS变量的数据，使映射字与TWS变量保持同步，即不断地将输入口TWS变量拷贝到输入口映射字M100中，使M100完全反映输入口状态；将输出口映射字M200拷贝到输出口TWS变量中，是输出口按M200的值改变状态。PLC2内容如下：

OPEN PLC2；打开PLC程序

CLEAR；清空缓冲区

M100=M99；将输入口映射字内容拷贝到输入口TWS变量中

M199=M200；将输出口TWS变量内容拷贝到输出口映射字中

CLOSE

3.4 回零功能

由于机械结构紧凑，机床Z轴没有安装机械零点行程开关，故在回零时采用机床Z轴上限位兼做机械零点使用，并将采用“回零偏置”变量Ix26将零点向下偏置以脱离限位行程开关。PMAC本身提供了回零在线指令home，但由于机床机械减速比很大，而回零偏置变量Ix26的上限为8388607个脉冲，超过该值将产生溢出，该数值不足以使限位挡块完全脱离限位行程开关，故编制了PLC4实现回零功能，当回零指令使机床Z轴到达Ix26设定的最大值后，采用Jog指令使Z轴继续向下运动，使Z轴上限位形成开关脱离限位挡块并将当前位置设为零点。

3.5 振动进给功能

振动进给功能是电解加工机床的一种加工进给方式，阴极头按照用户设定的振幅和进给速度做往复运动靠近和脱离被加工零件，每次往复运动进给一定步距。文献[9]采用小长度曲柄滑块机构，以机械的方式实现振动进给。在HFGPECM-Ⅱ型电解加工机床中，交流伺服电机具有优异的动态加减速性能和较高的位置运动控制精度，采用软件控制的方法，不但可以充分发挥机床本身的运动性能，还可以让用户根据不同材料、不同电流、不同电解液成分采用不同的工艺参数，灵活修改振幅、进给速度和进给步距，获得更好的加工效果。采用上下位混合编程的方法，以循环方式编写运动程序（Program程序），下载并保存在PMAC中，上位界面调用和触发该运动程序实现振动进给功能。流程图如图 3所示。

4 结论

本文采用“NC嵌入PC”开放式构架，以PMAC运动控制卡与工业控制计算机组建了高频群脉冲电解加工机床数控系统，并开发了相应的应用软件。功能强大的下位运动控制卡保证了数控系统控制精度，上位计算机上成熟的操作系统和开发工具使用户操作界面友好、系统稳定性好。两者结合缩短了系统开发周期、降低了开发成本，成功应用于HFGPECM-Ⅱ型高频群脉冲电解加工机床上，并进行了相关的测试，用户反映良好。

图 3 振动进给程序流程图

[1] 郇极,尹旭峰.基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统[J].中国机械工,1999(10):1132-1134.

[2] 戴晓华,王文,王威,秦兴,陈子辰.开放式数控系统研究综述[J].组合机床与自动化加工技术,2000(11):5-7.

[3] 李淑萍,崔延.基于PMAC的电火花成型加工机床控制系统的研究[J].苏州大学学报(工科版)2007(12):38-41.

[4] 王强,罗学科,谢富春.基于PMAC的开放式数控系统在全自动打胶机中的应用[J].机电工程技术,2006(02):85-87.

[5] 陈松敏,康敏.基于PMAC卡的数控超声加工控制系统开发[J].现代制造工程2008(02):61-63.

[6] PCOMM32PRO SOFTWARE REFERENCE MANUAL,DELTA TAU Data System, Inc.

[7] PMAC/PMAC2 SOFTWARE REFERENCE MANUAL,DELTA TAU Data System, Inc.

[8] Accessory 34AA USER MANUAL, DELTA TAU Data System, Inc.

[9] 沈健,陈心昭,朱树敏.振动进给与脉冲电流电解加工的工艺特性[J].农业机械学报2002(03):110-114.