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贵州大学碗士学位论文基于p m a c 的球头立铣刀刃者设备数控系统管理软件开发研究 摘要 球头立铣刀是用数控机床加工复杂曲面的一种高效刀具，在模具制造、汽车 制造等领域有着广泛的应用。目前国内采用的刃磨方法主要有两类：一类是采用 简单的刃磨设备进行刃磨，这种方法不能获得所需的球头立铣刀合理结构参数； 另一类采用进口昂贵的五轴四联动刃磨机床进行刃磨，刃磨成本高。 本文以一种新的球头立铣刀刃磨加工数学模型为基础，并在本校设计和制造 的以p m a c ( 可编程多轴控制器) 为核心运动控制器的球头立铣刀数控刃磨设备 上开发了一套适合这种新的球头立铣刀刃磨设备的数控制管理软件。 根据球头立铣刀数控刃磨设备控制系统的特点，采用并行式双c p u 控制系统， 工业控制计算机作上位机，p m a c 构成下位机，将整个数控系统管理软件划分两个 部分：一是上位机软件，功能主要是提供简单易用人机操作界面，完成一些实时 性不强的工作。二是下位机软件，主要是采用参数化编程的思想，根据球头立铣 刀前刀面和后刀面的数学加工模型，编写球头立铣刀前刀面和后刀面刃磨加工加 工运动程序，在运行过程中实时生成空间运动轨迹点，控制刃磨设备运动平台的 运动完成整个加工刃磨过程。 本数控系统管理软件的上位机和下位机之间的通讯是由p m a c 自带 p c o m m 3 2 p r o 通讯驱动程序库所提供的函数完成。开发环境为v c 6 o + w i n d o w s 2 0 0 0 环境。 关键词：球头立铣刀；p m a c ；开放式数控系统；p c o m m 3 2 p r o 本项目由贵州省工业科技攻关项目资助 费懈大学磺士学位论吏 基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 a b s t r a c t t h eb a l l - n o s ee n dm i l l i n gc u r e ri so n ek i n do f h i g h l ye f f i c i e n tc u r i n gt 0 0 1 ni s u s e df o rm a c h i n i n gc o m p l e xs u r f a c eo nn cm a c h i n e ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l d so fd i e m a n u f a c t u r i n ga n dm o t o r c a rm a n u f a c t u r i n g p r e s e n t l yt h e r ea r et w os o r t so f m a c h i n e u s e dt om a n u f a c t u r et h eb a l l - n o s ee n dm i l l i n gc u t t e ri nc h i n a o n ei ss i m p l e g r i n d i n gd e v i c e ，w h i c hc a n to b t a i nt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e rd e s i r e d ，t h eo t h e ri s f i v e - a x i sa n df o u r - l i n k a g em a c h i n et o o l ，w h i c hi sv e r ye x p e n s i v e i nt h i sp a p e r , a u t h o rd e s i g na n dd e v e l o pas e to fm o t i o nc o n t r o lm a n a g e m e n t s o r w a r c 。w h i c hi sb a s e do nan e wk i n do fm e t h o du s e dt om a c h i n eb a l l - n o s ee n d m i l l i n g c u t t e ra n dan e wd a s i g n e d g r i n d i n ge q u i p m e n t c o n t r o l l e d b y p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i p l ea x i sc o n t r o l l e r ) t h em o t i o nc o n t r o lm a n a g e m e n ts o f t w a r ec o n s i s t so ft w op a r t s ：o n ei st h e s o r w a r cr u ni nu p p e rc o m p u t e r , i t sf u n c t i o n si st op r o v i d es i m p l ea n dc o n v e n i e n t m m i f m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ) t oc o m p l e t es o m eu n - r e a lt i m ew o r k s ；t h eo t h e ri st h e s o i t w a r er u ni np m a c ，i t sf u n c t i o ni st op r o v i d em o t i o nc o n t r o lp r o g r a m ，w h i c hi s c o m p i l e db a s e do np a r a r n e t e r i z a t i o n i nt h i sp r o g r a m ，t h eg r i n d i n gm a t h e m a t i c a l m o d e l so ft h em a j o rc u t t i n ge d g ea n dt h ef l a n ko ft h eb a l l n o s em i l l i n gc u r e ra r c c o m p i l e di n t ot h em o v i n gp r o g r a m t op r o d u c et h et h r e e d i m e n s i o n a lm o v i n gp o i n t s i nr e a lt i m et oc o n t r o lt h ee q u i p m e n tc o m p l e t et h ew h o l ep r o c e s so fg r i n d i n gt h e b a l l n o s em i l l i n gc u r e r st h em a j o rc u t t i n ge d g ea n dt h ef l a n k i nt h i ss o f t w a r e ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e rc o m p u t e ra n dp m a ci s l i n k e dt l o u g ht h ec o m m u n i c a t i o nd r i v e rp c o m m 3 2 p r op r o v i d e db yp m a c t h e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t o f t h es o f t w a r ei sv c 6 0 + w i n d o w s 2 0 0 0 k e yw o r d s ：b a l l - n o s ee n dm i l l i n gc u r e r ；p m a c ；o n c ；p c o m m 3 2 p r o - i i - 第一章绪论 1 1 课巍研究背景 球头立铣刀是数控机床加工复杂曲面的一种新型结构刀具，在模具制造、 汽车制造、航天航空、电子通讯产品制造等行业有着广泛的应用。资料表明， 在模具加工中，球头立铣刀的加工量占全部加工量的7 0 8 0 ，随着数控机床 在我国制造业的普及，球头立铣刀的需求量越来越大，目前国内的消耗量估计 在一百五十万只以上【l 】。因此球头立铣刀的生产具有广阔市场前景。 球头立铣刀是技术含量较高的产品，其刃磨是球头立铣刀生产的关键的工 序。本校在前人研究基础上提出了一种新的球头立铣刀加工方法，设计和制造 了一台采用p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 为核心控制器的四轴联动的专用球 头立铣刀数控刃磨设备，并和工具磨床相连，验证了新的球头立铣刀刃磨加工 方法，并获得了满意的加工效果。但在实现这个加工过程中，采用的控制软件 是p m a c 自带的p e w i n ，该软件作为d e l t at a u 公司的配套产品，其主要设计思 想是面向普遍的应用场合。因此在本校设计和制造的球头立铣刀刃磨设备上对 球头立铣刀进行刃磨控制加工的时候，采用p e w i n 进行控制，显得非常不便。 只能仅限于实验室里的专业技术人员进行使用。 球头立铣刀刃磨设备采用的核心控制器p m a c 是一种功能非常强大和完善 的开放式数控系统( 0 n c ) ，提供了良好的二次开发功能，我们在该数控系统的 基础上开发出一套适合本球头立铣刀刃磨设备和新的球头立铣刀刃磨加工数学 模型加工特点的数控管理软件。该软件的开发对于实现和促进本实验室设计和 制造的球头立铣刀刃磨设备和新的加工方法的产业化具有重要的实际意义。 1 2 球头立铣刀刃磨加工的现状 研究球头立铣刀的制造方法和工艺，并努力降低其生产成本成了近年来国 内的一个研究热点。 这方面研究方法很多，分别从不同角度、广度进行探索，但归结起来，主 塞! ! ! 查兰堡主量堡丝塞。苎王堂塑蔓茎塞墼卫翌璧堡量墼篓墨竺兰堡墼毪瑟2 塑塞 要有三种理论： 一是认为球头立铣刀的刃形是正交螺旋面和球面的交线，为“s ”形。石琳 等1 2 ，6 7 ，8 j 比较系统的阐述了以正交螺旋面和球面的交线为球刃的球头立铣刀的 结构模型，提出了用护轴线螺旋面作为周刃前刀面的模型，详细论述了用单一的 护轴线螺旋面代替串联复合曲面，并通过选取护轴线螺旋面的参数的合理搭配， 实现了周刃前刀面与球刃前刀面的光滑连接。以这种模型为依托，吴能章等【9 ，1 0 1 根据已建立的以正交螺旋面和球面的交线为球头立铣刀球刃的数学模型，按照等 后角的原理，应用砂轮轨迹法，建立后刀面的数学模型，为其数控加工编程提供 依据。 二是使刃磨砂轮在铅垂面内偏摆一个角度，铣刀的回转中心或砂轮的回转 中心偏离球心转动，同时球头铣刀绕其轴线转动形成球刃前刀面。易德明掣1 1 ，1 2 1 在分析球头立铣刀刃磨方法的基础上，应用这种理论建立了s 形刃球头立铣刀 前、后刀面以及切削刃的数学模型，在此基础上，推导了刃磨参数与结构参数 及设计参数的关系式，分析了刃磨参数的变化对设计参数的影响，这对于s 形 球头立铣刀的机械刃磨及专用刃磨机的设计有理论上的指导意义。唐余勇等【1 3 ， 1 4 ，1 5 , 1 6 】，应用微分几何的原理，建立基于该种前刀面形成理论的球头立铣刀刃 口模型，据此推导出最佳前刀面相应的设计制造仿真数学模型，并用实例计算 校验了模型的可靠性。提出了后刀面的非数控加工数学模型应用平面曲线 靠模代替空间曲线靠模进行加工，并设计出磨制后刀面相应的磨制机构，同时 分析了加工误差。 第三类是等螺旋角加工建模理论。立铣刀等刀具中的螺旋角的作用是改变 切屑流向，使切屑顺着螺旋槽流出，从而起到散热、减小阻力、防止切屑擦伤 已加工的工件表面等作用。因此将刀具中的螺旋角设计成等螺旋角，能使切屑 的流向保持一致，不产生紊乱。刀具螺旋角可以定义为：刀具刃口曲线上任意 一点p 处的螺旋角，等于刀刃方向与切削主运动方向夹角的余角，与刀具的刃 倾角相当【m 。根据该定义，刘鹤然导出了螺旋线的方程，通过证明球面几何的 一个新定理，方便地解决球头铣刀顶部斜刃与螺旋刃地光滑连接问题【1 8 1 。等螺 旋角加工的理论也用于球头立铣刀的修磨，郑皓璎等【1 9 1 根据等螺旋角加工原 理，提出了在三轴数控万能工具磨床上实现球头立铣刀修磨的方法，该方法是 夤螂大学磺士学位论文基于p m a c 的球头立铣刀刃摩设备雏粒系统管理软件开发研究 基于迭代寻优的磨削运动轨迹生成方法，在保证刃磨精度要求的同时，可获得 平稳的机床运动轨迹。该方法可推广应用于其他类型回转刀具的修磨。 传统的数学模型从理论上基本解决了球头立铣刀的结构设计和理论加工建 模，但对于加工实现来说，还存在一些问题。主要表现在理论上实现了球刃前 刀面与周刃前刀面的光滑连接，加工中却分别对其加工，降低了球头立铣刀的 精度；刃磨运动分析时，过于简化，把多轴联动的高精度机床才能完成的加工 简单化，造成了加工出来的铣刀达不到结构要求和精度要求。 1 3 球头立铣刀刃磨加工数学模型 1 3 1 加工理论数学模型 l 、球刃前刀面的数学模型【2 0 】 球刃前刀面的数学模型见图l - 1 ，以砂轮的外圆锥母线作为球刃前刀面的形 成母线，球刃前刀面是砂轮母线沿空间曲线运动形成，空间曲线是以球头的球 心为坐标原点作阿基米德螺旋线运动的同时，又绕铣刀轴线转动形成的。 前刀面的方程为： p r 三【愉一嘞s i r i 臼o s 妙一f o ( t a 驴i n 磅】+ ( t a 日o 豳i n 曲+ s i r 妇箩 y = 【编一c a ) s i n o s i r r o 一乇i 乜l q o 卿】+ ( t 羽脚s 砂 ( i - 1 ) i z = 一嘞c o 移+ 忡i n 魄i 彻+ c o 卿 衍口足是待求的刃磨参数，它们与球头立铣刀球刃前刀面和周刃前刀面的 光滑连接有关，与球头立铣刀球刃的形状和前刀面几何参数分布有关。 2 、周刃前刀面的数学模型 把球刃按上述方法形成后，仍然以砂轮的外圆锥母线作为形成母线，球头 立铣刀一方面仍然绕其轴线作转动，另一方面作轴线移动，形成的圆周刃螺旋 面即为周刃前刀面，见图卜2 。周刃前刀面的方程式为： x = r ；c o s ( 0 l r = r ，s i n c o z ：墨国 2 7 r ( 1 2 ) 通过对球头立铣刀周刃前刀面和球刃前刀面的光滑连接进行分析表明：采 用运动关系国= k s i n 8 ，优化刃磨参数k ，既可以获得较好的s 形刃，又可以 满足几何角度的要求。 3 、球头立铣刀后刀面的数学模型 在已建立的球头立铣刀前刀面加工数学模型的基础上，根据微分几何理论 以等主后角原理建立了后刀面的加工数学模型，见图卜3 。其砂轮中心的运动 轨迹为： 一z 一紧 风 i n o l 图1 - 1 球刃前刀面数学模型 蓍蓑萋裟唯 贵螂大学硕士学位论文基于珊枷的球头立铣刀刃瘩设备数控系统管理软件开发研究 图l - 2 周刃前刀面的数学模型图1 - 3 后刀面的数学模型 1 3 2 球头立铣刀的加工模型 根据已经建立的球头立铣刀前刀面数学模型，将球头立铣刀的公转运动b 分解为垂直于轴线和沿轴线的两个直线运动】。由于加工时砂轮的母线始终保 持与前刀面切触，因此通过寻找某一时刻前刀面上一点对应的砂轮母线，即求 砂轮端面大圆与刀槽槽底曲线的接触点。后刀面的刃磨是根据前刀面的加工方 法形成的主切削刃刃形，基于刃形计算后刀面刃磨运动，也可在同一刃磨设备 上实现，只是球头立铣刀和砂轮的相互安装位置有变化。 研究表明：采用砂轮圆锥母线作为前刀面形成母线的球头立铣刀前刀面数 学模型具有运动关系简明、刃磨参数调整简单的优点，同时能够一次刃磨出球 刃前刀面和周刃前刀面，实现了球刃前刀面和周刃前刀面的光滑连接。通过结 构参数和刃磨参数的优化，砂轮与球头立铣刀相对位置的确定，得到较合理的 球头立铣刀结构参数。 本文正是基于该球头立铣刀刃磨加工数学模型，以v c 6 0 语言为开发工具， 利用p m a c 开放式数控系统，二次开发适合本球头立铣刀刃磨设备的数控管理软 件。 蠹怖大学颟士学位论宜基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 f t 4 开放式数控系统摄述 本课题的研究和开发是在p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 的基础上进行，p m a c 是当今流行的一种开放式数控系统，其特性符合开放式数控系统的特点，下面对开 放式数控系统进行介绍【2 1 】。 开放式数控系统( o n c ) 是目前国际上最流行的新一代数控系统，它是数控技 术发展的必然趋势。其开放性的体系结构给c n c 生产厂家、机床制造厂和用户都带 来了很多益处。目前对开放性数控系统的研究以及应用在生产领域已经成为高等院 校、企业、研究所的研究热点。 1 4 1 开放式数控系统的定义和产生原因 参照i e e e 关于开放式数控系统( o n c ) 的定义，我们认为：一个真正意义 上的o n c 必须提供不同应用程序运行于同一系统平台之上的能力；提供具有面向 功能的动态重构工具；提供统一、标准化的应用程序界面；o n c 既有接口开放性的 一面，又有其本体开放性的一面。 o n c 是为了适应快速多变的加工需求并降低成本、缩短维护周期的需要，满 足迅速、高效、经济的面向客户的模块化特征和软硬件重构能力要求而产生。这 就使得数控系统的制造商、集成者和用户能够自由的选择数控装置、驱动装置、 伺服电机、应用软件等数控系统的各个构成要素，并用规范、简便的方法将这些 构成要素组合起来。 1 4 2 开放式数控系统的发展 开放式数控系统是各发达国家2 0 年代9 0 年代开始争先发展的新型控制器。美 国空军在政府的资助下率先开始了n g c ( 新一代控制器) 项目的研究，美国三大汽 车公司也联合研究了0 m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r ) 项目，建立 统一的结构标准。欧盟提出o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l l e r w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 体系标准并开发软件。日本政府也大力支持新一代智 能数控系统的研究。 o m a c 计划实施后，美国出现了新一轮的工厂自动化设备的改造和更新。基于 塞签杰昱曼圭氅鎏壅。茎王竺箜登墨兰墼卫罂薹堡鱼墼篓塞苎笪墨鍪! 要! 婆鍪 0 m a c 计划的数控控制器已经有“p 姒c 开放式多轴控制器”：而且德国的s i e m e n s 公 司和b o s c h 公司已经完成基于o s a c a 的应用产品开发；日本m a z a k 机床公司在上海 浦东展出的配备三菱控制器的智能化加工系统也是引起了轰动。 基于p c 的数控系统是一种有着开放结构的数控系统，经过多年的发展，基于 p c 的开放式数控系统主要有如下三种结构： 1 、p c 作为人机控制开放式的实现工具，但数控的内核功能仍然由专用的c n c 完成。它的典型代表是三菱电气公司的基于p c 的6 4 位m e l d a sm a g i c 6 4 和 a l l e n - b r a d l e y 公司的9 p c 。 2 、p c 作为人机控制开放式的实现工具，控制核心功能通过具有一定开放性的 运动控制卡实现。其典型的代表就是d e l t at a u 公司的p m a c 运动控制卡。 3 、包括内核控制的所有功能都通过软件实现。此种结构建立在通用的p c 机平 台上，和外界通讯通过标准的接口卡实现。其典型的代表产品是m d s i 公司的 o p e n c n c 。 1 4 3 开放式数控系统( o n c ) 的特点 o n c 具有以下特点： ( 1 ) 开放性：提供标准化环境的基础平台，允许开发商的不同软、硬模块介入； ( 2 ) 可移植性：不同应用程序模块可运行于不同生产商提供的系统平台，同时 系统软件可运行于不同特性的硬件平台上： ( 3 ) 可扩展性：其功能的增减表现为特定功能模块的装卸； ( 4 ) 可替代性：不同性能、可靠性的功能模块可以替换； ( 5 ) 操作性：标准的接口、通讯和交互模型。 第二章球头立铣刀刃磨设备数控系统管理 软件开发基础 球头立铣刀刃磨设备是一种专用于对球头立铣刀进行刃磨加工的专用设备，所 以应该根据其加工特点和其所用的控制系统的特点，编制其专用数控管理软件。本 章的主要目的是对其运动平台的设计，控制系统的组成以及工作机理进行简要的阐 述。并对作为该设备数控系统核心控制器的p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i - a x i s c o n t r o l l e r ) 可编程多轴运动控制器的用于定制开发客户应用软件所用的通讯程序 驱动库p c o m m 3 2 p r 0 进行介绍。 2 1 球头立铣刀刃磨设备机械运动系统的设计 根据本文1 3 所述的一种新的球头立铣刀刃磨加工数学模型，在采用这种新的 加工数学模型进行加工的时候需要一个可以实现四轴联动的运动平台和一个刃磨 球头立铣刀的磨头。四轴联动的运动平台由我校、北京元茂兴公司、北京贝塞德斯 公司设计制造，磨头采用陕西咸阳机床厂制造的m y a 6 0 2 5 工具磨床的磨头，两者 构成刃磨加工球头立铣刀设备。 运动平台的组成和对应的功能如下： i 可实现四轴联动的运动平台 该运动平台由可在x 、y 、z 三个方向上实现直线运动的移动平台构成。每个 直线运动平台上都安装有一台交流伺服电机。其中x 、y 两个直线方向上移动平台 采用安川( y a s 娟，a ) 一系列s g m a h 型电机，型号为s g m a h 一0 8 a a a 4 1 ， 功率为0 7 5 k w 。z 直线方向上移动平台采用安川( y a s k a w a ) 一i i 系列s g m a h 型电机，型号为s g m a h - - - - 0 8 a a a 4 c ，功率为0 7 5 。其中因为z 直线方向移 动平台是垂直安装，为了防止z 直线方向移动平台在重力作用之下发生向下移动， 安装在该移动平台上的交流伺服电机必须带有制动器。该伺服电机采用了安川 ( y a s k a w a ) 一i i 系列s g m a h 型电机，具体型号为s g d m a h 1 5 a a a 4 ，功 率为1 5 k w 吲。在上述的四个电机上都安装有一增量编码器。 贵州大学硬士学位论文基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 运动平台如图2 - 1 所示： 图2 - 1 运动平台主视图 2 磨头与运动平台的连接 磨头采用陕西成阳机床厂生产的m y a 6 0 2 5 型万能工具磨床，球头立铣刀刃磨 设备由四轴联动的运动平台和工具磨床相联结构成，四轴联动的运动平台安装在工 具磨床的工作台上。运动平台和磨头之间的相对运动关系为：磨头的位置在安装调 整完成后固定，不再移动。通过四轴联动的运动平台的运动完成相对于磨头的空间 运动以实现刃磨加工时所需要的空间运动。运动平台和工具磨床完成联结的状况如 图2 2 。 图2 2 运动平台和工具磨床完成联结 2 2 球头立铣7 j , 7 麝设备撺制系统设计 通过参照其他采用p m a c ( 可编程多轴运动控制器) 作为核心运动控制器构成双 c p u 式控制系统的类似设计, 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 。球头立铣刀刃磨设备控制系统采用i p c c e 业计算机) 与p m a c 构成并行式双c p u 结构，通过在p m a c 上扩展相应的伺服驱动单 元、伺服驱动电机和编码器最终构成一个完整的开放式数控系统。其中i p c 实现整 个数控系统前台管理和人机交互接口( m m i ) 等功能；p m a c 完成对伺服电机的实时 运动控制、接受电机编码器的位置反馈等功能。p m a c 和伺服驱动单元、伺服驱动电 机和编码器的连接是通过p m a c 附件a c c 一8 d 完成。 整个控制系统的主要硬件包括： 主频为8 3 3 硼z 的i p c 工业计算机； 冷u n i v e r s a l p m a c - l i t e 运动控制器： 令p m a c 附件a c c 一8 d ： 伺服单元、安川伺服电机和增量编码器； 整个控制系统硬件结构如图2 3 所示： 工业计 i 一一矗矗、蕊一亘录f 一一一? 图2 - 3 球头立铣刀刃磨设备控制系统硬件结构图 2 3p m a c 可编程运动控制器简介 p m a c 可编程多轴运动控制器是美国d e l t at a ud a t as y s t e m 公司于1 9 9 0 年 推出的p c 机平台上的运动控制器【3 0 ，3 1 , 3 3 , 3 4 1 ，是一个完全开放的系统，是本项目 控制系统的核心部件。 2 3 1p m a c 的主要性能及功能 p m a c 卡采用了摩托罗拉公司的高性能的d s p 5 6 0 0 1 5 6 0 0 2 数字信号处理器作 为c p u ，是世界上功能最强大的运动控制器之一，它可以同时操纵1 至8 个轴 由于每一个轴都是完全独立的，一块p m a c 可以同时操作8 台不同机器的8 个单 轴，或者同一台机器的8 个轴，或者两者之间的任意组合。它能够对存储在他内 部的程序进行单独运算，执行运动程序、p l c 程序、进行伺服环更新，并以串口、 总线两种方式与计算机进行通讯。而且它还可以自动对任务进行优先级别判别， 从而进行实时的多任务处理，这使得它在处理时间和任务切换这两方面大大减轻 了主机和编程器的负担，提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。p m a c 运动 控制器将极强的处理能力和高度的通用性结合起来，可适应多种总线结构，多种 电机类型、多种反馈元件、多种命令数据结构。p m a c 可通过r s 一2 3 2 r s - 4 2 2 串行 数据口同计算机进行串行通信，或通过插在i p c 机的i s a 扩展槽内，利用i s a 总 线同计算机进行通信。p m a c 有着广泛的应用范围，如各种数控机床、印刷机械、 包装机械、自动生产线、物料装卸，自动焊接、硅片加工、激光切割等，还可应 用于机器人的控制系统中，用p m a c 控制器进行控制可以很好地协调其执行工作。 p m a c 内部有内置插补程序模块及p l c 程序模块，通过硬件设置( 包括附件和 备选) 、参数设置、运动程序和p l c 程序的编程，p m a c 可以实现对某一特定应用 场合的特定构型。每一块p m a c 拥有8 根轴的控制能力。每根轴之间可以联动完 成一个坐标系的运动，也可以在各自的坐标系中完成各自的完全独立的运动。 2 3 2p m a c l i t e 硬件简介 本球头立铣刀刃磨设备的控制系统中我们选择了p m a c 家族中的p m a c l i t e 型 卡作为下位机。p m a c l i t e 是p m a c 家族中适用于与传统伺服驱动装置接口的运动控 贵州大学硬士学位论文 基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 制卡，它可以同时支持8 轴联动。 p m a c l i t e ( 普通型) 包含以下的硬件配置： 1 c p u m o t o r o l a 的d s p 5 6 0 0 2 ，时钟频率为2 0 m h z ，5 6 位数据累加器。 2 存储器 1 2 8 k 2 4 b i t 静态存储器( s r a m ) 活动内存：系统工作时使用的内部存储器， 开机时p m a c 配置调入此存储器，p m a c 工作时直接从此存储器内部调用数据，关机 时其内部数据丢失；带后备电池的s r a m ，用于存储系统配置及程序，关机后数据仍 然存在，下次开机时数据可被调出来。 1 2 8 k x 8 b i te p r o m ：存储p 姒c 的主控程序。 5 1 2 k 8 b i t 闪存：存储p m a c 卡的配置、主控程序和s r a m 中的备份。 系统的配置变量一i 变量，编码器转换表入口，v 皿d p r a m 入口地址等工作存 储在静态r a m ( s r a m ) 的活动内存中；掉电时这些内容将消失，下次开机时需重新 设置。如果配置完后用s a v e 命令保存，则下一次开机，这些信息将被重新调回到 s r a m 的活动内存中，不必重新设置。保存系统配置时，如果p m a c 卡只有后备电池 的r a m ，则i 变量，编码器转换表入口，e d p r a m 入口地址被保存到闪存中；而 用户程序，缓冲区内容和一些定义则简单的保存到带后备电池的r a m 中。如果p m a c 卡有带闪存的后备r a m ，保存时，所有的用户配置，包括程序，缓冲区以及定义都 将被保存到闪存中。上电或复位时这些信息将从闪存中拷贝回活动内存。也就是说 任何活动内存中未被保存的设置，断电后将丢失。 3 数据总线 p m a c 内部采用双数据总线( x 、y ) 形式，因此每一内存地址含4 8 位，x 、y 各占2 4 位。 2 3 3p m a c 变量说明 i i 变量 p m a c 卡中的i 变量是卡、电机和编码器等的参数变量，用于设置电机的速 度、精度等数值，以及坐标系的状态，还包括了编码器的反馈形式，还有就是通 过对i 变量的设置完成对p m a c 卡整个系统参数的设置。在p m a c 卡中共有1 0 2 4 贵州大学硕士学位论文基于p l c u l c 的球头立铣刀刃磨设各数控系统管理软件开发研究 个i 变量，其范围从1 0 1 1 0 2 3 。 2 p 变量 p i v l a c 卡中的p 变量为卡的全局变量，个数同样也为1 0 2 4 个，范围从p 0 p 1 0 2 3 ，为4 8 位浮点变量，p 变量可在程序中任意使用。其用途主要是编写运动 程序时作为赋值变量或是中间计算变量，可以使运动程序的编写更加简化。 3 q 变量 p m a c 卡中的q 变量同p 变量一样，同为4 8 位浮点变量，有1 0 2 4 个，范围 从q 0 q 1 0 2 3 。但q 变量和p 变量不同的是，每个q 变量的使用是和使用它的 坐标系有关，同一个q 变量在不同的坐标系中占用不同的地址，而在p m a c 的 同一个地址中，在不同的坐标系中对应不同的q 变量。 4 m 变量 p i v i a c 卡中的m 变量被称为p m a c 卡的地址指针变量，个数为1 0 2 4 个，范 围m 0 m 1 0 2 3 。该变量在运动程序的编写，上位机应用软件的开发过程中有着 极其重要的使用。其功能类似于c 语言中的指针，p i v i a c 卡的使用可以通过指定 一个m 变量来指定一个p i v i a c 卡内存中地址，然后就可以通过对该m 变量对该 地址进行读、写等操作。 2 3 4p m a c 可执行程序( p e w i n ) 简介 p e w i n 是d e l t at a u 公司所开发和提供的一个基于在w i n d o w s 操作系统下运 行的执行程序软件【2 9 】，可用来建立同p m a c 卡的通讯，编译运动程序，监测和诊 断p m a c 卡，它是建立和管理p m a c 数控制系统的重要工具。它能够方便地配置、 控制、调试p m a c 系统。 主要功能有： 1 系统调试 其诊断程序用于用户对电机和运动程序进行调试，提供p m a c 所有接口的实时 状态显示，并可用于对用户进行调整。 2 p m a c 卡的管理和监测 使用户能方便的设置并监视p m a c 的内部变量，包括所有的i 、p 、q 、m 变量， 并支持用户的宏定义。 贵州大学硕士学位论文 刁：p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 3 运动程序编辑、下载和编译 p e w i n 中提供的文本编辑器为用户编辑p m a c 运动程序和p l c 程序提供方便， 编辑好的程序可以文件的形式存盘并下载到p m a c 中。 4 数据采集 提供了数据采集及绘图界面，可以将采集到的数据存入指定的单元，并通过 图形界面绘制出各种图形，分析和处理采样数据。这一功能在对p m a c 所构成的 数控系统进行调试时有着非常重要的作用。 但需要注意的一点是p e w i n 并不是针对具体数控系统的应用程序，也不是对 应用程序进行开发的编程环境，它只是用于p m a c 配置、调试，数控系统初始化， 运动程序编译的工具软件。 本球头立铣刀刃磨设备数控系统的性能调节都是在p e w i n 中完成的。本文第 四章运动程序的编写和下载也是借助于p e w i n 完成。 2 4i p c 和p m a c 通信物理连接 p m a c 和i p c 构成双c p u 式开放式数控系统的时候，作为下位机的p m a c 和作 为上位机的i p c 在物理层次上建立通讯主要采用两种形式：串口通信和总线通讯 p o l 。 在用串口通讯的时候，可将p m a c 上的r s 2 3 2 串行口通过串行线直接与i p c 主机上c o m 口进行连接。但在使用前需要通过p m a c 跳线e 4 4 一e 4 7 设定其波特率。 使用总线通讯的时候，使用方法是将p m a c 卡插入到i p c 上的i s a 总线插槽。 不同型号p m a c 卡，其使用i s a 总线插槽的形式也是不同的。本项目采用的 u n i v e r s a l p m a c l i t e 型p m a c 卡，其占用一个标准的i s a 总线插槽。在通过总线 形式建立p v t a c 和i p c 在物理层次上的通讯时，p m a c 在i p c 上的基地址是由e 9 1 一e 9 2 和e 6 6 - e 7 1 跳线决定。需要注意的是，设定地址时，应该避免该地址与i p c 中其 他板卡地址发生冲突，本系统使用p m a c 出厂设定的缺省地址。用总线通讯时，i p c 和p m a c 之间的数据传输速度比较慢，在实际应用中如果p m a c 和i p c 之间有大量 的数据需要进行交换传送，单靠总线通讯可能不能满足实际要求，尤其是对实时 性要求比较高的实际应用场合，往往就需要提高p m a c 和i p c 之间的数据传输速度， 这就需要采用p m a c 所带的重要附件双端口r a m ( d p r a m ，d u a lp o r tr a m ) 。 贵州大学硕士学位论文基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 由于本球头立铣刀刃磨设备的机械部分和控制部分集中度比较高，绝大部分 运动控制过程中的数据处理和运算都是在下位机p m a c 中完成，p m a c 和i p c 之间 的数据交换量很小，没有必要采用d p r a m 。另外使用串口通讯形式建立p m a c 和i p c 之间物理层次通讯连接时，会导致数控管理软件的开发过程中难度增大。所以本 文采用i s a 总线建立p m a c 和i p c 之间物理层次的通讯。 2 5 刃磨设备运动数据换算 在本设备中，运动平台的传动机构采用的是滚珠丝杠，采用交流伺服电机的 增量编码器作为位置检测装置。 运动平台三根滚珠丝杆的螺距相同，为5 m m 。x 、y 、z 三个直线方向交流伺服 电机的增量编码器为2 0 4 8 线，主轴增量编码器为1 6 3 8 4 线。本设备增量编码器采 用4 倍译频。 滚珠丝杆的单位距离的换算【3 5 , 3 6 j 7 】： l m m = ( 2 0 4 8 4 、5 = 1 6 3 8 4 c o u n t s 主轴单位角度的换算： 1o = ( 1 6 3 8 4 4 ) 3 6 0o = 1 8 2 0 c o u n t s 2 6i p c 和p m a c 之间的通信方式 要实现上位机上运行的人机对话界面通过人机对话方式对球头立铣刀刃磨设 备进行控制，首要条件是上位机程序必须和p m a c 建立通讯。本项目研究开发的过 程中采用的开发平台是v c 6 o + w i n d o w s 2 0 0 0 开发环境，所以开发的在上位机上运 行的系统管理软件是w i n 3 2 应用程序。在w i n 3 2 应用程序和p m a c 之间建立通讯的 桥梁是由d e l t at a u 公司所提供的p c o m m 3 2 p r o 通讯驱动程序。 2 6 1p c o m m 3 2 p r o 简介 p c o m m 3 2 p r 0 通讯驱动程序是d e l t at a u 公司提供给p m a c 用户在 w i n d o w s 9 8 肛2 0 0 0 x p 等操作系统上进行软件开发的应用软件【3 3 1 。p c o m m 3 2 p r o 贵州大学硕士学位论文 于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 通讯驱动程序含有4 0 0 多个函数，是一种非常有效的开发工具，几乎包含了所有 与p m a c 的通信方法。p c o m m 3 2 p r o 与v c + + 6 0 ，v b ，d e l p h i 等开发工具具有良好 的兼容性，采用这几种开发工具可以充分利用p c o m m 3 2 p r o 提供的强大功能在p m a c 基础上开发适应不同应用场合的应用软件。 p c o m 3 2 p r o 通讯驱动程序可在w i n d o w s 9 8 m e 2 0 0 0 x p 等3 2 位操作系统的开 发环境下进行应用软件开发。不管开发环境是否相同，使用通讯驱动程序内部函 数的方法是相同的。内部函数不仅效率高、速度快、稳定性好。 在p c o m m 3 2 p r o 下开发出的3 2 位应用软件和p m a c 之间的通信模式如下图： h 图2 - 43 2 位应用软件和p m a c 的通信模式 在实际使用的时候，用户开发的应用程序必须调用p c o m m 3 2 p r o 的动态连接库 p c o m 3 2 d l l 中所带的函数，这对任何操作系统下的开发环境来说都是一样的。 但这并不是说用户开发的应用程序调用p c o m m 3 2 d l l 所带的函数就能直接与p m a c 进行对话，p c o m m 3 2 d l l 和p m a c 之间的通讯还需要用到驱动程序库p m a c s y s 。该 驱动程序库的作用是建立p c o m m 3 2 d l l 和p m a c 之间通讯桥梁，即在应用程序中， 通过调用p c o m m 3 2 d l l 中的函数使该函数与p m a c s y s 通讯，然后由p m a c s y s 与 p m a c 进行通讯，从而完成从应用程序与p m a c 之间的整个通讯过程。 2 6 2p c o m m 3 2 p r o 安装 在i p c 上安装p c o m m 3 2 p r o 时，首先是要将以前安装在i p c 上由d e l t at a u 贵州大学硕士学位论文基于p m a c 的球头立铣刀刃磨设备数控系统管理软件开发研究 公司提供的各种应用软件或上位机程序开发工具如：p e w i n 3 2 、p m a c p l o t 、n u c l 3 2 、 p c o m m 3 2 、p t a l k d t 等全部从i p c 上卸载。接着运行由d e l t at a u 公司提供的 p c o m m 3 2 p r o 安装盘，将p c o m 3 2 p r o 安装在i p c 上。安装完p c o m m 3 2 p r 0 ，重新启 动i p c 。重新启动完i p c 后，如果想查看p c o n m l 3 2 p r o 是否安装成功，可以寻找 p c o m m 3 2 p r o 的安装文件夹是否存在。根据i p c 上所用的操作系统的不同，i p c 上p c o m m 3 2 p r o 所在文件的路径也不同。本项目采用的是w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统， p c o m m 3 2 p r o 安装的文件夹路径为：c ：w i n n t s y s t e m 3 2 d r i v e r s 在完成p c o m m 3 2 p r o 的安装之后，接着需要进行的是对其进行硬件设置。i p c 上操作系统以及p l a c 和i p c 之间连接的接口方式不同，设置方法不同【3 4 1 。在本 项目p m a c 和i p c 之间连接所采用的接口方式i s a 总线连接。 2 6 3p c o m m 3 2 p r o 的加载方法及其内部函数的使用 v c + + 6 0 中使用p c o m m m 3 2 p r 0 可以采取两种方法进行加载 3 l 3 3 】：动态链接和 静态链接。采用静态链接方式进行链接需要将p m a c l i b 文件连接入项目中，并 在头文件中声明需要用到的函数，然后才可以调用。采用该方式在用户程序运行 时自动同动态库链接，退出时释放，比较死板。本文采用动态链接方式对 p c o m m 3 2 p r o 进行链接，该方式可以随时加载、卸载动态库，操作灵活。 动态链接需要用到w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统中几个a p i ( 应用程序编程接口) 函数：l o a d l i b r a r y ( a n 载动态库) ，g e t p r o c a d d r e s s ( 取得相应函数地址) ， f r e e l i b r a r y ( 卸载动态库) 。在不同的开发环境下采用动态链接的方式有所差别。 在这里作者以在v c 6 o + w i n d o w s 2 0 0 0 开发