開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)是當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要趨勢(shì)。目前，對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，一種比較流行的觀點(diǎn)強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)具有的可移植性、可擴(kuò)展性、可協(xié)同性和模塊性。

　　開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是面向數(shù)控軟件配置的，可以由用戶自行定義接口和數(shù)控軟件平臺(tái)，不斷將功能集成到控制系統(tǒng)中。目前，普遍采用PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制器型。運(yùn)動(dòng)控制器通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制能力和PLC控制能力。市場(chǎng)上主流的運(yùn)動(dòng)控制器有PMAC運(yùn)動(dòng)控制器、Galil運(yùn)動(dòng)控制器和Trio運(yùn)動(dòng)控制器。

　　三菱形磨床主要應(yīng)用于三菱形的孔、軸類工件的加工。三菱形孔、軸聯(lián)接方式與常用的鍵與鍵槽聯(lián)接方式相比，具有聯(lián)接強(qiáng)度高、在載荷作用下自動(dòng)定心并保持軸與轉(zhuǎn)動(dòng)零件的動(dòng)平衡、傳遞扭矩大、沒(méi)有應(yīng)力集中、長(zhǎng)期工作磨損少，傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，

　　非常適用于轉(zhuǎn)動(dòng)速度高、傳遞扭矩大并且要求低噪聲的傳動(dòng)部件的聯(lián)接。因此，對(duì)三菱形磨床的研究和開(kāi)發(fā)在實(shí)際應(yīng)用中具有重要意義。

　　本文選用Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器作為磨床控制核心，在Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上采用Visual C++6．0開(kāi)發(fā)上層管理數(shù)控軟件，采用Motion Perfect2開(kāi)發(fā)底層控制數(shù)控軟件。

1 系統(tǒng)硬件方案

　　本系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用基于高性能32位DSP技術(shù)的Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器作為磨床運(yùn)動(dòng)控制核心，通過(guò)以太網(wǎng)接口與工控機(jī)(IPC)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，構(gòu)成主從式雙CPU型的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)。運(yùn)動(dòng)控制器主要完成三軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和位置反饋信息的處理，形成閉環(huán)控制。通過(guò)CAN總線擴(kuò)展Trio I／O模塊，實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式PLC功能。主要包括對(duì)機(jī)床面板、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

圖1系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)

2 數(shù)控軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)　　數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模式主要有兩種：前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式和中斷型結(jié)構(gòu)模式。本系統(tǒng)軟件采用前后臺(tái)型結(jié)構(gòu)模式，按實(shí)時(shí)性相對(duì)強(qiáng)弱將系統(tǒng)任務(wù)化分為兩部分：上層管理程序和底層控制程序(圖2)。

圖2系統(tǒng)軟件息體結(jié)構(gòu)

　　上層管理軟件設(shè)計(jì)方案：上層管理主要負(fù)責(zé)NC程序管理、G代碼編譯、顯示、通訊、診斷等弱實(shí)時(shí)性的任務(wù)。根據(jù)三菱形磨床系統(tǒng)特點(diǎn)，劃分上層管理軟件模塊：狀態(tài)顯示、輪廓補(bǔ)償、參數(shù)設(shè)置、MDI運(yùn)行、程序管理、通訊仿真、系統(tǒng)診斷。采用Visual C++6．0開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用多線程技術(shù)和動(dòng)態(tài)連接庫(kù)(DLL)技術(shù)實(shí)現(xiàn)管理層軟件開(kāi)發(fā)。DLL是一種過(guò)程庫(kù)，可執(zhí)行程序在運(yùn)行時(shí)可以鏈接并使用它提供的函數(shù)或過(guò)程。系統(tǒng)主線程工程由MFC AppWizard(exe)建立，各功能模塊采用MFC AppWizard(d11)建立，通過(guò)主線程對(duì)各模塊的任務(wù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)管理功能。采用DLL技術(shù)使各軟件模塊功能封裝性和獨(dú)立性較好，提高了數(shù)控系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和維護(hù)的效率。Trio提供的ActiveX控件—TrioPC控件包含了豐富的運(yùn)動(dòng)控制指令和邏輯控制指令。上層管理程序通過(guò)調(diào)用控件提供的函數(shù)和變量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器的操作，完成上下層軟件數(shù)據(jù)通訊。

　　底層控制軟件設(shè)計(jì)方案：底層控制由Trio MC206控制器負(fù)責(zé)，主要完成伺服控制、插補(bǔ)運(yùn)算、速度控制、刀具補(bǔ)償、機(jī)床邏輯控制等強(qiáng)實(shí)時(shí)性任務(wù)。采用Trio公司提供的Motion Perfect2開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用Trio Basic語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)磨床所有運(yùn)動(dòng)控制程序和邏輯控制程序。

3 底層控制軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1 三菱形曲線插補(bǔ)模塊的軟件設(shè)計(jì)

　　插補(bǔ)是數(shù)控機(jī)床控制刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的核心，插補(bǔ)算法的選擇將直接影響數(shù)控系統(tǒng)的精度、速度以及加工能力。

　　本系統(tǒng)要完成三菱形曲線的加工，需要對(duì)線性軸(X軸)和旋轉(zhuǎn)軸(c軸)聯(lián)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)。直接使用TrioMC206所提供的運(yùn)動(dòng)控制指令無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)線性軸和旋轉(zhuǎn)軸的直接插補(bǔ)控制。

　　要解決三菱形的插補(bǔ)設(shè)計(jì)，一般有兩種方法：其一，先將旋轉(zhuǎn)軸(C軸)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)分解為兩個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)，再調(diào)用Trio提供的插補(bǔ)指令函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其二，編程實(shí)現(xiàn)底層插補(bǔ)控制，避開(kāi)使用Trio提供的插補(bǔ)指令函數(shù)。

　　通過(guò)對(duì)三菱形曲線數(shù)學(xué)模型的分析發(fā)現(xiàn)，前面兩種方法在軟件實(shí)現(xiàn)上都存在著不足。開(kāi)發(fā)難度較大，磨床的控制精度和可靠性無(wú)法保證。本系統(tǒng)采用一種獨(dú)特的解決方法：將三菱形輪廓曲面展開(kāi)，對(duì)展開(kāi)后的曲線再做插補(bǔ)運(yùn)算，如圖3。這樣保證了加工輪廓的精確性，可以充分利用Trio提供的插補(bǔ)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的插補(bǔ)控制，如直線插補(bǔ)MOVE指令，圓弧插補(bǔ)MOVECIR指令，螺旋線插補(bǔ)MHEUCAL指令，并且縮短了軟件開(kāi)發(fā)周期，保證了插補(bǔ)精度。

圖3三棱形曲面展開(kāi)圖

　　3.2 Trio控制器多任務(wù)軟件設(shè)計(jì)

　　運(yùn)動(dòng)控制器作為底層運(yùn)動(dòng)控制的核心，其運(yùn)行程序的響應(yīng)性、可靠性和穩(wěn)定性將直接影響到系統(tǒng)的綜合性能。

　　Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器可以同時(shí)運(yùn)行8個(gè)進(jìn)程，優(yōu)先級(jí)通過(guò)進(jìn)程號(hào)區(qū)別。控制器默認(rèn)將通訊接口分配為優(yōu)先級(jí)最高的8號(hào)進(jìn)程。本系統(tǒng)控制器進(jìn)程共設(shè)計(jì)5個(gè)進(jìn)程，并將這5個(gè)進(jìn)程分為兩類程序：運(yùn)動(dòng)控制程序和內(nèi)嵌式PLC程序。

　　運(yùn)動(dòng)控制程序的進(jìn)程名以P開(kāi)頭，加工程序通過(guò)上層管理軟件編譯成嘶o Basic格式后導(dǎo)入控制器，由管理軟件控制進(jìn)程的啟動(dòng)和停止。

　　內(nèi)嵌式PLC程序由4個(gè)進(jìn)程組成，分別為PLC_PROTECT、PLC_WORKMODE、PLC_BUTTON、PLC_COMMON。這4個(gè)進(jìn)程隨控制器上電啟動(dòng)，執(zhí)行循環(huán)檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)PLC功能。

　　3.3 內(nèi)嵌式PLC程序設(shè)計(jì)

　　Trio MC206運(yùn)動(dòng)控制器可連接通過(guò)CAN總線擴(kuò)展的16個(gè)具有雙向功能的L／O模塊，256個(gè)輸入輸出點(diǎn)。

　　本系統(tǒng)共擴(kuò)展6個(gè)L／O模塊，利用控制器提供的VR全局變量，存儲(chǔ)各模塊L／O口狀態(tài)，利用邏輯命令將相關(guān)的I／O狀態(tài)進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式PLC功能。

　　控制器所能提供的VR變量有限，如果采用L／O狀態(tài)與VR變量一對(duì)一的存儲(chǔ)方式，在控制點(diǎn)較多的情況下，不僅浪費(fèi)了VR資源，而且影響了I／O讀取速度，降低了軟PLC程序的響應(yīng)性。對(duì)該問(wèn)題的解決，本系統(tǒng)利用每個(gè)VR變量提供的24個(gè)存儲(chǔ)位，使得每個(gè)VR變量可存儲(chǔ)24個(gè)磨床輸入輸出口狀態(tài)，并對(duì)VR變量的地址進(jìn)行嚴(yán)格的分配和細(xì)化，保證VR變量資源的合理利用，避免因變量的重復(fù)使用而造成的邏輯錯(cuò)誤。

　　內(nèi)嵌式PLC由4部分程序組成，通過(guò)循環(huán)掃描。檢測(cè)每個(gè)控制點(diǎn)的離散狀態(tài)信息，并將檢測(cè)結(jié)果存入相應(yīng)的VR變量中。然后對(duì)各個(gè)變量之間的邏輯關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果放入相應(yīng)的變量中。通過(guò)循環(huán)掃描的線程程序?qū)⑦@些變量的值送入對(duì)應(yīng)的輸出點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的邏輯控制。

　　(1)PLC_PROTECT：實(shí)現(xiàn)機(jī)床硬件限位信號(hào)、報(bào)警信號(hào)、停止信號(hào)的檢測(cè)。將該進(jìn)程優(yōu)先級(jí)設(shè)置為最高，及時(shí)處理報(bào)警情況，保證機(jī)床的安全性。

　　(2)PLC_WORKMODE：循環(huán)檢測(cè)機(jī)床的工作模式，實(shí)現(xiàn)機(jī)床模式切換。

　　(3)PLC_Bu7rrON：循環(huán)檢測(cè)機(jī)床控制面板上按鈕信號(hào)。由于控制面板信號(hào)具有隨機(jī)性，將這些信號(hào)單獨(dú)處理，軟件檢測(cè)最大限度地保證響應(yīng)的及時(shí)性。提高軟PLC功能的靈敏度。

　　(4)PLC—COMMON：處理其余的輸入輸出信號(hào)。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

　　(1)多任務(wù)并行處理

　　系統(tǒng)采用CPU分時(shí)共享和中斷優(yōu)先相結(jié)合的辦法來(lái)解決多任務(wù)的同時(shí)運(yùn)行。數(shù)控系統(tǒng)在加工過(guò)程中管理模塊程序和控制模塊程序同時(shí)進(jìn)行，保證加工過(guò)程的連續(xù)性和響應(yīng)的實(shí)時(shí)性。

　　(2)實(shí)時(shí)中斷處理

　　系統(tǒng)軟件采用前后臺(tái)型兩級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。底層控制程序模塊是一個(gè)中斷服務(wù)程序，完成全部的實(shí)時(shí)功能，線程的優(yōu)先級(jí)最高。上層管理程序是一個(gè)循環(huán)運(yùn)行程序，與控制程序相互配合，共同完成零件加工任務(wù)。

　　(3)內(nèi)嵌式PLC功能

　　系統(tǒng)采用編程方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌式PLC功能。通過(guò)PLC程序的優(yōu)化，大大縮短了每一次循環(huán)掃描的時(shí)間，提高了實(shí)時(shí)性和PLC的靈敏度。與傳統(tǒng)PLC相比，內(nèi)嵌式PLC程序擴(kuò)展性好，功能靈活。

　　(4)加工程序零編程功能

　　針對(duì)三菱形曲線模型編程復(fù)雜的缺點(diǎn)，上層管理軟件程序管理模塊將程序編制參數(shù)化，用戶通過(guò)人機(jī)界面僅需輸人特定參數(shù)，系統(tǒng)將根據(jù)運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)學(xué)模型和智能工藝庫(kù)，自動(dòng)生成NC代碼。操作簡(jiǎn)單，提高了編程效率高，并且保證了加工精度高。

5 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)以通用工控機(jī)為基礎(chǔ)，采用功能強(qiáng)大的Trio運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)三菱形磨床高速高精度運(yùn)動(dòng)控制。采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想、多線程技術(shù)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)技術(shù)開(kāi)發(fā)的數(shù)控軟件兼具Windows操作系統(tǒng)的多任務(wù)特性和運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性，比傳統(tǒng)專用系統(tǒng)具有更好的開(kāi)放性、可擴(kuò)展性。實(shí)踐證明，該數(shù)控系統(tǒng)軟件在三菱形磨床上運(yùn)行穩(wěn)定可靠。