高速数控活塞加工系统的设计与实现0排钻

高速数控活塞加工系统的设计与实现

高速数控活塞加工系统的设计与实现 摘 要：高实时性是高述数控活塞加工机床加工的一项重要指标，本文所述机床采用了上下位机、多处理器结构数控系统的设计模式。系统使用Galil运动控制卡实现步进电机的实时控制。在Windows操作系统结构理论的纂础上，运用多层次、模块化的思想，在Windows 2000操作系统下开发了高述数控活塞加工机床的数控软件系统，很好的满足了活塞加工的要求。该系统具有功能强大、界面友好、使用方便、柔性好等特点。目前，该系统的实际运动精度与理论值高度接近。 活塞是汽车发动机的“心脏”，承受交变的机械负荷和热负荷，是发动机中l工作条件最恶劣的关键部件之一。随着汽车整车对发动机的动力性、经济性、环保性及可靠性的要求越来越严格，活塞已发展成为集轻质高强度新村料、异型外圆复合型面、异型销孔等多项新技术于一体的高技术含量的产品，为保证活塞的耐热性、耐磨性、平稳的导向性和良好的密封功能，减少发动机的摩擦功损失，降低油耗、噪声和排放，通常将活塞的外圆设计成异型外圆(中凸变椭圆)，即垂直于活塞轴线的横剖面为椭圆或修正椭圆，且椭圆度沿轴线方面按一定的规律变化。 目前，国内外活塞中凸变椭圆的加工方法有立体靠模仿形加工和采用数控高频直线刀架的无靠模加工两种形式。 使用数控车削方法加工中l凸变椭圆活塞，在主轴高边旋转的情况下，要求刀具在轴面运动的同时，径向保持高边高精度往复运动，以加工出椭圆截面和中凸曲线，并具有高边、高频响的特性。这就要求控制系统具有较高的实时性能。针对这一问题，本文提出了上下位机的架构，该架构采用工控机作为上位机和运动控制卡作为下位机。上位机解决了活塞表面复杂面形建模问题，下位机解决了加工控制时间精确性问题，提高了活塞加工机床的加工精度及加工效率。1 、高速数控活塞加工机床系统构建 本文所研究的活塞数控加工机床采用上下位机结构，一体化工作站处理加工数据。数控系统采用了基于上位机的双CPU开放式数控系统。下位机由Galil运动控制器来实现，主要承担实时性任务，如伺服控制、可编程逻辑控制等；上位机为工业控制计算机，主要完成数控编程、数控仿真和人机界面处理、网络功能等非实时任务。 由于普通的数控任务是由多轴运动控制板来完成，而且直线电动机实时控制也是由专用控制板来完成，上位机基本不上做实时控制的工作，而仅仅参与一些数据的处理、实时加工参数的显示、故障诊断等一些实时性要求不高的工作。这种结构能很好地满足系统实时性要求，并且系统的可靠性大大提高。使用这种方式，可以在Windows操作系统下构建数控平台，所以系统的扩展性能大大提高。2、基于开放式数控系统的硬件设计 开放式数控系统的概念是美国在八十年代末提出的，它具有开放柔性高、成本低、升级扩展容易、投资风险性小和可以引入最新的PC软使件技术等优点，是二十一世纪数控技术的发展方向。 根据上文的系统构建分析，在数控平台的基础上，设计出基于多轴运动控制器的活塞车床数控系统结构。它采用上下位机，多级CPU的结构设计。一体化工作站作为工作主机，完成NC程序初始化、数据编辑、数据预处理、八机交互等功能。Galil运动控制器x、z轴实时运动控制、主轴控制、机床辅助功能控制等。 本数控系统采用的是研华工业控制计算机结合Galil运动控制卡的开放式数控结构体系，系统运行边度快、控制精度高，开发周期短。工业控制计算机采用研华610L型，主板配有PCI接口。运动控制卡采用Galil一1842型控制卡，可以直接和带PCI接口的工业控制计算机相连。Galil运动控制卡同时控制1-8个轴，既可以单独执行存储于其内部的程序，也可执行运动程序和PLC程序，并可以通过Galil提供的WSDK软件与上位机进行通信。Galil运动控制卡通过100芯线缆与ICM一1900ID接口板相连，接口板上带有编码器反馈接口和电机驱动器等其他接口。工业控制计算机与Galil运动控制卡的通信可通过调用DMCWin32.dl l实现。Galil运动控制卡具有强大的数字运算能力来完成数控插补、PLC程序运行等实时任务，简化了实现数控系统实时性任务的开发工作，只需根据要求开发上位机界面、NC程序编辑、机床状态量读取等非实时任务。 高速数控活塞加工机床车削时，x轴进给机构的性能和控制方法决定了加工精度和表面质量，因而对机床进给系统的伺服性能提出了更高的要求：要有很高的驱动推力、快速进给速度和进给加速度。对于一般数控机床，由于受到传统机械结构(即旋转电动机+滚珠丝杠)进给方式的限制，其高频响应特性伺服性能指标难以达到要求。而直线电机驱动机构作为一种新的高边进给力式能提供比传统机械机构更大的速度和加速度。进给机构由直线电机直接驱动消除了中间环节的机械滞后及螺距误差，其运动精度取决于反馈装置、控制系统和直线导轨，从而可达到较高的精度.3、基于W i ndows2000的活塞数控系统软件设计 数控软件是最终实现活塞数控加工的载体。基于活塞设计数据的输入和修改灵活方便；数据插补处理不影响响应边度；具有丰富的数控功能等方面的考虑，本系统采用多层次、模块化的设计思想，采用了Deiphi和VC++6.0进行编写，使用了Galil提供的DLL管理加工控制程序。系统软件部分主要包括上位机活塞表面加工界面、上下位机通信程序和加工控制软件部分。3．1 活塞表面加工界面 活塞数控系统软件的加工界面，用户可以通过八机交互的形式输入数据和进行功能选项。系统启动后进入主模块，主模块通过加载属性表的方式加载各个了模块，用户可以通过切换属性表来选择符模块。按照功能进行划分，数控软件包括参数设置：、加工运行、状态显示和故障诊断4个模块。参数设置：部分主要进行数控文件的编辑、复制、存储等操作，可方便的配置：系统的各个参数。加工运动部分用来将数据程序进行编译并通过动态链接席(DLL)传递至Galil运动控制卡，由运动控制卡执行加工补偿运动。状态显示部分用以显示电机的位置、速度、运动时间等各种状态参数，便于用户直观地了解加工过程，方便进行调整。故障诊断部分则用来检测各种具体故障并提供相应的解决方法，方便工作人员进行故障检修。3．2活塞表面描述模块的算法 活塞的数学模型=横截面椭圆+中凸型线+变椭圆度。只须针对这二部分使用下面的成型方法就可产生活塞的刀具文件。 活塞横面截面根据截面形状不同，可以把横面截面分为规则曲面和不规则曲面。规则曲面是指截面形状曲线可以由公式表示的曲线。不规则曲面则是指界面形状曲线不能用公式来表达，只能采用离散的数据点来表示。对于非规则曲线，一般给出一定的能表达截面形状的列表点，可以用极角和极径来表示(φ，ρ)。 对于横截面椭圆，采用一段段微小的圆弧上逼近横截面圆弧的方法。圆弧逼近法有等精度、等角度、变角度和变精度等几种逼近方法。本系统采用的是等角度圆弧逼近法，即用一段段圆心角相同，半径不同的微小圆弧上逼近横截面曲线。具体方法是： 将活塞横截面曲线按等角度α分别计算出对应的列表点[ρ(0)，0)， [ρ(α)， α]，[ρ(2 α)，2 α]...ρ(n α)，n α]。从长轴开始进行加工，以椭圆的长半轴a为半径的圆弧上逼近截面曲线；当工件加工完一定的角度a，此时控制刀具沿径面移动ρ(0)一ρ(α)，再以半径为ρ(α)的圆弧继续逼近截面曲线。依次加工直至加工完整个截面曲线。 中凸型线由于生产测量的时候只需测量一些关键面，而三次样条插补算法是必过所给的测量点，因为采用三次样条算法能够保让测量的关键面的精确度。再通过初加工，对非关键截面进行误差分析，从而在再加工过程中l进行一个误差的补偿，提高精度，达到设计要求。 变椭圆度采用的是和中凸型线相同的插补方法，这里就不赘述。3．3上、下位机通信 为了便于Galil与上层应用程序进行通信，Galil公司提供了DMCWin32作为连接上位机和运动控制卡的中介。DMCWin32包含了所有与Galil运动控制卡的通信方法，并且能与vc++很好的兼容，只需要在VC++程序中调用DMCWin32这个动态链接席就可以实现上下位机的通信。 DMCWin32主要包括了2个主要的库文件：DMCCOM.H和DMCMLIB.H。DMCCOM.H主要包括了基本的通信功能，DMCMLIB.B则包含了具体的高级的运动有关的功能。 DMCWin32包含了很多函数，但只要掌握了一些常用的几个函数就能完成大部分的通信功能：DMCAddGalilRegistry()／／在Wi ndows 中注册运动控制卡；DMCOpen () ／／打开Galil通信； DMCCommand () ／／以ASCLL码的形式发送命令到控制卡； DMCDownload() ／／下载Galil控制程序到控制卡； DMCClOSe()/／关闭通信； 在DMCMLIB.H中有一些高级函数可以用来拓展运动控制卡，如DMCEllipse()用来控制运动控制卡进行椭圆插补运动，DMCSpline()中进行一个三次样条插补运动。该系统的运动精度与理论运动精度基本相符。与此同时，该系统使件上采用了上下位机、多处理器协调的结构，满足了高边数控活塞加工机床数控系统的高效、实时性要求。使用研华IPC610L 工控机作为数控系统的上位机，Gal il运动控制卡作为下位机来控制电机的运动。提出了基于多轴运动控制器的数控系统结构。在直线进给方面采用了最新的直线电机+光栅的纵合，提高了加工精度。进而在window2000平台上建立了中凸变椭圆活塞数控车削软件系统。从而较好的解决了目前国内机床普遍存在的数控系统不够快，以及可能出现的加工紊乱的问题。

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