0 引言

　　組合機床是針對特定工件進行特定加工而設計的一種高效率自動化專用加工設備，大多能多刀同時工作，并具有自動循環的功能。筆者針對組合機床的特點，設計開發出與之配套的數控系統，嵌入了鉆孔、攻絲等工藝程序，實現了編程的參數化。

1 組合機床工作原理與過程分析

　　組合機床通常由標準通用部件和加工專用部件組合構成，動力部件采用電動機驅動或液壓系統驅動，由電氣系統進行工作自動循環的控制，是典型的機電或機電液一體化的自動化加工設備。常見的組合機床，標準通用部件有動力滑臺各種加工動力頭以及回轉工作臺等，可用電動機驅動，也可用液壓驅動。

　　筆者所述組合機床為八工位組合機床，有 8 個滑臺，各載 1 個加工動力頭，組成 8 個加工工位。除此之外，還有 8 個夾具、8 個輔助工裝(用于裝夾工件)以及冷卻和液壓系統，如圖 1。機床的 8 個加工動力頭可以同時對 8 個工件進行鉆孔、攻絲和擴孔等加工，1 道工序就能生產出 1 個合格的零件。

圖 1 八工位組合機床示意圖

2 加工工藝分析

　　首先將一個工件安裝在上料工位工裝1(上料工位可以設置)上，按下啟動鍵后，各工作臺先回到工作原點，啟動冷卻，啟動主軸。各工位根據系統設置的參數快速定位到工件安全表面，執行相應的工藝加工(鉆孔、攻絲、擴孔)操作，完成后回到工作原點，并等待其他工位完成加工。在等待期間，上料工位可以執行工件裝夾操作。待所有工位都完成加工，工作臺抬起旋轉到下一工位，等待啟動按鈕進入下一次循環。

　　回轉工作臺的工作原理為：按下啟動回轉工作臺按鈕，回轉工作臺松開，控制工作臺上升的電磁閥通電，使工作臺慢慢抬起，待抬起到位行程開關后，工作臺停止抬起，控制工作臺旋轉的電磁閥通電，使得工作臺開始旋轉，當碰到第 1 個旋轉到位行程開關后，工作臺開始低速回退，待脫離旋轉到位行程開關后，工作臺開始反靠，碰到第 2 個旋轉到位開關后，工作臺停止轉動，工作臺落下并夾緊。

3 數控系統硬件組成

　　如上所述，八工位組合機床數控系統應具有以下功能：1) 控制至少 10 軸運動(攻絲工位采用伺服主軸)；2) 內嵌鉆孔、攻絲等工序的加工工藝；3) 多軸多通道加工；4) 運動軸坐標及系統的狀態顯示。根據上述功能要求，筆者采用了上位機工業計算機(IPC)+下位機運動控制卡(MC)的結構，運動控制卡采用 FPGA 器件，兩者通過 PC104 總線接口連接，采用 FIFO 技術實現并行數據交換。

　　數控系統組成框圖如圖 2 所示，其中操作箱采用防塵密閉機箱結構，由控制面板、主機(IPC 板卡)和從機(運動控制卡)等部件組成。

圖 2 數控系統硬件框圖

　　主機(IPC 板卡)采用研祥 EC3-1641，該板卡采用 AMD LX800-500MHz微處理器，板載 256M DDR內存，1 個 ATA100 IDE 接口，支持 2 個 IDE 設備，1個 TYPE I/II CompactFlash 接口，1 個 PC104 接口，3個USB2.0接口，4個串口(可選擇RS232/422/485)，硬件資源滿足設計需求。控制面板表面采用全覆膜按鍵，控制芯片采用 TI 公司的 TMS320F28035，該芯片主頻 60 MHz，45 個可復用的多功能 GPIO 接口，3 個 32 位的 CPU 時鐘，板載 Flash、SARAM等存儲功能，標準 SCI 傳輸功能，完全滿足鍵盤的按鍵掃描、信號點燈以及和主機通訊的要求。從機(運動控制卡)采用 Actel 公司的 Cortex_M3 內核的FPGA，該芯片采用 ARMv7-M 架構，具有 16 Gbit/s帶寬的 AHB 總線矩陣，單周期乘法指令，Thumb-2指令集等特點，完全滿足運動控制的要求。

　　這樣的硬件設計構成 IPC 與 FPGA 組成前后臺方式的主、從多 CPU 并行處理結構。軟件開發平臺IPC 采用 DOS6.22 操作系統，BorlandC++3.3 開發平臺，主要完成系統的人機接口界面和與外部網絡的互聯以及部分數據處理任務，完成指令解釋工作，生成粗插補數據，這些開發內容涉及到程序流程控制、數據類型定義、重載函數、類定義及對象聲明等；FPGA 采用 VHDL 語言開發，主要完成實時控制任務，包括開關信號采集與控制、加減速控制、插補控制、各種補償和 PLC 等控制功能，實現數據精插補功能。該平臺在多個數控系統產品上有成功應用，這樣的系統開發平臺既可以滿足數控系統與計算機網絡的互連，便于系統升級和數據交換與共享，也可以滿足系統實時控制要求，實現數控系統的控制功能。

4 系統軟件設計

　　通過對鉆孔攻絲等加工工藝分析，結合八工位組合機床特點，開發出相應的參數化編程軟件。軟件開發主要包括：1) 控制面板軟件設計；2) 開發鉆孔攻絲等工序加工的參數輸入界面；3) 開發系統狀態顯示界面；4) 根據參數自動生成加工程序，控制機床自動加工。

　　4.1 控制面板功能介紹

　　控制面板包括 PC 鍵盤和 NC 鍵盤 2 部分。PC鍵盤上包括 26 個英文字符按鍵、0～9 數字鍵、字符編輯按鍵和一些功能按鍵。PC 鍵盤主要實現數據(包括程序、參數等)的輸入、編輯以及模式切換等操作。NC 鍵盤上共有 30 個功能按鍵，每個按鍵后面都配置有一個 LED 燈，用來顯示按鍵的狀態。表1 介紹了 NC 鍵盤的按鍵功能。

表 1 NC 鍵盤功能

　　表 2 介紹了系統中特殊按鍵功能。

表 2 特殊按鍵功能

　　4.2 運動控制板 I/O 地址分配

　　根據控制工藝的要求，筆者設計了如表 3 和表4 所述的 I/O 地址分配：運動控制板輸入輸出接口采用 25 芯 D 型插頭。由于篇幅限制，這里只列出其中板 0(控制工位 1～3)的輸入接口定義。

表 3 板 0 輸入接口定義

表 4 板 0 輸出接口定義

　　4.3 工藝軟件設計

　　控制系統采用兩級插補方案，粗插補由主機軟件完成，系統主機軟件采用 C++語言開發，完成對實時性要求不高的操作，負責人機交互、文件編輯與管理、參數管理、NC 按鍵處理、NC 程序預編譯、信息集成與管理、與從機的數據交換控制等。系統的精插補由從機系統 FPGA 實現，從機軟件完成實時性要求較高的控制功能。圖 3 是系統控制流程。

圖 3 軟件控制流程

　　工藝參數輸入界面式直接面向最終用戶。筆者采用填表式輸入方式設計工藝參數輸入界面。每個工位都有對應的參數輸入界面，用戶通過上下按鍵來選擇不同的工位，立即保存輸入的參數，方便了用戶的操作，圖 4 是工藝參數輸入界面。

圖 4 工藝參數輸入界面

　　數控系統嵌入了鉆孔攻絲等加工工藝信息，工藝參數以填表的方式呈現給用戶。工藝參數的內容主要包括進刀參數、輔助參數和控制參數 3 個部分。進刀參數主要是設置加工零件的尺寸參數，包括工作零位、加工深度、回退長度、進刀速度、退到速度等；輔助參數包括啟用工位、啟用主軸、啟用冷卻等參數；控制參數包括吹氣時間、深度分段、分段暫停時間等參數。

　　多工位的數控機床，每一個工位都可以根據實際加工需要配置成為鉆孔工位或者攻絲工位，如果采用手動編程的方式，每一次工藝信息的更改都需要修改程序，這樣不但要求操作者具有編程的能力，而且修改過程相當繁瑣，不方便推廣應用。內嵌工藝信息的技術解決了上述問題，操作者只需要根據工藝圖紙的需要修改相應工位的參數，數控系統根據參數自動生成加工程序。用戶還可以通過參數設置相關的輔助信息，控制外部輸出信號，實現慢速調試的功能。

5 結束語

　　實踐結果證明：由主機 IPC 和從機運動控制卡為硬件平臺的數控系統，完全能夠滿足八工位組合機床工藝軟件的開發需求。目前，在該硬件平臺上的數控系統已經研制成功，并且和組合機床成功配套，投入到正常使用中。