FANUC系統(tǒng)PMC軸的控制程序設(shè)計(jì)

0　引　言
　　快速成型技術(shù)以增材制造思想(MIM：Material Increasing Manufacturing)一次快速成型復(fù)雜的零部件或模具。以下以SLS(Selective Laser Sintering激光選區(qū)燒結(jié))為例說明成型方法。
　　SLS造型法是用一系列的等高線去切割CAD模型，得到高度方向的等高截面。用得到的截面數(shù)據(jù)確定輪廓截面的數(shù)據(jù)。用紅外激光束掃描，使粉末材料粘接固化，形成一層的輪廓。
　　圖1，表示了SLS成型的步驟。(a)鋪粉；(b)粉末在激光的作用下粘接、硬化，并與已硬化的下層粘和；(c)粉桶活塞下降。重復(fù)步驟(a)、(b)、(c)直到最后一層，形成立體模型。

圖1　SLS成型的工作原理圖
　　由上例可知，SLS成型控制過程是一個(gè)復(fù)雜、綜合性的數(shù)控加工過程。其控制的目標(biāo)為實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的電氣拖動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)，并盡量減少誤操作。它牽涉到多軸多運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及多過程參數(shù)控制，在控制過程中還有大量的CAD數(shù)據(jù)處理和成型運(yùn)動(dòng)軌跡信息傳輸?shù)娜蝿?wù)。因此，該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：實(shí)現(xiàn)最佳的成型效果，提高成型效率。
1　控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　　快速成型系統(tǒng)主要可以分為數(shù)據(jù)處理和成型執(zhí)行兩大部分。數(shù)據(jù)處理部分完成由三維CAD模型加工軌跡的離散過程，由高性能計(jì)算機(jī)處理。下層成型執(zhí)行部分根據(jù)離散化后的信息加工過程的執(zhí)行和控制，由數(shù)控RP&M(Rapid Prototyping/Part Manufacturing)設(shè)備來完成。通過對(duì)國內(nèi)外一些快速成型控制系統(tǒng)的深入分析可發(fā)現(xiàn)，其控制系統(tǒng)的控制任務(wù)分立順序完成，這種串行化控制方案具有極大的耗時(shí)性，成型效率低。針對(duì)這個(gè)缺點(diǎn)，在本控制系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中提出了模塊化的數(shù)據(jù)處理和成型控制并行運(yùn)作的方法和多處理器主從式并行交互通信的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。這些方案體現(xiàn)了極大的時(shí)間節(jié)約性和整體協(xié)調(diào)性。
　　近年來，微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展使微機(jī)CNC緊密結(jié)合，更好地利用PC機(jī)軟、硬件資源成為開發(fā)各種計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的十分重要的問題。在本快速成型系統(tǒng)中，上層主控機(jī)586工控機(jī)，為主機(jī)。下層執(zhí)行機(jī)采用80C320CPU應(yīng)用系統(tǒng)，為子機(jī)。主機(jī)、子機(jī)以特定的通信協(xié)議進(jìn)行雙向通訊，構(gòu)成并聯(lián)的雙層系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶有分布式控制系統(tǒng)的特征。主機(jī)完成CAD數(shù)據(jù)處理和總體控制任務(wù)，主要功能有：
　　(1)由CAD模型生成符合快速成型工藝特色的CNC信息；
　　(2)將獲得的CNC信息傳給下層機(jī)，觸發(fā)信號(hào)由下層機(jī)提供；
　　(3)對(duì)成型情況進(jìn)行監(jiān)控并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)的反饋，必要時(shí)對(duì)快速成型設(shè)備的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行干涉；
　　(4)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，提供真實(shí)感的零件三維CAD模型顯示和CNC軌跡信息實(shí)時(shí)顯示；
　　(5)提供各種可選的加工參數(shù)，滿足不同的材料和加工工藝的要求。
　　上層主機(jī)軟件基于Windows95平臺(tái)，主控軟件和CAD數(shù)據(jù)處理軟件采用VC++編程。操作系統(tǒng)的多線程功能使主機(jī)的各項(xiàng)任務(wù)可以并行執(zhí)行。提高了快速成型的加工速度。控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖如圖2。
 

圖2　控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流圖
　　下層子機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行成型運(yùn)動(dòng)控制。其CPU采用高速芯片DS80C320。主要任務(wù)為電氣運(yùn)動(dòng)控制，它一方面按照預(yù)定的順序與主機(jī)相互觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)CNC 信息和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的接受，控制RP&M成型運(yùn)動(dòng)，一方面響應(yīng)上層主機(jī)傳輸?shù)目刂泼�令，�?duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行控制。在下層機(jī)的設(shè)計(jì)中，為避免以往在VLSI 電路之間使用LSI或MLSI器件進(jìn)行接口而造成的結(jié)構(gòu)繁瑣龐大的缺點(diǎn)，采用可編程邏輯器件(ispPLD)替代傳統(tǒng)的TTL器件，使下層機(jī)系統(tǒng)的功能和可靠性大為增強(qiáng)。
　　為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群涂煽啃�，在雙向系統(tǒng)通訊方案中提出精簡完善的雙向通訊規(guī)則，主機(jī)向子機(jī)傳數(shù)據(jù)采用寫外設(shè)方式。控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖
2　控制系統(tǒng)效果分析
　　本快速成型控制系統(tǒng)已成功應(yīng)用于南京航空航天大學(xué)的選擇性激光燒結(jié)設(shè)備上，并參加了97年全國模具機(jī)床展。該控制系統(tǒng)通過采用并行化控制的總體結(jié)構(gòu)和多處理器主從式交互通訊的控制方式，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)復(fù)雜控制任務(wù)的高效并行協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。
　　主控制機(jī)控制軟件在Windows95操作系統(tǒng)下實(shí)施各項(xiàng)控制任務(wù)，為先進(jìn)的微機(jī)軟件與具體的數(shù)控任務(wù)的有效結(jié)合開辟了思路，使數(shù)控領(lǐng)域能實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜功能更強(qiáng)大的控制。另外在設(shè)計(jì)中，精簡完善的通信協(xié)議對(duì)計(jì)算機(jī)短程并行通信很有意義。
　　該控制基于Windows95，CAD模型處理軟件采用VC++編程，Windows95和VC++提供的資源使得能在最短的時(shí)間設(shè)計(jì)出更友好的人機(jī)界面。VC++的OOP(面向?qū)ο缶幊?技術(shù)降低了編程的工作量，提高了程序編制的生產(chǎn)率，增加了程序的可靠性、可修改性和可移植性。燒結(jié)層數(shù)選擇功能，使得在工藝實(shí)驗(yàn)中可以選擇CAD模型的一部分進(jìn)行燒結(jié)成型。這樣，可以用不同的參數(shù)燒結(jié)CAD模型的不同層，更詳細(xì)地研究各種參數(shù)對(duì)成型過程的影響。而且停電以后再次燒結(jié)時(shí)可以從停止的部分繼續(xù)燒結(jié)。極大地方便了工藝實(shí)驗(yàn)。
　　總之，針對(duì)快速成型技術(shù)中關(guān)鍵性的計(jì)算機(jī)控制問題和工藝特點(diǎn)研制的快速成型控制系統(tǒng)，對(duì)改進(jìn)快速成型技術(shù)，加快快速成型技術(shù)在國內(nèi)的推廣有很大的現(xiàn)實(shí)意義，同時(shí)也為復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程的計(jì)算機(jī)控制問題提供了新的思想方法和實(shí)現(xiàn)手段。