基于UMAC的MEDM機床控制軟件設(shè)計與開發(fā)

張連新 吉 方 張勇斌 唐小會 何建國

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

基于UMAC的MEDM機床控制軟件設(shè)計與開發(fā)

張連新 吉 方 張勇斌 唐小會 何建國

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

提出了基于UMAC的MEDM機床控制軟件的兩層體系結(jié)構(gòu)，即運行于IPC上的處理非實時任務(wù)的上位控制軟件和運行于UMAC的處理實時任務(wù)的下位控制軟件。基于MS VC6.0和PComm32動態(tài)鏈接庫開發(fā)了上位控制軟件，包括手動模式、自動模式、程序管理以及輔助功能模塊。基于UMAC編程指令開發(fā)了下位控制軟件，包括PLC程序和特殊運動程序。開發(fā)的MEDM機床控制軟件的實際應(yīng)用表明該軟件功能完備，運行穩(wěn)定可靠，易于學習，使用方便。

UMAC 兩層結(jié)構(gòu) 控制軟件 MEDM機床

微細電火花加工技術(shù)因具有非接觸加工、無宏觀切削力、材料適用范圍廣等特點而在微小尺度工件加工領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)越性。在國防安全、航空航天、模具制造、生物技術(shù)、電子通訊等很多領(lǐng)域顯示出了廣闊的應(yīng)用前景，受到世界各國學者的普遍關(guān)注［1～5］，因此微細電火花加工機床的需求也越來越迫切。由于電火花加工特殊的伺服控制要求，通用的數(shù)控系統(tǒng)，如Siemens、Fanuc等均不能滿足要求。目前主流的方法是采用具有一定開放性的基于DSP的運動控制器作為伺服控制硬件，與工業(yè)控制計算機一起實現(xiàn)整個電火花加工機床的控制。綜上所述，本研究所自主設(shè)計的高精度的MEDM機床，其控制核心采用“IPC+UMAC運動控制器”的硬件結(jié)構(gòu)。本文基于設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)構(gòu)成，詳述了微細電火花加工機床控制軟件的設(shè)計思想、實現(xiàn)原理以及開發(fā)方法等。

1 MEDM機床硬件系統(tǒng)簡述

本文設(shè)計的MEDM機床包括運動系統(tǒng)、線電極磨削系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)、微能脈沖電源、視頻監(jiān)測系統(tǒng)以及作為整個機床核心的控制系統(tǒng)。

運動系統(tǒng)由X、Y、Z三個高精度直線運動平臺和精密旋轉(zhuǎn)主軸構(gòu)成，用于實現(xiàn)加工過程中的運動進給；線電極磨削系統(tǒng)由送絲輪、收絲輪、平衡輪以及導向輪等組成，主要用于直徑小于20 m的微細工具電極的制作；視頻監(jiān)測系統(tǒng)用于實現(xiàn)微小工件、電極的在位測量以及加工過程的輔助觀察功能；工作液循環(huán)系統(tǒng)以多種方式為電火花加工過程提供工作介質(zhì)；微能脈沖電源用于產(chǎn)生電火花加工用的高頻脈沖，是加工的能量來源；控制系統(tǒng)是機床的指揮中心，負責機床各系統(tǒng)的控制以及各系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)工作。作為MEDM機床的控制系統(tǒng)，一方面要求其能夠?qū)崿F(xiàn)通用機床的功能，另一方面又要滿足微細電火花加工的特殊要求，如軌跡反向插補功能。Delta Tau Data Systems公司的UMAC運動控制器功能全面，具備LOOKAHEAD功能，易于實現(xiàn)軌跡反向插補，易于實現(xiàn)電火花加工的特殊伺服控制要求。為此，本機床采用“IPC+UMAC運動控制器”為核心的控制體系結(jié)構(gòu)，其構(gòu)成及工作原理如圖1所示。

2 控制軟件的設(shè)計

根據(jù)處理任務(wù)的實時性要求不同，把軟件分為上位控制軟件和下位控制軟件兩層結(jié)構(gòu)，分別運行在IPC和UMAC上，如圖2所示。

上位控制軟件，即人機界面層，主要處理人機交互等非實時性任務(wù)，功能上主要是通用的機床功能以及電火花加工要求的特殊功能。其風格兼顧了目前通用電火花加工機床人機界面風格和微細電火花加工的專用性。開發(fā)過程中以方便操作為原則進行模塊的劃分和菜單的設(shè)置，運行在上位機；下位控制軟件，即控制內(nèi)核層，主要是響應(yīng)運動指令、程序（運動程序和PLC程序）以及I/O信號，主要處理實時性任務(wù)，是不需要直接和用戶打交道的功能以及用戶不需要看見的功能，作為人機界面的支撐，由UMAC進行響應(yīng)或運行在UMAC內(nèi)部的PLC程序進行響應(yīng)。

3 上位控制軟件的開發(fā)

PComm32是Windows平臺下UMAC控制器應(yīng)用軟件開發(fā)動態(tài)鏈接庫。由于Visual C++功能強大，是工業(yè)控制領(lǐng)域的主流開發(fā)語言，所以上位控制軟件選擇在Windows2000操作系統(tǒng)下基于Visual C++開發(fā)環(huán)境和PComm32PRO動態(tài)鏈接庫進行開發(fā)。它包括手動模式、自動模式、程序管理及輔助功能（系統(tǒng)管理、視覺監(jiān)測、故障診斷、幫助文檔）等功能組。下面分別介紹各個功能組的功能及關(guān)鍵功能的實現(xiàn)與開發(fā)方法。

3.1 手動模式

手動模式用于機床位置的手動調(diào)整，實現(xiàn)了機床的JOG與手脈控制、MDI、坐標系設(shè)置、接觸感知定位等功能。

JOG方式由手動模式界面上的軟面板設(shè)定JOG速度、發(fā)送JOG指令到UMAC，由UMAC響應(yīng)指令控制機床完成運動控制。手脈控制功能使能后，由手搖脈沖盒實現(xiàn)軸選、倍率選擇以及脈沖的輸入，從而實現(xiàn)選定軸按照選定的倍率跟隨輸入的脈沖執(zhí)行運動。MDI功能直接由鍵盤輸入相關(guān)的指令，由UMAC進行響應(yīng)。

坐標系設(shè)置功能包括機床回機床坐標系零位、工件坐標系的設(shè)置兩個主要功能。回機床坐標系零位由控制面板發(fā)送指令調(diào)用回機械零位運動程序來實現(xiàn)這一功能，具體的實現(xiàn)方法在回機械零位運動程序中作具體介紹。工件坐標系的設(shè)置則是在機床回機械原點的基礎(chǔ)上進行的，即把機床上的某一點定義為工件坐標系的原點，主要是為了編程的方便，其實現(xiàn)過程比較容易，不再詳述。

接觸感知定位功能工作過程如圖3所示，其中的“接觸感知響應(yīng)PLC程序”和“接觸感知運動程序”的開發(fā)是實現(xiàn)該功能的核心。

這兩個程序都運行在UMAC上，因此將在下位控制軟件的開發(fā)部分作詳細的介紹。該流程完成了一次接觸感知功能，如果需要通過接觸感知功能確定圓形工件的圓心，則可以通過感知圓周上的三點進行計算得出。這些算法都內(nèi)置在了接觸感知功能中，采用向?qū)У姆绞綄崿F(xiàn)，包括計算圓心、方形工件的角點等。該功能在電火花加工過程中具有非常重要的作用。

3.2 自動模式

自動模式主要實現(xiàn)機床的自動加工過程，主要包括加工程序與參數(shù)設(shè)置、加工過程控制兩個主要功能，界面如圖4所示。

加工程序與參數(shù)設(shè)置，主要是在加工開始之前，從已經(jīng)下載到UMAC中的程序中選擇對應(yīng)于加工任務(wù)的程序，設(shè)置微能脈沖電源的放電參數(shù)，為加工過程做好準備工作。

加工過程控制，主要用于人工干預(yù)加工過程，包括開始加工、停止加工、暫停加工、繼續(xù)加工、到測量位置、回加工位置等功能。暫停加工和繼續(xù)加工用于加工過程的臨時中斷和恢復。到測量位置用于加工過程中使電極自動移動到測量位置，通過在位視覺測量系統(tǒng)對其進行測量，以保證工具電極的一致性。回加工位置用于由于測量等原因?qū)е码姌O或工件由當前位置回到暫停加工時的位置，以便加工過程繼續(xù)進行。

在加工過程進行中，工件與電極之間的放電狀態(tài)（短路、開路、正常放電）由微能脈沖電源進行實時檢測，然后把檢測到的結(jié)果經(jīng)UMAC的I/O端口輸入到UMAC中，然后由UMAC中的機床伺服策略PLC進行實時響應(yīng)，決定機床進給、回退還是保持，以便最大限度地保證放電的正常進行，從而保證更高的加工效率和加工質(zhì)量。機床伺服進給策略控制PLC將在下位控制軟件部分作詳細介紹。

3.3 程序管理

程序管理模塊主要實現(xiàn)加工程序的編輯、管理、到UMAC的下載、上載以及仿真功能。

運動程序編輯器既可以編輯UMAC編程指令構(gòu)成的運動程序和PLC程序，也可以編輯國際標準RS－274G代碼構(gòu)成的運動程序。G代碼程序并不能被UMAC執(zhí)行識別，需要由內(nèi)置于UMAC中的G代碼解釋程序進行。該解釋程序?qū)⒃谙挛豢刂栖浖拈_發(fā)部分作詳細介紹。該編輯器支持常用的編輯功能，如復制、粘貼、剪切、刪除、全選、查找、替換等功能。應(yīng)用該編輯器可以方便地實現(xiàn)UMAC支持的所有類型程序的編輯工作。

同時該編輯器還支持程序的上傳、下載功能，實現(xiàn)了運動程序在上、下位機之間的傳送。通過程序的下載，可以把編輯好的程序下載到UMAC中以備執(zhí)行，通過上傳功能，可以把已經(jīng)存儲于UMAC中的程序上載，進行查看、修改。

該編輯器還支持運動程序的仿真，用于檢驗程序的正確性，包括運動軌跡、運動速度等，直到消除所有可預(yù)見的錯誤，從而把發(fā)生錯誤的概率降到最低，以保證設(shè)備、人員的安全。

3.4 輔助功能

輔助功能主要包括系統(tǒng)管理、視覺監(jiān)測、故障診斷和幫助文檔4個部分。

系統(tǒng)管理主要實現(xiàn)用戶的權(quán)限管理、系統(tǒng)配置功能。用戶權(quán)限管理，對不同用戶類型進行不同級別的授權(quán)，對其可查看、修改的內(nèi)容進行限制，用于提高系統(tǒng)安全性。系統(tǒng)配置功能用來對系統(tǒng)運行的相關(guān)參數(shù)進行配置，系統(tǒng)的默認參數(shù)配置能夠滿足大多數(shù)用戶的需求，當機床的應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)狀態(tài)發(fā)生變化后，具有相當權(quán)限的操作者可以根據(jù)需要進行相關(guān)系統(tǒng)參數(shù)的重新設(shè)定，包括：用于調(diào)整系統(tǒng)伺服特性的P、I、D參數(shù)、各軸的反向間隙、螺距補償參數(shù)、伺服系統(tǒng)漂移補償量、運動速度限制、運動行程限制、接觸感知參數(shù)、通訊參數(shù)等。

視覺監(jiān)測主要用于對加工過程進行輔助觀察和對工件、電極進行在位視覺測量，界面如圖5所示，輔助觀察和測量視頻圖像可以通過界面上的單選按鈕進行切換。

輔助觀察單元采用了12倍連續(xù)變焦視頻系統(tǒng)，實現(xiàn)了對加工過程較高分辨率的輔助觀察需要。工件、電極在位測量單元選用了高變焦比、高解析率視頻顯微鏡，其放大倍率可達到75～2 500。視頻圖像經(jīng)圖像卡采入計算機，然后經(jīng)濾波、平滑、二值化、微分等處理后獲取圖像邊緣，由像素距離即可計算出工件、電極的尺寸，其測量精度高于1.0 m。

診斷模塊包括伺服系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、事件日志、其他狀態(tài)監(jiān)測三個主要功能。主要是對實驗裝置運動過程中可能出現(xiàn)的故障進行實時監(jiān)測、診斷、報警與顯示。伺服狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)了對各軸的常見運動故障的監(jiān)測、診斷、顯示。該模塊通過后臺檢測線程反復監(jiān)測I/O端口和查詢軸運動狀態(tài)等方式實現(xiàn)了對機床運動過程中可能出現(xiàn)的運動故障進行實時檢測并顯示。常見的運動故障診斷有：伺服準備狀態(tài)、伺服報警、限位報警、致命跟隨誤差超差、警告跟隨誤差超差等。事件日志實現(xiàn)了對系統(tǒng)各種重要事件的記錄，方便系統(tǒng)維護。其他狀態(tài)監(jiān)測包括對電源放電電壓、工作液槽中工作液的液位、以及控制臺輸入信號的監(jiān)測。

幫助模塊提供用戶對機床操作的詳細幫助文檔，主要包括幫助主題索引、幫助文件瀏覽等功能。

4 下位控制軟件的開發(fā)

下位控制軟件包括運動控制模塊和I/O處理模塊。它們是用戶看不見的，但是這些軟件是用戶通過人機界面在使用的。通過這種方式既可以使操作簡單，又可以提高系統(tǒng)的可維護性和可靠性。

4.1 I/O處理模塊

I/O處理模塊是指內(nèi)置于UMAC內(nèi)部的I/O響應(yīng)PLC程序。主要的PLC程序主要包括伺服進給策略控制PLC和接觸感知響應(yīng)PLC。

本文采用的伺服進給策略為：開路進給，短路快速回退，正常放電進給保持。應(yīng)用該策略，具有以下優(yōu)勢：（1）基本可以避免短路狀態(tài)的出現(xiàn)，從而避免工作臺的頻繁改變運動方向（回退、進給），有利于提高加工精度；（2）提供系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，提高放電效率，增加加工效率；（3）保持一定的放電間隙，避免微小的工具電極與工件發(fā)生物理接觸，提高安全性。伺服進給策略控制PLC就是根據(jù)這一策略進行工作的，其流程如圖6所示。

接觸感知響應(yīng)PLC主要是根據(jù)微能脈沖電源經(jīng)UMAC的I/O端口輸入的放電狀態(tài)判斷工件與電極是否發(fā)生了電接觸，如果發(fā)生了接觸，則停止機床的進給，記錄機床位置，供測量與定位使用，然后使機床原路徑回退一段距離，以保證安全，其工作流程如圖7所示。

4.2 運動控制模塊

運動控制模塊主要是一些內(nèi)置于UMAC，用于完成特殊運動的運動程序，如接觸感知運動、回零運動、G代碼解釋程序等。

接觸感知運動程序如下：

當操作者從手動模式界面點擊“感知開始”按鈕后，接觸感知運動程序按照操作者設(shè)定感知方向、速度開始執(zhí)行，直到工件與電極發(fā)生電接觸后被接觸感知PLC程序停止。程序中的P5003是速度系數(shù)，在設(shè)定感知速度的時候被賦值，P5000、P5001、P5002分別表示X、Y、Z軸的運動增量，其大小分別等于三個軸的行程，其符號與感知方向一致。

機床的機械零位，是機床絕對運動的參考點。只有該位置具有很高的重復定位精度，機床的絕對位置的精度才能高。因此，確定機床的機械零位是非常重要的。本機床采用的運動平臺中間位置具有機械零位傳感器，用于機床在初始化的時候搜尋零位。當平臺的滑板經(jīng)過該位置時，傳感器的輸出信號電平會發(fā)生變化，當由傳感器的正側(cè)到負側(cè)時，信號由高變低，反之，由低變高。根據(jù)該特性，本文設(shè)計了機床回機械零位的運動程序，采用兩次零位搜索方式，其工作流程為首先進行一次零位搜索，然后平臺向正向運動5 mm，機床在從+5 mm位置進行一次零位搜索。兩次搜索的方式，保證了最終的機床機械零位都從傳感器的正側(cè)進行搜索，具有非常高的一致性，避免了一次搜索時有可能從傳感器的正側(cè)搜索也有可能從負側(cè)搜索帶來的不一致。從而保證了機床機械零位的高重復精度。

UMAC本身并不支持G代碼。但是UMAC采取了另外的方式，即采用UMAC編程指令在運動程序1000中對G代碼解釋。當UMAC執(zhí)行程序過程中遇到G代碼時，則自動調(diào)用解釋程序，從而實現(xiàn)了對G代碼的支持。如在程序中采用了“G90”，則需要在程序1000中填寫“N90000ABS RETURN”。其他的G代碼的解釋方法與此類似。

5 結(jié)語

（1）基于MEDM機床“IPC+UMAC運動控制器”的控制系統(tǒng)硬件體系結(jié)構(gòu)，提出了上、下位機兩層結(jié)構(gòu)的控制軟件開發(fā)方式，并分別開發(fā)了上下位機控制軟件，通過二者有機協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)了機床的控制。

（2）MEDM機床的實際應(yīng)用表明該軟件具備了微細電火花加工所需要的功能，接近工業(yè)應(yīng)用環(huán)境。長期應(yīng)用表明，該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、可靠地實現(xiàn)機床的控制。同時該軟件的的人機界面與商用的電火花加工機床相似，易于學習、方便使用。

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2 S L Ding，R D Jiang.Tool path generation for 4 － axis contour EDM rough maching.International Journal of Machine Tools and Manufacture.2004，44：1493 －1502

3 湯志斌，唐小琦，李斌.數(shù)控高速高精運動控制方法的研究.制造技術(shù)與機床.2003（3）：32 ～35

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5 徐守祥.開放式控制系統(tǒng)—歐洲數(shù)控業(yè)的發(fā)展策略.制造技術(shù)與機床.1997（3）：4 ～6

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Design and Development of UMAC-based MEDM Machine Tool Control Software

ZHANG Lianxin，JI Fang，ZHANG Yongbin，TANG Xiaohui，HE Jianguo
（Institute of Mechanical Manufacturing Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，CHN）

Two－layer architecture of UMAC －based MEDM machine tool control software was presented，namely the top layer control software running on IPC for non real time task，and the bottom layer control software running on UMAC for real time task.Based on the MS VC6.0 and PComm32 DLL，the top layer control software was developed，which includes the manual mode，auto mode，program management mode et al..Based on the UMAC programming commands，the bottom layer control software was developed，which includes ths PLC programs and some special function motion programs.The practical using demonstrated that the control software has complete functions and it can run stably and reliably，also showed that the control software is easy to study and convenient to use.

UMAC；Two－layer Architecture；Control Software；MEDM Machine Tool

張連新，男，1978年生，工學博士。主要從事機床、機器人控制等機電一體化相關(guān)領(lǐng)域的研究工作。已發(fā)表論文10余篇。

（編輯 徐潔蘭） （

2009－07－22）

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