基于PMAC的二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)研究

夏羅生 朱樹紅 盧端敏

(①張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南張家界 427000;②中南大學(xué),湖南長沙 410083)

攪拌摩擦焊技術(shù)(FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute,簡稱TWI)于1991年提出的一種固相連接技術(shù)。其焊接原理是將高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入被焊接工件,攪拌頭和被焊接材料之間的摩擦剪切阻力產(chǎn)生摩擦熱,使攪拌頭鄰近區(qū)域的材料熱塑化,當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)著向前移動時,熱塑化的金屬材料從攪拌頭前沿向后沿轉(zhuǎn)移,并且在攪拌頭軸肩與工件表層摩擦產(chǎn)熱和鍛壓共同作用下,形成致密固相連接接頭。

攪拌摩擦焊技術(shù)是傳統(tǒng)焊接方法所無法比擬的,一方面它在焊接過程中不需將被焊材料熔化,成功地解決了低熔點(diǎn)合金的焊接難題;另一方面,它無飛濺、煙塵,不需要添加焊絲和保護(hù)氣體,焊后殘余應(yīng)力非常小,接頭性能良好。可焊接材料已不僅僅是鋁合金材料,還包括銅合金、鎂合金及鋅合金等,已廣泛運(yùn)應(yīng)用在船舶、鐵道、車輛、電機(jī)制造、飛機(jī)制造等領(lǐng)域[1-3]。

1 二維攪拌摩擦焊設(shè)備設(shè)計(jì)

最開始的攪拌摩擦焊設(shè)備是在傳統(tǒng)的普通銑床上改裝而成,隨后出現(xiàn)了各種各樣的攪拌摩擦焊接設(shè)備。最初,攪拌摩擦焊設(shè)備只能焊接長、直規(guī)則焊縫,現(xiàn)在,國外不僅已成功地實(shí)現(xiàn)了XY、ZX、YZ平面的二維曲線的焊接,而且已實(shí)現(xiàn)了三維曲線的焊接[4]。

中國攪拌摩擦焊中心2002年成立以來,致力于攪拌摩擦焊設(shè)備的開發(fā)和制造,已研發(fā)出C型、龍門式、懸臂式三個系列的攪拌摩擦焊設(shè)備[5],國內(nèi)攪拌摩擦焊設(shè)備的研制已取得了一定成果。但當(dāng)前能夠焊接的焊縫形式主要是縱向直縫、T型焊縫、環(huán)焊縫,二維曲線的焊接還處于起步階段,僅局限于水平面的二維曲線焊接,國內(nèi)還未開發(fā)出能焊接任意二維曲線和三維曲線的攪拌摩擦焊設(shè)備,從而限制了攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展。

本課題設(shè)計(jì)了一臺能焊接任意二維曲線的攪拌摩擦焊接設(shè)備,如圖1所示。滑鞍2沿床身1的導(dǎo)軌作橫向(Y軸)進(jìn)給運(yùn)動,工作臺3沿滑鞍2的導(dǎo)軌作縱向(X軸)進(jìn)給運(yùn)動。攪拌溜板6帶動整個攪拌頭沿立柱10的導(dǎo)軌作垂直進(jìn)給運(yùn)動。X、Y、Z三個方向分別由交流伺服電動機(jī)經(jīng)同步帶和滾珠絲杠副驅(qū)動。

軸向回轉(zhuǎn)盤8安裝在攪拌溜板6里面,由一臺交流伺服電動機(jī)經(jīng)蝸桿蝸輪副7驅(qū)動,繞垂直軸線作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(C軸),可360°回轉(zhuǎn)。連接套筒9的上端與軸向回轉(zhuǎn)盤8固定連接,橫向回轉(zhuǎn)盤4通過軸承支承在連接套筒9的下端,電主軸5的外殼與橫向回轉(zhuǎn)盤4固定連接。安裝在連接套筒9內(nèi)部的交流伺服電動機(jī)經(jīng)齒輪副帶動橫向回轉(zhuǎn)盤4擺動,使電主軸5及其上的攪拌針一起繞橫向回轉(zhuǎn)盤4的水平軸線回轉(zhuǎn)(A軸),實(shí)現(xiàn)傾斜角度的變化。

本設(shè)計(jì)巧妙地使用了兩個旋轉(zhuǎn)軸(A軸、C軸),比預(yù)先設(shè)計(jì)的少用了一根軸,就實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊接時所需的任意傾斜角度和任意傾斜方向的焊接。再加上3個直線軸(X軸、Y軸、Z軸),共5根軸。若只焊接任意二維曲線,只需采用5軸控制、4軸聯(lián)動就可;若要焊接三維曲線,采用5軸控制、5軸聯(lián)動即可實(shí)現(xiàn)。

為提高二維攪拌摩擦焊設(shè)備的自動化能力和生產(chǎn)效率,采用了數(shù)字控制技術(shù)。5臺交流伺服電動機(jī)均帶有脈沖編碼器,檢測伺服電動機(jī)的角位移并反饋到數(shù)控裝置,構(gòu)成半閉環(huán)控制,保證了機(jī)床精度。

2 基于PMAC的二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

當(dāng)前市場上主流數(shù)控系統(tǒng)如日本FANUC系統(tǒng)、德國SINUMERIK系統(tǒng)等大都是封閉式數(shù)控系統(tǒng),不具備開放性,其控制功能滿足不了二維攪拌摩擦焊設(shè)備的特殊要求。考慮到系統(tǒng)兼容性問題和以后升級換代的需要,決定開發(fā)開放式數(shù)控系統(tǒng)。

2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用工業(yè)控制機(jī)(IPC)作為控制中心,在主板上的內(nèi)擴(kuò)展槽插上PMAC多軸運(yùn)動控制器和雙端口存儲器(DPRAM),形成該機(jī)床的控制中心。由工控機(jī)上CPU與PMAC的CPU(DSP56001)構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu),兩個CPU各自實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。其中PMAC主要完成機(jī)床 X、Y、Z、A、C軸的運(yùn)動控制和控制面板開關(guān)量控制,工控機(jī)則主要完成系統(tǒng)管理功能。為了實(shí)現(xiàn)PMAC的功能,在PMAC板上擴(kuò)展相應(yīng)的I/0接口板連接控制面板和強(qiáng)電部分,擴(kuò)展伺服信號轉(zhuǎn)接板連接伺服驅(qū)動單元、伺服電動機(jī)、放大器、編碼器等,最終形成一個完整的數(shù)控系統(tǒng)[33-37]。

二維攪拌摩擦焊設(shè)備需要控制5個伺服軸(X軸、Y軸、Z軸、A軸、C軸),另外需控制一根變頻電主軸。根據(jù)設(shè)備的要求,本課題選用的是PMAC2-PCI運(yùn)動控制卡,其可控軸數(shù)為8軸,并可實(shí)現(xiàn)8軸聯(lián)動,可滿足課題要求。PMAC2-PCI運(yùn)動控制卡提供了運(yùn)動控制、離散控制,內(nèi)務(wù)處理,同主機(jī)的交互等數(shù)控的基本功能。它借助于Motorola的 DSP56系列數(shù)字信號處理器,可同時控制1～8個軸,它的速度、分辨率、帶寬等指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于一般的控制器[6-7]。

工業(yè)PC機(jī)采用研華PCA-6003V工控機(jī),PCI總線,采用雙端口存儲器(DPRAM)芯片,可以輕松實(shí)現(xiàn)信息調(diào)整交換和數(shù)據(jù)共享。雙端口RAM作為一種特殊的RAM芯片,在高速數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。它具有兩個獨(dú)立的端口,各自均有一套獨(dú)立的數(shù)控總線、地址總線和控制總線,允許兩個端口獨(dú)立地對存儲器中任何單元進(jìn)行存取操作。采用安川永磁同步交流伺服驅(qū)動器和配套的交流伺服電動機(jī)(帶增量式光電編碼器),電主軸采用變頻器實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

2.2 二維數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁赶到y(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題開發(fā)的二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件控制總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個系統(tǒng)的軟件分為實(shí)時控制模塊和非實(shí)時管理模塊兩大類。實(shí)時控制模塊控制機(jī)床的實(shí)時動作如插補(bǔ)計(jì)算,位置控制,M、S、T輔助功能等具有毫秒級甚至更高的時間響應(yīng)要求的運(yùn)動與動作。而非實(shí)時管理模塊則沒有如此嚴(yán)格的時間響應(yīng)要求,用于諸如程序輸入、顯示與診斷、通訊等。

根據(jù)實(shí)時模塊和非實(shí)時管理模塊的不同要求及工業(yè)PC機(jī)和PMAC卡的特點(diǎn),上述模塊分別由工業(yè)PC機(jī)上安裝的WINDOWS操作系統(tǒng)和PMAC卡的CNC應(yīng)用軟件系統(tǒng)來完成。整個系統(tǒng)建立在WINDOWS操作系統(tǒng)上。非實(shí)時部分及實(shí)時性要示不高的部分如系統(tǒng)初始化、顯示與診斷、程序管理、加工仿真、系統(tǒng)通訊、參數(shù)設(shè)置等都由WINDOWS操作系統(tǒng)的CPU來完成。而實(shí)時性要求高的部分如預(yù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算、伺服控制、PLC控制等由PMAC應(yīng)用軟件系統(tǒng)完成。PC與PMAC2-PCI間通過實(shí)時、可靠的PCI總線和雙端口隨機(jī)存儲器DPRAM通訊來協(xié)調(diào)整個系統(tǒng),共同完成加工任務(wù)。兩個CPU協(xié)調(diào)工作,構(gòu)成雙微處理器結(jié)構(gòu),既保證了系統(tǒng)軟件的通用性和開放性,又提高了整個系統(tǒng)的工作速度和效率。

2.3 二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)

二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊,有一部份PMAC運(yùn)動控制卡中已有,如插補(bǔ)軟件、位置控制軟件等,無需再度開發(fā)。本工程只需開發(fā)攪拌摩擦焊所特有的軟件模塊,如程序預(yù)處理模塊中的刀具補(bǔ)償軟件、用戶與系統(tǒng)人機(jī)交換的用戶界面模塊,在此基礎(chǔ)上完成系統(tǒng)的通訊和總調(diào)試。

2.3.1 通訊驅(qū)動軟件開發(fā)

基于PMAC運(yùn)動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)的通訊驅(qū)動軟件編程采用在VC中調(diào)用Pcomm32動態(tài)鏈接庫,實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊。Pcomm32中含有200多個函數(shù),涵蓋了PC機(jī)與PMAC卡以及DPRAM之間進(jìn)行通訊的所有方法。Pcomm32共包括三個部分:PMAC.DLL-32位通訊函數(shù)庫、PMAC.SYS-Windows NT下的內(nèi)核驅(qū)動器、PMA.CVXD-Windows 95下的32位虛擬設(shè)備驅(qū)動器。動態(tài)鏈接庫的調(diào)用方法很多,本課題調(diào)用方法如下:

首先,在StdAfx.h中添加如下語句:

#include"pmacu.h"

#pragma comment(lib,"pmac.lib")

其次,在Tool菜單下選擇OpationsDirectories,在show directories for欄中選擇include files,然后在其下的Directories欄里填寫Pcomm32動態(tài)鏈接庫的安裝路徑,設(shè)置如下:

C:ProgramFilesDELATTAUIDELTA TAU WIN32 DRIVERINCLUDE。

在show directories for欄中選擇 include files,在Directories欄里填寫如下語句:

C:Program FilesDELTA TAUDELTA TAU WIN32 DRIVEMDRIVER。

這種調(diào)用方法簡單實(shí)用,在程序編制過程中不需聲明函數(shù)原型,直接調(diào)用就可以了。為了有效地實(shí)現(xiàn)主機(jī)與PMAC板的通訊、傳遞數(shù)據(jù),開放式數(shù)控系統(tǒng)使用了部分Pcomm32中的函數(shù)。開發(fā)過程中使用的主要通訊函數(shù)包括:

OpenPmacDevice()-允許使用PMAC卡;Pmac-Configure()-對通訊進(jìn)行配置;PmacGetDp ramAvailable()-初始化DPRAM;PmacSendLineX()-向PMAC卡寫入命令;PmacGetLineX()-讀取PMAC卡的響應(yīng);PmacDPRSetWord()-向DPRAM寫入數(shù)據(jù);PmacDPRGetWord()-讀取DPRAM的響應(yīng)。在每次PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊動作結(jié)束時,必須使用ClosePmacDevice()函數(shù)關(guān)閉所有與PMAC卡通訊的流程。

2.3.2 二維攪拌摩擦焊用戶界面的開發(fā)

二維攪拌摩擦焊開放式數(shù)控系統(tǒng)采用雙微處理器結(jié)構(gòu),系統(tǒng)啟動后首先進(jìn)入WINDOWS系統(tǒng)界面,在這里可以完成系統(tǒng)初始化、與PMAC卡的通訊等功能。要進(jìn)行攪拌摩擦焊加工,還需要開發(fā)用戶界面。用戶界面是人機(jī)聯(lián)系的紐帶和媒介,操作人員通過用戶界面完成程序編輯與管理、坐標(biāo)顯示、程序加工與仿真、故障報(bào)警與診斷、參數(shù)設(shè)置與修改等任務(wù)。該用戶界面除了滿足一般的數(shù)控機(jī)床控制的要求外,還要滿足攪拌摩擦焊所特有的要求。下面是用VB編程語言開發(fā)的數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁赣脩艚缑?SKJBMCH-V1.0),其主界面如圖4所示。主界面上方是菜單,主界面正中是信息顯示區(qū)域,默認(rèn)狀態(tài)下顯示的是加工位置坐標(biāo)。在主界面上包含有8個菜單:程序、位置、刀補(bǔ)、加工、位置、仿真、診斷與報(bào)警。在每個菜單下又有下拉菜單,圖5就是程序菜單下的程序編輯下拉菜單界面,在此可以進(jìn)行程序的編輯和修改。

3 結(jié)語

本課題充分利用PMAC2-PCI強(qiáng)大的多軸聯(lián)動控制能力和快速的實(shí)時通訊能力以及PC機(jī)豐富的軟件資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力,構(gòu)建了雙CPU開放式數(shù)控系統(tǒng)。具有加工速度快、控制精度高以及系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了對5軸聯(lián)動的二維攪拌摩擦焊設(shè)備的實(shí)時伺服控制以及半閉環(huán)控制,能充分滿足攪拌摩擦焊設(shè)備焊接任意二維曲線的需要。

[1]欒國紅,關(guān)橋,高效.固相焊接新技術(shù)—攪拌摩擦焊 [J].電焊機(jī),2005,35(9).

[2]張華,林三寶,吳林,等.攪拌摩擦焊研究進(jìn)展及前景展望 [J].焊接學(xué)報(bào),24(3),2003(6).

[3]欒國紅,郭德倫,等.革命性的宇航結(jié)構(gòu)件焊接新技術(shù)—攪拌摩擦焊.航空制造技術(shù),2002(12).

[4]Knipstrom,Karl-Erik,Pekkari,et al.Friction stir welding process goes commercial.Welding Journal,1997,769,76(9).

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[6]PMAC運(yùn)動控制卡說明書.Delta Tau公司,2001.

[7]Delta Tau Data Systems.Inc.Delta Tau User Manual Options2&2V PMAC Dual-Ported RAM Card.1997.

[8]高錦宏,王紅軍,韓秋實(shí),等.基于PMAC的凸輪軸磨床開放式數(shù)控系統(tǒng)研究[J].機(jī)床與液壓,2005(6).

[9]李艷東,王宗義,劉濤,等.基于PMAC的三軸轉(zhuǎn)臺的伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì).應(yīng)用科技,2007,34(7).