基于运动控制器的数控深孔加工系统的应用研究

王宪伟，程广亮

(长春大学电子信息工程学院，吉林长春130022)

0 引言

随着现代制造技术的不断发展和产品需求的多样化，近年来深孔加工技术越来越受到人们的关注，不仅在军工生产，而且在航空航天、机械制造等高新技术产业领域应用广泛。深孔加工约占孔加工量的40%以上，是机械加工中尤为重要的关键性工序。由于深孔钻削属于封闭切削加工，排屑和散热问题会直接影响钻孔的顺利进行，同时操作者使用的不合理，也会导致加工过程比较困难，加工精度难以保证，因此加工难度较大［1－2］。传统的扁钻、高速钢麻花钻等加工深孔方法，为排屑和冷却功效而采用步进方式加工，劳动强度大、周期长致使生产效率和加工精度无法提高。价格便宜且加工效率高的枪钻是孔类加工刀具的一个很好的选择，目前已成为深孔加工的理想解决方案。

为了充分发挥数控机床自身的特点，有效提高机床的加工效率，降低操作人员的劳动强度，设计了在Windows系统中基于VC++开发平台，以工业控制计算机为核心，采用松下MINAS驱动器结合枪钻的深孔加工伺服控制系统，能够安全快速、高效准确的达到所要求的钻孔位置和精度控制要求，这种数字化伺服系统被广泛应用在精细进给、高精度数控机床及特种加工装备中，具有良好的人机交互以及数字化、智能化的特点。

1 深孔钻数控运动控制系统

1.1 系统结构的整体架构

深孔加工数控系统的基本结构示意图如图1所示。为便于操作，高压冷却液从机床后端提供，钻头通过旋转夹持套固定在主轴上，可以选择工件或刀具进行位置的调整，也可选择主轴移动或工作台移动的方式实现进给加工。

图1 数控深孔钻机械系统结构示意图

机床上设有切屑回收箱，切屑由此排出，并将冷却液回收冷却循环使用，在回收箱前端装有导引套从而引导钻头正确对准工件表面。对于钻头长度超过支撑长度的情况，还要适当增加中间支撑，防止加工过程中枪钻自身的振动产生加工误差。

1.2 数控系统结构

数控系统是由工控机作为控制核心，基于固高公司的4轴控制器GE－400－PV，外部I/O接口转换板以及松下交流伺服系统组成。其电路原理结构如图2所示。固高公司生产的GE系列运动控制卡可同步控制4个轴协调运动，分别实现XYZ三轴的自由度的控制，其中Y轴方向上两轴控制同步运动。

图2 GE运动控制器组成的控制系统框图

运动控制卡通过PCI插槽内嵌入PC机，不占用PC机资源，形成PC机作为上位机，GE－400－PV为下位机的分布式控制方式，PC机进行非实时任务管理，而由GE－400－PV完成运动规划如伺服控制、差补运算等高性能控制计算的实时任务，较好的发挥了各自的作用，这有利于用户集中精力去解决运动控制中的复杂问题。

1.3 GE－400－PV 运动控制器

GE系列运动控制卡是以DSP以及可编程器件FPGA作为控制单元，实现多轴联动，GE－400－PV运动控制卡的结构如图3所示，该型号运动控制卡实现运动系统的点位控制。

图3 GE－400－PV运动控制卡

GE运动控制器提供标准的ISA总线和PCI总线两种系列的产品，提供C语言函数库以及在Windows操作系统下的动态链接库，以适应用户在不同领域应用需求。用户只需在应用程序中调用函数库中的指令，就可以实现所要求的控制器功能。

2 运动控制器的VC编程

2.1 Windows系统下动态库链接

在Windows操作系统下使用GE系列运动控制卡首先应该安装驱动程序，VC++应用程序应将动态库文件、头文件和lib文件复制到工程文件中，GE－400－PV点位控制卡所需安装的动态库文件为gep.dll。同时加入函数库头文件声明:

#include“gep.h”

完成以上工作后，用户可以利用封装的DLL访问相应的控制函数，在VC++中调用运动卡函数库中的指令，编写应用程序。

图4 梯形曲线运动机械加工流程图

2.2 运动控制卡的初始化

在使用运动控制卡前要建立控制卡与PC上位机之间的通讯，调用GT_Open()打开运动控制卡，在使用PCI总线时不需要设置基地址。然后调用GT_Reset()复位所有寄存器到默认状态，一般在打开运动控制卡之后调用该指令。

以下为部分初始化程序:

由于篇幅限制，更多编程信息请参看固高科技(深圳)有限公司的《GE系列运动控制器编程手册》等相关文件［3－5］。

3 实验结论

在枪钻深孔加工过程国际公认:枪钻加工的方法满足直线度(偏差)0.8～1.25mm/m。为验证设计系统装置的性能，实验中选取矩形工件加工深孔，尺寸为8×200mm，直线度公差要求在0.25mm。首先根据工件材料、加工孔的位置、大小、深度，包括设置机床的主轴进给速度及其他工艺参数信息输入PC机，如图5所示。

图5 测试与结果

通过对工件加工后测试数据的分析结果表明，孔直线性好，能达到0.10/1000，孔的精度等级2～5，孔的光洁度0.8Ra，位置偏差小于0.2mm，完全满足深孔加工技术的要求。

4 结语

针对基于运动控制器的枪钻深孔加工数控伺服系统的应用研究，实验结果表明，设计的数控系统在加工过程中孔的位置精确，平直度、同轴度高，具有良好的表面光洁度和可重复性，设备已应用于实际工程并取得了良好的控制效果。采用GE系列运动控制卡的交流伺服系统的具有良好的驱动性能，在机械加工以及其他控制领域应用前景广泛。

［1］苏礼，赵不贿.基于伺服电机与 PLC自动控制的深孔钻设计［J］.工具技术，2009，43(10):52－54.

［2］漆志平，王荣芳.枪钻在数控加工中心上应用探索［J］.工具技术，2012，(5):236－239.

［3］许小明，魏泽峰，胡立明，等.基于PC与运动控制器的开放式数控系统研究与开发［J］.制造业自动化，2012，34(2):107－110.

［4］固高科技(深圳)有限公司.GE 系列运动控制器编程手册［Z/OL］.［2015－06－20］.http://wenku.baidu.com.

［5］陈哲衔，王清明，裴海龙.开放式数控系统任务管理的研究与设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2010(1):98－101.