基于PMAC卡的电解加工机床旋转位置回零研究

孙伦业，王 晖，汪小路，付志波

(安徽理工大学机械工程学院，安徽 淮南 232001)

电解加工技术凭借工具损耗、生产效率高，加工质量好，不受材料力学性能影响等优点，在以航空发动机整体叶盘、扭曲叶片为代表的复杂型腔、超薄型面类零件制造领域得到了广泛应用[1-2]。

电解加工机床是实施电解加工工艺的专用设备平台，电解加工机床运动控制的首要步骤是确定机床的零点位置，机床的零点即机床的参考点，也是机床各坐标轴预先指定的一个确定的位置，当机床重新上电时，需要进行相应的回零操作，使其进给机构迅速、准确的回到预先设定的目标位置，以便开展下一次的加工，因此，进给机构零点定位的准确性对于提高电解加工的精度和生产效率有着非常重要的影响[3-4]。

目前，相关学者针对数控机床的位置回零开展了研究，汪奕针对球头立铣刀刃磨设备X轴运动平台的精确回零定位，提出利用运动平台上的限位开关，结合使用的多轴运动控制卡实现刃磨设备的精确回零定位[5]。樊泽明开展了并联机构运动平台的回零研究，采用对并联机构各分支的主动直线移动关节回零，实现动平台的回零粗定位，然后根据微调各分支主动关节的移动量，利用校准传感器判断动平台是否最终准确回到零点[6]。陈伟海提出绳驱动拟人臂机器人自动快速旋转回零方法，通过在末端球关节上安装限位开关，结合自带的位置检测编码器，实现并联机器人运动平台的快速位置回零[7]。

在目前开展的机床回零研究中，大多针对直线运动回零方式，对于旋转运动回零鲜有提及，并且通常采用接触式回零方式，依靠安装辅助检测装置或限位开关来确定零点位置，对于硬件系统要求较高，定位精度存在一定误差。文中以复合进给电解加工机床为研究对象，基于PMAC运动控制卡设计了一种快速、自动回零方案，采用电极C轴驱动器的转矩模式，利用控制卡自带的回零功能模块，在图形化的LabVIEW开发环境下自行编写了旋转位置回零控制程序，并开展了相关试验测试，实现了机床主轴旋转的快速回零和精确定位，操作便捷，有效缩短了两次加工之间的准备时间。

1 机床加工原理

对于整体叶盘这类零件，它的叶栅通道结构是扭曲的三维型腔，传统的数控铣削难以加工。电解加工整体叶盘，通常分为两道工序，叶栅通道粗加工和叶片型面精加工。其中叶栅通道粗加工是在叶盘毛坯上大量去除工件材料，同时加工出与叶片型面尽可能贴合的叶栅通道，为后续精加工预留较小的整平余量[8-10]。

目前，粗加工叶栅通道的工艺方法主要包括：电解套料加工和成型阴极径向电解加工，这两种工艺方法的阴极进给均为沿叶盘径向的直线运动，一旦遇到扭曲程度较大的叶栅通道，加工出的通道型面轮廓不能很好的贴合理论轮廓，导致精加工余量分布严重不均，会给后续叶片精加工带来极大难度。

为此，文中设计了可实现直线和旋转复合进给的电解加工机床，如图1所示。相较于单轴直线进给，该机床可以通过直线和旋转速度的匹配，加工出不同扭曲程度的叶栅通道，从而有助于提高叶盘通道精加工余量分布的均匀性。加工过程中，首先确定阴极工具所在的初始角度位置，以此作为加工的零点位置，从该位置旋转一定角度并直线进给加工完成一个叶栅通道后，阴极需要旋转回退至零点位置，然后以相同的运动参数开展下一个通道加工，依次进行，直至加工完成所有叶栅通道。因此，为了不产生角度偏差，保证加工过程中工具阴极旋转角度的准确性，有必要对机床旋转位置零点的设置开展深入的研究。

1.伺服电机；2.减速器；3.运动台；4.滑枕；5.回转马达 6.主轴；7.直线轴承；8.工具阴极；9.工件毛坯图1 电解加工机床三维模型

2 旋转位置回零方案

数控机床回零的方式主要有两种，增量式编码器方式和绝对式编码器方式。采用增量式编码器方式的机床在系统断电后，就会失去对机床坐标值的记忆，虽然依靠电池可以维持对机械坐标值的记忆，但该坐标值只是机床断电前的坐标值，并不是机床的实际位置，因此在机床每次开机后都需要进行相应的回零操作。采用绝对式编码器的机床能够在系统断电后，凭借位置检测装置维持对坐标值的记忆，因此只需第一次回零，就可以在此后每次开机均记录有零点的位置[11]。

对于文中所述复合进给电解加工机床，首先由回转马达驱动C轴做旋转运动，依靠马达内置的20bit绝对式编码器实现位置回零。由于绝对编码器输出的数字信号决定了每个机械位置的唯一性，因此绝对式编码器只有一个参考零点，即为回转马达的机械零点。在电解加工开始之前，需要把C轴定位基准面的坐标系与回转马达的机械零点坐标系进行校正，通过PMAC控制卡的回零功能模块进行赋值，使坐标系重合。加工过程中，工具阴极在电极主轴的带动下，按照加工要求，直线进给并旋转一定角度，实现复合运动。加工完成后，控制系统通过编写的回零程序，驱动C轴回到初始零点位置，准备进行下一次加工。

3 伺服控制系统搭建

文中电解加工机床选用性能优异的PMAC2-Eth-Lite多轴控制器(又称“Clipper”)，它采用Turbo PMAC2 CPU，配置有32个通用数字I/O点，可同时对4轴伺服或步进电机进行控制。控制器自带的Pcomm32调试开发软件支持多种主流编程语言，并采用RS232和以太网串行通讯方式，方便用户将控制器于上位机进行连接，同时支持I/O扩展卡和轴扩展卡对现有I/O端口和伺服通道进行扩展配置。加工过程中，机床使用TurboPMAC2运动控制卡接收PC机发送的指令后，驱动器根据相应指令控制C轴的回转马达进行转动。搭建的开放式控制系统结构如图2所示。

图2 控制系统硬件结构

3.1 驱动器转矩控制模式

驱动C轴旋转运动的回转马达采用美国Parker公司制造的PM-DDC18DN0H型直驱回转马达，由于运行过程中保持转矩恒定，因此采用转矩控制模式，运算量小，对控制信号的响应迅速。其基本参数设置为：马达旋转一周的指令脉冲数设置为800 000，4倍频分频，使得脉冲输入输出一致，并通过马达自带的20bit绝对式编码器进行角度位置和速度反馈，从而使系统控制模式满足高精度的定位要求。

3.2 TurboPMAC2全闭环控制系统

TurboPMAC2多轴控制卡随卡携带的回零模块(硬件锁存C相脉冲信号)具有响应速度快、定位精确等特点。可以通过对目标位置的触发和捕捉，实现机床旋转位置回零运动。操作时，由上位PC机向Clipper伺服系统发送指令，驱动马达旋转回零，具体操作的参数设置如下：

1)译码控制。设置I7mn0(m是伺服芯片的号码，一个伺服IC控制四个通道，即四个电机，n代表通道，n≤4。对于clipper和 IMAC 400，m为0)来选择反馈的方式。而I7mn0为3表示编码器解码方式为4倍正交译码顺时针。

2)回零标志位的选择。设置I7mn2(m是伺服芯片的号码，n代表各运动轴在Clipper卡所处的通道)确定零位脉冲触发方式以及触发沿。在本机床设备中，取I7mn2赋值为5表示捕捉电机编码器的索引低电平信号作为回零标志位。

3)选择通道的输入标志位作为本电机的触发信号。设置I7mn3(m是伺服芯片的号码，n代表各运动轴在Clipper卡所处的通道)确定回零开关通道。而I7mn3赋值为0表示捕捉电机编码器索引信号作为回到零点位。

4)电机回零偏移。设置IXX26(代表各运动轴在PMAC控制卡中所处的通道)是确定回零偏置。IXX26参数单位为1count/16，实际指定位置回零和编码器零点之间角度距离用该参数乘以16。

5)确定回零速度及方向。设置IXX23这个参数是为电机建立回零运动的速度和方向，改变符号使回零运动反向，负值表示回零运动朝着负方向，正值表示回零运动朝着负方向，该参数单位默认为32counts/ms。

6)电机回零。发送TurboPMAC2提供的“HOME”在线指令实现马达的回零运动，与C轴回转运动对应的2号通道控制发送“#2HOME”命令。

TurboPMAC2全闭环伺服控制系统由PC机、DTC-8B四通道转接接口板、PMAC控制卡、SIMATIC IPC3000工控机、ParkerPD-04P驱动器、PM-DDC18DNOH回转马达以及20bit绝对式旋转角度编码器构成，如图3所示。绝对式编码器可以对主轴实际旋转的角度位置进行实时检测和反馈，从而构成具有较高速度、位置控制精度的全闭环控制系统。

图3 TurboPMAC2全闭环控制系统图

4 旋转位置回零模块

4.1 回零程序编写

运动控制卡主要功能是执行运动控制程序，旋转位置回零程序属于运动控制程序一类，因此在编写该程序时需要遵循随卡Pewin32pro2开发软件语法编程原则，首先根据轴定义语句为电机分配轴来建立坐标系，然后根据PMAC编程语法规则，使用Pewin32pro2软件编写旋转回零运动程序，机床C轴旋位置回零程序如图4所示。

图4 机床C轴旋位置回零程序

4.2 通信与回零程序下载

把图4所示程序的下载到PMAC内存中，首先要实现通信才能对板卡进行后续的操作。文中通过LabVIEW与PMAC以以太网的方式实现通信，其实质是完成软硬件之间的功能交互，通信程序是通过调用板卡中初始化板卡、开板卡来实现。下载程序采用平铺式顺序结构、While循环、调用板卡中的Download下载程序函数来完成[12]。通信与程序下载程序人机交互界面如图5所示，程序框图如图6所示。框图的上半部分是实现是通信功能，下半部分实现程序下载功能，用连线把两者集成在一起。

图5 通信与程序下载程序人机交互界面

图6 通信与程序下载框图

4.3 程序框图设计

旋转位置回零编程包括C轴回零运动及其位置显示。在编写旋转位置回零后面板程序框图时，首先利用LabVIEW软件中ActiveX自动化功能，创建一个与其相连PCOMMSERVERLib类控件，由此控件实现“发送字符串GetResponseEX”程序函数的调用；然后将“调用库函数节点”放置到程序框图中，选择PmacGetResponseA函数，定义函数中各参数值和类型。根据前述定义好的参数，利用连接字符串函数功能完成整个框图的程序的编写，旋转位置回零的程序框图如图7所示。

图7 C轴旋转位置回零程序框图

4 实验验证

为了检验上述旋转回零软件设计的正确性，开展了测试实验，如图8所示。

图8 C轴旋转回零测试现场图

结合C轴旋转位置回零特性和电解加工要求，选择1°、2°、3°、4°、5°五组角度，对其旋转位置的回零精度进行检测，在人机交互界面中输入测试的参数值，点击旋转回零按键开始整个测试，通过编码器反馈得到的数据如表1所示。

表1 旋转位置回零精度测试数据

注：800 000脉冲计数单位对应360°

可以看出，以不同角度进行旋转回零操作产生的脉冲误差均被控制在4cts以内，对应的最大回零角度误差小于6″，符合电解加工机床复合进给运动的性能指标要求。

运用开发软件PMAC Plot 32Pro2采集测量数据以生成C轴旋转位置回零时的轨迹图像。以回转角度3°为例，选择目标位置和指令位置作为纵坐标，采集回零搜索数据，点击Plot Data按键生成回零轨迹如图9所示。从图中可以看出，旋转轴实际回零位置轨迹和指令位置轨迹基本重合，实现了较高精度的位置回零。

图9 旋转位置回零轨迹图(3°)

5 结论

结合电解加工机床的复合进给加工特点，设计了合理的C轴旋转运动位置回零控制方案，采用PMAC多轴运动控制卡，建立了开放式的全闭环控制伺服系统，利用LABVIEW软件开发了旋转位置回零程序，并通过采集回零搜索数据检验了回零轨迹，最终实现了精确的旋转回零运动。该方案具有较好的通用性，对于采用类似PMAC控制卡和直驱回转马达等硬件结构的机床进行旋转回零操作，都可以通过标定其唯一的机械零点位置，编写相应的回零指令程序，依靠系统内置的绝对式编码器实现机床旋转轴精确的位置回零，无需安装外置检测装置和行程限位开关，降低了机床系统的复杂程度，操作便捷，回零精度较高，具有较为重要的工程应用价值。