基于PMAC的二维搅拌摩擦焊开放式数控系统研究

夏罗生 朱树红 卢端敏

(①张家界航空工业职业技术学院,湖南张家界 427000;②中南大学,湖南长沙 410083)

搅拌摩擦焊技术(FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute,简称TWI)于1991年提出的一种固相连接技术。其焊接原理是将高速旋转的搅拌头插入被焊接工件,搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生摩擦热,使搅拌头邻近区域的材料热塑化,当搅拌头旋转着向前移动时,热塑化的金属材料从搅拌头前沿向后沿转移,并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和锻压共同作用下,形成致密固相连接接头。

搅拌摩擦焊技术是传统焊接方法所无法比拟的,一方面它在焊接过程中不需将被焊材料熔化,成功地解决了低熔点合金的焊接难题;另一方面,它无飞溅、烟尘,不需要添加焊丝和保护气体,焊后残余应力非常小,接头性能良好。可焊接材料已不仅仅是铝合金材料,还包括铜合金、镁合金及锌合金等,已广泛运应用在船舶、铁道、车辆、电机制造、飞机制造等领域[1-3]。

1 二维搅拌摩擦焊设备设计

最开始的搅拌摩擦焊设备是在传统的普通铣床上改装而成,随后出现了各种各样的搅拌摩擦焊接设备。最初,搅拌摩擦焊设备只能焊接长、直规则焊缝,现在,国外不仅已成功地实现了XY、ZX、YZ平面的二维曲线的焊接,而且已实现了三维曲线的焊接[4]。

中国搅拌摩擦焊中心2002年成立以来,致力于搅拌摩擦焊设备的开发和制造,已研发出C型、龙门式、悬臂式三个系列的搅拌摩擦焊设备[5],国内搅拌摩擦焊设备的研制已取得了一定成果。但当前能够焊接的焊缝形式主要是纵向直缝、T型焊缝、环焊缝,二维曲线的焊接还处于起步阶段,仅局限于水平面的二维曲线焊接,国内还未开发出能焊接任意二维曲线和三维曲线的搅拌摩擦焊设备,从而限制了搅拌摩擦焊技术的应用和进一步发展。

本课题设计了一台能焊接任意二维曲线的搅拌摩擦焊接设备,如图1所示。滑鞍2沿床身1的导轨作横向(Y轴)进给运动,工作台3沿滑鞍2的导轨作纵向(X轴)进给运动。搅拌溜板6带动整个搅拌头沿立柱10的导轨作垂直进给运动。X、Y、Z三个方向分别由交流伺服电动机经同步带和滚珠丝杠副驱动。

轴向回转盘8安装在搅拌溜板6里面,由一台交流伺服电动机经蜗杆蜗轮副7驱动,绕垂直轴线作回转运动(C轴),可360°回转。连接套筒9的上端与轴向回转盘8固定连接,横向回转盘4通过轴承支承在连接套筒9的下端,电主轴5的外壳与横向回转盘4固定连接。安装在连接套筒9内部的交流伺服电动机经齿轮副带动横向回转盘4摆动,使电主轴5及其上的搅拌针一起绕横向回转盘4的水平轴线回转(A轴),实现倾斜角度的变化。

本设计巧妙地使用了两个旋转轴(A轴、C轴),比预先设计的少用了一根轴,就实现了搅拌摩擦焊接时所需的任意倾斜角度和任意倾斜方向的焊接。再加上3个直线轴(X轴、Y轴、Z轴),共5根轴。若只焊接任意二维曲线,只需采用5轴控制、4轴联动就可;若要焊接三维曲线,采用5轴控制、5轴联动即可实现。

为提高二维搅拌摩擦焊设备的自动化能力和生产效率,采用了数字控制技术。5台交流伺服电动机均带有脉冲编码器,检测伺服电动机的角位移并反馈到数控装置,构成半闭环控制,保证了机床精度。

2 基于PMAC的二维搅拌摩擦焊开放式数控系统设计

当前市场上主流数控系统如日本FANUC系统、德国SINUMERIK系统等大都是封闭式数控系统,不具备开放性,其控制功能满足不了二维搅拌摩擦焊设备的特殊要求。考虑到系统兼容性问题和以后升级换代的需要,决定开发开放式数控系统。

2.1 开放式数控系统硬件控制结构设计

二维搅拌摩擦焊开放式数控系统的硬件结构如图2所示。采用工业控制机(IPC)作为控制中心,在主板上的内扩展槽插上PMAC多轴运动控制器和双端口存储器(DPRAM),形成该机床的控制中心。由工控机上CPU与PMAC的CPU(DSP56001)构成主从式双微处理器结构,两个CPU各自实现相应的功能。其中PMAC主要完成机床 X、Y、Z、A、C轴的运动控制和控制面板开关量控制,工控机则主要完成系统管理功能。为了实现PMAC的功能,在PMAC板上扩展相应的I/0接口板连接控制面板和强电部分,扩展伺服信号转接板连接伺服驱动单元、伺服电动机、放大器、编码器等,最终形成一个完整的数控系统[33-37]。

二维搅拌摩擦焊设备需要控制5个伺服轴(X轴、Y轴、Z轴、A轴、C轴),另外需控制一根变频电主轴。根据设备的要求,本课题选用的是PMAC2-PCI运动控制卡,其可控轴数为8轴,并可实现8轴联动,可满足课题要求。PMAC2-PCI运动控制卡提供了运动控制、离散控制,内务处理,同主机的交互等数控的基本功能。它借助于Motorola的 DSP56系列数字信号处理器,可同时控制1～8个轴,它的速度、分辨率、带宽等指标远优于一般的控制器[6-7]。

工业PC机采用研华PCA-6003V工控机,PCI总线,采用双端口存储器(DPRAM)芯片,可以轻松实现信息调整交换和数据共享。双端口RAM作为一种特殊的RAM芯片,在高速数据采集处理系统中得到广泛的应用。它具有两个独立的端口,各自均有一套独立的数控总线、地址总线和控制总线,允许两个端口独立地对存储器中任何单元进行存取操作。采用安川永磁同步交流伺服驱动器和配套的交流伺服电动机(带增量式光电编码器),电主轴采用变频器实现调速。

2.2 二维数控搅拌摩擦焊系统软件结构设计

本课题开发的二维搅拌摩擦焊开放式数控系统软件控制总体结构如图3所示。整个系统的软件分为实时控制模块和非实时管理模块两大类。实时控制模块控制机床的实时动作如插补计算,位置控制,M、S、T辅助功能等具有毫秒级甚至更高的时间响应要求的运动与动作。而非实时管理模块则没有如此严格的时间响应要求,用于诸如程序输入、显示与诊断、通讯等。

根据实时模块和非实时管理模块的不同要求及工业PC机和PMAC卡的特点,上述模块分别由工业PC机上安装的WINDOWS操作系统和PMAC卡的CNC应用软件系统来完成。整个系统建立在WINDOWS操作系统上。非实时部分及实时性要示不高的部分如系统初始化、显示与诊断、程序管理、加工仿真、系统通讯、参数设置等都由WINDOWS操作系统的CPU来完成。而实时性要求高的部分如预处理、插补运算、伺服控制、PLC控制等由PMAC应用软件系统完成。PC与PMAC2-PCI间通过实时、可靠的PCI总线和双端口随机存储器DPRAM通讯来协调整个系统,共同完成加工任务。两个CPU协调工作,构成双微处理器结构,既保证了系统软件的通用性和开放性,又提高了整个系统的工作速度和效率。

2.3 二维搅拌摩擦焊开放式数控系统软件开发

二维搅拌摩擦焊开放式数控系统软件模块,有一部份PMAC运动控制卡中已有,如插补软件、位置控制软件等,无需再度开发。本工程只需开发搅拌摩擦焊所特有的软件模块,如程序预处理模块中的刀具补偿软件、用户与系统人机交换的用户界面模块,在此基础上完成系统的通讯和总调试。

2.3.1 通讯驱动软件开发

基于PMAC运动控制卡的数控系统的通讯驱动软件编程采用在VC中调用Pcomm32动态链接库,实现PC机与PMAC卡之间的通讯。Pcomm32中含有200多个函数,涵盖了PC机与PMAC卡以及DPRAM之间进行通讯的所有方法。Pcomm32共包括三个部分:PMAC.DLL-32位通讯函数库、PMAC.SYS-Windows NT下的内核驱动器、PMA.CVXD-Windows 95下的32位虚拟设备驱动器。动态链接库的调用方法很多,本课题调用方法如下:

首先,在StdAfx.h中添加如下语句:

#include"pmacu.h"

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

其次,在Tool菜单下选择OpationsDirectories,在show directories for栏中选择include files,然后在其下的Directories栏里填写Pcomm32动态链接库的安装路径,设置如下:

C:ProgramFilesDELATTAUIDELTA TAU WIN32 DRIVERINCLUDE。

在show directories for栏中选择 include files,在Directories栏里填写如下语句:

C:Program FilesDELTA TAUDELTA TAU WIN32 DRIVEMDRIVER。

这种调用方法简单实用,在程序编制过程中不需声明函数原型,直接调用就可以了。为了有效地实现主机与PMAC板的通讯、传递数据,开放式数控系统使用了部分Pcomm32中的函数。开发过程中使用的主要通讯函数包括:

OpenPmacDevice()-允许使用PMAC卡;Pmac-Configure()-对通讯进行配置;PmacGetDp ramAvailable()-初始化DPRAM;PmacSendLineX()-向PMAC卡写入命令;PmacGetLineX()-读取PMAC卡的响应;PmacDPRSetWord()-向DPRAM写入数据;PmacDPRGetWord()-读取DPRAM的响应。在每次PC机与PMAC卡之间的通讯动作结束时,必须使用ClosePmacDevice()函数关闭所有与PMAC卡通讯的流程。

2.3.2 二维搅拌摩擦焊用户界面的开发

二维搅拌摩擦焊开放式数控系统采用双微处理器结构,系统启动后首先进入WINDOWS系统界面,在这里可以完成系统初始化、与PMAC卡的通讯等功能。要进行搅拌摩擦焊加工,还需要开发用户界面。用户界面是人机联系的纽带和媒介,操作人员通过用户界面完成程序编辑与管理、坐标显示、程序加工与仿真、故障报警与诊断、参数设置与修改等任务。该用户界面除了满足一般的数控机床控制的要求外,还要满足搅拌摩擦焊所特有的要求。下面是用VB编程语言开发的数控搅拌摩擦焊用户界面(SKJBMCH-V1.0),其主界面如图4所示。主界面上方是菜单,主界面正中是信息显示区域,默认状态下显示的是加工位置坐标。在主界面上包含有8个菜单:程序、位置、刀补、加工、位置、仿真、诊断与报警。在每个菜单下又有下拉菜单,图5就是程序菜单下的程序编辑下拉菜单界面,在此可以进行程序的编辑和修改。

3 结语

本课题充分利用PMAC2-PCI强大的多轴联动控制能力和快速的实时通讯能力以及PC机丰富的软件资源和高效的数据处理能力,构建了双CPU开放式数控系统。具有加工速度快、控制精度高以及系统运行稳定等优点,实现了对5轴联动的二维搅拌摩擦焊设备的实时伺服控制以及半闭环控制,能充分满足搅拌摩擦焊设备焊接任意二维曲线的需要。

[1]栾国红,关桥,高效.固相焊接新技术—搅拌摩擦焊 [J].电焊机,2005,35(9).

[2]张华,林三宝,吴林,等.搅拌摩擦焊研究进展及前景展望 [J].焊接学报,24(3),2003(6).

[3]栾国红,郭德伦,等.革命性的宇航结构件焊接新技术—搅拌摩擦焊.航空制造技术,2002(12).

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

[5]赵衍华,林三宝,吴林,等.搅拌摩擦焊应用及焊接设备简介[J].电焊机,2004(1).

[6]PMAC运动控制卡说明书.Delta Tau公司,2001.

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

[8]高锦宏,王红军,韩秋实,等.基于PMAC的凸轮轴磨床开放式数控系统研究[J].机床与液压,2005(6).

[9]李艳东,王宗义,刘涛,等.基于PMAC的三轴转台的伺服系统设计.应用科技,2007,34(7).