Dieser Artikel stellt kurz die Struktur und Funktion des Mehrachsen-Bewegungsreglers (PMAC) vor, beschreibt einen Achsenvorschubmechanismus mit Linearmotorantrieb und konzentriert sich auf die Hardware- und Softwareentwicklung eines CNC-Systems für Kolbendrehmaschinen auf Basis von IPC+PMAC. Einleitung: Mit der rasanten Entwicklung der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- sowie Schiffbauindustrie steigen die Leistungsanforderungen an Motoren stetig. Kolben, eine Schlüsselkomponente von Mittel- und Hochgeschwindigkeitsmotoren, weisen häufig nicht-kreisförmige Querschnitte (konvex bis elliptisch) auf. Derzeit werden Innen- und Außenkolben hauptsächlich mit starren Schablonen gefertigt. Dieses Bearbeitungsverfahren ist jedoch für die Produktion von Kleinserien mit Spezialringen sowie für die Forschung und Entwicklung neuer Produkte ungeeignet. Die „Soft-Template“-Technologie für Kolben ermöglicht die Eingabe der Querschnittsform oder -daten des Kolbens in einen Computer. Dieser steuert anschließend die Werkzeugbewegung, um den elliptischen Kolbenquerschnitt zu bearbeiten. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Bearbeitung komplexer Querschnittsformen, sondern bietet auch Vorteile wie hohe Schnittleistung, hohe Bearbeitungsgenauigkeit und gute Flexibilität. Beim CNC-Drehen von konvexen elliptischen Kolbendrehmaschinen bestimmen die Leistungsfähigkeit und die Regelungsmethode des X-Achsen-Vorschubmechanismus die Bearbeitungsgenauigkeit und Oberflächenqualität. Dies stellt hohe Anforderungen an die Servoleistung des Werkzeugmaschinen-Vorschubsystems: Hohe Schubkraft, hohe Vorschubgeschwindigkeit und Vorschubbeschleunigung sind erforderlich. Bei herkömmlichen CNC-Werkzeugmaschinen ist es aufgrund der Einschränkungen der traditionellen mechanischen Vorschubstruktur (Drehmotor + Kugelgewindetrieb) schwierig, die relevanten Servoleistungskennzahlen (insbesondere die Reaktionsgeschwindigkeit) zu verbessern. Der Linearmotorantrieb hingegen ermöglicht als neue Hochgeschwindigkeits-Vorschubmethode Geschwindigkeiten von 120–200 m/min und Beschleunigungen von 5–10 g. Der Vorschubmechanismus wird direkt von einem Linearmotor angetrieben, wodurch mechanische Verzögerungen und Steigungsfehler von Zwischengliedern eliminiert werden. Seine Bewegungsgenauigkeit hängt von der Rückkopplungseinrichtung, dem Steuerungssystem und der Linearführung ab und ermöglicht so eine sehr hohe Genauigkeit. 1. Struktur und Funktionsprinzip des X-Achsen-Vorschubmechanismus einer CNC-Kolbendrehmaschine. In diesem Beitrag wird ein Linearmotor als Antriebskomponente für den X-Achsen-Vorschub verwendet. Die Struktur des für die CNC-Drehmaschine entwickelten X-Achsen-Vorschubmechanismus ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Linearmotor ist symmetrisch und vertikal montiert. Schlitten und einfacher Werkzeughalter bestehen aus leichten, hochfesten Legierungen. Die optimierte Konstruktion minimiert die Masse des Schlittens, um die Reaktionsgeschwindigkeit und Beschleunigung des Vorschubsystems zu verbessern. Die Führungsschienen sind lineare Rollenführungen. Der Verfahrweg des Vorschubsystems ist durch ein zweistufiges Sicherheitssystem mit Überschwingschutz ausgestattet, bestehend aus Näherungsschaltern und feder-luftgedämpften mechanischen Anschlägen, um ein Abweichen des Schlittens von den Führungsschienen durch Fehlbedienung zu verhindern. Die Positionsrückmeldevorrichtung für das Gitter befindet sich im Schlitten, um Verunreinigungen durch Öl und Metallspäne zu vermeiden. Das System verfügt über eine vollständig geschlossene Schutzkonstruktion und eine von innen nach außen gerichtete Luftkühlung (nicht in Abbildung 1 dargestellt). Durch die Verwendung eines kernlosen Läufers (Primärbauteil) ist die Wärmeentwicklung gering und die Wärmeableitung einfach, wodurch die Auswirkungen thermischer Verformung während der Bearbeitung minimiert werden. Die Gesamtstruktur der Kolbendrehmaschine ist in Abbildung 2 dargestellt. Abbildung 1: Struktur des X-Achsen-Vorschubmechanismus der Kolbendrehmaschine. Abbildung 2: Gesamtstruktur der Kolbendrehmaschine. 2. Die Entwicklung von CNC-Systemen für Kolbendrehmaschinen hat sich zu einem Trend in der CNC-Systementwicklung entwickelt. Offene CNC-Systeme sind das Ergebnis der Integration von Computerhardware, Informationstechnologie, Steuerungstechnik und CNC-Technologie. Sie zeichnen sich durch hohe Anpassungsfähigkeit und flexible Konfigurationsmöglichkeiten aus, sind mit verschiedenen CNC-Maschinen kompatibel und lassen sich flexibel konfigurieren und integrieren. Das System folgt einer einheitlichen Standardarchitektur, die Module sind kompatibel und die Komponenten austauschbar und interoperabel. Aktuelle offene CNC-Systeme weisen im Wesentlichen drei Strukturen auf: (1) PC + CNC-Modul: Hierbei wird ein CNC-Modul auf dem PC integriert. Die Offenheit dieses CNC-Systems beschränkt sich auf den PC-Mikrocomputer, der professionelle CNC-Teil ist weiterhin geschlossen. (2) PC + programmierbare Bewegungssteuerung (SPS). Diese Systemstruktur basiert auf einem offenen programmierbaren Bewegungscontroller und nutzt einen Standard-Mikrocomputer als Plattform sowie einen programmierbaren Bewegungscontroller in Form eines PC-Standard-Plug-ins als Steuerungskern. Die beiden CPUs kommunizieren parallel, wodurch eine durchgängig offene und entwicklungsfreundliche Architektur entsteht. (3) Reiner PC: Ein CNC-System, das vollständig auf PC-Software basiert. Solche Systeme befinden sich aufgrund der begrenzten Echtzeitfähigkeit von PCs derzeit noch in der Erprobungsphase. Dieses CNC-System verfolgt den zweiten Ansatz, die offene Architektur von IPC+PMAC (programmierbarer Mehrachsen-Controller), die einen schnellen Systembetrieb, hohe Steuerungsgenauigkeit und einen kurzen Entwicklungszyklus ermöglicht. Die CNC-Systemsoftware wurde mit VC++ 6.0 entwickelt und nutzt die dynamische Linkbibliothek PComm32 der Delta Tau Corporation. 2.1 Hardware-Design des CNC-Systems: Die Hardwarestruktur dieses Systems ist in Abbildung 3 dargestellt. Der Industrie-PC ist ein Advantech PC104/PⅢ800 Embedded-Computer mit einer 104-Bus-Schnittstelle auf dem Motherboard. Die Bewegungssteuerungskarte verwendet die Delta Tau PMAC2/PC104-Steuerkarte, die über die 104-Bus-Schnittstelle direkt an den Industrie-PC angeschlossen werden kann. Kernstück der PMAC ist der digitale Signalprozessor DSP56001/56002 von Motorola, der 1 bis 8 Achsen gleichzeitig steuern kann. Sie kann sowohl eigenständig gespeicherte Programme als auch Bewegungs- und SPS-Programme ausführen, Servoschleifen aktualisieren und über serielle Schnittstelle und Bus mit dem Host-PC kommunizieren. Die PMAC kann zudem Aufgabenprioritäten für Echtzeit-Multitasking automatisch bestimmen. Dank ihrer leistungsstarken digitalen Rechenkapazität für Echtzeitaufgaben wie CNC-Kompensation und SPS-Programmausführung vereinfacht die PMAC die Entwicklung von Echtzeitfunktionen für CNC-Systeme. Lediglich nicht-Echtzeitaufgaben wie die Host-PC-Schnittstelle, die NC-Programmbearbeitung und das Auslesen des Werkzeugmaschinenstatus müssen bedarfsgerecht entwickelt werden. Industrie-PC und PMAC kommunizieren über den 104-Bus. Die Echtzeitkommunikation zwischen ihnen wird durch einfaches Aufrufen der DLL-Datei PComm32 realisiert. Abbildung 3 zeigt die Hardwarestruktur des CNC-Systems. 2.2 Software-Design des CNC-Systems Die Software des CNC-Systems für die Kolbendrehmaschine ist modular aufgebaut und in der objektorientierten Hochsprache VC++ 6.0 geschrieben. Sie steuert das Echtzeit-Bewegungsprogramm über die von PMAC bereitgestellte dynamische Linkbibliothek (DLL). Die Systemsoftware umfasst im Wesentlichen mehrere Komponenten, darunter die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Host-Rechners, das Kommunikationsprogramm zwischen Ober- und Unterrechner sowie das SPS-Programm. Die Softwarestruktur ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Mensch-Maschine-Schnittstelle des Host-Rechners dient der Systembedienung. Über diese Schnittstelle werden die verschiedenen Funktionsmodule des Systems in Form von Menüs und Dialogfeldern aufgerufen. Das SPS-Steuerungsprogramm steuert die Schaltvorgänge des Werkzeugmaschinensystems. Die dynamische Linkbibliothek PComm32 stellt Funktionen für den Datenaustausch mit dem zugrunde liegenden virtuellen Gerätetreiber bereit, der wiederum direkt mit PMAC kommuniziert. Abbildung 4: Softwarestruktur des CNC-Systems (1) Erstellung des Mensch-Maschine-Schnittstellenprogramms. Das Host-Machine-Interface-Programm der CNC-Kolbendrehmaschine zeigt die Bedienoberfläche des CNC-Systems auf dem Bildschirm an und bietet dem Bediener eine intuitive Arbeitsumgebung. Dies ist ein wichtiger Bestandteil der CNC-Softwareentwicklung und umfasst hauptsächlich die Programmbearbeitung, die Konfiguration der Systemparameter, den Betrieb, die Statusanzeige, die Selbstdiagnose und die Online-Hilfe. Die Programmbearbeitungsschnittstelle dient hauptsächlich zum Bearbeiten, Kopieren, Speichern und Löschen von CNC-Dateien und ermöglicht die Verwaltung von Dokumenten und internen Systemdaten. Über die Schnittstelle zur Konfiguration der Systemparameter lassen sich verschiedene Systemparameter wie M-Variablen, I-Variablen und Motorparameter einfach einstellen. Die Bearbeitungsschnittstelle dient der Interpretation des NC-Codes und dessen Übertragung an den PMAC, der anschließend Funktionen wie Interpolation durchführt. Die Statusanzeigeschnittstelle zeigt verschiedene Statusparameter wie Ist-Position, Soll-Position, Drehzahl und Bewegungszeit des Motors an. Anhand der angezeigten Parameter lässt sich die Qualität der Bearbeitung beurteilen, und die Parametereinstellungen können bei Bedarf in der Systemkonfigurationsschnittstelle angepasst werden. Die Selbstdiagnoseschnittstelle dient der Anzeige der Ursachen verschiedener schwerwiegender Fehler und deren vorläufiger Lösungen. Die Online-Hilfe bietet Benutzern Anleitungen zur Bedienung der Mensch-Maschine-Schnittstelle. Diese basiert vollständig auf der Windows-Umgebung und verwendet Menüschaltflächen, was eine intuitive Bedienung ermöglicht. (2) Kommunikationsprogramm zwischen übergeordnetem und untergeordnetem Rechner: Um die Kommunikation zwischen PMAC und der übergeordneten Windows-Schicht zu vereinfachen, stellt Delta Tau die dynamische Linkbibliothek PComm32 als Brücke zwischen der übergeordneten Anwendung und PMAC bereit. PComm32 ist ein sehr effektives Entwicklungswerkzeug. Es umfasst alle Kommunikationsmethoden mit PMAC und ist gut kompatibel mit Entwicklungssoftware wie VC++. Entwickler müssen die dynamische Linkbibliothek lediglich im VC-Programm aufrufen, um den Datenaustausch zwischen dem übergeordneten Rechner und PMAC abzuschließen. Im Folgenden wird der Aufruf der dynamischen Linkbibliothek PComm32 und ihrer Funktionen in der VC++ 6.0-Umgebung beschrieben. PComm32 enthält über 250 Funktionen, von denen jedoch nur wenige häufig verwendet werden. Die Beherrschung der folgenden Funktionen genügt für die meisten Kommunikationsfunktionen: `Open Pmac Device()` // Öffnet einen Kanal für die Anwendung mit PMAC; `Close Pmac Device()` // Schließt den geöffneten Kanal nach Beendigung des Programms; `Pmac Get ResponseA()` // Sendet eine Befehlszeichenfolge an PMAC und empfängt eine Antwort aus dem Puffer; `Pmac Configure()` // Öffnet den Konfigurationsdialog und ändert PMAC-Parameter; `Pmac Down LoadA()` // Lädt das Programm vom PC auf PMAC herunter; `Pmac Send CommandA()` // Sendet eine Befehlszeichenfolge an PMAC. Die Beherrschung dieser Funktionen ermöglicht die Verwendung der dynamischen Linkbibliothek PComm32 in der VC++ 6.0-Umgebung. Zusätzlich werden einige Windows-API-Funktionen benötigt: `LoadLibrary` // Lädt die dynamische Bibliothek; `GetProcAddress` // Gibt die Adresse der entsprechenden Funktion zurück; `FreeLibrary` // Entlädt die dynamische Bibliothek. Um eine Funktion aus einer dynamischen Bibliothek aufzurufen, muss zunächst in der Headerdatei ein Funktionszeigertyp für die gewünschte Funktion definiert werden. Dessen Parameter müssen mit dem Funktionsprototyp in der dynamischen Bibliothek übereinstimmen. Anschließend werden in dieser Datei drei Funktionszeiger definiert: `Open Pmac open`, `Close Pmac close` und `Pmac Get pmaeget`. In der ausführbaren Datei wird dann die dynamische Bibliothek geladen, die entsprechenden Funktionsadressen ermittelt und den definierten Funktionszeigern zugewiesen. Der Codeabschnitt sieht wie folgt aus: `hMyD1 1 = LoadLibrary("pmac") // Dynamische Bibliothek laden; open = (OpenPmac)GetProcAddress(hMyD1 1), "Open Pmac Device" // Funktionsadresse ermitteln und Funktionszeiger zuweisen; close = (ClosePmac)GetProcAddress(hMyD1 1, "Close Pmac Device");` pmacget = (PmacGet)GetProcAddress(hMyD1 1, "Pmac Get ResponseA") // Die Funktion über den Zeiger aufrufen; if (open!=NULL) { (open)(0) // Die Funktion initialisieren; SetTimer(1, 10, NULL) // Die Timer-Erfassungszeit auf 100 ms setzen: | void CP comm Dig::On Timer(UINT)` nIDEvent) // Timer-Antwortfunktion; | (pmacget)(0, buf, 255, "rx0") // Den Wert des PMAC-Registers x0 lesen und in buf speichern; Update(FALSE) CDialog::On Timer(nIDEvent) | // Die dynamische Bibliothek beim Beenden des Programms entladen; BOOL CPcommDlg::Destroy Window() { (close)(0) // Die Kommunikation mit PMAC schließen; Free Library(hMy DLL) // Die dynamische Bibliothek entladen; Return CDialog::Destroy Window() } (3) Kompilierung des SPS-Programms Das SPS-Programm des Systems initialisiert das System und überwacht verschiedene Eingangs- und Ausgangsgrößen, insbesondere Endschalter, Kühlung, Schmierung, Kontrollleuchtensteuerung, Spindelmotorstart und -stopp sowie weitere Unterprogramme. PMAC verfügt über eine integrierte Soft-SPS-Funktion, deren Betrieb von PMAC implementiert wird. Während das Bewegungsprogramm im Vordergrund ordnungsgemäß ausgeführt wird, kann PMAC bis zu 32 asynchrone SPS-Programme im Hintergrund ausführen. SPS-Programme können analoge und digitale Eingänge überwachen, Ausgangswerte festlegen, Informationen senden, die Verstärkung ändern und Bewegungen mit extrem hohen Abtastraten stoppen/starten. Die Syntax der SPS-Programme verwendet eine C-ähnliche Sprache mit einer IF-ELSE-Struktur, was die Erstellung der benötigten SPS-Programme für Entwickler vereinfacht. Anschließend können sie die von PMAC bereitgestellte Softwareentwicklungsplattform zum Bearbeiten und Kompilieren nutzen und schließlich zur Ausführung auf die PMAC-Karte laden. 3. Fazit (1) Der Einsatz von Linearmotorantrieben und Linearführungen gewährleistet die schnelle Reaktionszeit und die hohe Steifigkeit, die beim Drehen nichtkreisförmiger Werkstücke erforderlich sind. (2) Das auf der IPC+PMAC-Architektur basierende CNC-System für Kolbendrehmaschinen nutzt die leistungsstarke Servoregelung des PMAC-Controllers, die hohe Frequenzantwort des Linearmotors und die effiziente und flexible Programmierfunktion des PCs optimal aus. Die einfache Hardwarekonfiguration, die komfortable Softwareentwicklung, der kurze Entwicklungszyklus des gesamten Systems sowie die hohe Offenheit und Skalierbarkeit machen es ideal für die Entwicklung und Fertigung von Kolben verschiedenster Art und Kleinserien.