0 引言
工业CT(Computed Tomography)是在无损状态下检测物体断层的灰度图像，以其灰度来分辨被检测断面内部的几何结构、装配情况、材质情况、有无缺陷以及缺陷的性质、大小和走向等。目前发达国家已把X射线工业CT技术广泛地应用于航天、航空、冶金、机械、电子等领域，在无损检测、无损评估与逆向工程等研究方面，已将重点从二维CT转移到三维CT的方向上，并在医学和工业领域取得了多项重要的研究成果。而国内还主要集中在二维CT的开发和应用上。
航空涡轮发动机是在高温、高压、高速以及高负载的复杂条件下工作的，而叶片是保证涡轮发动机性能和使用可靠性的关键。如果涡轮叶片内部存在微裂纹、壁厚不均匀等缺陷，会降低叶片的安全可靠性，严重时还会发生叶片失效，进而导致发动机爆炸等恶性事故。因此，发动机涡轮叶片生产中的尺寸测量、无损检测是迫切需要解决的关键技术。鉴于此,课题组设计了针对涡轮叶片检测的锥束体积CT，本文着重介绍该CT 工作台控制系统的设计。
1 控制系统结构确定
为了方便、准确的检测涡轮叶片等测试件，控制系统既要能够控制工作台沿X、Y、Z、B 4个轴精确运动，又要能够控制平板探测器、X射线源、伺服驱动器及控制回路等供电电路的通断。
因为锥束体积CT 除了需要完成对工作台的运动控制外、还要进行系统仿真、系统校正、图像处理、图像重建、缺陷分析与尺寸测量和信息管理等工作，因此在设计工作台控制系统时要从整个锥束体积CT的角度作全面考虑。控制系统如果采用专用CNC 数控系统，尽管可以完成对工作台的运动控制，但对系统仿真、图像处理、重建等工作却无能为力;如果采用个人计算机加专用CNC的结构，计算机与专用CNC之间信息的实时交互也存在很大困难，因此本控制系统采用了工业控制计算机加多轴运动控制器的开放式数控结构。工控机为上位机，完成系统仿真和图像处理等工作，多轴运动控制器为下位机，用于根据上位机的要求控制工作台精确运动。这样既可发挥计算机速度快、处理功能强的特点，又能发挥多轴运动控制器实时性强、稳定性好的特点。
2 控制系统组成及工作原理
控制系统由工控机、PMAC多轴运动控制器、伺服驱动器、电机、工作台等组成，如图1所示。
工控机选用研华公司的IPC-610型工控机。工控机具有运行速度快、存储量大、应用灵活、功能强大的特点，在本系统中用于实现系统初始化、给PAMC 多轴运动控制器发送命令、平台运动轨迹参数的设定、运动信息的实时显示等，同时，还完成系统仿真、系统校正、图像处理、图像重建、缺陷分析等，它作为上位机。
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delat Tau公司遵循开放式系统体系结构标准开发的开放式可编程多轴运动控制器,采用Motorola的DSP56001/56002数字信号处理器为CPU，全面开发了DSP技术的强大功能，能实现多轴插补计算、高性能伺服运动控制、PLC控制、伺服环更新、资源管理、与主机交互及数据采集等功能。而且还可以自动对任务进行优先级判别,从而进行实时的多任务处理,大大减轻了主机在处理时间和任务切换这两方面的负担,提高了整个控制系统的运行速度和控制精度。每一块PMAC 卡能够控制8 根轴联动，最多可将16 块PMAC 卡级联在一起使用，控制128 根轴。
本系统中PMAC 作为下位机，主要用于控制工作台4个轴的运动，包括插补运算、伺服驱动、程序解释以及高速数据采集等实时性任务。充分利用了其精度高、速度快的特点，它可在任何时间与上位机通信，完成对工作台运动的实时控制。
系统选用的PMAC 卡为PMAC-Lite 型4 轴卡，其标准配置可同时控制4个伺服轴，具有16个通用I/O接点，并且为每个电机分配了正、负限位信号(+LIMn 和-LIMn)、放大器使能信号(AENAX/DIRn)、回零信号(HMFLn)、放大器出错信号(FAULTn)等专用数字I/O 接点。它既可通过串行端口也可通过总线与工控机连接实现通信，并把获得的指令发送到伺服驱动部分，进而完成对各伺服电机的运动控制。PMAC 可借助OPTO-22 光电隔离I/O模块实现与控制面板的连接，根据控制面板上各开关的状态，在相应的PLC程序支持下发出相应指令以及输出信号。本系统的启动、停止、J+、J-的点动控制及故障指示等功能就是这样完成的。
系统选用松下公司的 MAMA 系列小惯量交流伺服电机及其伺服放大器来驱动工作台沿4个方向运动。该系列电机坚固耐用、体积小、重量轻、动态响应性能好。与电机同轴装有光电编码器，用于运行速度、位置的反馈。4个轴电机的功率分别为：X轴为400W，其余3 个轴为200W。PMAC 通过ACC-8P接线端子板与各伺服驱动器相连接。图2是各伺服驱动器与ACC-8P 的接线图。ACC-8P 与PMAC 则通过60芯扁平电缆连接。
4根轴的正、负极限开关及参考点开关也通过ACC-8P 接入PMAC 卡，如图3 所示。
选用美国Bayside公司的Micro R系列精密定位直线平台及Rotary系列蜗轮驱动精密转台搭建了系统的4轴工作平台，最底层为左右移动的X轴直线滑台，其行程为600mm;Y 轴直线滑台置于X 轴滑台上，行程为200mm,作垂直于X 轴的前后运动;Z轴直线滑台垂直置于Y轴滑台上，作上下移动，行程也为200mm;精密转台置于Z 轴滑台上，带动测试件作回转运动。Bayside平台的特点是：结构紧凑、重量轻、强度高、承载力强、寿命长，直线平台的重复定位精度为5μm，200mm 行程直线平台的位置精度为23μm，600mm 行程直线平台的位置精度为35μm,蜗轮驱动精密转台的重复定位精度为12arcsec,位置精度为2arcsec。
各伺服驱动器的供电回路、射线源供电回路、平板探测器供电回路及计算机、PMAC 卡等控制部分的供电回路是独立的供电回路，分别通过控制面板上的选择开关由接触器控制它们的通断，需要给哪个回路供电，接通该回路的选择开关即可。给各伺服驱动器提供的三相200伏交流电，是通过一个三相隔离变压器提供的。驱动器及ACC-8P 的直流24V、±15V 电压由开关电源提供。
3 控制系统的软件设计
控制系统是以 PMAC 为核心的开放式数控系统。上位工控机和下位PMAC 多轴运动控制器各有自己的CPU、存储器和外设，分别构成一套独立的计算机系统。考虑到系统的结构特点，采用面向对象的编程思想，结合PMAC 的通讯驱动原理，利用Visual C++6.0开发了基于Windows的控制系统软件。软件结构如图4所示。
程序中，运动控制由CMotor类完成。该类包括的主要变量和成员函数有：
4 结论
本文通过分析锥束体积CT的结构与特点，根据其功能要求，设计了基于PMAC 的锥束体积CT 工作台控制系统的硬件及控制软件。经实际运行证实，该系统完全符合锥束体积CT的运动控制要求，达到其控制精度。不仅为锥束体积CT的发展提供了实验基础，而且为其他需要实时运动控制的系统提供切实可行的设计方案。
参考文献:
[1] 张丰收, 张定华. 航空发动机涡轮叶片CBVCT系统设计[J].机床与液压,2005,3:28-30.
[2]Deltataudatasystem[Z].Inc..PMACUser'sManual,1998.
[3] Delta tau data system[Z]. Inc..PMAC and PMAC2 SoftwareReferenceManual,1998.
作者简介：杨旭东(1962-)，男，副教授，硕士，主要研究方向为工业自动化、数控系统。
