0 引言

　　隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，微小孔已經(jīng)廣泛地出現(xiàn)在了我們生活中的各個領(lǐng)域，大到航空、航天、軍事等方面的尖端零件，小到電路板、模具、鐘表等民用零件，幾乎在各個生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)品中都能遇到微小孔。當(dāng)前，微小孔的加工方法有很多種，如鉆削加工、振動鉆削加工、電火花加工、電子束加工等。這些加工方法中，微小孔振動鉆削加工不儀適用于加工各種材料，且加工精度高、效率高『面被廣泛適用，它一般是利用高速數(shù)控振動鉆床來完成的。隨著產(chǎn)品要求的提高，微小孔的孔徑越來越小，深度加深，而且對孔尺寸形狀精度和表面粗糙度的要求也越來越高。因此研制一套經(jīng)濟(jì)性好、精度高、穩(wěn)定性好的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。

1 總體方案設(shè)計

　　鑒于微小孔數(shù)控振動鉆床的特點(diǎn)和實(shí)際的應(yīng)用需求，本文硬件設(shè)計總體方案如下：

　　(1)鉆床的基礎(chǔ)部件包括床身、橫梁、床腳、高精度滾珠絲杠(絲杠螺距為4mm)、滑動導(dǎo)軌以及高速主軸。

　　(2)鉆床鉆孔直徑范圍為0.2—1mm，進(jìn)給孔深比為1：8。

　　(3)鉆床定位工作臺采用十字坐標(biāo)數(shù)控滑臺，分別為x和Y坐標(biāo)，由x和y兩向步進(jìn)電機(jī)帶動(定位精度／重復(fù)定位精度為±10μ/±5μ)。

　　(4)鉆床主軸為z坐標(biāo)，分別由直流無刷電機(jī)(MinMotor 3564K012B)帶動高速旋轉(zhuǎn)(最高轉(zhuǎn)速達(dá)27000r／min，無機(jī)調(diào)速)和z向步進(jìn)電機(jī)(四通)通過滾珠絲杠帶動z向進(jìn)給。

　　(5)鉆床制振器由壓電陶瓷堆組成，通過彈簧與高速主軸相連，利用壓電陶瓷的電致伸縮帶動主軸和刀具振動(振動頻率為0—300Hz，振動幅度為3—5μm)。

　　(6)基于PC機(jī)運(yùn)動控制技術(shù)通過各個執(zhí)行部件的驅(qū)動單元構(gòu)建鉆床數(shù)控系統(tǒng)。

2 基于PC機(jī)的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計

　　目前，國內(nèi)自行研發(fā)的基于PC機(jī)的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：PC嵌入NC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)、NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)以及純軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)，這3種類型的數(shù)控系統(tǒng)各有自己的優(yōu)點(diǎn)。其中NC嵌入PC結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，PC機(jī)處理非實(shí)時部分，而加工控制所需的實(shí)時任務(wù)由運(yùn)動控制卡來承擔(dān)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、集成方便、靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計算機(jī)的所有資源。本文就是采用了NC嵌入PC結(jié)構(gòu)類型構(gòu)建了基于“PC機(jī)+A／D功能卡”的數(shù)控硬件平臺和以Windows 98作為軟件運(yùn)行平臺的微小孔振動鉆床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并給出了具體的方案設(shè)計。

　　本鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件主要由PC機(jī)、A／D運(yùn)動控制卡(MPC2810)、PCI2003數(shù)據(jù)采集卡、步進(jìn)電機(jī)控制器、直流無刷電機(jī)控制器、制振器驅(qū)動電源、壓力扭矩傳感器等組成?；赑C機(jī)的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)。利用PC機(jī)作為主體，將選擇的,adD功能卡插在PC機(jī)PCI標(biāo)準(zhǔn)插槽上，外接輸入輸出接口卡、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、直流無刷電機(jī)驅(qū)動模塊等構(gòu)成硬件總體結(jié)構(gòu)。作為控制系統(tǒng)的核心，由PC機(jī)向控制卡(MPC2810和PCI2003)發(fā)出指令，控制卡對PC機(jī)發(fā)出的各種數(shù)據(jù)、信息(主軸轉(zhuǎn)速、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給速度、振動頻率、鉆孔深度及位置等)進(jìn)行有關(guān)的處理和運(yùn)算，根據(jù)處理的結(jié)果向各個驅(qū)動模塊發(fā)出控制命令I(lǐng)／O信號，執(zhí)行用戶的指令。該系統(tǒng)的I／O量主要有以下幾類：步進(jìn)電機(jī)控制信號(9路，每個步進(jìn)電機(jī)有3路：+5V公共端信號(Corn)、方向(Dir)以及脈沖(PULS))l直流無刷電機(jī)控制信號(4路：模擬地(GND)、模擬速度信號(Analog speed comm)、方向(Dir)以及剎車(Brake))；制振器控制信號(4路：邏輯地1(GND)、方波l(PULS)、邏輯地2(GND)、方波2(PULS))；限位信號(6路：-X、+X、-Y、+Y、-Z、+Z)，它主要保證機(jī)床運(yùn)動時不超出特定極限位置；采集信號(4路：模擬地1、模擬壓力電壓、模擬地2、模擬扭矩電壓)，它是用來測試機(jī)床加工過程中刀具的受力情況以便進(jìn)行模擬分析。在整個設(shè)計中控制器與外部信號的連接都采用了光電耦合，以排除外界對系統(tǒng)的干擾。

　　此外需要特別指出的有以下幾點(diǎn)：

　　(1)MPC2810運(yùn)動控制卡以IBM—PC及其兼容機(jī)為主機(jī)，基于PCI總線的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)的上位控制單元。它可以完成運(yùn)動控制的所有細(xì)節(jié)(包括直線和圓弧插補(bǔ)、脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點(diǎn)和限位等信號的檢測等等)。單張卡可控制4軸的步進(jìn)電機(jī)或數(shù)字式伺服電機(jī)，此外除了各軸專用的輸入輸出(COM端、脈沖、方向、正限位、負(fù)限位)，該卡還提供了24路通用數(shù)字量輸出口和19路通用數(shù)字量輸入口以供控制更多的部件。本系統(tǒng)設(shè)計中充分利用了該卡的多軸電機(jī)控制功能和數(shù)字量輸入輸出功能。

　　(2)PCI2003數(shù)據(jù)采集卡上裝有12Bit分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器和D／A轉(zhuǎn)換器，提供了8雙116單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。輸入信號幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調(diào)到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度，在本系統(tǒng)設(shè)計中充分運(yùn)用了該卡所具備的信號采集和模擬量輸出功能。

　　(3)通過控制MPC2810上的兩個DO口輸出兩路推免的具有一定頻率的相位相差1800的數(shù)字方波信號經(jīng)光電耦合電路到制振器驅(qū)動電源，控制電源輸出有規(guī)律的正負(fù)電壓信號驅(qū)動制振器振動。

3 基于PC機(jī)的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設(shè)計

　　在數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，采用標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境，既降低開發(fā)成本，又可開發(fā)出性能更優(yōu)越的系統(tǒng)，同時還能降低維修成本。眾所周知，在基于PC機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)中，Windows操作系統(tǒng)具有統(tǒng)一的友好圖形界面以及豐富的軟件資源和開發(fā)工具，同時又是基于搶占式的多任務(wù)操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時多任務(wù)功能不需要用戶的干預(yù)。因此在本系統(tǒng)軟件開發(fā)中，選用Windows98作為操作系統(tǒng)平臺，利用VisualC++6．0作為軟件的開發(fā)工具開發(fā)可視化、操作界面良好的數(shù)控系統(tǒng)。

　　與此同時，本系統(tǒng)采用的PCI2003和MPC2810兩塊控制卡本身包含由開發(fā)商提供的設(shè)備驅(qū)動程序，它既負(fù)責(zé)各個功能實(shí)現(xiàn)中對底層硬件操作的交換細(xì)節(jié)，確保各個功能的有效實(shí)現(xiàn)，又提供了一致的標(biāo)準(zhǔn)模塊應(yīng)用接口，在用VC++編寫應(yīng)用程序時，可以直接凋用，有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和功能調(diào)用的硬件無關(guān)性，為編程者提供了極大地方便。所以，當(dāng)?shù)讓佑布O(shè)備發(fā)生改變時，只需安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序并調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)，對用戶應(yīng)用程序沒有太大的影響。

　　為了使整個系統(tǒng)具有最大的開放性和擴(kuò)展性，根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)平臺特點(diǎn)，本文采用一種開放式、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法將整個軟件系統(tǒng)劃分為多個功能模塊，各模塊之間的層次結(jié)構(gòu)。各個模塊的功能介紹如下：

　　(1)人機(jī)界面主控模塊：用友好的界面設(shè)計來實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，用戶可以用鼠標(biāo)點(diǎn)擊和鍵盤輸入的方式完成電機(jī)運(yùn)動參數(shù)、傳感器參數(shù)、啟動、停止、采集、定位等功能。

　　(2)X、Y軸定位模塊：接收用戶給定孔的x、Y定位參數(shù)(移動距離、移動速度等)，生成一定頻率和數(shù)量的脈沖波形，輸出到功率驅(qū)動部件，完成對X、Y向步進(jìn)電機(jī)的控制。

　　(3)主軸(z軸)進(jìn)給模塊：接收給定的主軸進(jìn)給深度和速度，控制生成一定頻率和數(shù)量的脈沖波形，輸出到功率驅(qū)動部件，完成對z向步進(jìn)電機(jī)的控制。

　　(4)主軸旋轉(zhuǎn)模塊：該模塊將給定的旋轉(zhuǎn)速度值進(jìn)行數(shù)據(jù)換算和LSB碼轉(zhuǎn)換輸出對應(yīng)的模擬信號(電壓)到電機(jī)驅(qū)動器，完成對直流無刷電機(jī)的控制。

　　(5)制振器控制模塊：該模塊控制MPC2810的兩個DO口輸出具有一定頻率的推免的相位相差180°數(shù)字方波信號，以控制制振器的振動。

　　(6)數(shù)據(jù)采集模塊：用來處理由采集卡讀取傳感器傳輸?shù)男盘枴?/span>

　　鉆床執(zhí)行部件控制流程：數(shù)控加工過程中，能夠有效、合理、協(xié)調(diào)地控制系統(tǒng)執(zhí)行部件運(yùn)動是非常重要的，十字?jǐn)?shù)控滑臺的控制流程，鉆孔定位時，首先判斷滑臺是否需要返回加工原點(diǎn)，如果需要，執(zhí)行返回原點(diǎn)命令將滑臺歸位到機(jī)械原點(diǎn)，然后，執(zhí)行孔的定位操作。

　鉆孔加工控制流程，首先讀入孔的加工參數(shù)，然后依次輸出直流旋轉(zhuǎn)電機(jī)、Z向步進(jìn)電機(jī)以及制振器的控制信號(順序不能變)以控制對應(yīng)執(zhí)行部件開始運(yùn)動，然后判斷是否進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。如果是，需要調(diào)用數(shù)據(jù)采集模塊(此模塊置于單獨(dú)的線程中)，最后判斷是否停止加工(可以隨時停止各執(zhí)行部件的運(yùn)行，即使沒有加工到初始設(shè)定的位置)。

4 結(jié)論

　　本文基于NC嵌入PC的設(shè)計思想，利用“PC機(jī)+A/D功能卡”構(gòu)建的微小孔振動數(shù)控鉆床樣機(jī)已制作完成，在系統(tǒng)中PC機(jī)實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)界面、靈活的系統(tǒng)配置、增強(qiáng)的外部軟件接口，配合兩張控制卡進(jìn)行各種信號的輸入輸出，完成位置控制、速度控制等實(shí)時任務(wù)l以Windows98操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺，各功能模塊化設(shè)計。將這種軟硬件設(shè)計方法應(yīng)用于微小孔振動鉆床，使其專用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡單，易于維修，制造周期短且提高了機(jī)床的性價比，適合于小規(guī)模的數(shù)控系統(tǒng)。目前，樣機(jī)已經(jīng)通過測試，系統(tǒng)工作可靠，參數(shù)調(diào)節(jié)滿足實(shí)驗(yàn)要求，事實(shí)證明這是一種比較快捷可行的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)方案。