引言

　　超精密加工技術(shù)是為適應(yīng)現(xiàn)代高新技術(shù)發(fā)展需要而發(fā)展起來(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)，是一門綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)、現(xiàn)代電子、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、材料科學(xué)、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的高新技術(shù)，是光機(jī)電一體化的結(jié)晶。目前已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向，是衡量國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。

　　在超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展過(guò)程中，超精密機(jī)床起到了決定性的作用，它是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備，是一個(gè)國(guó)家超精密加工技術(shù)水平的重要指標(biāo)，是在國(guó)防工業(yè)和民用高新工業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的超精密加工設(shè)備。美國(guó)、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展超精密數(shù)控加工作為發(fā)展國(guó)家制造技術(shù)的重要戰(zhàn)略，投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)，并取得了很大的成就。我國(guó)在超精密數(shù)控機(jī)床的研制方面起步較晚，雖然取得了較大的進(jìn)步，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大的差距。尤其是在大型超精密數(shù)控機(jī)床方面，至今我國(guó)還沒(méi)有能夠自行研制出能加工<600mm以上尺寸零件的大型超精密數(shù)控加工的設(shè)備。因此,依靠自己的力量，研制出大型超精數(shù)控機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)具有重大理論意義和實(shí)際價(jià)值。我們利用PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的優(yōu)越性能開發(fā)出了一套應(yīng)用于大型超精密車銑機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)。

1.超精密車銑機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

　　機(jī)床采用雙立柱、雙橫梁立式龍門結(jié)構(gòu)，為X軸和Z軸兩軸聯(lián)動(dòng)加工。X軸的最大行程為600mm,Z軸的最大行程為200mm。機(jī)床加工工件最大直徑為<1000mm，加工精度優(yōu)于2&mu;m，數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為50nm。機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1超精密車銑機(jī)床總體結(jié)構(gòu)圖

　　(1) 作為銑床使用時(shí)

　　對(duì)稱安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)兩側(cè)的兩臺(tái)交流伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)摩擦輪和諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給; 安裝在Z軸上的模擬主軸電機(jī)接收CNC的加工指令后驅(qū)動(dòng)其下端的銑刀盤旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)銑刀的切削功能; CNC控制X、Z軸的伺服電機(jī)完成兩軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)加工功能。

　　(2) 作為車床使用時(shí)

　　此時(shí)兩摩擦輪機(jī)械脫開，工作臺(tái)由與其同軸安裝的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行普通車床的工件主軸功能; 此時(shí)，Z軸上的主軸電機(jī)被鎖定,卸掉銑刀盤后，換裝車刀，由CNC驅(qū)動(dòng)X、Z軸電機(jī)控制刀具完成兩軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工功能。

　　2.超精密車銑機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與功能

　　機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用PMAC卡嵌入工業(yè)PC機(jī)的形式，構(gòu)成雙CPU的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其中PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)，主要完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與管理工作，如通訊控制、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等。并根據(jù)加工工件的精度要求，對(duì)所加工工件輪廓曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散，按照給定曲線形式來(lái)對(duì)所加工曲線進(jìn)行分段擬合，完成對(duì)加工輪廓曲線的粗插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程。PMAC卡作為數(shù)控系統(tǒng)的下位機(jī)，主要完成電機(jī)位置和速度的實(shí)時(shí)控制，如對(duì)由PC機(jī)離散所得的曲線段進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算和螺距補(bǔ)償?shù)裙ぷ?。超精密機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2基于PMAC控制卡的超精密機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　作為上位機(jī)的PC機(jī)主要通過(guò)調(diào)用下位機(jī)PMAC卡中的相應(yīng)變量和功能函數(shù)等應(yīng)用程序接口與下位機(jī)進(jìn)行信息交換，實(shí)現(xiàn)指令的傳送和信息的獲取等通訊功能。

　　PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)之間采用ISA總線和雙端口RAM (DPRAM) 兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。雙端口RAM主要用來(lái)與PMAC卡進(jìn)行快速的數(shù)據(jù)通訊和命令通訊。DPRAM在用于向PMAC卡寫數(shù)據(jù)時(shí),不但能在實(shí)時(shí)狀態(tài)下快速地將位置數(shù)據(jù)信息或程序信息進(jìn)行重復(fù)下載，而且，在從PMAC卡中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，還可以快速地重復(fù)獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息。若系統(tǒng)不使用DPRAM，這些數(shù)據(jù)則必須用PMAC卡的在線命令，通過(guò)ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。超精密機(jī)床的控制系統(tǒng)利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)存取，不需要經(jīng)過(guò)通訊口發(fā)送命令和等待響應(yīng)，大大提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，從而提高了系統(tǒng)的加工精度。同時(shí)也方便了控制系統(tǒng)中模塊之間的快速通訊和地址表的設(shè)定,便于編程。

　　PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部集成了DSP數(shù)字信號(hào)處理器、內(nèi)部總線、固化的伺服運(yùn)算算法、PID +陷波濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、用戶門列陣和光電隔離電路等芯片，其采用的MotorolaDSP 56000 系列CPU，可同時(shí)控制8 個(gè)軸同步運(yùn)動(dòng),每軸的伺服控制周期僅為40&mu;s，位置控制精度&plusmn;1Cts，從而使得數(shù)控系統(tǒng)的分辨率僅取決于伺服系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。PMAC卡可以控制任意型號(hào)的電機(jī),且能直接與編碼器或光柵尺等輸出的正交編碼信號(hào)相連接，作為位置反饋，形成閉環(huán)控制; 內(nèi)置的PLC使得其在前臺(tái)有程序運(yùn)行的同時(shí)，可在后臺(tái)運(yùn)行多達(dá)32個(gè)PLC程序。這些PLC程序能以很高的采樣速率監(jiān)視模擬輸入和數(shù)字輸入，設(shè)定輸出值，發(fā)送信息,監(jiān)視運(yùn)動(dòng)參數(shù)，改變?cè)鲆嬷岛兔钸\(yùn)動(dòng)啟動(dòng)/停止序列，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制。

　　超精密機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)除了數(shù)控系統(tǒng)外，還包括擴(kuò)展I/O 板(如圖中的ACC14 和ACC34 等) 、伺服放大器、伺服電機(jī)、主軸放大器、主軸電機(jī)和位置反饋元件等。

　　X、Z軸的伺服電機(jī)和工作臺(tái)C軸的磨擦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選用&alpha;i系列電機(jī)。伺服驅(qū)動(dòng)器采用高速高精度的HRV (High Response Vector) 控制，并具有高精度的電流檢出能力，可以實(shí)現(xiàn)高速、高精度、穩(wěn)定的進(jìn)給。

　　進(jìn)給軸X、Z采用雙反饋的策略，速度反饋通過(guò)裝在伺服電機(jī)上的光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn); 位置反饋利用海德漢(Heidenhain) 的精密光柵尺實(shí)現(xiàn)，并選配倍頻轉(zhuǎn)換卡，使反饋系統(tǒng)位置分辨率優(yōu)于40nm，從而使得整個(gè)數(shù)控伺服系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于50nm。

3.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與功能

　　超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制管理技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和實(shí)時(shí)性，研制了一套較為完善的數(shù)控機(jī)床的控制管理軟件，其具有文檔管理、數(shù)控編程、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控加工、加工仿真、故障診斷等功能。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3 所示

圖3超精密數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件組成

　　(1) 文檔管理模塊。主要用于數(shù)控文件的輸入、選擇、復(fù)制和刪除等操作，實(shí)現(xiàn)文檔的管理和系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交流。并能自動(dòng)產(chǎn)生文件變更日志，記錄相關(guān)文檔的操作內(nèi)容和時(shí)間。

　　(2) 數(shù)控編程?？蛇M(jìn)行圖形編程或NC編程。系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，而且能實(shí)現(xiàn)樣條曲線插補(bǔ)和NURBS插補(bǔ)，產(chǎn)生離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成刀位文件，經(jīng)自動(dòng)編程系統(tǒng)的前置處理和后置處理,輸出數(shù)控加工G代碼，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)床完成零件加工任務(wù); 在NC編程中，用戶可以在編輯區(qū)進(jìn)行G代碼的編輯。

　　(3) 參數(shù)設(shè)置。主要指機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置。其中機(jī)床參數(shù)設(shè)置包括機(jī)床復(fù)位、主軸無(wú)級(jí)調(diào)速、設(shè)零及回零點(diǎn)、變當(dāng)量點(diǎn)動(dòng)、變速連續(xù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)動(dòng)等功能。補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置主要是為了消除或減小加工中可能出現(xiàn)的誤差，事先對(duì)一些可以預(yù)測(cè)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置。包括對(duì)刀、刀補(bǔ)設(shè)置、間隙補(bǔ)償設(shè)置、螺距補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償設(shè)置等。

　　(4) 數(shù)控加工。主要是根據(jù)指令信息對(duì)零件進(jìn)行加工和控制。包括自動(dòng)加工和手動(dòng)加工兩種方式。

　　當(dāng)選擇自動(dòng)加工方式，系統(tǒng)先選擇并讀入加工文件,然后進(jìn)行檢查和譯碼，在加工過(guò)程中可以選擇單段運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行兩種模式。當(dāng)選擇手動(dòng)加工方式時(shí)，則要對(duì)伺服軸、主軸和刀架進(jìn)行手動(dòng)控制。

　　(5) 加工仿真。在真實(shí)加工之前，為了更好地了解所加工零件的外觀、所制定的加工路線的優(yōu)劣,可以先進(jìn)行仿真加工，動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)零件的加工過(guò)程。加工仿真模塊具有設(shè)計(jì)毛胚、選擇刀具、錄入程序和仿真加工等功能。

　　(6) 故障診斷。故障診斷模塊中的機(jī)械故障診斷主要是對(duì)整個(gè)機(jī)床的機(jī)械部件進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其因機(jī)械問(wèn)題引起的故障，并進(jìn)行分析和診斷。電氣故障診斷是對(duì)機(jī)床電氣連接、邏輯控制和作為上位機(jī)的PC機(jī)的內(nèi)存、磁盤等進(jìn)行診斷，同時(shí)還能對(duì)伺服信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并能對(duì)編程輸入中的代碼進(jìn)行診斷，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程的可靠性。

　　(7) 其它功能。主要有數(shù)據(jù)、圖形的輸出和幫助功能等。

4.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件編程

　　基于PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡的數(shù)控系統(tǒng)的軟件編程采用在VC中調(diào)用Pcomm32動(dòng)態(tài)連接庫(kù)，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊。Pcomm32中含有200多個(gè)函數(shù)，涵蓋了PC機(jī)與PMAC卡以及DPRAM之間進(jìn)行通訊的所有方法，可在Windows95 /NT 下運(yùn)行。

　　Pcomm32共包括三個(gè)部分:

　　PMAC1DLL - 32位通訊函數(shù)庫(kù)　　PMAC1SYS - Windows NT下的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)器　　PMAC1VXD - Windows 95 下的32 位虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)器

　　開發(fā)過(guò)程中使用的主要通訊函數(shù)包括:

　　初始化函數(shù):

　　OpenPmacDevice ( ) - 允許使用PMAC卡　　PmacConfigure ( ) - 對(duì)通訊進(jìn)行配置　　PmacGetDp ramAvailable ( ) - 初始化DPRAM

　　操作函數(shù):

　　PmacSendLineX( ) - 向PMAC卡寫入命令　　PmacGetLineX( ) - 讀取PMAC卡的響應(yīng)　　PmacDPRSetWord ( ) - 向DPRAM寫入數(shù)據(jù)　　PmacDPRGetWord ( ) - 讀取DPRAM的響應(yīng)

　　在每次PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊動(dòng)作結(jié)束時(shí)，必須使用ClosePmacDevice ( ) 函數(shù)關(guān)閉所有與PMAC卡通訊的流程。

5.結(jié)論

　　本超精密車銑機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)充分利用了PMAC控制卡的優(yōu)越性能，構(gòu)建了雙CPU 的開放式數(shù)控系統(tǒng)。并采用了光電編碼器和精密光柵形成雙閉環(huán)控制，極大地提高了系統(tǒng)反饋補(bǔ)償?shù)哪芰?，使機(jī)床具備了超精密的定位和軌跡控制性能。系統(tǒng)不但具備了很好的開放性，有優(yōu)越的數(shù)控編程、數(shù)據(jù)管理、加工檢測(cè)、動(dòng)態(tài)仿真等功能，而且精度高、響應(yīng)快、行程大，能充分滿足所裝備的大型超精密車銑機(jī)床的技術(shù)要求，采用該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)大型光學(xué)零件的金剛砂刀具的超精密加工。