電子束加工機(jī)床運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及誤差補(bǔ)償

金艷，胡建軍，蔣鵬，杜向斌

(1.重慶理工大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，重慶400054;2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054)

電子束加工具有效率高、加工零件表面應(yīng)力低等特點(diǎn)，能完成狹縫、深槽等普通工藝難完成的加工。而且電子束能量密度高，金屬基體加熱和冷卻速度快，材料表面的物理和化學(xué)變化明顯，能夠顯著提高材料表層硬度，改善其耐磨和耐腐蝕性能。同時(shí)電子束加工引起金屬材料表層重熔流動(dòng)，起到拋光的作用，使零件表面形貌和摩擦性能得到提高［1］。

目前對(duì)電子束加工的原理以及材料表面改性的基礎(chǔ)性研究較多，而對(duì)電子束加工的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及控制研究不夠［2－3］。電子束加工量的大小一般是由電規(guī)準(zhǔn)確定，加工過(guò)程不存在Z 向進(jìn)給，一般要求工作臺(tái)帶動(dòng)加工件做X 和Y 向的二維運(yùn)動(dòng)，但由于其需要在真空環(huán)境下工作，因此運(yùn)動(dòng)精度和普通機(jī)床不同。這里對(duì)電子束加工機(jī)床的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和精度控制進(jìn)行研究。

圖1 電子束加工工藝流程圖

1 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 電子束加工工藝流程

電子束加工工藝流程如圖1所示，當(dāng)加工任務(wù)到達(dá)，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電子槍產(chǎn)生電子束，經(jīng)電磁線圈匯聚后對(duì)工件進(jìn)行照射，當(dāng)達(dá)到工藝需要的要求后，控制系統(tǒng)指揮工作臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)及誤差補(bǔ)償［2］。

1.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子束加工運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)分為X 和Y 方向的運(yùn)動(dòng)，單個(gè)方向結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示，步進(jìn)電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器直連滾珠絲杠，滾珠絲杠通過(guò)與之連接的滾珠螺母形成傳動(dòng)副將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，滾珠螺母通過(guò)聯(lián)動(dòng)塊帶動(dòng)傳力桿經(jīng)過(guò)密封裝置伸進(jìn)真空室內(nèi)部，拖動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。

圖2 電子束加工工作臺(tái)框圖

1.3 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)原理

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)原理如圖3所示，由單片機(jī)、信號(hào)控制開(kāi)關(guān)、直流電源及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，并與PC 機(jī)相連。采用Windows 平臺(tái)下利用Visual C + +提供的串口通信控件與單片機(jī)的通信來(lái)產(chǎn)生四相信號(hào)，PC機(jī)主要完成人機(jī)交互、顯示等非實(shí)時(shí)性任務(wù)，單片機(jī)接收主機(jī)發(fā)出的指令并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)電機(jī)［3］。

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖

2 基于PC 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)如圖4所示，采用PC 機(jī)和單片機(jī)構(gòu)成主從式二級(jí)控制總體結(jié)構(gòu)，上位機(jī)采用通用PC 機(jī)，完成加工參數(shù)的設(shè)置、加工工藝的選擇等任務(wù)，而下位機(jī)利用AT89S52 單片機(jī)系統(tǒng)完成位移進(jìn)給驅(qū)動(dòng)控制，并從外部獲取加工狀態(tài)等反饋信息，上下位機(jī)間以中斷方式進(jìn)行串口通信［4］。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于串口的上位機(jī)控制軟件開(kāi)發(fā)

串行通信原理如圖5所示，系統(tǒng)為每個(gè)通信設(shè)備開(kāi)辟了輸入輸出緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)進(jìn)出由系統(tǒng)后臺(tái)完成，應(yīng)用程序完成對(duì)輸入輸出緩沖區(qū)操作。實(shí)際接收數(shù)據(jù)的過(guò)程為:每接收一個(gè)字符，系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)低級(jí)硬件中斷，操作系統(tǒng)中的串行驅(qū)動(dòng)程序就取得了控制權(quán)，并將接收到的字符放入輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將控制權(quán)返還正在運(yùn)行的控制程序［5－6］。

圖5 串行通信的基本原理

基于Visual C+ +設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)界面如圖6所示，分為6 個(gè)部分，即:串口參數(shù)、步進(jìn)電機(jī)參數(shù)、絲杠參數(shù)、運(yùn)動(dòng)控制、加工軌跡。運(yùn)動(dòng)控制是對(duì)步進(jìn)電機(jī)軸向運(yùn)動(dòng)、運(yùn)動(dòng)方向(正向運(yùn)動(dòng)還是反向運(yùn)動(dòng))進(jìn)行選擇，要求電子束加工工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的距離和此距離由已選定的絲杠速度運(yùn)算出的時(shí)間等可視參數(shù);加工軌跡是對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行多步控制時(shí)使用，此處主要用于工作臺(tái)成梳狀的運(yùn)行方式選擇［7－8］。

圖6 電子束加工機(jī)構(gòu)工作臺(tái)控制系統(tǒng)

2.3 控制系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

使用PC 機(jī)通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)是較廣泛的一種驅(qū)動(dòng)方法。運(yùn)用下位機(jī)作為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制部件，由單片機(jī)發(fā)出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器供給步進(jìn)電機(jī)直流電源，設(shè)計(jì)選用AT89S52 單片機(jī)芯片，如圖7所示，它是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 kB 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)開(kāi)發(fā)板

3 運(yùn)動(dòng)誤差分析及補(bǔ)償

3.1 誤差計(jì)算方法

由于受滾軸絲杠以及相關(guān)導(dǎo)軌精度的影響，運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生平移和角運(yùn)動(dòng)而引起誤差，在較高要求的控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償，誤差計(jì)算如公式(1):

式中:R 為工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差，R理論為工作臺(tái)理論運(yùn)動(dòng)距離(mm)，R實(shí)際為工作臺(tái)實(shí)際運(yùn)動(dòng)距離(mm)。

3.2 運(yùn)動(dòng)誤差分析與補(bǔ)償

為了便于測(cè)量，對(duì)X 和Y 兩方向每隔5 mm 連續(xù)運(yùn)動(dòng)和往返運(yùn)動(dòng)進(jìn)行誤差測(cè)試，為了減少實(shí)驗(yàn)誤差，每組進(jìn)行3 次實(shí)驗(yàn)求平均值。在X 方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)每5 mm 誤差值如圖8(a)所示，平均誤差為0.024 mm;X 方向往返運(yùn)動(dòng)每5 mm 誤差值如圖8(b)所示，平均誤差為0.042 mm。圖中顯示誤差值基本落在平均誤差值兩側(cè)，同時(shí)可計(jì)算出反向間隙平均為0.018 mm［9－10］。

圖8 X 向誤差及平均值

Y 方向連續(xù)運(yùn)動(dòng)每5 mm 誤差值如圖9(a)所示，平均誤差為0.035 mm;Y 方向往返運(yùn)動(dòng)每5 mm誤差值如圖9(b)所示，平均誤差為0.044 mm，可以計(jì)算出反向間隙平均為0.009 mm。

圖9 Y 向誤差及平均值

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電子束加工機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理的構(gòu)架，設(shè)計(jì)了基于PC 機(jī)的控制系統(tǒng)及軟件，并對(duì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了誤差和補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)研究，可以得出如下結(jié)論:

(1)設(shè)計(jì)出了可行的電子束加工運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理，利用PC 及控制單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)、利用滾珠絲杠的系統(tǒng)能夠滿足電子束加工機(jī)床的需要。

(2)完成了基于通用PC 機(jī)控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)建立，利用Visual C+ +的MSComm 控件進(jìn)行串口通信并完成電子束加工機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的編寫(xiě)，結(jié)果顯示可以較好地對(duì)步進(jìn)電機(jī)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(3)設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在X 向每5 mm 連續(xù)運(yùn)動(dòng)平均誤差為0.024 mm，往返運(yùn)動(dòng)平均誤差為0.042 mm;Y 方向每5 mm 連續(xù)運(yùn)動(dòng)平均誤差為0.035 mm，往返運(yùn)動(dòng)平均誤差為0.044 mm。

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