基于UMAC的高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)*

黃振庭，劉建群，程 帥，高偉強(qiáng)

(廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 廣東省微納加工技術(shù)與裝備重點實驗室，廣州 510006)

0 引言

近年來，高精密復(fù)雜光學(xué)零件廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、通訊和民用光電產(chǎn)品等領(lǐng)域[1-3]。高精密五軸機(jī)床由于加工軌跡靈活，成為了光學(xué)零件重要加工設(shè)備，其配套的數(shù)控系統(tǒng)也成為研究熱點。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)由專業(yè)廠家生產(chǎn)，封閉性強(qiáng)，移植性和兼容性差，修改難度大[4]，無法適應(yīng)機(jī)床智能化、網(wǎng)絡(luò)化與柔性化的發(fā)展趨勢[5]。開放式數(shù)控系統(tǒng)具有開放性、模塊化、可移植性等特點[6]，能集成不同廠商的軟硬件[7]，能兼容視覺檢測、自動對刀等各類系統(tǒng)，滿足高精密機(jī)床開發(fā)要求。開放式數(shù)控主要包括4種方式[8]：①工控機(jī)(PC)+傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，②純軟件式，③純數(shù)字式，④PC+運(yùn)動控制器。其中“PC+運(yùn)動控制器”方式已成為主流，這種方案能充分發(fā)揮運(yùn)動控制器的專業(yè)性和PC的柔性[9]，適合高精密五軸數(shù)控機(jī)床。

美國泰道公司的UMAC控制器控制精度高，插補(bǔ)功能強(qiáng)，用戶還能自主修改控制算法，是高精密機(jī)床很好的選擇。本文圍繞“PC+UMAC”開發(fā)了高精密五軸機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)。首先，以工業(yè)計算機(jī)和UMAC控制器為主控單元，搭建數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺。然后，針對機(jī)床需求，開發(fā)上位機(jī)軟件，設(shè)計操作面板和手輪。最終選擇光學(xué)零件開展加工實驗，驗證系統(tǒng)性能。

1 高精密五軸機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了獲得亞微米級的尺寸精度和納米級的表面粗糙度，高精密機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該具備以下特征：高精度、高剛度、低振動以及良好穩(wěn)定性[10-11]。實驗室自主研發(fā)的高精密五軸數(shù)控機(jī)床主要由液壓直線導(dǎo)軌、空氣軸承主軸、靜壓轉(zhuǎn)臺以及大理石平臺等組成，具有X、Y和Z三個直線軸和B、C兩個旋轉(zhuǎn)軸，機(jī)床總體布局如圖1所示。

圖1 機(jī)床總體布局圖

機(jī)床采用大理石床身(1900×1250×250mm)，四腳裝有氣浮隔振裝置。X、Y和Z軸三根直線軸均選用液體靜壓導(dǎo)軌，最大行程分別可達(dá)350mm、110mm和350mm。X和Z軸安裝在大理石基座上，呈“T”型分布，有效避免兩軸誤差疊加。Y軸垂直安裝在X軸上，裝配有實驗室自主開發(fā)的氣浮平衡卸載鎖緊裝置，目的是平衡主軸重量以及防止其掉落。同時，Y軸采用雙電機(jī)龍門結(jié)構(gòu)，提高自身驅(qū)動能力。氣浮主軸和液壓B軸分別安裝在Y軸和Z軸，主軸也具備慢速精確定位的C軸功能。主軸為Load Point D08518氣浮主軸，配置水冷裝置，保證加工過程恒溫，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min。B軸為實驗室自主研發(fā)的超精密靜壓回轉(zhuǎn)工作臺，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到100r/min。機(jī)床還安裝有配套氣壓系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)。

2 開放式數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺

硬件平臺是開放式數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)，主要由輸入輸出裝置、伺服驅(qū)動、執(zhí)行裝置、反饋元件以及保護(hù)器件等組成。本文以UMAC控制器和研華工控機(jī)為核心，為各軸搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)，為液氣壓系統(tǒng)等輔助加工系統(tǒng)設(shè)計電氣控制模塊。UMAC控制器選配2塊4軸卡(ACC-24E2A)和1塊I/O卡(ACC-11E)。

數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。PC與UMAC之間通過以太網(wǎng)通訊，UMAC接收PC運(yùn)動指令，完成軌跡規(guī)劃和運(yùn)動插補(bǔ)，輸出模擬信號。X、Y、Z三根直線軸與Parker直線電機(jī)直接連接，由Trust線性放大器驅(qū)動。另外，直線軸均由海德漢LIP481R光柵尺采集工作臺位置信號，并將其反饋至UMAC控制器，形成全閉環(huán)。LIP418R光柵尺柵距2μm，經(jīng)細(xì)分后，X、Y、Z三軸分辨率分別為10 nm、5 nm 和10 nm，最大運(yùn)行速度可達(dá)30 mm/s、15 mm/s 和30 mm/s。B軸采用科爾摩根旋轉(zhuǎn)電機(jī)、Elmo驅(qū)動器和雷尼紹圓光柵，其分辨率為0.055″。主軸具有高、低分辨率兩種位置反饋，ABB驅(qū)動器接收低分辨率的編碼器信號，構(gòu)成速度環(huán)，UMAC控制器接收高分辨率的圓光柵信號，構(gòu)成位置環(huán)，其分辨率為0.72″。操作臺按鈕、中間繼電器和手輪檔位等接入ACC-11E卡。根據(jù)輸入輸出邏輯，編寫PLC程序，實現(xiàn)操作臺按鈕控制液壓與氣壓系統(tǒng)等。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

基于Windows系統(tǒng)，以QT為開發(fā)平臺，采用C++語言設(shè)計了人機(jī)友好以及實用的上位機(jī)軟件。該軟件采用模塊化設(shè)計方式，主要由加工生產(chǎn)和工藝設(shè)置兩大模塊組成，數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

3.1 加工生產(chǎn)模塊

加工生產(chǎn)模塊實現(xiàn)了機(jī)床軸運(yùn)動控制、程序自動運(yùn)行以及其它輔助加工等功能。如圖4所示，該模塊主要包括：①狀態(tài)顯示，實時更新機(jī)床工件坐標(biāo)、剩余坐標(biāo)、機(jī)床坐標(biāo)、運(yùn)行速度、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、主軸倍率和進(jìn)給倍率等。②程序編輯器，可導(dǎo)入、編輯和修改加工程序，并通過高亮顯示條實時監(jiān)視程序執(zhí)行進(jìn)度。③軸運(yùn)動控制，實現(xiàn)機(jī)床軸使能、點動、回零和對刀等功能。④輔助控制，負(fù)責(zé)主軸模式切換和工件吸附等。⑤程序控制，將加工程序下載到控制器，通過開始、暫停和停止按鈕控制程序運(yùn)行。

圖4 加工生產(chǎn)界面

3.2 工藝設(shè)置模塊

工藝設(shè)置模塊根據(jù)曲面模型、刀具參數(shù)以及加工工藝，規(guī)劃刀具軌跡，自動生成加工程序。該模塊分為曲面定義、刀具設(shè)置和后置處理三個子模塊。曲面定義子模塊通過母線定義設(shè)計軸對稱非球面曲面，母線可由4種曲線組成：直線、圓弧、非球面和NURBS曲線，定義方式有兩種：圖形導(dǎo)入和自定義曲線。在刀具設(shè)置子模塊中，用戶輸入刀具半徑、角度、類型、位置以及名字建立刀具庫，后續(xù)可直接調(diào)用。后置處理子模塊對粗加工、半精加工和精加工進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，比如：刀具、主軸轉(zhuǎn)速、切削深度和切削速度等。結(jié)合以上3個子模塊設(shè)置，最終生成零件加工程序，界面如圖5所示。

(a) 曲面定義

(b) 刀具設(shè)置

(c) 后置處理圖5 工藝設(shè)置界面

4 操作面板設(shè)計與手輪功能實現(xiàn)

在開放式數(shù)控系統(tǒng)中，PC通過顯示屏、鼠標(biāo)和鍵盤與操作人員進(jìn)行交互，承擔(dān)了顯示、文件管理和軟件操作等大部分工作。但在工件對刀、工作臺運(yùn)動等方面，操作面板和手輪使用更簡單，具有更強(qiáng)的人機(jī)交互性。本文針對上位機(jī)軟件設(shè)計配套操作面板，針對UMAC控制器實現(xiàn)手輪功能。

4.1 操作面板設(shè)計

如圖6所示，操作面板主要實現(xiàn)急停、倍率調(diào)整、模式切換、軸點動控制、程序啟停和氣浮通斷等常用加工功能。面板工作原理如圖7所示，按鍵和檔位開關(guān)接入轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板與PC建立串口雙向通訊。基于STM32芯片(STM32F103)自主設(shè)計的轉(zhuǎn)接板，定時掃描鍵盤和檔位開關(guān)，實時將狀態(tài)信息上傳上位機(jī)軟件，并響應(yīng)其指令。在這種設(shè)計方式下，面板與控制器硬件無關(guān)聯(lián)，連接方式簡單、可靠，具有更好的通用性和兼容性。

圖6 操作面板圖

圖7 面板工作原理圖

4.2 手輪功能實現(xiàn)

手輪是數(shù)控機(jī)床不可或缺的配件，主要實現(xiàn)刀具微動、工件對刀等功能。本論文利用UMAC控制器的位置跟隨功能進(jìn)行手輪功能設(shè)計。如圖8所示，手輪軸選檔和倍率檔作為I/O信號接入ACC-11E。碼盤脈沖信號接入ACC-24E2A的閑置編碼器通道，濾波輸出到主寄存器。同時，設(shè)置UMAC的I變量(Ixx05)，將主寄存器指定為所有電機(jī)位置跟隨寄存器。上位機(jī)手輪模式觸發(fā)UMAC底層PLC程序，循環(huán)掃描ACC-11E的輸入信號，獲取手輪軸選和倍率檔位。PLC程序根據(jù)檔位信息設(shè)置電機(jī)跟隨啟停(Ixx06)和電子齒輪傳動比(Ixx07)，從而實現(xiàn)各軸跟隨手輪運(yùn)動。

圖8 手輪功能實現(xiàn)原理圖

5 菲涅爾透鏡加工實驗

菲涅爾透鏡可以有效減小鏡片厚度，目前主要應(yīng)用于投影以及太陽能光伏領(lǐng)域。本文通過加工一種菲涅爾透鏡來驗證機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。透鏡結(jié)構(gòu)如圖9所示，齒寬為1mm、齒深為100μm。毛坯選擇直徑20mm的6061鋁合金圓柱，刀具采用R0.1mm的金剛石圓弧車刀。機(jī)床運(yùn)行參數(shù)如下：主軸3000r/min，粗、精加工進(jìn)給速度分別為10mm/s和1mm/s，粗加工和精加工的切削深度分別為10μm和3μm。

圖9 菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)圖

菲涅爾透鏡加工實驗如圖10所示。透鏡加工完成后，使用Bruker公司白光干涉儀Contour GT-X測量工件，檢測結(jié)果如圖11所示，齒面粗糙度Ra為23.55nm。使用Nikon公司顯微鏡MM-400測量齒寬，其寬度為10±0.005mm。加工結(jié)果表明本文設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)能滿足高精密加工要求。

圖10 菲涅爾透鏡加工實驗

圖11 菲涅爾透鏡加工結(jié)果

6 結(jié)論

本文分析了高精密五軸機(jī)床使用需求，設(shè)計并構(gòu)建了基于UMAC控制器和工業(yè)計算機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件平臺選型合理，實現(xiàn)了五軸閉環(huán)控制，為機(jī)床高精度加工奠定了基礎(chǔ)。上位機(jī)軟件界面簡潔、清晰，且采用模塊化設(shè)計方式，移植性和擴(kuò)展性強(qiáng)。操作面板及手輪簡單實用，兼容性良好。同時，通過菲涅爾透鏡加工實驗，表明了開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，功能完善，達(dá)到了高精密光學(xué)零件的加工要求。