基于UMAC的高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)探析

金子豪

關(guān)鍵詞：高精密機(jī)床開放式UMAC數(shù)控系統(tǒng)

隨著電子工業(yè)的不斷發(fā)展，各種高精密、復(fù)雜光學(xué)零件的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，如軍事、航空，通信、廣電產(chǎn)品等，這對(duì)于加工高精密復(fù)雜光學(xué)零件的高精密機(jī)床提出了更高的要求。而想要提高高精密機(jī)床的工作質(zhì)量和精度，研發(fā)與其配套的數(shù)控系統(tǒng)至至關(guān)重要[1]。

一直以來，高精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)基本上都由專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有相當(dāng)強(qiáng)的封閉性，開放性相對(duì)不足、移植性以及兼容性較差，對(duì)于高精密機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化和智能化是一種制約。因此，必須要對(duì)具備相當(dāng)開放性、可移植性以及模塊化的高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究、開發(fā)，達(dá)到能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同廠家開發(fā)的軟硬件以及系統(tǒng)進(jìn)行兼容的目的，以增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而適應(yīng)高精密機(jī)床的網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

目前，常見的高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)包括純軟件、純數(shù)字、PC端結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)以及PC端結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器四種方式。其中，PC端結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器能夠充分發(fā)揮運(yùn)動(dòng)控制器的專業(yè)性和PC的柔性，適用于各種高精密機(jī)床，成為最受歡迎的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

本文以高精密五軸機(jī)床為對(duì)象，以UMAC為基礎(chǔ)，采用PC端結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制器的方式，開發(fā)了針對(duì)五軸高精密機(jī)床的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)是開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，其主要包括輸入裝置、輸出裝置、執(zhí)行裝置、反饋元件、伺服驅(qū)動(dòng)、保護(hù)器件等。本次研究以UMAC控制器和PC端為核心，PC選擇研華工控機(jī)，目的是搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)應(yīng)用于高精密機(jī)床的各軸，設(shè)計(jì)電氣控制模塊應(yīng)用于液氣壓等輔助系統(tǒng)。

運(yùn)動(dòng)指令由PC端發(fā)出，通過以太網(wǎng)傳輸至UMAC，這也是二者實(shí)現(xiàn)通信、通能的主要方式，UMAC會(huì)根據(jù)指令完成軌跡規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，并輸出模擬信號(hào)。通過線性放大器來驅(qū)動(dòng)與直線電機(jī)連接的X、Y、Z直線軸。同時(shí)，通過光柵尺實(shí)現(xiàn)直線軸工作臺(tái)位置信號(hào)的采集，最終反饋至UMAC控制器，完成閉環(huán)。主軸設(shè)置有兩種位置反饋，分別反饋低分辨率和高分辨率信息，兩種分辨率分別由ABB驅(qū)動(dòng)器（低分辨率）和UMAC控制器（高分辨率）接收，前者形成閉環(huán)，后者形成位置環(huán)。I/O卡（ACC?11E）接入操作臺(tái)按鈕、中間繼電器以及手輪檔位等。PLC程序以輸入邏輯為依據(jù)進(jìn)行編寫，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓以及氣壓等系統(tǒng)的控制。

2開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)軟件以QT為開發(fā)平臺(tái)，在Windows10系統(tǒng)中運(yùn)行。軟件下包含兩大模塊———加工生產(chǎn)和工藝設(shè)置。其結(jié)構(gòu)見圖2。

2.1加工生產(chǎn)模塊

該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)化、機(jī)床軸的運(yùn)動(dòng)控制以及一些輔助的加工功能。其界面如圖3。

圖3為開放式數(shù)控系統(tǒng)的加工生產(chǎn)模塊界面。其中，狀態(tài)顯示可以實(shí)時(shí)顯示各類信息，如各類坐標(biāo)信息、機(jī)床運(yùn)行狀況、主軸倍率和進(jìn)給倍率等;程序編輯器用來對(duì)加工程序進(jìn)行編輯、修改以及導(dǎo)入等動(dòng)作，并可對(duì)執(zhí)行進(jìn)度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視;采用軸運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行機(jī)床軸使能、點(diǎn)動(dòng)、回零以及對(duì)刀等功能;通過輔助控制實(shí)現(xiàn)主軸模式的切換以及工件吸附等;程序控制是總控制板塊，控制程勛運(yùn)行的開關(guān)、暫停，并可以將加工程序下載到控制器。

2.2工藝設(shè)置模塊

工藝設(shè)置模塊的主要功能是依據(jù)各類信息和操作規(guī)劃刀具軌跡，從而自動(dòng)生成加工工序。工藝設(shè)置模塊包含若干子模塊進(jìn)行信息的收集和處理，如曲面定義、刀具設(shè)置、后置處理等。三個(gè)子模塊各司其職———曲面定義子模塊通過圖形導(dǎo)入以及自定義曲線兩種模式對(duì)設(shè)計(jì)軸對(duì)稱非球面曲面進(jìn)行定義;刀具設(shè)置子模塊可將輸入的各類道具數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，需要使用時(shí)方便調(diào)用;后置處理子模塊可以設(shè)置不同加工階段的參數(shù)。工藝設(shè)置模塊將各子模塊進(jìn)行結(jié)合，最終自動(dòng)生成加工程序。

3操作面板設(shè)計(jì)與手輪功能

高精度機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)通過顯示屏、鍵盤以及鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)顯示、操作、文件管理等功能，但對(duì)于工件對(duì)刀、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等功能的實(shí)現(xiàn)，需要采用操作面板和手輪，這樣可以更加簡單、有效。

3.1操作面板設(shè)計(jì)

與上位機(jī)軟件配套的操作面板的主要功能包括急停、倍率調(diào)整、模式切換、軸點(diǎn)動(dòng)控制、程序啟停、氣浮通斷等。操作面板中設(shè)置了若干相關(guān)的按鍵以及檔位開關(guān)，其通過轉(zhuǎn)接板與PC進(jìn)行串口雙向通信。轉(zhuǎn)接板可對(duì)按鍵以及檔位開關(guān)的狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，并上傳至上位機(jī)軟件，從而響應(yīng)上機(jī)位軟件傳來的指令。通過這種模式增加系統(tǒng)的通用性和兼容性。

3.2手輪功能

對(duì)于高精密數(shù)控機(jī)床來說，如果要實(shí)現(xiàn)刀具微動(dòng)、工件對(duì)刀等一系列功能，就離不開關(guān)鍵配件手輪。本文針對(duì)手輪的功能設(shè)計(jì)，采用了基于UMAC控制器位置跟隨功能[2]。將手輪軸選檔和倍率檔接入到I/O卡，碼盤脈沖信號(hào)接入到四軸卡的編碼器通道，濾波輸出到主寄存器。通過對(duì)I/O卡的輸入信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)掃描，從而獲取手輪軸選和倍率檔位信息，然后分析掃描得到的數(shù)據(jù)信息對(duì)電機(jī)的跟隨啟停以及電子齒輪傳動(dòng)比進(jìn)行設(shè)置，最終實(shí)現(xiàn)各軸跟隨手輪運(yùn)動(dòng)。

4開放式數(shù)控系統(tǒng)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)用性和穩(wěn)定性，本文采用了菲涅爾透鏡的方法進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)采用的菲涅爾透鏡結(jié)構(gòu)見圖4。

試驗(yàn)采用的齒寬和深各為1mm和10μm;毛坯采用鋁合金圓柱，直徑尺寸為20mm;刀具選用金剛石圓弧車刀。

試驗(yàn)中高精密機(jī)床的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為主軸3000r/min，粗加工進(jìn)給速度10mm/S，精加工進(jìn)給速度1mm/S;粗加工切削深度1μm，精加工切削深度3μm。

在菲涅爾透鏡試驗(yàn)加工完成后，還需要進(jìn)行檢測[3]，齒面粗糙度（Rα）檢測的工具采用白光干涉儀測量工件，最終的結(jié)果為23.55nm。齒寬使用顯微鏡進(jìn)行測量，結(jié)果顯示為10±0.005nm。

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文研究設(shè)計(jì)的高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足高精密加工的需求，可以推廣使用。

5結(jié)束語

本文以高精密五軸機(jī)床為對(duì)象，以UMAC為基礎(chǔ)，開發(fā)了針對(duì)高精密機(jī)床的開放式數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)高精密機(jī)床的使用需求，選用可以閉環(huán)控制的硬件系統(tǒng)平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了包括加工生產(chǎn)模塊和工藝設(shè)置模塊的上位機(jī)軟件，增強(qiáng)了數(shù)控系統(tǒng)的可移植性和擴(kuò)展性，并實(shí)現(xiàn)了開放功能。同時(shí)，本文還設(shè)計(jì)了簡單實(shí)用以及兼容性強(qiáng)的操作面板和手輪。最后，采用菲涅爾透鏡加工試驗(yàn)驗(yàn)證了高精密機(jī)床開放式數(shù)控系統(tǒng)的功能。結(jié)果表示，本研究的開放式數(shù)控系統(tǒng)能夠滿足高精密加工的需求。