基于UMAC的高精密機床開放式數(shù)控系統(tǒng)探析

金子豪

關鍵詞：高精密機床開放式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、復雜光學零件的應用領域也越來越廣泛，如軍事、航空，通信、廣電產(chǎn)品等，這對于加工高精密復雜光學零件的高精密機床提出了更高的要求。而想要提高高精密機床的工作質(zhì)量和精度，研發(fā)與其配套的數(shù)控系統(tǒng)至至關重要[1]。

一直以來，高精密機床數(shù)控系統(tǒng)基本上都由專業(yè)機構(gòu)進行設計，具有相當強的封閉性，開放性相對不足、移植性以及兼容性較差，對于高精密機床的網(wǎng)絡化和智能化是一種制約。因此，必須要對具備相當開放性、可移植性以及模塊化的高精密機床開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究、開發(fā)，達到能夠?qū)崿F(xiàn)對不同廠家開發(fā)的軟硬件以及系統(tǒng)進行兼容的目的，以增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而適應高精密機床的網(wǎng)絡化和智能化。

目前，常見的高精密機床開放式數(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)合運動控制器四種方式。其中，PC端結(jié)合運動控制器能夠充分發(fā)揮運動控制器的專業(yè)性和PC的柔性，適用于各種高精密機床，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床為對象，以UMAC為基礎，采用PC端結(jié)合運動控制器的方式，開發(fā)了針對五軸高精密機床的開放式數(shù)控系統(tǒng)。

1開放式數(shù)控系統(tǒng)的硬件平臺

硬件平臺是開放式數(shù)控系統(tǒng)的基礎平臺，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、保護器件等。本次研究以UMAC控制器和PC端為核心，PC選擇研華工控機，目的是搭建閉環(huán)控制系統(tǒng)應用于高精密機床的各軸，設計電氣控制模塊應用于液氣壓等輔助系統(tǒng)。

運動指令由PC端發(fā)出，通過以太網(wǎng)傳輸至UMAC，這也是二者實現(xiàn)通信、通能的主要方式，UMAC會根據(jù)指令完成軌跡規(guī)劃和運動插補，并輸出模擬信號。通過線性放大器來驅(qū)動與直線電機連接的X、Y、Z直線軸。同時，通過光柵尺實現(xiàn)直線軸工作臺位置信號的采集，最終反饋至UMAC控制器，完成閉環(huán)。主軸設置有兩種位置反饋，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)進行編寫，實現(xiàn)對液壓以及氣壓等系統(tǒng)的控制。

2開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件設計

人機交互系統(tǒng)軟件以QT為開發(fā)平臺，在Windows10系統(tǒng)中運行。軟件下包含兩大模塊———加工生產(chǎn)和工藝設置。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現(xiàn)程序自動化、機床軸的運動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)顯示可以實時顯示各類信息，如各類坐標信息、機床運行狀況、主軸倍率和進給倍率等;程序編輯器用來對加工程序進行編輯、修改以及導入等動作，并可對執(zhí)行進度進行實時監(jiān)視;采用軸運動控制進行機床軸使能、點動、回零以及對刀等功能;通過輔助控制實現(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，控制程勛運行的開關、暫停，并可以將加工程序下載到控制器。

2.2工藝設置模塊

工藝設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，從而自動生成加工工序。工藝設置模塊包含若干子模塊進行信息的收集和處理，如曲面定義、刀具設置、后置處理等。三個子模塊各司其職———曲面定義子模塊通過圖形導入以及自定義曲線兩種模式對設計軸對稱非球面曲面進行定義;刀具設置子模塊可將輸入的各類道具數(shù)據(jù)進行儲存，需要使用時方便調(diào)用;后置處理子模塊可以設置不同加工階段的參數(shù)。工藝設置模塊將各子模塊進行結(jié)合，最終自動生成加工程序。

3操作面板設計與手輪功能

高精度機床開放式數(shù)控系統(tǒng)通過顯示屏、鍵盤以及鼠標實現(xiàn)顯示、操作、文件管理等功能，但對于工件對刀、工作臺運動等功能的實現(xiàn)，需要采用操作面板和手輪，這樣可以更加簡單、有效。

3.1操作面板設計

與上位機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、軸點動控制、程序啟停、氣浮通斷等。操作面板中設置了若干相關的按鍵以及檔位開關，其通過轉(zhuǎn)接板與PC進行串口雙向通信。轉(zhuǎn)接板可對按鍵以及檔位開關的狀態(tài)信息進行實時記錄，并上傳至上位機軟件，從而響應上機位軟件傳來的指令。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

對于高精密數(shù)控機床來說，如果要實現(xiàn)刀具微動、工件對刀等一系列功能，就離不開關鍵配件手輪。本文針對手輪的功能設計，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，碼盤脈沖信號接入到四軸卡的編碼器通道，濾波輸出到主寄存器。通過對I/O卡的輸入信號進行實時掃描，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)信息對電機的跟隨啟停以及電子齒輪傳動比進行設置，最終實現(xiàn)各軸跟隨手輪運動。

4開放式數(shù)控系統(tǒng)驗證試驗

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

試驗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。

試驗中高精密機床的運行參數(shù)設置為主軸3000r/min，粗加工進給速度10mm/S，精加工進給速度1mm/S;粗加工切削深度1μm，精加工切削深度3μm。

在菲涅爾透鏡試驗加工完成后，還需要進行檢測[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。齒寬使用顯微鏡進行測量，結(jié)果顯示為10±0.005nm。

試驗結(jié)果表明，本文研究設計的高精密機床開放式數(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床為對象，以UMAC為基礎，開發(fā)了針對高精密機床的開放式數(shù)控系統(tǒng)。根據(jù)高精密機床的使用需求，選用可以閉環(huán)控制的硬件系統(tǒng)平臺，在此基礎上設計了包括加工生產(chǎn)模塊和工藝設置模塊的上位機軟件，增強了數(shù)控系統(tǒng)的可移植性和擴展性，并實現(xiàn)了開放功能。同時，本文還設計了簡單實用以及兼容性強的操作面板和手輪。最后，采用菲涅爾透鏡加工試驗驗證了高精密機床開放式數(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。