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)展起來的先進(jìn)制造技術(shù)，是一門綜合應(yīng)用了機械技術(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)和計算機技術(shù)等的高新技術(shù)，是光機電一體化的結(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)展過程中，超精密機床起到了決定性的作用，它是實現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備，是一個國家超精密加工技術(shù)水平的重要指標(biāo)，是在國防工業(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、西歐和日本等發(fā)達(dá)國家都把發(fā)展超精密數(shù)控加工作為發(fā)展國家制造技術(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。我國在超精密數(shù)控機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)國家相比仍有很大的差距。尤其是在大型超精密數(shù)控機床方面，至今我國還沒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)控機床及其相關(guān)技術(shù)具有重大理論意義和實際價值。我們利用PMAC運動控制卡的優(yōu)越性能開發(fā)出了一套應(yīng)用于大型超精密車銑機床的數(shù)控伺服系統(tǒng)。

　　1.超精密車銑機床總體結(jié)構(gòu)

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

圖1超精密車銑機床總體結(jié)構(gòu)圖

　　(1) 作為銑床使用時

　　對稱安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺兩側(cè)的兩臺交流伺服電機經(jīng)過摩擦輪和諧波減速器減速后驅(qū)動工作臺實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給; 安裝在Z軸上的模擬主軸電機接收CNC的加工指令后驅(qū)動其下端的銑刀盤旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)銑刀的切削功能; CNC控制X、Z軸的伺服電機完成兩軸聯(lián)動的插補加工功能。

　　(2) 作為車床使用時

　　此時兩摩擦輪機械脫開，工作臺由與其同軸安裝的力矩電機驅(qū)動，實現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運動，執(zhí)行普通車床的工件主軸功能; 此時，Z軸上的主軸電機被鎖定,卸掉銑刀盤后，換裝車刀，由CNC驅(qū)動X、Z軸電機控制刀具完成兩軸聯(lián)動插補加工功能。

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

　　機床數(shù)控系統(tǒng)采用PMAC卡嵌入工業(yè)PC機的形式，構(gòu)成雙CPU的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其中PC機作為數(shù)控系統(tǒng)的上位機，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、動態(tài)仿真等。并根據(jù)加工工件的精度要求，對所加工工件輪廓曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)點的離散，按照給定曲線形式來對所加工曲線進(jìn)行分段擬合，完成對加工輪廓曲線的粗插補，實現(xiàn)數(shù)控編程。PMAC卡作為數(shù)控系統(tǒng)的下位機，主要完成電機位置和速度的實時控制，如對由PC機離散所得的曲線段進(jìn)行精插補運算和螺距補償?shù)裙ぷ鳌３軝C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控制卡的超精密機床數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　作為上位機的PC機主要通過調(diào)用下位機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進(jìn)行信息交換，實現(xiàn)指令的傳送和信息的獲取等通訊功能。

　　PMAC運動控制卡與PC機之間采用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,不但能在實時狀態(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，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ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取。超精密機床的控制系統(tǒng)利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動存取，不需要經(jīng)過通訊口發(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運動控制卡是整個數(shù)控系統(tǒng)的核心，其內(nèi)部集成了DSP數(shù)字信號處理器、內(nèi)部總線、固化的伺服運算算法、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，可同時控制8 個軸同步運動,每軸的伺服控制周期僅為40μs，位置控制精度±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的電機,且能直接與編碼器或光柵尺等輸出的正交編碼信號相連接，作為位置反饋，形成閉環(huán)控制; 內(nèi)置的PLC使得其在前臺有程序運行的同時，可在后臺運行多達(dá)32個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)視運動參數(shù)，改變增益值和命令運動啟動/停止序列，用以實現(xiàn)機床的邏輯控制。

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

　　X、Z軸的伺服電機和工作臺C軸的磨擦輪驅(qū)動電機均選用αi系列電機。伺服驅(qū)動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，速度反饋通過裝在伺服電機上的光電編碼器來實現(xiàn); 位置反饋利用海德漢(Heidenhain) 的精密光柵尺實現(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，從而使得整個數(shù)控伺服系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于50nm。

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

　　超精密機床數(shù)控系統(tǒng)的軟件控制管理技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)。為實現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和實時性，研制了一套較為完善的數(shù)控機床的控制管理軟件，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。整個系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3 所示

圖3超精密數(shù)控機床數(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。并能自動產(chǎn)生文件變更日志，記錄相關(guān)文檔的操作內(nèi)容和時間。

　　(2) 數(shù)控編程。可進(jìn)行圖形編程或NC編程。系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行直線插補和圓弧插補，而且能實現(xiàn)樣條曲線插補和NURBS插補，產(chǎn)生離散點數(shù)據(jù)，生成刀位文件，經(jīng)自動編程系統(tǒng)的前置處理和后置處理,輸出數(shù)控加工G代碼，驅(qū)動數(shù)控機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。主要指機床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和補償參數(shù)設(shè)置。其中機床參數(shù)設(shè)置包括機床復(fù)位、主軸無級調(diào)速、設(shè)零及回零點、變當(dāng)量點動、變速連續(xù)運動和動態(tài)顯示運動等功能。補償參數(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，事先對一些可以預(yù)測的誤差進(jìn)行補償參數(shù)的設(shè)置。包括對刀、刀補設(shè)置、間隙補償設(shè)置、螺距補償和溫度補償設(shè)置等。

　　(4) 數(shù)控加工。主要是根據(jù)指令信息對零件進(jìn)行加工和控制。包括自動加工和手動加工兩種方式。

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

　　(5) 加工仿真。在真實加工之前，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，動態(tài)顯示整個零件的加工過程。加工仿真模塊具有設(shè)計毛胚、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械故障診斷主要是對整個機床的機械部件進(jìn)行監(jiān)控、檢測，及時發(fā)現(xiàn)其因機械問題引起的故障，并進(jìn)行分析和診斷。電氣故障診斷是對機床電氣連接、邏輯控制和作為上位機的PC機的內(nèi)存、磁盤等進(jìn)行診斷，同時還能對伺服信號進(jìn)行檢測，并能對編程輸入中的代碼進(jìn)行診斷，以實現(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.超精密機床數(shù)控系統(tǒng)軟件編程

　　基于PMAC運動控制卡的數(shù)控系統(tǒng)的軟件編程采用在VC中調(diào)用Pcomm32動態(tài)連接庫，實現(xiàn)PC機與PMAC卡之間的通訊。Pcomm32中含有200多個函數(shù)，涵蓋了PC機與PMAC卡以及DPRAM之間進(jìn)行通訊的所有方法，可在Windows95 /NT 下運行。

　　Pcomm32共包括三個部分:

　　PMAC1DLL - 32位通訊函數(shù)庫

　　PMAC1SYS - Windows NT下的內(nèi)核驅(qū)動器

　　PMAC1VXD - Windows 95 下的32 位虛擬設(shè)備驅(qū)動器

　　開發(fā)過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機與PMAC卡之間的通訊動作結(jié)束時，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)反饋補償?shù)哪芰Γ箼C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、動態(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床的技術(shù)要求，采用該機床能實現(xiàn)大型光學(xué)零件的金剛砂刀具的超精密加工。