基于PMAC的大型超精密車銑機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)
引言
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(lái)的先進(jìn)制造技術(shù)函强，是一門綜合應(yīng)用了機(jī)械技術(shù)滚吱、現(xiàn)代電子、控制技術(shù)涉粘、傳感器技術(shù)、材料科學(xué)笨奠、光學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等的高新技術(shù)袭蝗，是光機(jī)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)展方向般婆，是衡量國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志到腥。
在超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展過(guò)程中朵逝，超精密機(jī)床起到了決定性的作用，它是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備乡范，是一個(gè)國(guó)家超精密加工技術(shù)水平的重要指標(biāo)配名，是在國(guó)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(guó)晋辆、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展超精密數(shù)控加工作為發(fā)展國(guó)家制造技術(shù)的重要戰(zhàn)略渠脉，投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)瓶佳，并取得了很大的成就芋膘。我國(guó)在超精密數(shù)控機(jī)床的研制方面起步較晚，雖然取得了較大的進(jìn)步霸饲，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大的差距凡矿。尤其是在大型超精密數(shù)控機(jī)床方面，至今我國(guó)還沒(méi)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)備置芋。因此,依靠自己的力量紊竹，研制出大型超精數(shù)控機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)具有重大理論意義和實(shí)際價(jià)值。我們利用PMAC運(yùn)動(dòng)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(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)栋湃。
1.超精密車銑機(jī)床總體結(jié)構(gòu)
機(jī)床采用雙立柱壹会、雙橫梁立式龍門結(jié)構(gòu)，為X軸和Z軸兩軸聯(lián)動(dòng)加工瘾手。X軸的最大行程為600mm,Z軸的最大行程為200mm销顷。機(jī)床加工工件最大直徑為<1000mm，加工精度優(yōu)于2μm光拥，數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為50nm灼烫。機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
對(duì)稱安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)兩側(cè)的兩臺(tái)交流伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)摩擦輪和諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給; 安裝在Z軸上的模擬主軸電機(jī)接收CNC的加工指令后驅(qū)動(dòng)其下端的銑刀盤旋轉(zhuǎn)厨摔，實(shí)現(xiàn)銑刀的切削功能; CNC控制X窄忱、Z軸的伺服電機(jī)完成兩軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)加工功能。
(2) 作為車床使用時(shí)
此時(shí)兩摩擦輪機(jī)械脫開脓杉，工作臺(tái)由與其同軸安裝的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)糟秘，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行普通車床的工件主軸功能; 此時(shí)球散，Z軸上的主軸電機(jī)被鎖定,卸掉銑刀盤后尿赚，換裝車刀，由CNC驅(qū)動(dòng)X蕉堰、Z軸電機(jī)控制刀具完成兩軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工功能凌净。
2.超精密車銑機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與功能
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用PMAC卡嵌入工業(yè)PC機(jī)的形式，構(gòu)成雙CPU的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其中PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)冰寻，主要完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與管理工作须教，如通訊控制、圖形顯示斩芭、動(dòng)態(tài)仿真等轻腺。并根據(jù)加工工件的精度要求，對(duì)所加工工件輪廓曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散划乖，按照給定曲線形式來(lái)對(duì)所加工曲線進(jìn)行分段擬合贬养，完成對(duì)加工輪廓曲線的粗插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程援丐。PMAC卡作為數(shù)控系統(tǒng)的下位機(jī)善簸，主要完成電機(jī)位置和速度的實(shí)時(shí)控制，如對(duì)由PC機(jī)離散所得的曲線段進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算和螺距補(bǔ)償?shù)裙ぷ魑３軝C(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示呛产。
PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)之間采用ISA總線和雙端口RAM (DPRAM) 兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊治勒。雙端口RAM主要用來(lái)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(shí),不但能在實(shí)時(shí)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)下載玷源，而且路倔，在從PMAC卡中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，還可以快速地重復(fù)獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息攀驶。若系統(tǒng)不使用DPRAM逮赋，這些數(shù)據(jù)則必須用PMAC卡的在線命令，通過(guò)ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取镰对。超精密機(jī)床的控制系統(tǒng)利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)存取卓奄，不需要經(jīng)過(guò)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)速度止毕，從而提高了系統(tǒng)的加工精度模蜡。同時(shí)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(yùn)動(dòng)控制卡是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心扁凛，其內(nèi)部集成了DSP數(shù)字信號(hào)處理器忍疾、內(nèi)部總線、固化的伺服運(yùn)算算法谨朝、PID +陷波濾波器卤妒、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、用戶門列陣和光電隔離電路等芯片字币，其采用的MotorolaDSP 56000 系列CPU则披，可同時(shí)控制8 個(gè)軸同步運(yùn)動(dòng),每軸的伺服控制周期僅為40μs妹窖，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)量收叶。PMAC卡可以控制任意型號(hào)的電機(jī),且能直接與編碼器或光柵尺等輸出的正交編碼信號(hào)相連接，作為位置反饋共苛，形成閉環(huán)控制; 內(nèi)置的PLC使得其在前臺(tái)有程序運(yùn)行的同時(shí)判没，可在后臺(tái)運(yùn)行多達(dá)32個(gè)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)字輸入氢莫，設(shè)定輸出值钳生，發(fā)送信息,監(jiān)視運(yùn)動(dòng)參數(shù)，改變?cè)鲆嬷岛兔钸\(yùn)動(dòng)啟動(dòng)/停止序列邦擎，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制孕称。
超精密機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)除了數(shù)控系統(tǒng)外，還包括擴(kuò)展I/O 板(如圖中的ACC14 和ACC34 等) 僧逞、伺服放大器酝遇、伺服電機(jī)、主軸放大器杏蟋、主軸電機(jī)和位置反饋元件等驳芙。
X、Z軸的伺服電機(jī)和工作臺(tái)C軸的磨擦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選用αi系列電機(jī)震崎。伺服驅(qū)動(dòng)器采用高速高精度的HRV (High Response Vector) 控制掰闯，并具有高精度的電流檢出能力，可以實(shí)現(xiàn)高速汉锡、高精度的钞、穩(wěn)定的進(jìn)給。
進(jìn)給軸X扰肌、Z采用雙反饋的策略抛寝，速度反饋通過(guò)裝在伺服電機(jī)上的光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn); 位置反饋利用海德漢(Heidenhain) 的精密光柵尺實(shí)現(xiàn)，并選配倍頻轉(zhuǎn)換卡狡耻，使反饋系統(tǒng)位置分辨率優(yōu)于40nm墩剖，從而使得整個(gè)數(shù)控伺服系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于50nm。
3.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與功能
超精密機(jī)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)夷狰。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和實(shí)時(shí)性岭皂，研制了一套較為完善的數(shù)控機(jī)床的控制管理軟件，其具有文檔管理沼头、數(shù)控編程爷绘、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控加工进倍、加工仿真土至、故障診斷等功能。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3 所示
(2) 數(shù)控編程克鼠∪遥可進(jìn)行圖形編程或NC編程。系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)滚尼，而且能實(shí)現(xiàn)樣條曲線插補(bǔ)和NURBS插補(bǔ)侄伟，產(chǎn)生離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成刀位文件鉴吕，經(jīng)自動(dòng)編程系統(tǒng)的前置處理和后置處理,輸出數(shù)控加工G代碼撇委，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)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代碼的編輯纤耐。
(3) 參數(shù)設(shè)置姊呐。主要指機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置。其中機(jī)床參數(shù)設(shè)置包括機(jī)床復(fù)位助被、主軸無(wú)級(jí)調(diào)速剖张、設(shè)零及回零點(diǎn)、變當(dāng)量點(diǎn)動(dòng)揩环、變速連續(xù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)動(dòng)等功能搔弄。補(bǔ)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(duì)一些可以預(yù)測(cè)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置丰滑。包括對(duì)刀顾犹、刀補(bǔ)設(shè)置、間隙補(bǔ)償設(shè)置褒墨、螺距補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償設(shè)置等炫刷。
(4) 數(shù)控加工。主要是根據(jù)指令信息對(duì)零件進(jìn)行加工和控制郁妈。包括自動(dòng)加工和手動(dòng)加工兩種方式浑玛。
當(dāng)選擇自動(dòng)加工方式，系統(tǒng)先選擇并讀入加工文件,然后進(jìn)行檢查和譯碼噩咪，在加工過(guò)程中可以選擇單段運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行兩種模式顾彰。當(dāng)選擇手動(dòng)加工方式時(shí)，則要對(duì)伺服軸胃碾、主軸和刀架進(jìn)行手動(dòng)控制蜻罕。
(5) 加工仿真蛹鼎。在真實(shí)加工之前，為了更好地了解所加工零件的外觀涯贝、所制定的加工路線的優(yōu)劣,可以先進(jìn)行仿真加工列充，動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)零件的加工過(guò)程。加工仿真模塊具有設(shè)計(jì)毛胚跃呛、選擇刀具井翅、錄入程序和仿真加工等功能。
(6) 故障診斷哩疲。故障診斷模塊中的機(jī)械故障診斷主要是對(duì)整個(gè)機(jī)床的機(jī)械部件進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)坦庸，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其因機(jī)械問(wèn)題引起的故障梨脖，并進(jìn)行分析和診斷。電氣故障診斷是對(duì)機(jī)床電氣連接湃杏、邏輯控制和作為上位機(jī)的PC機(jī)的內(nèi)存屎螟、磁盤等進(jìn)行診斷，同時(shí)還能對(duì)伺服信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)迄埃，并能對(duì)編程輸入中的代碼進(jìn)行診斷疗韵，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程的可靠性。
(7) 其它功能侄非。主要有數(shù)據(jù)蕉汪、圖形的輸出和幫助功能等。
4.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件編程
基于PMAC運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)連接庫(kù)逞怨，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊者疤。Pcomm32中含有200多個(gè)函數(shù)，涵蓋了PC機(jī)與PMAC卡以及DPRAM之間進(jìn)行通訊的所有方法叠赦，可在Windows95 /NT 下運(yùn)行驹马。
Pcomm32共包括三個(gè)部分:
PMAC1DLL - 32位通訊函數(shù)庫(kù)
PMAC1SYS - Windows NT下的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)器
PMAC1VXD - Windows 95 下的32 位虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)器
開發(fā)過(guò)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(duì)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(jī)與PMAC卡之間的通訊動(dòng)作結(jié)束時(shí)，必須使用ClosePmacDevice ( ) 函數(shù)關(guān)閉所有與PMAC卡通訊的流程除秀。
5.結(jié)論
本超精密車銑機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)充分利用了PMAC控制卡的優(yōu)越性能糯累，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)控制册踩，極大地提高了系統(tǒng)反饋補(bǔ)償?shù)哪芰τ窘悖箼C(jī)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展松，有優(yōu)越的數(shù)控編程厕斩、數(shù)據(jù)管理、加工檢測(cè)脂圾、動(dòng)態(tài)仿真等功能翠冻，而且精度高曙早、響應(yīng)快、行程大纪闽，能充分滿足所裝備的大型超精密車銑機(jī)床的技術(shù)要求邻冷，采用該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)大型光學(xué)零件的金剛砂刀具的超精密加工。
參考文獻(xiàn)：
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在超精密加工技術(shù)的研究和發(fā)展過(guò)程中朵逝，超精密機(jī)床起到了決定性的作用，它是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)裝備乡范，是一個(gè)國(guó)家超精密加工技術(shù)水平的重要指標(biāo)配名，是在國(guó)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(guó)晋辆、西歐和日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都把發(fā)展超精密數(shù)控加工作為發(fā)展國(guó)家制造技術(shù)的重要戰(zhàn)略渠脉，投入了大量的人力、物力進(jìn)行開發(fā)瓶佳，并取得了很大的成就芋膘。我國(guó)在超精密數(shù)控機(jī)床的研制方面起步較晚，雖然取得了較大的進(jìn)步霸饲，但與發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有很大的差距凡矿。尤其是在大型超精密數(shù)控機(jī)床方面，至今我國(guó)還沒(méi)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)備置芋。因此,依靠自己的力量紊竹，研制出大型超精數(shù)控機(jī)床及其相關(guān)技術(shù)具有重大理論意義和實(shí)際價(jià)值。我們利用PMAC運(yùn)動(dòng)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(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)栋湃。
1.超精密車銑機(jī)床總體結(jié)構(gòu)
機(jī)床采用雙立柱壹会、雙橫梁立式龍門結(jié)構(gòu)，為X軸和Z軸兩軸聯(lián)動(dòng)加工瘾手。X軸的最大行程為600mm,Z軸的最大行程為200mm销顷。機(jī)床加工工件最大直徑為<1000mm，加工精度優(yōu)于2μm光拥，數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為50nm灼烫。機(jī)床的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1超精密車銑機(jī)床總體結(jié)構(gòu)圖
對(duì)稱安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)兩側(cè)的兩臺(tái)交流伺服電機(jī)經(jīng)過(guò)摩擦輪和諧波減速器減速后驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給; 安裝在Z軸上的模擬主軸電機(jī)接收CNC的加工指令后驅(qū)動(dòng)其下端的銑刀盤旋轉(zhuǎn)厨摔，實(shí)現(xiàn)銑刀的切削功能; CNC控制X窄忱、Z軸的伺服電機(jī)完成兩軸聯(lián)動(dòng)的插補(bǔ)加工功能。
(2) 作為車床使用時(shí)
此時(shí)兩摩擦輪機(jī)械脫開脓杉，工作臺(tái)由與其同軸安裝的力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)糟秘，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行普通車床的工件主軸功能; 此時(shí)球散，Z軸上的主軸電機(jī)被鎖定,卸掉銑刀盤后尿赚，換裝車刀，由CNC驅(qū)動(dòng)X蕉堰、Z軸電機(jī)控制刀具完成兩軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工功能凌净。
2.超精密車銑機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件構(gòu)成與功能
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)采用PMAC卡嵌入工業(yè)PC機(jī)的形式，構(gòu)成雙CPU的開放式數(shù)控系統(tǒng)，其中PC機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的上位機(jī)冰寻，主要完成系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與管理工作须教，如通訊控制、圖形顯示斩芭、動(dòng)態(tài)仿真等轻腺。并根據(jù)加工工件的精度要求，對(duì)所加工工件輪廓曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的離散划乖，按照給定曲線形式來(lái)對(duì)所加工曲線進(jìn)行分段擬合贬养，完成對(duì)加工輪廓曲線的粗插補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控編程援丐。PMAC卡作為數(shù)控系統(tǒng)的下位機(jī)善簸，主要完成電機(jī)位置和速度的實(shí)時(shí)控制，如對(duì)由PC機(jī)離散所得的曲線段進(jìn)行精插補(bǔ)運(yùn)算和螺距補(bǔ)償?shù)裙ぷ魑３軝C(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示呛产。
圖2基于PMAC控制卡的超精密機(jī)床數(shù)控伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
PMAC運(yùn)動(dòng)控制卡與PC機(jī)之間采用ISA總線和雙端口RAM (DPRAM) 兩種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊治勒。雙端口RAM主要用來(lái)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(shí),不但能在實(shí)時(shí)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)下載玷源，而且路倔，在從PMAC卡中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，還可以快速地重復(fù)獲取系統(tǒng)的狀態(tài)信息攀驶。若系統(tǒng)不使用DPRAM逮赋，這些數(shù)據(jù)則必須用PMAC卡的在線命令，通過(guò)ISA總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的存取镰对。超精密機(jī)床的控制系統(tǒng)利用DPRAM進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)存取卓奄，不需要經(jīng)過(guò)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)速度止毕，從而提高了系統(tǒng)的加工精度模蜡。同時(shí)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(yùn)動(dòng)控制卡是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的核心扁凛，其內(nèi)部集成了DSP數(shù)字信號(hào)處理器忍疾、內(nèi)部總線、固化的伺服運(yùn)算算法谨朝、PID +陷波濾波器卤妒、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、用戶門列陣和光電隔離電路等芯片字币，其采用的MotorolaDSP 56000 系列CPU则披，可同時(shí)控制8 個(gè)軸同步運(yùn)動(dòng),每軸的伺服控制周期僅為40μs妹窖，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)量收叶。PMAC卡可以控制任意型號(hào)的電機(jī),且能直接與編碼器或光柵尺等輸出的正交編碼信號(hào)相連接，作為位置反饋共苛，形成閉環(huán)控制; 內(nèi)置的PLC使得其在前臺(tái)有程序運(yùn)行的同時(shí)判没，可在后臺(tái)運(yùn)行多達(dá)32個(gè)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)字輸入氢莫，設(shè)定輸出值钳生，發(fā)送信息,監(jiān)視運(yùn)動(dòng)參數(shù)，改變?cè)鲆嬷岛兔钸\(yùn)動(dòng)啟動(dòng)/停止序列邦擎，用以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的邏輯控制孕称。
超精密機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)除了數(shù)控系統(tǒng)外，還包括擴(kuò)展I/O 板(如圖中的ACC14 和ACC34 等) 僧逞、伺服放大器酝遇、伺服電機(jī)、主軸放大器杏蟋、主軸電機(jī)和位置反饋元件等驳芙。
X、Z軸的伺服電機(jī)和工作臺(tái)C軸的磨擦輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)均選用αi系列電機(jī)震崎。伺服驅(qū)動(dòng)器采用高速高精度的HRV (High Response Vector) 控制掰闯，并具有高精度的電流檢出能力，可以實(shí)現(xiàn)高速汉锡、高精度的钞、穩(wěn)定的進(jìn)給。
進(jìn)給軸X扰肌、Z采用雙反饋的策略抛寝，速度反饋通過(guò)裝在伺服電機(jī)上的光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn); 位置反饋利用海德漢(Heidenhain) 的精密光柵尺實(shí)現(xiàn)，并選配倍頻轉(zhuǎn)換卡狡耻，使反饋系統(tǒng)位置分辨率優(yōu)于40nm墩剖，從而使得整個(gè)數(shù)控伺服系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于50nm。
3.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)與功能
超精密機(jī)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)夷狰。為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開放性和實(shí)時(shí)性岭皂，研制了一套較為完善的數(shù)控機(jī)床的控制管理軟件，其具有文檔管理沼头、數(shù)控編程爷绘、參數(shù)設(shè)置、數(shù)控加工进倍、加工仿真土至、故障診斷等功能。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程框圖如圖3 所示
圖3超精密數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件組成
(2) 數(shù)控編程克鼠∪遥可進(jìn)行圖形編程或NC編程。系統(tǒng)不僅能夠進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)滚尼，而且能實(shí)現(xiàn)樣條曲線插補(bǔ)和NURBS插補(bǔ)侄伟，產(chǎn)生離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，生成刀位文件鉴吕，經(jīng)自動(dòng)編程系統(tǒng)的前置處理和后置處理,輸出數(shù)控加工G代碼撇委，驅(qū)動(dòng)數(shù)控機(jī)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代碼的編輯纤耐。
(3) 參數(shù)設(shè)置姊呐。主要指機(jī)床系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和補(bǔ)償參數(shù)設(shè)置。其中機(jī)床參數(shù)設(shè)置包括機(jī)床復(fù)位助被、主軸無(wú)級(jí)調(diào)速剖张、設(shè)零及回零點(diǎn)、變當(dāng)量點(diǎn)動(dòng)揩环、變速連續(xù)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示運(yùn)動(dòng)等功能搔弄。補(bǔ)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(duì)一些可以預(yù)測(cè)的誤差進(jìn)行補(bǔ)償參數(shù)的設(shè)置丰滑。包括對(duì)刀顾犹、刀補(bǔ)設(shè)置、間隙補(bǔ)償設(shè)置褒墨、螺距補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償設(shè)置等炫刷。
(4) 數(shù)控加工。主要是根據(jù)指令信息對(duì)零件進(jìn)行加工和控制郁妈。包括自動(dòng)加工和手動(dòng)加工兩種方式浑玛。
當(dāng)選擇自動(dòng)加工方式，系統(tǒng)先選擇并讀入加工文件,然后進(jìn)行檢查和譯碼噩咪，在加工過(guò)程中可以選擇單段運(yùn)行和連續(xù)運(yùn)行兩種模式顾彰。當(dāng)選擇手動(dòng)加工方式時(shí)，則要對(duì)伺服軸胃碾、主軸和刀架進(jìn)行手動(dòng)控制蜻罕。
(5) 加工仿真蛹鼎。在真實(shí)加工之前，為了更好地了解所加工零件的外觀涯贝、所制定的加工路線的優(yōu)劣,可以先進(jìn)行仿真加工列充，動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)零件的加工過(guò)程。加工仿真模塊具有設(shè)計(jì)毛胚跃呛、選擇刀具井翅、錄入程序和仿真加工等功能。
(6) 故障診斷哩疲。故障診斷模塊中的機(jī)械故障診斷主要是對(duì)整個(gè)機(jī)床的機(jī)械部件進(jìn)行監(jiān)控、檢測(cè)坦庸，及時(shí)發(fā)現(xiàn)其因機(jī)械問(wèn)題引起的故障梨脖，并進(jìn)行分析和診斷。電氣故障診斷是對(duì)機(jī)床電氣連接湃杏、邏輯控制和作為上位機(jī)的PC機(jī)的內(nèi)存屎螟、磁盤等進(jìn)行診斷，同時(shí)還能對(duì)伺服信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)迄埃，并能對(duì)編程輸入中的代碼進(jìn)行診斷疗韵，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)編程的可靠性。
(7) 其它功能侄非。主要有數(shù)據(jù)蕉汪、圖形的輸出和幫助功能等。
4.超精密機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)軟件編程
基于PMAC運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)連接庫(kù)逞怨，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PMAC卡之間的通訊者疤。Pcomm32中含有200多個(gè)函數(shù)，涵蓋了PC機(jī)與PMAC卡以及DPRAM之間進(jìn)行通訊的所有方法叠赦，可在Windows95 /NT 下運(yùn)行驹马。
Pcomm32共包括三個(gè)部分:
PMAC1DLL - 32位通訊函數(shù)庫(kù)
PMAC1SYS - Windows NT下的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)器
PMAC1VXD - Windows 95 下的32 位虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)器
開發(fā)過(guò)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(duì)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(jī)與PMAC卡之間的通訊動(dòng)作結(jié)束時(shí)，必須使用ClosePmacDevice ( ) 函數(shù)關(guān)閉所有與PMAC卡通訊的流程除秀。
5.結(jié)論
本超精密車銑機(jī)床的數(shù)控伺服系統(tǒng)充分利用了PMAC控制卡的優(yōu)越性能糯累，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)控制册踩，極大地提高了系統(tǒng)反饋補(bǔ)償?shù)哪芰τ窘悖箼C(jī)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展松，有優(yōu)越的數(shù)控編程厕斩、數(shù)據(jù)管理、加工檢測(cè)脂圾、動(dòng)態(tài)仿真等功能翠冻，而且精度高曙早、響應(yīng)快、行程大纪闽，能充分滿足所裝備的大型超精密車銑機(jī)床的技術(shù)要求邻冷，采用該機(jī)床能實(shí)現(xiàn)大型光學(xué)零件的金剛砂刀具的超精密加工。
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