專利名稱：復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是復雜表面的機械加工技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及復雜微結(jié)構(gòu)表面的車削加工控制方法。
背景技術(shù)：
復雜微結(jié)構(gòu)表面是指具有特定功能微小拓撲形狀的表面，由于其獨特的光學特性，摩擦性、可陣列性等，在軍用和民用領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如菲涅爾透鏡、微透鏡陣列等。近年來出現(xiàn)的多種現(xiàn)代加工技術(shù)如LIGA技術(shù)、激光直寫技術(shù)、“三束”加工技術(shù)等等，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)特定微結(jié)構(gòu)表面的加工，但是由于其工藝復雜、加工條件苛刻，很難保證所加工微結(jié)構(gòu)表面的面形精度，并且加工效率很低。隨著高精度、高剛度的空氣靜壓主軸和精密伺服機構(gòu)的出現(xiàn)，利用超精密車削的方法可以直接加工出工件面形精度達到亞微米級，表面粗糙度達到納米級的復雜三維結(jié)構(gòu)，所加工的微結(jié)構(gòu)形狀可以根據(jù)數(shù)控程序自定義設(shè)置，并且加工效率很高，目前已成為極具應(yīng)用前景的微結(jié)構(gòu)表面加工方法。微結(jié)構(gòu)表面可以分為回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面和非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面。它們的加工原理有一定的相似性，加工過程中工件安裝在主軸上隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，X向進給由導軌實現(xiàn)，Z向進給由導軌或者安裝在X導軌上的快速伺服刀架(FTS)來實現(xiàn)，如圖I所示。對于回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的車削，只是Z向?qū)к壔蛘呖焖偎欧都芎蚗向?qū)к墐蓚€加工軸的聯(lián)動，實現(xiàn)起來較為簡單。而對于非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)，其加工需要X軸、Z軸與主軸的轉(zhuǎn)角Θ三者聯(lián)動，即Z向進給是X軸位置與主軸轉(zhuǎn)角Θ 二者的函數(shù)。對于一些復雜的非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面，在主軸低速運轉(zhuǎn)的情況下，Z向進給的頻率也達到幾十赫茲，傳統(tǒng)的多軸聯(lián)動機床由于Z向?qū)к壺撦d較重，很難滿足其要求。近年來，針對非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的加工，出現(xiàn)了快速刀具伺服技術(shù)(FTS，F(xiàn)astTool Servo)，即利用快速伺服刀架作為微進給機構(gòu)，實現(xiàn)刀具沿Z向高頻響、短行程的快速精密進刀運動。目前歐美發(fā)達國家已成功研制出裝載有FTS系統(tǒng)的多軸聯(lián)動超精密機床，并加工出各種非回轉(zhuǎn)對稱型微結(jié)構(gòu)表面，國內(nèi)一些研究機構(gòu)也在引進國外超精密機床的基礎(chǔ)上進行了相關(guān)微結(jié)構(gòu)表面車削實驗的研究，香港理工大學先進光學制造中心利用引進美國Precitech公司的Nanoform200加工出了光學自由曲面、微透鏡陣列等(李榮彬，張志輝，杜雪，孔令豹，蔣金波.自由曲面光學元件的設(shè)計、加工及面形測量的集成制造技術(shù)，機械工程學報，2010，46(11) :137-147 ;李榮彬，張志輝，杜雪，孔令豹，蔣金波.自由曲面光學的超精密加工技術(shù)及其應(yīng)用，紅外與激光工程，2010，39(1) :110-117).哈爾濱工業(yè)大學利用自行研制的快速伺服刀具進行了微結(jié)構(gòu)表面的車削實驗研究，但是其研究內(nèi)容主要涉及回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的車削工作(楊元華.基于FTS的微結(jié)構(gòu)功能表面超精密切削加工關(guān)鍵技術(shù)，哈爾濱工業(yè)大學，2007 ;王曉慧，孫濤.基于FTS的非軸對稱微結(jié)構(gòu)表面超精密切削系統(tǒng)研究，制造技術(shù)與機床，2011，7 90^93)。國外用于非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面超精密車削加工的機床是采用可以進行位置閉環(huán)控制的精密主軸來實現(xiàn)FTS、主軸、X軸三者的聯(lián)動，并且使用獨立的FTS控制模塊對FTS進行位置閉環(huán)控制，這類機床往往價格非常昂貴，且高端產(chǎn)品對中國嚴格禁運。而且對于主軸這種大轉(zhuǎn)動慣量，小阻尼的系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制，對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)及其控制方法，解決對于主軸這種大轉(zhuǎn)動慣量，小阻尼的系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制所存在的對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂的問題。在非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的車削加工過程中，F(xiàn)TS的輸出信號是由主軸的角度位置Θ和X軸的位置共同決定的，S卩FTS的指令切深ZFTS=f (R · sin(0))，式中R為每個加工點對應(yīng)的X軸走過的距離；Θ為主軸相對于起始點轉(zhuǎn)過的角度，這就要求FTS進給、X軸進給和主軸轉(zhuǎn)角三者之間需要精確同步。I.控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)為了實現(xiàn)FTS、X軸、主軸三者之間的精確位置同步功能，本發(fā)明中首先搭建了基于UMAC運動控制器的多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)。UMAC運動控制器的控制接口軸卡(ACC-24E2A)共有4個控制通道，選取其中任意三個通道來分別負責X向?qū)к壦欧姍C的位置閉環(huán)控制、主軸驅(qū)動電壓的輸出以及主軸編碼器信號輸入、快速伺服刀架(FTS)模擬量控制電壓的輸出。2.主軸速度閉環(huán)控制為了更好地實現(xiàn)非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的加工，系統(tǒng)要求主軸轉(zhuǎn)速保持在一個平衡穩(wěn)定值。本發(fā)明將主軸電機驅(qū)動器近似為一個慣性環(huán)節(jié)，利用UMAC控制器實現(xiàn)主軸速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸入量為人工設(shè)定的主軸指令轉(zhuǎn)速值，輸出量為從主軸編碼器反饋得到的主軸實際轉(zhuǎn)速值，二者差值經(jīng)比例系數(shù)Kp放大后直接寫入輸出端口對應(yīng)的地址變量，實現(xiàn)控制電壓的輸出。通過編寫自定義的后臺軟PLC程序來實現(xiàn)主軸速度環(huán)的調(diào)節(jié)。3.時基觸發(fā)控制方法UMAC的運動語言將運動軸的位置軌跡描述成時間的函數(shù)，但是我們要求FTS要與主軸轉(zhuǎn)角位置同步，需要將FTS的運動軌跡描述成主軸位置的函數(shù)，我們利用UMAC控制器的時基控制技術(shù)來實現(xiàn)該功能。首先，定義一個從主軸編碼器得到的“實時輸入頻率”RTIF (單位是cts/ms)，將主軸編碼器信號的地址值賦給系統(tǒng)變量18019，同時令18020=1024來啟動時基控制模式，使得運動程序中的“時間”與主軸轉(zhuǎn)過的角度成一定比例。這樣，就可以實現(xiàn)各個運動軸與主軸的協(xié)調(diào)運動，各個運動軸的運動速度由主軸編碼器信號的頻率高低來決定，使得所有運動軸的位置保持同步。其次，為了實現(xiàn)與主軸特定位置的同步，需要使用編碼器轉(zhuǎn)換表的時基觸發(fā)控制功能。本發(fā)明中通過在主軸參考啟動位置(角度參考零位)安裝信號觸發(fā)器，并將該觸發(fā)信號接入編碼器信號的CHC+端口，同時令系統(tǒng)變量17222=1將該信號設(shè)為啟動時基，實現(xiàn)加工參考零位的自定義。在使用時基觸發(fā)控制之前，需要對UMAC控制器的系統(tǒng)變量進行相應(yīng)設(shè)置，主要包括外部時基源信號的解碼、插補與時基計算、編寫運動程序、準備觸發(fā)器等。在上述設(shè)置完成后，UMAC控制器則等待主軸啟動位置觸發(fā)信號的到來，一旦捕獲到觸發(fā)器上升沿，則將捕獲到的主軸相應(yīng)點的位置作為時基功能的起始點開始進行時基控制。
4.非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面車削加工主軸在速度閉環(huán)方式下運行時，主軸編碼器的脈沖數(shù)N與主軸轉(zhuǎn)過角度Θ之間為如下關(guān)系Θ =360*(N%NtJ，其中Nttjl為每轉(zhuǎn)編碼器脈沖總數(shù)。通過讀取主軸編碼器脈沖數(shù)計算得到主軸轉(zhuǎn)角，并根據(jù)所加工表面的函數(shù)表達式z=f(x, Θ )計算出工件每個加工點對應(yīng)的切削用量，最后根據(jù)該切削用量輸出相應(yīng)的控制電壓至FTS單元，完成切削加工，在時基控制模式下，上述的動作是在指定脈沖周期內(nèi)完成的，因此可以保證FTS與主軸轉(zhuǎn)角的精確同步。本發(fā)明通過編寫自定義的主軸速度閉環(huán)軟PLC程序來實現(xiàn)UMAC控制器對主軸速度的閉環(huán)控制，利用UMAC運動控制器的時基觸發(fā)控制功能實現(xiàn)FTS、主軸轉(zhuǎn)角位移及X軸進給的精確同步控制，進而實現(xiàn)復雜微結(jié)構(gòu)表面的超精密車削加工。解決對于主軸這種大轉(zhuǎn)動慣量，小阻尼的系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制所存在的對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂的問題。本發(fā)明已在實驗室進行論證和試驗，取得了預期的效果，加工出了典型非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面。節(jié)省了用于引進國外高端加工設(shè)備的大量資金投入，對于打破國外利用多軸聯(lián)動超精密機床車削加工非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的壟斷現(xiàn)狀起到
了積極的作用。


圖I微結(jié)構(gòu)表面車削原理圖2數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3主軸速度閉環(huán)控制程序流程圖4主軸轉(zhuǎn)速實測值；
圖5電機驅(qū)動器與控制通道的硬件連接；
圖6快速伺服刀架與控制通道的硬件連接；
圖7超精密機床裝置圖8加工出的五波瓣微結(jié)構(gòu)表面檢測圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
首先，結(jié)合圖2說明控制系統(tǒng)的
具體實施例方式
1、UMAC控制器通過軸卡24E2A的控制通道I與伺服電機驅(qū)動器的連接來實現(xiàn)對X
導軌的位置閉環(huán)控制。通道I的編碼器信號輸入端將伺服電機編碼器的信號經(jīng)由電機驅(qū)動器采集至UMAC控制器，UMAC控制器內(nèi)部采用內(nèi)嵌的伺服算法計算得到相應(yīng)的控制電壓值，該電壓值經(jīng)由通道I的模擬量電壓輸出端輸出至伺服電機驅(qū)動器的電壓輸入端，實現(xiàn)X軸導軌的位置閉環(huán)控制。具體的硬件連接見圖5。2、UMAC控制器通過軸卡24E2A的控制通道2與主軸電機驅(qū)動器的連接來實現(xiàn)對主軸的速度閉環(huán)控制。通道2的編碼器信號輸入端將主軸電機編碼器的信號經(jīng)由電機驅(qū)動器采集至UMAC控制器，通過編寫自定義的速度閉環(huán)PLC程序來代替控制器內(nèi)嵌的伺服算法，并將得到的控制電壓經(jīng)由電機驅(qū)動器輸送給主軸電機，實現(xiàn)主軸的速度閉環(huán)控制。具體的硬件連接參照圖5。3、UMAC控制器通過軸卡24E2A的控制通道3輸出快速伺服刀架的控制電壓，經(jīng)由放大器放大后接入壓電陶瓷的驅(qū)動電源端子，通過改變控制電壓的大小來改變快速伺服刀 架的伸長量。其硬件連接見圖6。主軸的速度閉環(huán)控制I、主軸編碼器信號通過軸卡24E2A的控制通道2反饋給UMAC控制器，經(jīng)解碼后得到主軸的實際轉(zhuǎn)速值，可以通過讀取地址變量M466來獲得該值，將指令轉(zhuǎn)速值與之做差，差值經(jīng)比例系數(shù)Kp放大后直接寫入D/A輸出端對應(yīng)的地址變量M402。這樣，UMAC根據(jù)指令轉(zhuǎn)速得出了指令控制電壓，并將其輸出給了主軸驅(qū)動器，驅(qū)動器接收到模擬量的控制電壓并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電流指令輸出至主軸電機，從而實現(xiàn)主軸的速度閉環(huán)。2、編寫的自定義主軸速度閉環(huán)軟PLC程序(其程序流程如圖3所示)
OPEN PLCl CLEARP2000=653947Il Vset
P200I=P2000-M466II AV
P2002=0.1Il Kp
P2003=l 000000// Ttol
If(P2004 < 1000000)
P2004=P2004+1
Endlf
M402=P2002*P2001 *P2004/P2003 /7 DAC 輸出CLOSE注意在每次運行軟PLC程序前，需要將計數(shù)器P2004清零。3、圖4是指令轉(zhuǎn)速為160轉(zhuǎn)/分時采集到的主軸的實際轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，可以看出主軸實際轉(zhuǎn)速的波動在O. 6%之內(nèi)(縱坐標單位為編碼器脈沖數(shù)/秒)，可以滿足加工條件的要求。時基觸發(fā)控制方法為了保證FTS與主軸轉(zhuǎn)角的位置同步，我們將主軸編碼器信號經(jīng)四倍頻后作為
外部時基源，以主軸6000線編碼器，轉(zhuǎn)速160轉(zhuǎn)/分計算，得到“實時輸入頻率” RTIF為
6000*4*160/60=64000 (cts/s)，則每一個cts (編碼器脈沖)對應(yīng)1/64000秒的“時間”。在
運動程序中，各個運動軸的位置被定義成“時間”的函數(shù)，而該“時間”與主軸轉(zhuǎn)過的角度位
6置成一定的比例關(guān)系，這樣，就建立起了各個運動軸與主軸位置之間的同步關(guān)系。時基觸發(fā)設(shè)置的
具體實施例方式I、信號解碼。我們利用主軸6000線/轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)編碼器作為外部時基源信號，通過UMAC的一個電壓到頻率的轉(zhuǎn)換器來控制時間基數(shù)，由變量17220=3指定為四倍解碼。2、插補與時基計算。用1/T轉(zhuǎn)換法對編碼器信號進行插補計算，設(shè)置18019為主軸編碼器信號的存儲地址、18020=1024啟動時基觸發(fā)控制模式。3、編寫運動程序。編寫五波瓣微結(jié)構(gòu)表面車削加工程序，在未觸發(fā)前凍結(jié)時基，以防開始運動。4、準備觸發(fā)器。通過PLC程序來準備觸發(fā)，M199->Y: $3514,20，4，判斷IF(M199=$9), M199=$B。 5、開始觸發(fā)。設(shè)置17222=1決定使用CHC+信號的上升沿觸發(fā)，當UMAC捕獲到觸發(fā)發(fā)生時，則開始時基功能，以被捕獲的主軸位置作為起始點。非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面車削加工以五波瓣微結(jié)構(gòu)表面加工為例，主軸以160轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速勻速運轉(zhuǎn)，X導軌帶動快速伺服刀架以ΙΟμπι/s的進給速度從工件的外沿處向中心進給，快速伺服刀架隨著主軸的旋轉(zhuǎn)角度做正弦周期運動，所加工波瓣的峰谷值為6 μ m，周期數(shù)為5/轉(zhuǎn)。圖7為加工所使用的超精密機床裝置圖片，圖8為加工出的五波瓣微結(jié)構(gòu)表面檢測圖，從圖中可看出，微結(jié)構(gòu)表面的切削深度是以主軸角度為變量呈正弦函數(shù)變化的，其表面粗糙度Sa值為47. 5nm,加工幅值誤差為1.03 μ m。本發(fā)明所加工出的復雜微結(jié)構(gòu)表面可以滿足業(yè)內(nèi)標準要求(一般要求表面粗糙度Sa〈100nm，加工幅值誤差〈10 μ m)，大大降低設(shè)備復雜度及成本投資。
權(quán)利要求
1.一種復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)，在非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面的車削加工過程中，F(xiàn)TS的輸出信號是由主軸的角度位置Θ和X軸的位置共同決定的，S卩FTS的指令切深ZFTS=f(R· COS(0)，R· Sin(0))，式中R為每個加工點對應(yīng)的X軸走過的距離；Θ為主軸相對于起始點轉(zhuǎn)過的角度，其特征在于搭建基于UMAC運動控制器的多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，UMAC運動控制器的控制接口附卡共有4個控制通道，選取其中任意三個通道來分別負責X軸導軌伺服電機的位置閉環(huán)控制、主軸驅(qū)動電壓的輸出以及主軸編碼器信號輸入、快速伺服刀架FTS模擬量控制電壓的輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)，其特征在于UMAC運動控制器的控制接口附卡為24E2A，通道I的編碼器信號輸入端將伺服電機編碼器的信號經(jīng)由電機驅(qū)動器采集至UMAC控制器，UMAC控制器內(nèi)部采用內(nèi)嵌的伺服算法計算得到相應(yīng)的控制電壓值，該電壓值經(jīng)由通道I的模擬量電壓輸出端輸出至伺服電機驅(qū)動器的電壓輸入端，實現(xiàn)X軸導軌的位置閉環(huán)控制；通道2的編碼器信號輸入端將主軸電機編碼器的信號經(jīng)由電機驅(qū)動器采集至UMAC控制器，通過編寫自定義的速度閉環(huán)PLC程序來代替控制器內(nèi)嵌的伺服算法，并將得到的控制電壓經(jīng)由電機驅(qū)動器輸送給主軸電機，實現(xiàn)主軸的速度閉環(huán)控制；通道3輸出快速伺服刀架的控制電壓，經(jīng)由放大器放大后接入壓電陶瓷的驅(qū)動電源端子，通過改變控制電壓的大小來改變快速伺服刀架的伸長量。
3.一種用于權(quán)利要求I或2所述的復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于1)主軸速度閉環(huán)控制利用UMAC控制器實現(xiàn)主軸速度閉環(huán)控制，系統(tǒng)的輸入量為人工設(shè)定的主軸指令轉(zhuǎn)速值，輸出量為從主軸編碼器反饋得到的主軸實際轉(zhuǎn)速值，二者差值經(jīng)比例系數(shù)Kp放大后直接寫入輸出端口對應(yīng)的地址變量，實現(xiàn)控制電壓的輸出；2)時基觸發(fā)控制定義一個從主軸編碼器得到的“實時輸入頻率”RTIF，單位是cts/ms，將主軸編碼器信號的地址值賦給系統(tǒng)變量18019，同時令18020=1024來啟動時基控制模式，通過在主軸參考啟動位置安裝信號觸發(fā)器，并將該觸發(fā)信號接入編碼器信號的CHC+端口，同時令系統(tǒng)變量17222=1將該信號設(shè)為啟動時基，實現(xiàn)加工參考零位的自定義；在使用時基觸發(fā)控制之前，對UMAC控制器的系統(tǒng)變量進行相應(yīng)設(shè)置，包括外部時基源信號的解碼、插補與時基計算、編寫運動程序、準備觸發(fā)器，在上述設(shè)置完成后，UMAC控制器則等待主軸啟動位置觸發(fā)信號的到來，一旦捕獲到觸發(fā)器上升沿，則將捕獲到的主軸相應(yīng)點的位置作為時基功能的起始點開始進行時基控制；3)非回轉(zhuǎn)對稱微結(jié)構(gòu)表面車削加工主軸在速度閉環(huán)方式下運行時，主軸編碼器的脈沖數(shù)N與主軸轉(zhuǎn)過角度Θ之間為如下關(guān)系Θ =360* (N%Nt J，其中NttjlS每轉(zhuǎn)編碼器脈沖總數(shù),通過讀取主軸編碼器脈沖數(shù)計算得到主軸轉(zhuǎn)角，并根據(jù)所加工表面的函數(shù)表達式z=f(x, Θ)計算出工件每個加工點對應(yīng)的切削用量，最后根據(jù)該切削用量輸出相應(yīng)的控制電壓至FTS單元，完成切削加工。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種復雜表面的機械加工控制系統(tǒng)及其控制方法，搭建基于UMAC運動控制器的多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，UMAC運動控制器的控制接口附卡共有4個控制通道，選取其中任意三個通道來分別負責X軸導軌伺服電機的位置閉環(huán)控制、主軸驅(qū)動電壓的輸出以及主軸編碼器信號輸入、快速伺服刀架FTS模擬量控制電壓的輸出。通過編寫自定義的主軸速度閉環(huán)軟PLC程序來實現(xiàn)UMAC控制器對主軸速度的閉環(huán)控制，利用UMAC運動控制器的時基觸發(fā)控制功能實現(xiàn)FTS、主軸轉(zhuǎn)角位移及X軸進給的精確同步控制，進而實現(xiàn)復雜微結(jié)構(gòu)表面的超精密車削加工。解決對于主軸這種大轉(zhuǎn)動慣量，小阻尼的系統(tǒng)進行位置閉環(huán)控制所存在的對主軸和其伺服控制器的性能要求較高，其造價也非常高昂的問題。
文檔編號B23Q15/007GK102922367SQ201210408609
公開日2013年2月13日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者王曉慧, 丁智, 劉寶權(quán), 王軍生, 張巖, 侯永剛, 宋君, 秦大偉 申請人:鞍鋼股份有限公司