基于UMAC的高精密機床開放式數控系統探析

金子豪

關鍵詞：高精密機床開放式UMAC數控系統

隨著電子工業的不斷發展，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量和精度，研發與其配套的數控系統至至關重要[1]。

一直以來，高精密機床數控系統基本上都由專業機構進行設計，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控系統進行研究、開發，達到能夠實現對不同廠家開發的軟硬件以及系統進行兼容的目的，以增強系統的穩定性，從而適應高精密機床的網絡化和智能化。

目前，常見的高精密機床開放式數控系統包括純軟件、純數字、PC端結合傳統數控系統以及PC端結合運動控制器四種方式。其中，PC端結合運動控制器能夠充分發揮運動控制器的專業性和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控系統。

本文以高精密五軸機床為對象，以UMAC為基礎，采用PC端結合運動控制器的方式，開發了針對五軸高精密機床的開放式數控系統。

1開放式數控系統的硬件平臺

硬件平臺是開放式數控系統的基礎平臺，其主要包括輸入裝置、輸出裝置、執行裝置、反饋元件、伺服驅動、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，目的是搭建閉環控制系統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。

運動指令由PC端發出，通過以太網傳輸至UMAC，這也是二者實現通信、通能的主要方式，UMAC會根據指令完成軌跡規劃和運動插補，并輸出模擬信號。通過線性放大器來驅動與直線電機連接的X、Y、Z直線軸。同時，通過光柵尺實現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。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驅動器（低分辨率）和UMAC控制器（高分辨率）接收，前者形成閉環，后者形成位置環。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進行編寫，實現對液壓以及氣壓等系統的控制。

2開放式數控系統軟件設計

人機交互系統軟件以QT為開發平臺，在Windows10系統中運行。軟件下包含兩大模塊———加工生產和工藝設置。其結構見圖2。

2.1加工生產模塊

該模塊的主要功能是實現程序自動化、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為開放式數控系統的加工生產模塊界面。其中，狀態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，并可對執行進度進行實時監視;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各類信息和操作規劃刀具軌跡，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據進行儲存，需要使用時方便調用;后置處理子模塊可以設置不同加工階段的參數。工藝設置模塊將各子模塊進行結合，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控系統通過顯示屏、鍵盤以及鼠標實現顯示、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，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，其通過轉接板與PC進行串口雙向通信。轉接板可對按鍵以及檔位開關的狀態信息進行實時記錄，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的通用性和兼容性。

3.2手輪功能

對于高精密數控機床來說，如果要實現刀具微動、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據信息對電機的跟隨啟停以及電子齒輪傳動比進行設置，最終實現各軸跟隨手輪運動。

4開放式數控系統驗證試驗

為了驗證高精密機床開放式數控系統的實用性和穩定性，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構見圖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，最終的結果為23.55nm。齒寬使用顯微鏡進行測量，結果顯示為10±0.005nm。

試驗結果表明，本文研究設計的高精密機床開放式數控系統能夠滿足高精密加工的需求，可以推廣使用。

5結束語

本文以高精密五軸機床為對象，以UMAC為基礎，開發了針對高精密機床的開放式數控系統。根據高精密機床的使用需求，選用可以閉環控制的硬件系統平臺，在此基礎上設計了包括加工生產模塊和工藝設置模塊的上位機軟件，增強了數控系統的可移植性和擴展性，并實現了開放功能。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控系統的功能。結果表示，本研究的開放式數控系統能夠滿足高精密加工的需求。