CN102922367A

CN102922367A - 复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法

Info

Publication number: CN102922367A
Application number: CN2012104086093A
Authority: CN
Inventors: 王晓慧; 丁智; 刘宝权; 王军生; 张岩; 侯永刚; 宋君; 秦大伟
Original assignee: Angang Steel Co Ltd
Current assignee: Angang Steel Co Ltd
Priority date: 2012-10-23
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-02-13

Abstract

本发明提供了一种复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法，搭建基于UMAC运动控制器的多轴联动数控系统，UMAC运动控制器的控制接口附卡共有4个控制通道，选取其中任意三个通道来分别负责X轴导轨伺服电机的位置闭环控制、主轴驱动电压的输出以及主轴编码器信号输入、快速伺服刀架FTS模拟量控制电压的输出。通过编写自定义的主轴速度闭环软PLC程序来实现UMAC控制器对主轴速度的闭环控制，利用UMAC运动控制器的时基触发控制功能实现FTS、主轴转角位移及X轴进给的精确同步控制，进而实现复杂微结构表面的超精密车削加工。解决对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制所存在的对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂的问题。

Description

复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及的是复杂表面的机械加工技术领域，具体涉及复杂微结构表面的车削加工控制方法。

背景技术

复杂微结构表面是指具有特定功能微小拓扑形状的表面，由于其独特的光学特性，摩擦性、可阵列性等，在军用和民用领域得到了越来越广泛的应用，如菲涅尔透镜、微透镜阵列等。近年来出现的多种现代加工技术如LIGA技术、激光直写技术、“三束”加工技术等等，虽然能够实现特定微结构表面的加工，但是由于其工艺复杂、加工条件苛刻，很难保证所加工微结构表面的面形精度，并且加工效率很低。随着高精度、高刚度的空气静压主轴和精密伺服机构的出现，利用超精密车削的方法可以直接加工出工件面形精度达到亚微米级，表面粗糙度达到纳米级的复杂三维结构，所加工的微结构形状可以根据数控程序自定义设置，并且加工效率很高，目前已成为极具应用前景的微结构表面加工方法。

微结构表面可以分为回转对称微结构表面和非回转对称微结构表面。它们的加工原理有一定的相似性，加工过程中工件安装在主轴上随主轴一起旋转，X向进给由导轨实现，Z向进给由导轨或者安装在X导轨上的快速伺服刀架(FTS)来实现，如图1所示。对于回转对称微结构表面的车削，只是Z向导轨或者快速伺服刀架和X向导轨两个加工轴的联动，实现起来较为简单。而对于非回转对称微结构，其加工需要X轴、Z轴与主轴的转角θ三者联动，即Z向进给是X轴位置与主轴转角θ二者的函数。对于一些复杂的非回转对称微结构表面，在主轴低速运转的情况下，Z向进给的频率也达到几十赫兹，传统的多轴联动机床由于Z向导轨负载较重，很难满足其要求。

近年来，针对非回转对称微结构表面的加工，出现了快速刀具伺服技术(FTS，Fast Tool Servo)，即利用快速伺服刀架作为微进给机构，实现刀具沿Z向高频响、短行程的快速精密进刀运动。目前欧美发达国家已成功研制出装载有FTS系统的多轴联动超精密机床，并加工出各种非回转对称型微结构表面，国内一些研究机构也在引进国外超精密机床的基础上进行了相关微结构表面车削实验的研究，香港理工大学先进光学制造中心利用引进美国Precitech公司的Nanoform200加工出了光学自由曲面、微透镜阵列等（李荣彬，张志辉，杜雪，孔令豹，蒋金波. 自由曲面光学元件的设计、加工及面形测量的集成制造技术, 机械工程学报, 2010, 46(11):137-147；李荣彬，张志辉，杜雪，孔令豹，蒋金波. 自由曲面光学的超精密加工技术及其应用, 红外与激光工程, 2010, 39(1):110-117）。哈尔滨工业大学利用自行研制的快速伺服刀具进行了微结构表面的车削实验研究，但是其研究内容主要涉及回转对称微结构表面的车削工作(杨元华. 基于FTS的微结构功能表面超精密切削加工关键技术，哈尔滨工业大学，2007；王晓慧，孙涛. 基于FTS的非轴对称微结构表面超精密切削系统研究，制造技术与机床，2011,7：90~93)。

国外用于非回转对称微结构表面超精密车削加工的机床是采用可以进行位置闭环控制的精密主轴来实现FTS、主轴、X轴三者的联动，并且使用独立的FTS控制模块对FTS进行位置闭环控制，这类机床往往价格非常昂贵，且高端产品对中国严格禁运。而且对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制，对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种复杂表面的机械加工控制系统及其控制方法，解决对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制所存在的对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂的问题。

在非回转对称微结构表面的车削加工过程中，FTS的输出信号是由主轴的角度位置θ和X轴的位置共同决定的，即：FTS的指令切深

Z_FTS=f(R·sin(θ))，式中R为每个加工点对应的X轴走过的距离；θ为主轴相对于起始点转过的角度，这就要求FTS进给、X轴进给和主轴转角三者之间需要精确同步。

1．控制系统整体结构

为了实现FTS、X轴、主轴三者之间的精确位置同步功能，本发明中首先搭建了基于UMAC运动控制器的多轴联动数控系统。

UMAC运动控制器的控制接口轴卡(ACC-24E2A)共有4个控制通道，选取其中任意三个通道来分别负责X向导轨伺服电机的位置闭环控制、主轴驱动电压的输出以及主轴编码器信号输入、快速伺服刀架(FTS)模拟量控制电压的输出。

2. 主轴速度闭环控制

为了更好地实现非回转对称微结构表面的加工，系统要求主轴转速保持在一个平衡稳定值。本发明将主轴电机驱动器近似为一个惯性环节，利用UMAC控制器实现主轴速度闭环控制：系统的输入量为人工设定的主轴指令转速值，输出量为从主轴编码器反馈得到的主轴实际转速值，二者差值经比例系数Kp放大后直接写入输出端口对应的地址变量，实现控制电压的输出。通过编写自定义的后台软PLC程序来实现主轴速度环的调节。

3. 时基触发控制方法

UMAC的运动语言将运动轴的位置轨迹描述成时间的函数，但是我们要求FTS要与主轴转角位置同步，需要将FTS的运动轨迹描述成主轴位置的函数，我们利用UMAC控制器的时基控制技术来实现该功能。

首先，定义一个从主轴编码器得到的“实时输入频率”RTIF（单位是cts/ms），将主轴编码器信号的地址值赋给系统变量I8019，同时令I8020=1024来启动时基控制模式，使得运动程序中的“时间”与主轴转过的角度成一定比例。这样，就可以实现各个运动轴与主轴的协调运动，各个运动轴的运动速度由主轴编码器信号的频率高低来决定，使得所有运动轴的位置保持同步。

其次，为了实现与主轴特定位置的同步，需要使用编码器转换表的时基触发控制功能。本发明中通过在主轴参考启动位置（角度参考零位）安装信号触发器，并将该触发信号接入编码器信号的CHC+端口，同时令系统变量I7222=1将该信号设为启动时基，实现加工参考零位的自定义。

在使用时基触发控制之前，需要对UMAC控制器的系统变量进行相应设置，主要包括：外部时基源信号的解码、插补与时基计算、编写运动程序、准备触发器等。在上述设置完成后，UMAC控制器则等待主轴启动位置触发信号的到来，一旦捕获到触发器上升沿，则将捕获到的主轴相应点的位置作为时基功能的起始点开始进行时基控制。

4. 非回转对称微结构表面车削加工

主轴在速度闭环方式下运行时，主轴编码器的脉冲数N与主轴转过角度θ之间为如下关系：θ=360*(N%N_tol)，其中N_tol为每转编码器脉冲总数。通过读取主轴编码器脉冲数计算得到主轴转角，并根据所加工表面的函数表达式z=f(x,θ)计算出工件每个加工点对应的切削用量，最后根据该切削用量输出相应的控制电压至FTS单元，完成切削加工，在时基控制模式下，上述的动作是在指定脉冲周期内完成的，因此可以保证FTS与主轴转角的精确同步。

本发明通过编写自定义的主轴速度闭环软PLC程序来实现UMAC控制器对主轴速度的闭环控制，利用UMAC运动控制器的时基触发控制功能实现FTS、主轴转角位移及X轴进给的精确同步控制，进而实现复杂微结构表面的超精密车削加工。解决对于主轴这种大转动惯量，小阻尼的系统进行位置闭环控制所存在的对主轴和其伺服控制器的性能要求较高，其造价也非常高昂的问题。本发明已在实验室进行论证和试验，取得了预期的效果，加工出了典型非回转对称微结构表面。节省了用于引进国外高端加工设备的大量资金投入，对于打破国外利用多轴联动超精密机床车削加工非回转对称微结构表面的垄断现状起到了积极的作用。

附图说明

图1微结构表面车削原理图；

图2数控系统结构框图；

图3主轴速度闭环控制程序流程图；

图4主轴转速实测值；

图5电机驱动器与控制通道的硬件连接；

图6快速伺服刀架与控制通道的硬件连接；

图7超精密机床装置图；

图8加工出的五波瓣微结构表面检测图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

首先，结合图2说明控制系统的具体实施方式：

1、UMAC控制器通过轴卡24E2A的控制通道1与伺服电机驱动器的连接来实现对X导轨的位置闭环控制。通道1的编码器信号输入端将伺服电机编码器的信号经由电机驱动器采集至UMAC控制器，UMAC控制器内部采用内嵌的伺服算法计算得到相应的控制电压值，该电压值经由通道1的模拟量电压输出端输出至伺服电机驱动器的电压输入端，实现X轴导轨的位置闭环控制。具体的硬件连接见图5。

2、UMAC控制器通过轴卡24E2A的控制通道2与主轴电机驱动器的连接来实现对主轴的速度闭环控制。通道2的编码器信号输入端将主轴电机编码器的信号经由电机驱动器采集至UMAC控制器，通过编写自定义的速度闭环PLC程序来代替控制器内嵌的伺服算法，并将得到的控制电压经由电机驱动器输送给主轴电机，实现主轴的速度闭环控制。具体的硬件连接参照图5。

3、UMAC控制器通过轴卡24E2A的控制通道3输出快速伺服刀架的控制电压，经由放大器放大后接入压电陶瓷的驱动电源端子，通过改变控制电压的大小来改变快速伺服刀架的伸长量。其硬件连接见图6。

主轴的速度闭环控制：

1、主轴编码器信号通过轴卡24E2A的控制通道2反馈给UMAC控制器，经解码后得到主轴的实际转速值，可以通过读取地址变量M466来获得该值，将指令转速值与之做差，差值经比例系数Kp放大后直接写入D/A输出端对应的地址变量M402。这样，UMAC根据指令转速得出了指令控制电压，并将其输出给了主轴驱动器，驱动器接收到模拟量的控制电压并将其转化为相应的电流指令输出至主轴电机，从而实现主轴的速度闭环。

2、编写的自定义主轴速度闭环软PLC程序（其程序流程如图3所示）：

注意在每次运行软PLC程序前，需要将计数器P2004清零。

3、图4是指令转速为160转/分时采集到的主轴的实际转速数据，可以看出主轴实际转速的波动在0.6%之内(纵坐标单位为：编码器脉冲数/秒)，可以满足加工条件的要求。

时基触发控制方法：

为了保证FTS与主轴转角的位置同步，我们将主轴编码器信号经四倍频后作为外部时基源，以主轴6000线编码器，转速160转/分计算，得到“实时输入频率”RTIF为6000*4*160/60=64000(cts/s)，则每一个cts（编码器脉冲）对应1/64000秒的“时间”。在运动程序中，各个运动轴的位置被定义成“时间”的函数，而该“时间”与主轴转过的角度位置成一定的比例关系，这样，就建立起了各个运动轴与主轴位置之间的同步关系。

时基触发设置的具体实施方式：

1、信号解码。我们利用主轴6000线/转的旋转编码器作为外部时基源信号，通过UMAC的一个电压到频率的转换器来控制时间基数，由变量I7220=3指定为四倍解码。

2、插补与时基计算。用1/T转换法对编码器信号进行插补计算，设置I8019为主轴编码器信号的存储地址、I8020=1024启动时基触发控制模式。

3、编写运动程序。编写五波瓣微结构表面车削加工程序，在未触发前冻结时基，以防开始运动。

4、准备触发器。通过PLC程序来准备触发，M199->Y:$3514,20,4，判断IF(M199=$9)， M199=$B。

5、开始触发。设置I7222=1决定使用CHC+信号的上升沿触发，当UMAC捕获到触发发生时，则开始时基功能，以被捕获的主轴位置作为起始点。

非回转对称微结构表面车削加工：

以五波瓣微结构表面加工为例，主轴以160转/分的转速匀速运转，X导轨带动快速伺服刀架以10μm/s的进给速度从工件的外沿处向中心进给，快速伺服刀架随着主轴的旋转角度做正弦周期运动，所加工波瓣的峰谷值为6μm，周期数为5/转。图7为加工所使用的超精密机床装置图片，图8为加工出的五波瓣微结构表面检测图，从图中可看出，微结构表面的切削深度是以主轴角度为变量呈正弦函数变化的，其表面粗糙度S_a值为47.5nm，加工幅值误差为1.03μm。本发明所加工出的复杂微结构表面可以满足业内标准要求 (一般要求表面粗糙度S_a<100nm，加工幅值误差<10μm)，大大降低设备复杂度及成本投资。

Claims

1.一种复杂表面的机械加工控制系统，在非回转对称微结构表面的车削加工过程中，FTS的输出信号是由主轴的角度位置θ和X轴的位置共同决定的，即：FTS的指令切深Z_FTS=f(R·cos(θ),R·sin(θ))，式中R为每个加工点对应的X轴走过的距离；θ为主轴相对于起始点转过的角度，其特征在于：搭建基于UMAC运动控制器的多轴联动数控系统，UMAC运动控制器的控制接口附卡共有4个控制通道，选取其中任意三个通道来分别负责X轴导轨伺服电机的位置闭环控制、主轴驱动电压的输出以及主轴编码器信号输入、快速伺服刀架FTS模拟量控制电压的输出。

2.根据权利要求1所述的一种复杂表面的机械加工控制系统，其特征在于：UMAC运动控制器的控制接口附卡为24E2A，通道1的编码器信号输入端将伺服电机编码器的信号经由电机驱动器采集至UMAC控制器，UMAC控制器内部采用内嵌的伺服算法计算得到相应的控制电压值，该电压值经由通道1的模拟量电压输出端输出至伺服电机驱动器的电压输入端，实现X轴导轨的位置闭环控制；通道2的编码器信号输入端将主轴电机编码器的信号经由电机驱动器采集至UMAC控制器，通过编写自定义的速度闭环PLC程序来代替控制器内嵌的伺服算法，并将得到的控制电压经由电机驱动器输送给主轴电机，实现主轴的速度闭环控制；通道3输出快速伺服刀架的控制电压，经由放大器放大后接入压电陶瓷的驱动电源端子，通过改变控制电压的大小来改变快速伺服刀架的伸长量。

3.一种用于权利要求1或2所述的复杂表面的机械加工控制系统的控制方法，其特征在于：

1）主轴速度闭环控制：利用UMAC控制器实现主轴速度闭环控制，系统的输入量为人工设定的主轴指令转速值，输出量为从主轴编码器反馈得到的主轴实际转速值，二者差值经比例系数Kp放大后直接写入输出端口对应的地址变量，实现控制电压的输出；

2）时基触发控制：定义一个从主轴编码器得到的“实时输入频率”RTIF，单位是cts/ms，将主轴编码器信号的地址值赋给系统变量I8019，同时令I8020=1024来启动时基控制模式，通过在主轴参考启动位置安装信号触发器，并将该触发信号接入编码器信号的CHC+端口，同时令系统变量I7222=1将该信号设为启动时基，实现加工参考零位的自定义；

在使用时基触发控制之前，对UMAC控制器的系统变量进行相应设置，包括外部时基源信号的解码、插补与时基计算、编写运动程序、准备触发器，在上述设置完成后，UMAC控制器则等待主轴启动位置触发信号的到来，一旦捕获到触发器上升沿，则将捕获到的主轴相应点的位置作为时基功能的起始点开始进行时基控制；

3）非回转对称微结构表面车削加工：主轴在速度闭环方式下运行时，主轴编码器的脉冲数N与主轴转过角度θ之间为如下关系：θ=360*(N%N_tol)，其中N_tol为每转编码器脉冲总数，通过读取主轴编码器脉冲数计算得到主轴转角，并根据所加工表面的函数表达式z=f(x,θ)计算出工件每个加工点对应的切削用量，最后根据该切削用量输出相应的控制电压至FTS单元，完成切削加工。