CN103324145B - 一种用于加工光纤v型槽的精密控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统及其控制方法，该控制系统其包括实现运算与控制的计算机、与计算机连接且实现高速数据传输的1394火线卡、通过1394火线卡连接到计算机上的线性驱动模块以及由线性驱动模块控制执行动作的测量执行模块，所述计算机包括控制线性驱动模块工作的软运动控制模块、能实现图形用户界面的Windows操作系统、驱动计算机硬件工作的设备驱动模块以及将V型槽加工参数转换成数控加工代码并进行三维仿真的系统应用模块，所述软运动控制模块包括A3200软运动控制器和进行实时运动控制操作运算的INtime实时内核控制模块，该控制系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，能提高V型槽的加工精度。

Description

一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，更具体地涉及一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统及其控制方法。

背景技术

随着近年来光纤通讯行业的迅猛发展，用户对光纤产品质量的要求越来越高。光纤连接器是光纤通讯设备的关键部件之一，其主要组成部件就是V型槽结构器件，用来固定光纤。作为连接光纤的微光学器件，V型槽结构的加工精度直接影响光纤通讯质量。而影响V型槽质量的主要因素包括槽的倾斜角、表面粗糙度、直线度等。为了实现V型槽的亚微米级的加工精度，需寻求一种最为有效的加工方式。而利用超精密机床对V沟槽进行加工，是一种非常有效的方法。超精密机械加工技术的发展对微光学元件的作用犹如当初集成电路对电子元件的作用一样振奋人心，它具备了很多传统光学制造技术所不具有的优势。超精密加工的精度比传统的精密加工提高了一个以上的数量级，除需要采用新的加工方法或新的加工机理之外，对工件材质、加工设备、工具、测量和环境条件等都有特殊的要求。当然，作为加工V型槽的超精密控制系统，也是加工V型槽需要重点研究的环节。

目前国内在V型槽超精密加工控制这一领域还处于空白，只能依赖进口技术，且存在加工控制精度不高、人机交互功能较差等缺点。

V型槽超精密加工控制系统的核心在于运动控制器与伺服驱动器。普通的运动控制器是以单片机、专用芯片(ASIC)、DSP和FPGA为核心处理器的运动控制平台，一般输出的是脉冲信号或模拟信号来控制伺服电机的运动，物理连线比较多，而且由于采用脉冲（或模拟）信号的控制方式，传输效率低，脉冲信号丢失引起掉步、外部干扰脉冲等影响系统的精度，或模拟信号零漂、温漂对控制系统的性能都有影响。并且普通的伺服驱动器采用PWM控制方式，难以实现超精密加工精度的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于加工光纤V型槽的精度高、操作稳定且可靠性高的精密控制系统及其控制方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种技术方案：一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其包括实现运算与控制的计算机、与计算机连接且实现高速数据传输的1394火线卡、通过1394火线卡连接到计算机上的线性驱动模块以及由线性驱动模块控制执行动作的测量执行模块，所述计算机包括控制线性驱动模块工作的软运动控制模块、能实现图形用户界面的Windows操作系统、驱动计算机硬件工作的设备驱动模块以及将V型槽加工参数转换成数控加工代码并进行三维仿真的系统应用模块，所述软运动控制模块包括A3200软运动控制器和进行实时运动控制操作运算的INtime实时内核控制模块。

所述线性驱动模块采用NdriveHLe线性驱动器，该NdriveHLe线性驱动器包括控制数字PID和电流环的高性能双精度浮点微处理器。

所述系统应用模块包括使A3200软运动控制器和INtime实时内核控制模块处于工作状态的系统参数设置处理模块、V型槽代码读取和编译模块、校验代码模块、加工仿真处理模块、对测量执行模块的位置进行调整处理模块以及加工方式选择模块。

所述计算机的机箱采用钢结构，内部采用英特尔i5处理器、4GB以上内存、32位或64位Windows操作系统。

所述1394火线卡通过PCIE总线协议与计算机通信。

所述测量执行模块包括提供动力的直线电机、控制V型槽加工精度的海德汉高精度光栅尺和进行加工的砂轮刀。

所Windows操作系统选用WindowsXP或Windows7操作系统。

本发明提供另一种技术方案：

一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统的控制方法，其包括以下步骤：

1）向计算机输入待加工V型槽的工件参数，计算机的系统应用模块将生成V型槽的数控加工代码，并进行加工工艺与加工速度的规划；

2）然后系统应用模块对V型槽的数控加工代码进行三维仿真，分析加工代码、加工工艺与加工速度，若仿真结果有误，需重新处理；

3）将处理好的数控加工代码下载到软运动控制模块，由软运动控制模块的INtime实时内核控制模块进行运动控制，由软运动控制模块的A3200软运动控制器通过1394火线卡输出信号给线性驱动模块，控制测量执行模块的动作，从而完成V型槽的加工。

所述线性驱动模块采用NdriveHLe线性驱动器，该NdriveHLe线性驱动器包括控制数字PID和电流环的高性能双精度浮点微处理器。

所述测量执行模块包括提供动力的直线电机、控制V型槽加工精度的海德汉高精度光栅尺和进行加工的砂轮刀。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下有益效果：

（1）本发明提供一种基于计算机、1394火线卡、A3200软运动控制器以及NdriveHLe驱动器的控制系统用于V型槽的超精密加工控制，该控制系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，能提高V型槽的加工精度。

（2）本发明INtime实时内核技术，在Windows操作系统底层占用一块独立的运算单元进行运动控制操作运算，从而克服Windows操作系统非实时缺陷，具备强大的实时运算处理能力，并能同时控制32个运动轴，同时执行32个实时任务。

（3）本发明windows多任务操作系统功能完备，特别是其图形用户界面，与桌面操作系统的图形用户界面一致，便于用户接受，且有很强的稳定性，适应于高要求的机电加工数控系统。

附图说明

图1是本发明控制系统的结构示意图。

图中：计算机1、1394火线卡2、线性驱动模块3、测量执行模块4。

具体实施方式

以下内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其包括硬件部分和软件部分。硬件部分包括实现运算与控制的计算机1、与计算机1连接且实现高速数据传输的1394火线卡2、通过1394火线卡2连接到计算机1上的线性驱动模块3以及由线性驱动模块3控制执行动作的测量执行模块4。所述计算机1，即软件部分包括控制线性驱动模块3工作的软运动控制模块、能实现图形用户界面的Windows操作系统、驱动计算机1硬件工作的设备驱动模块以及将V型槽加工参数转换成数控加工代码并进行三维仿真的系统应用模块。

所述计算机1为工业级的且采用总线结构，具有重要的计算机属性和特征。机箱采用钢结构，有较高的防磁、防尘、防冲击的能力。机箱内有专用无源底板，底板上有PCIE和PCI插槽。机箱内有专门电源，电源有较强的抗干扰能力和连续长时间工作能力。本计算机采用英特尔i5处理器，4GB以上内存，32位或64位Windows操作系统，很好地满足了运动控制系统的硬件需求。

所述1394火线卡2通过PCIE总线协议与计算机1通信；1394火线卡2又采用1394通信协议与线性驱动模块3相连接，最高传输速率可达3.2Gbps，保证了运动控制的实时性。同时采用该实时高速总线网络，极大地减少了驱动单元的物理连线，简化了现场连接和维护工作，可靠性高，并有利于控制系统的扩展。

所述线性驱动模块3采用NdriveHLe线性驱动器。该NdriveHLe驱动器是一个高性能线性放大器，其包括控制数字PID和电流环的高性能双精度浮点微处理器，控制精度高。驱动器全部系统配置参数均通过软件设定实现，包括控制环增益和系统配置参数。

所述软运动控制模块包括A3200软运动控制器和进行实时运动控制操作运算的INtime实时内核控制模块。该软运动控制模块是以A3200软运动控制器为核心，采用INtime实时内核技术，在Windows操作系统底层占用一块独立的运算单元进行运动控制操作运算，从而克服Windows操作系统非实时缺陷，具备强大的实时运算处理能力。并能同时控制32个运动轴，同时执行32个实时任务。A3200软运动控制器是高性能的纯软件运动控制器，通过IEEE-1394(火线协议)，实时发出控制直线电机的信号。

所述Windows操作系统选用WindowsXP或Windows7操作系统。Windows多任务操作系统功能完备，特别是其图形用户界面，与桌面操作系统的图形用户界面一致，便于用户接受，且有很强的稳定性，适应于高要求的机电加工数控系统。

所述系统应用模块包括使A3200软运动控制器和INtime实时内核控制模块处于工作状态的系统参数设置处理模块、V型槽代码读取和编译模块、校验代码模块、加工仿真处理模块、对测量执行模块的位置进行调整处理模块以及加工方式选择模块。该系统应用模块是一款基于Qt编程开发环境，采用C++编程语言进行开发的多功能、人机交互式的数控软件程序，其充分利用C++面向对象语言风格，封装各种数控系统功能为独立类对象，从而大大方便代码复用，减小开发时间和成本。本软件特征在于适应不同的V型槽加工需求，能根据工件的加工参数自动生成加工代码并进行三维仿真。

所述测量执行模块4包括提供动力的直线电机、控制V型槽加工精度的海德汉高精度光栅尺和进行加工的砂轮刀。本发明的控制系统一台计算机1可以同时控制若干NdriveHLe线性驱动器，每个NdriveHLe线性驱动器控制直线电机，并采用海德汉高精度光栅尺（详参图1）作为检测装置。海德汉光栅尺是一款高精度光栅尺，栅距为4微米，采用2000倍的细分，分辨率可达0.002um，很好地满足了V沟槽加工控制的精度要求。

本发明的控制系统还设有人机接口（HMI）用户界面，它是在Windows系统上的窗口，利用QT软件编程开发环境，凭借其优越的图形界面设计功能，设计出一款人性化、操作简单、交互性好的人机交互系统软件。整个软件开发过程包括：软件功能的设计以及功能模块的划分，人机界面的设计，各功能模块的编写和调试，整个应用程序的集成、调试和运行。界面实现的功能包括：坐标、速度、状态、程序的显示，三维图形的显示和模拟切削仿真，自动加工信息处理，文件的管理，零件尺寸、系统、伺服、砂轮等参数配置，MDI，NC代码编译校验，错误诊断等功能。人性化的HMI充分地利用了工控PC机的运算处理优势。使其无论在人机交互层面，或在运动控制运算处理层面都有出色的表现。

本发明一种用于用于加工光纤V型槽的精密控制系统的控制方法，包括以下步骤：

1）系统应用模块的系统参数设置处理模块配置A3200软运动控制器参数和INtime实时内核参数使其处于用户所需的加工状态。

2）向计算机输入待加工V型槽的工件参数，其中包括加工V槽个数、长度、模式等等，系统应用模块中的V型槽代码读取和编译模块将生成V型槽的数控加工代码，并进行加工工艺与加工速度的规划；用户亦可自行通过USB接口直接导入保存的V型槽NC代码加工文件，并进行加工工艺与加工速度的规划。

3）校验代码模块主要是对数控加工代码进行编译校验，及时对存在语法问题的代码语句报错并纠正。

4）加工仿真处理模块是基于OpenGL的运动仿真模块，系统根据已解析校验的V型槽加工代码进行模拟切削加工三维仿真，分析加工代码、加工工艺与加工速度等，若仿真结果有误，需重新处理。

5）调整处理模块控制砂轮对刀以后，加工方式选择模块便可选择自动加工模式；将处理好的数控加工代码，由软运动控制模块的INtime实时内核控制模块进行运动控制，由软运动控制模块的A3200软运动控制器通过1394火线卡输出信号给线性驱动模块，控制测量执行模块的动作，从而完成特定V沟槽的超精密加工。

本发明采用1394总线协议，A3200软运动控制器，NdriveHLe高性能线性驱动器，系统运行的实时性和稳定性高，可靠性与扩展性好，适应了光纤V型槽加工的超精密控制系统的发展需要。

Claims (8)

1.一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其特征在于：包括实现运算与控制的计算机、与计算机连接且实现高速数据传输的1394火线卡、通过1394火线卡连接到计算机上的线性驱动模块以及由线性驱动模块控制执行动作的测量执行模块，所述计算机包括控制线性驱动模块工作的软运动控制模块、能实现图形用户界面的Windows操作系统、驱动计算机硬件工作的设备驱动模块以及将V型槽加工参数转换成数控加工代码并进行三维仿真的系统应用模块，所述软运动控制模块包括A3200软运动控制器和进行实时运动控制操作运算的INtime实时内核控制模块，所述系统应用模块包括使A3200软运动控制器和INtime实时内核控制模块处于工作状态的系统参数设置处理模块、V型槽代码读取和编译模块、校验代码模块、加工仿真处理模块、对测量执行模块的位置进行调整处理模块以及加工方式选择模块；所述用于加工光纤V型槽的精密控制系统还设有人机接口用户界面，所述线性驱动模块采用NdriveHLe线性驱动器，该NdriveHLe线性驱动器包括控制数字PID和电流环的高性能双精度浮点微处理器。

2.如权利要求1所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其特征在于：所述计算机的机箱采用钢结构，内部采用英特尔i5处理器、4GB以上内存、32位或64位Windows操作系统。

3.如权利要求1所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其特征在于：所述1394火线卡通过PCIE总线协议与计算机通信。

4.如权利要求1所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其特征在于：所述测量执行模块包括提供动力的直线电机、控制V型槽加工精度的海德汉高精度光栅尺和进行加工的砂轮刀。

5.如权利要求1所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统，其特征在于：所述Windows操作系统选用WindowsXP或Windows7操作系统。

6.一种用于加工光纤V型槽的精密控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)向计算机输入待加工V型槽的工件参数，计算机的系统应用模块将生成V型槽的数控加工代码，并进行加工工艺与加工速度的规划；

2)然后系统应用模块对V型槽的数控加工代码进行三维仿真，分析加工代码、加工工艺与加工速度，若仿真结果有误，需重新处理；

3)将处理好的数控加工代码下载到软运动控制模块，由软运动控制模块的INtime实时内核控制模块进行运动控制，由软运动控制模块的A3200软运动控制器通过1394火线卡输出信号给线性驱动模块，控制测量执行模块的动作，从而完成V型槽的加工。

7.如权利要求6所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统的控制方法，其特征在于：所述线性驱动模块采用NdriveHLe线性驱动器，该NdriveHLe线性驱动器包括控制数字PID和电流环的高性能双精度浮点微处理器。

8.如权利要求7所述的用于加工光纤V型槽的精密控制系统的控制方法，其特征在于：所述测量执行模块包括提供动力的直线电机、控制V型槽加工精度的海德汉高精度光栅尺和进行加工的砂轮刀。