開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中的應(yīng)用

數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展日益成熟，于90年代初出現(xiàn)了開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)的概念，并逐漸出現(xiàn)了開(kāi)放性數(shù)控系統(tǒng)取代以往專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)的趨勢(shì)。目前，各發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展自己的開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，如美國(guó)的“下一代工作站/機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)” NGC(The Next GenerationWork-station/Machine Control)；歐洲的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation Systems)；日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)等。我國(guó)國(guó)家計(jì)委和科技部在99年7月14日發(fā)布的《當(dāng)前國(guó)家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南》中制造技術(shù)中的第一項(xiàng)即為“適用先進(jìn)的數(shù)控機(jī)床及開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)”。目前開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)應(yīng)用于超精密加工領(lǐng)域。

1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

目前的專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)(包括軟件和硬件)，基本不具備可移植性，都是為特定的機(jī)床或設(shè)備專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，從而使得其成本十分昂貴。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，要求整個(gè)制造系統(tǒng)具有更多的開(kāi)放性，集成為一個(gè)具有更大柔性的系統(tǒng)。在九十年代初就出現(xiàn)了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的概念，目前的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)多以 PC機(jī)為基礎(chǔ)，配上各種控制卡。與以往的專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)相比，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)一般具有如下特點(diǎn)：

1. 格較低，性能價(jià)格比極高

由于開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性，使其開(kāi)發(fā)費(fèi)用大大下降，維修更簡(jiǎn)易，質(zhì)量更可靠，性能更加完善，增強(qiáng)了開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。以往一套專(zhuān)用超精密數(shù)控加工系統(tǒng)動(dòng)輒就上百萬(wàn)，更存在禁運(yùn)的問(wèn)題，而一套開(kāi)放式超精密加工數(shù)控系統(tǒng)成本則低得多。

2. 模塊化的設(shè)計(jì)

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)中的各模塊相互獨(dú)立，可讓用戶(hù)在較大范圍內(nèi)根據(jù)需求配置系統(tǒng)，如機(jī)床軸數(shù)、 I/O點(diǎn)數(shù)等，而當(dāng)系統(tǒng)硬件改變時(shí)，只需簡(jiǎn)單修改數(shù)控系統(tǒng)軟件，即可滿足需求。具有更大的靈活性，更能適應(yīng)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。

3. 豐富友好的人機(jī)界面

機(jī)床制造商或用戶(hù)可在開(kāi)放式環(huán)境下用不同的編程語(yǔ)言隨心所欲地開(kāi)發(fā)最適合自己用途的人機(jī)界面，完善自己的數(shù)控系統(tǒng)，如某些特殊機(jī)床的專(zhuān)用控制功能，而不必過(guò)多地考慮數(shù)控系統(tǒng)控制器的核心部分。

4. 優(yōu)良的開(kāi)放性能

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)能方便地掛上第三方的應(yīng)用軟件，如各種 CAD/CAM軟件、測(cè)試軟件或管理軟件滿足自己的需求。開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)可集眾家之長(zhǎng)，其優(yōu)勢(shì)是不言而喻的。

5. 支持多種操作平臺(tái)

開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)比以往的專(zhuān)用數(shù)控系統(tǒng)能更好地支持各種不同的操作平臺(tái)，如： windows windowsNT， Unix， OS2等。

2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中的應(yīng)用

開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)由于其自身的優(yōu)越性，目前在超精密加工中也得到了較廣泛的應(yīng)用。

1. 國(guó)外開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中的應(yīng)用

英國(guó) Rank Pneumo公司在八十年代末開(kāi)發(fā)了 Nanoform300機(jī)床。該機(jī)床不僅能夠進(jìn)行切削加工，還可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡。機(jī)床的控制系統(tǒng)采用的是美國(guó) DELTA TAU公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器(PMAC)。該控制器采用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)。最初選用的是摩托羅拉的56001數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。每個(gè)卡可控制多達(dá)8個(gè)伺服軸，可用 PC、XT/AT、VME、STD32或 PCI總線形式(都可完全脫機(jī)運(yùn)行)。16/18位的DAC輸出分辨率。10/15MHZ的編碼計(jì)數(shù)率，高達(dá)320MHZ的有效輸入帶寬。開(kāi)放式的結(jié)構(gòu)可控制任何型號(hào)的電機(jī)，具有極強(qiáng)的處理能力和高度的靈活性，適于現(xiàn)今實(shí)際應(yīng)用中的各種總線結(jié)構(gòu)、電機(jī)類(lèi)型、反饋元件和指令數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)在超精密加工中一個(gè)鉸早的成功應(yīng)用。

Rank Pneumo公司新推出的 Nanoform250超精密加工系統(tǒng)，是一臺(tái)兩軸超精密 CNC機(jī)床，能進(jìn)行超精密車(chē)削和磨削。該機(jī)床可以直接磨削出能達(dá)到光學(xué)系統(tǒng)要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。機(jī)床最大加工工件直徑達(dá)到250mm。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的分辨率為1．25nm，其數(shù)控系統(tǒng) Nanoform300相似，仍是采用美國(guó) DELTA TAU公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器。

與該公司有密切關(guān)系的美國(guó) Precitech公司，在其后來(lái)推出的眾多機(jī)床上，都采用了開(kāi)放式的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但其控制器不再是采用美國(guó) DELTATAU公司的可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器。改為采用 Precitech自己開(kāi)發(fā)的UltrapathTM DSP 在 Naonoform200、 Nan0form350、 Nanoform600、PLANOFORM550、 Freeform4000、 Freeform5000等 Precitech公司最新的機(jī)床上皆采用基于 Precitech's UltrapathTM DSP的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。目前該數(shù)控系統(tǒng)的資料較少，但這么多機(jī)床使用同一套數(shù)控系統(tǒng)，可見(jiàn)該系統(tǒng)的可移植性及其它性能都應(yīng)是很好的。

美國(guó)摩爾公司目前最新的三臺(tái)機(jī)床 Nanotech500FG、 Nanotech350UPL、Nanotechl50AG當(dāng)中，除了 Nanotech500FG用的是帶高速串行總線的專(zhuān)用Fanucl5i數(shù)控系統(tǒng)。NanoteCh350UPL和 Nanotechl50AG采用的是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。與 Nanoform300、Nanoform250相同， NanoteCh350UPL采用的是美國(guó) DELTA TAU公司的 PMAC控制器，而 Nanotechl50AG采用的是Aerotech公司 UNIDEX600控制器。該控制器可控制多達(dá)16個(gè)伺服軸，可執(zhí)行高速位置鎖存?？刂破魃纤玫氖歉哌_(dá)33／66MHZ的 RISC處理器，其上的 i960芯片能在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行數(shù)條指令，控制器上集成了高達(dá)32MB的 DRAM，提供了強(qiáng)大的處理能力，同其它開(kāi)放式數(shù)系統(tǒng)一樣，也具有很強(qiáng)的靈活性，提供了豐富的支持軟件。

2. 國(guó)內(nèi)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的狀況及在超精密加工中的應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的研究也在不斷深入，為數(shù)眾多的高校科研院所開(kāi)發(fā)了自己的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。較典型的有華中理工大學(xué)的華中I型數(shù)控系統(tǒng)，北京航空航天大學(xué)的中華I型數(shù)控系統(tǒng)，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所的藍(lán)天系列高檔數(shù)控系統(tǒng)、西安交通大學(xué)剛在首屆中國(guó)國(guó)際高新技術(shù)成果交易會(huì)推出的五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)等。

但由于超精密加工的獨(dú)特性，這些數(shù)控系統(tǒng)都還不能直接用于超精密加工。我實(shí)驗(yàn)室正在研制的 Nanosys300非球面超精密復(fù)合加工系統(tǒng)中，經(jīng)論證選用的是 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，右圖即為該復(fù)合加工系統(tǒng)的控制系統(tǒng)框圖。

本系統(tǒng)采用的是 PC總線結(jié)構(gòu)，上位機(jī)為工控機(jī)，通過(guò)系統(tǒng)總線與 PMAC通訊，也可通過(guò)雙口 RAM與 PMAC進(jìn)行高速數(shù)據(jù)交換；控制器上有高速的 DSP處理加工數(shù)據(jù)：用高精度的LVDT測(cè)頭對(duì)刀;通過(guò)16位的 DAC驅(qū)動(dòng)主軸電機(jī)和伺服電機(jī)：用高分辨率、高精度的編碼器和光柵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)雙位置反饋控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

可以預(yù)見(jiàn)，開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)以其自身的優(yōu)越性將會(huì)成為未來(lái)先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的主流，在超精密加工中的應(yīng)用也會(huì)更加廣泛，我們應(yīng)該抓緊時(shí)間采取措施，投入大量人力、財(cái)力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，推動(dòng)我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。