基于UMAC的高精密机床开放式数控系统的开发*

黄振庭，刘建群，程 帅，高伟强

(广东工业大学 机电工程学院 广东省微纳加工技术与装备重点实验室，广州 510006)

0 引言

近年来，高精密复杂光学零件广泛应用于航空航天、军事、通讯和民用光电产品等领域[1-3]。高精密五轴机床由于加工轨迹灵活，成为了光学零件重要加工设备，其配套的数控系统也成为研究热点。传统数控系统由专业厂家生产，封闭性强，移植性和兼容性差，修改难度大[4]，无法适应机床智能化、网络化与柔性化的发展趋势[5]。开放式数控系统具有开放性、模块化、可移植性等特点[6]，能集成不同厂商的软硬件[7]，能兼容视觉检测、自动对刀等各类系统，满足高精密机床开发要求。开放式数控主要包括4种方式[8]：①工控机(PC)+传统数控系统，②纯软件式，③纯数字式，④PC+运动控制器。其中“PC+运动控制器”方式已成为主流，这种方案能充分发挥运动控制器的专业性和PC的柔性[9]，适合高精密五轴数控机床。

美国泰道公司的UMAC控制器控制精度高，插补功能强，用户还能自主修改控制算法，是高精密机床很好的选择。本文围绕“PC+UMAC”开发了高精密五轴机床的数控系统。首先，以工业计算机和UMAC控制器为主控单元，搭建数控系统硬件平台。然后，针对机床需求，开发上位机软件，设计操作面板和手轮。最终选择光学零件开展加工实验，验证系统性能。

1 高精密五轴机床机械结构

为了获得亚微米级的尺寸精度和纳米级的表面粗糙度，高精密机床的机械结构应该具备以下特征：高精度、高刚度、低振动以及良好稳定性[10-11]。实验室自主研发的高精密五轴数控机床主要由液压直线导轨、空气轴承主轴、静压转台以及大理石平台等组成，具有X、Y和Z三个直线轴和B、C两个旋转轴，机床总体布局如图1所示。

图1 机床总体布局图

机床采用大理石床身(1900×1250×250mm)，四脚装有气浮隔振装置。X、Y和Z轴三根直线轴均选用液体静压导轨，最大行程分别可达350mm、110mm和350mm。X和Z轴安装在大理石基座上，呈“T”型分布，有效避免两轴误差叠加。Y轴垂直安装在X轴上，装配有实验室自主开发的气浮平衡卸载锁紧装置，目的是平衡主轴重量以及防止其掉落。同时，Y轴采用双电机龙门结构，提高自身驱动能力。气浮主轴和液压B轴分别安装在Y轴和Z轴，主轴也具备慢速精确定位的C轴功能。主轴为Load Point D08518气浮主轴，配置水冷装置，保证加工过程恒温，最高转速可达10000r/min。B轴为实验室自主研发的超精密静压回转工作台，最高转速可达到100r/min。机床还安装有配套气压系统和液压系统。

2 开放式数控系统硬件平台

硬件平台是开放式数控系统基础，主要由输入输出装置、伺服驱动、执行装置、反馈元件以及保护器件等组成。本文以UMAC控制器和研华工控机为核心，为各轴搭建闭环控制系统，为液气压系统等辅助加工系统设计电气控制模块。UMAC控制器选配2块4轴卡(ACC-24E2A)和1块I/O卡(ACC-11E)。

数控系统硬件结构如图2所示。PC与UMAC之间通过以太网通讯，UMAC接收PC运动指令，完成轨迹规划和运动插补，输出模拟信号。X、Y、Z三根直线轴与Parker直线电机直接连接，由Trust线性放大器驱动。另外，直线轴均由海德汉LIP481R光栅尺采集工作台位置信号，并将其反馈至UMAC控制器，形成全闭环。LIP418R光栅尺栅距2μm，经细分后，X、Y、Z三轴分辨率分别为10 nm、5 nm 和10 nm，最大运行速度可达30 mm/s、15 mm/s 和30 mm/s。B轴采用科尔摩根旋转电机、Elmo驱动器和雷尼绍圆光栅，其分辨率为0.055″。主轴具有高、低分辨率两种位置反馈，ABB驱动器接收低分辨率的编码器信号，构成速度环，UMAC控制器接收高分辨率的圆光栅信号，构成位置环，其分辨率为0.72″。操作台按钮、中间继电器和手轮档位等接入ACC-11E卡。根据输入输出逻辑，编写PLC程序，实现操作台按钮控制液压与气压系统等。

图2 数控系统硬件结构图

3 上位机软件设计

基于Windows系统，以QT为开发平台，采用C++语言设计了人机友好以及实用的上位机软件。该软件采用模块化设计方式，主要由加工生产和工艺设置两大模块组成，数控系统软件结构如图3所示。

图3 数控系统软件结构图

3.1 加工生产模块

加工生产模块实现了机床轴运动控制、程序自动运行以及其它辅助加工等功能。如图4所示，该模块主要包括：①状态显示，实时更新机床工件坐标、剩余坐标、机床坐标、运行速度、主轴转速、进给速度、主轴倍率和进给倍率等。②程序编辑器，可导入、编辑和修改加工程序，并通过高亮显示条实时监视程序执行进度。③轴运动控制，实现机床轴使能、点动、回零和对刀等功能。④辅助控制，负责主轴模式切换和工件吸附等。⑤程序控制，将加工程序下载到控制器，通过开始、暂停和停止按钮控制程序运行。

图4 加工生产界面

3.2 工艺设置模块

工艺设置模块根据曲面模型、刀具参数以及加工工艺，规划刀具轨迹，自动生成加工程序。该模块分为曲面定义、刀具设置和后置处理三个子模块。曲面定义子模块通过母线定义设计轴对称非球面曲面，母线可由4种曲线组成：直线、圆弧、非球面和NURBS曲线，定义方式有两种：图形导入和自定义曲线。在刀具设置子模块中，用户输入刀具半径、角度、类型、位置以及名字建立刀具库，后续可直接调用。后置处理子模块对粗加工、半精加工和精加工进行参数设置，比如：刀具、主轴转速、切削深度和切削速度等。结合以上3个子模块设置，最终生成零件加工程序，界面如图5所示。

(a) 曲面定义

(b) 刀具设置

(c) 后置处理图5 工艺设置界面

4 操作面板设计与手轮功能实现

在开放式数控系统中，PC通过显示屏、鼠标和键盘与操作人员进行交互，承担了显示、文件管理和软件操作等大部分工作。但在工件对刀、工作台运动等方面，操作面板和手轮使用更简单，具有更强的人机交互性。本文针对上位机软件设计配套操作面板，针对UMAC控制器实现手轮功能。

4.1 操作面板设计

如图6所示，操作面板主要实现急停、倍率调整、模式切换、轴点动控制、程序启停和气浮通断等常用加工功能。面板工作原理如图7所示，按键和档位开关接入转接板，转接板与PC建立串口双向通讯。基于STM32芯片(STM32F103)自主设计的转接板，定时扫描键盘和档位开关，实时将状态信息上传上位机软件，并响应其指令。在这种设计方式下，面板与控制器硬件无关联，连接方式简单、可靠，具有更好的通用性和兼容性。

图6 操作面板图

图7 面板工作原理图

4.2 手轮功能实现

手轮是数控机床不可或缺的配件，主要实现刀具微动、工件对刀等功能。本论文利用UMAC控制器的位置跟随功能进行手轮功能设计。如图8所示，手轮轴选档和倍率档作为I/O信号接入ACC-11E。码盘脉冲信号接入ACC-24E2A的闲置编码器通道，滤波输出到主寄存器。同时，设置UMAC的I变量(Ixx05)，将主寄存器指定为所有电机位置跟随寄存器。上位机手轮模式触发UMAC底层PLC程序，循环扫描ACC-11E的输入信号，获取手轮轴选和倍率档位。PLC程序根据档位信息设置电机跟随启停(Ixx06)和电子齿轮传动比(Ixx07)，从而实现各轴跟随手轮运动。

图8 手轮功能实现原理图

5 菲涅尔透镜加工实验

菲涅尔透镜可以有效减小镜片厚度，目前主要应用于投影以及太阳能光伏领域。本文通过加工一种菲涅尔透镜来验证机床数控系统。透镜结构如图9所示，齿宽为1mm、齿深为100μm。毛坯选择直径20mm的6061铝合金圆柱，刀具采用R0.1mm的金刚石圆弧车刀。机床运行参数如下：主轴3000r/min，粗、精加工进给速度分别为10mm/s和1mm/s，粗加工和精加工的切削深度分别为10μm和3μm。

图9 菲涅尔透镜结构图

菲涅尔透镜加工实验如图10所示。透镜加工完成后，使用Bruker公司白光干涉仪Contour GT-X测量工件，检测结果如图11所示，齿面粗糙度Ra为23.55nm。使用Nikon公司显微镜MM-400测量齿宽，其宽度为10±0.005mm。加工结果表明本文设计的数控系统能满足高精密加工要求。

图10 菲涅尔透镜加工实验

图11 菲涅尔透镜加工结果

6 结论

本文分析了高精密五轴机床使用需求，设计并构建了基于UMAC控制器和工业计算机的开放式数控系统。系统硬件平台选型合理，实现了五轴闭环控制，为机床高精度加工奠定了基础。上位机软件界面简洁、清晰，且采用模块化设计方式，移植性和扩展性强。操作面板及手轮简单实用，兼容性良好。同时，通过菲涅尔透镜加工实验，表明了开发的数控系统运行稳定，功能完善，达到了高精密光学零件的加工要求。