超精密力位混合数控系统的制作方法

1.本发明涉及数控技术领域，尤其是涉及一种用于t3构型超精密磨床的数控系统。


背景技术：

2.光学大镜广泛应用于国家安全和科学发展的战略性重大部署中，高精度光学大镜制造技术一直是当今光学制造的难点和热点。研抛相比磨削，由于加工周期漫长，现代光学镜面加工采用以磨代研的技术工序，利用磨削比研抛去除率高的特点，通过粗磨、半精磨和精磨对工件进行超精密快速磨削成形。
3.与少轴磨削相比，传统五轴非球面光学零件磨削中由于五轴机床轴数多，结合面多，刚度较小，相同磨削工艺参数下，获得的面形精度较差，残留的亚表面损伤深度较大，直接影响后续工艺效率以及最终镜面的光学性质。少轴磨削通过减少轴数，极大提高了系统刚度，在光学大镜加工中是替代五轴磨削的一种先进磨削方式。
4.相关文献表明，相比90度轴倾角，轴倾角在20度时磨削点位置能够获得更大的砂轮
‑‑
工件接触面，相同材料去除率下参与磨削的磨粒数量更多，表面、亚表面损伤也更小。对于无法改变主轴轴倾角的三轴正交超精密磨床，通过使工件平台和水平面成20度夹角可以实现轴倾角为20度的磨削工况。并且，磨削过程中通过调整进给速度在线控制磨削力，可以抑制砂轮和工件接触时出现较大的磨削力超调和随之引起的振动，得到较好的表面质量，降低亚表面损伤。
5.但是，目前存在的t3构型数控系统无法实现更改相对坐标系原点和转向对任意轴倾角下的磨削运动控制、通过进给速度自调整实现磨削力在线控制的功能和通过少轴弧面磨削替代五轴自由曲面磨削的功能。


技术实现要素：

6.本发明主要解决的技术问题是提供一种用于t3构型超精密力位混合数控系统，配备弧面砂轮，由于磨削点在砂轮曲面上的移动形成两个虚拟轴，所述数控系统可实现三轴替代五轴进行自由曲面的少轴弧面磨削。少轴弧面磨削通常采用倾斜弧面砂轮，通过更改相对坐标系的原点和转角，实现任意轴倾角的磨削运动控制；根据三维力传感器测量的磨削力，实时调整进给速度，实现磨削力在线控制，降低工件造成的亚表面损伤。
7.本发明所述的超精密力位混合数控系统由软件部分和硬件部分组成。软件部分为显示操作单元；硬件部分由控制处理器、伺服驱动、变频器、测量单元、手动微调单元和执行单元组成。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种三轴数控系统，包括三个进给轴伺服驱动单元和多个输入输出模块。所述三个进给轴伺服驱动单元，通过rs485通信方式，构成串联连接结构。
8.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，包括多个控制处理器。其中，一个处理器作为通用计算机开发平台的主处理器，用于装载多种应用程序和数控系统的软件部分；另一个为与主处理器通信连接的运动控制处理器，用于执行数字控制过程中的数据处理，
即解释、插补和位置控制的实时任务。
9.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，所述主处理器和运动控制处理器采用工业以太网相连接进行数据通信。
10.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，还包括与所述主处理器连接的网络接口、usb接口、键盘、显示器、硬盘和存储器。
11.本发明所述的数控系统中，还包括与运动控制处理器连接的存储器和外设接口。
12.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，主处理器采用的是工业微机并且基于windows系统；所述的运动控制处理器是parker公司的pac系列运动控制器。
13.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，包括三个进给轴伺服驱动单元和多个输入输出模块，通过rs485的通信方式，构成串联的连接结构，并和运动控制处理器相连接。
14.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，包括两个变频器。其中一个控制砂轮主轴转速和转向，通过输入输出模块和运动控制处理器相连接。另一个控制砂轮修整电机的转速和转向，通过输入输出模块和运动控制处理器相连接。
15.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，测量单元由为光栅尺位移测量模块，测量三根进给轴的位置，分辨率为50nm。通过输入输出模块和运动控制处理器相连接，进而将位置反馈给显示操作单元进行显示，实现实时测量的功能。
16.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，手动微调单元为手摇脉冲发生器，可提供x,y,z三个方向，1um/格，10um/格和100um/格的运动距离选择。通过输入输出模块和运动控制处理器相连接，实现手动微调的功能。
17.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，软件部分的显示操作单元是基于微软mfc架构进行编写的用户可视化操作界面。该界面主要由中央显示区、右侧按钮区、顶部按钮区和底部按钮区组成，简洁且易于操作。通过该界面，用户可以简单方便的实现对磨床系统的运动控制。
18.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，通过更新相对坐标系的原点和转角，保存并激活相对坐标系后，软件部分可实现任意轴倾角下磨削过程的运动控制。
19.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，通过安装在工件下方的三维力传感器实时测量磨削力的大小，软件部分可以自动调整进给速度，实现磨削力的在线控制。
20.本发明所述的超精密力位混合数控系统中，有两个急停按钮，即手摇脉冲发生器上的急停按钮和控制柜上的急停按钮，方便用户在发生紧急情况时立即停止机床运动。
21.本发明所述超精密力位混合数控系统具有以下效益：通过工业以太网技术，实施该数控系统，简化布线结构，提高数控系统的网络化通信能力。采用多处理器结构的硬件平台，实现该数控系统的高速、高精度、高可靠性行业开放性。配备弧面砂轮，由于磨削点在砂轮曲面上的移动形成两个虚拟轴，所述数控系统可实现三轴替代五轴进行自由曲面的少轴弧面磨削，提高系统的刚度。少轴弧面磨削通常采用倾斜弧面砂轮，通过更改相对坐标系的原点和转角，实现任意轴倾角的磨削运动控制；根据三维力传感器测量的磨削力，实时调整进给速度，实现磨削力在线控制，获得较高面形精度的同时降低亚表面损伤。
附图说明
22.图1为本发明所述的超精密力位混合数控系统的结构原理示意图。
23.图2为本发明所述的超精密力位混合数控系统的显示操作单元界面。
具体实施方式
24.为了使本发明的技术方案、优点和目的更加清晰，以下结合附图1，对本发明进一步详细说明。显然，本发明的实施方式不限于此。
25.如图1所示，本发明的超精密力位混合数控系统中，控制单元1主要用于对伺服驱动单元2进行数据通信控制，控制单元1将和伺服驱动单元2进行数据交换。该控制单元1包括一个主处理器和一个运动控制处理器。主处理器和运动控制处理器之间通过工业以太网相连接进行数据交换。驱动单元2包括三个进给轴伺服驱动单元、一个主轴变频器、一个砂轮修整变频器、一个手摇脉冲发生器和多个输入输出模块。三个伺服驱动单元通过rs485构成串联结构，用以驱动x/y/z轴的直线电机运动。主轴变频器用于控制主轴的转速和转向，砂轮修整变频器用于控制修整砂轮电机的转速和转向。手摇脉冲发生器用于对三个进给轴进行微调。
26.为了实现该控制单元1对数据的高速和精确处理，该数控系统包含多个处理器。其中一个处理器作为通用计算机开发平台的主处理器，用于装载多种应用程序和数控系统的软件部分。另一个处理器用于执行数字控制过程中的数据处理。
27.在实际设计时，主处理器11可以是通用工业微机，具有计算机的所有外设接口，可工作于windows等操作系统。主处理器11可分别连接键盘、显示器、硬盘和存储器，并包含网络接口和usb接口。主处理器11的主要任务是提供用户操作界面、网络通信、数据处理和文件管理等功能。该主处理器11采用通用计算机，可继承通用计算机开发平台及其丰富的软件资源，可以装载各个应用程序和数控系统的软件部分，有利于系统的升级换代，更有利于提高开发速度。
28.运动控制处理器12可以采用parker公司pac系列多轴运动控制器，承担数控程序中的解释、插补和位置控制等实时性较强的任务。运动控制器可外接存储设备，并包含多个数字量输入输出和模拟量输入输出接口。该运动控制处理器包含plc逻辑控制功能、mc运动控制功能和hmi人机交互接口，是一个标准、开放的开发平台，具有极强的兼容性。
29.主处理器11和运动控制处理器12之间的数据传输采用工业以太网进行数据通信。
30.如图2，控制单元1的显示操作单元13是基于微软mfc架构进行编写的用户可视化操作界面。该界面主要由中央显示区、右侧按钮区、顶部按钮区和底部按钮区组成，简洁且易于操作。通过该界面，用户可以简单方便的实现对磨床系统的运动控制，其使用方法和实现功能包括：点击显示操作单元13右侧“state”按钮，可查看各个辅助设备工作状态是否正常，包括供气系统、储能系统和液压系统等。工作正常会在对应的按钮后显示绿色；反之，则会显示红色。该界面下的“run on”按钮为主轴变频器23开按钮，“run off”为主轴变频器23关按钮，通过速度按钮可以设定主轴变频器23的转速和转向。底部的“reset”按钮为状态初始化按钮，刷新当前的各个辅助设备的工作状态信息。“enable”按钮为使能按钮，“disable”为断使能按钮。
31.点击显示操作单元13右侧的“pos”按钮，会在界面中央显示当前坐标系下主轴的位置。该界面的下方会显示系统运行状态，当主处理器11和运动控制处理器12通过工业以
太网顺利连接时，会显示“正常”，否则会显示“未连接”。当使用绝对坐标系时，下方会显示“绝对”，当使用相对坐标系时，会显示“相对”。同时，还会显示系统当前时间，系统运行时间和加工程序运行时间。点击底部的“相对”或者“绝对”按钮可以实现绝对坐标系和相对坐标系的切换。
32.点击显示操作单元13右侧的“wcs”按钮，中央显示去会有三组文本框，分别显示当前主轴在绝对坐标系下的位置、当前主轴在相对坐标系下的位置和相对坐标系原点在绝对坐标系下的位置。通过“z增量”按钮，可以主轴在轴倾角为20度移动一段距离后再绝对坐标系中的位置。底部的“测量”按钮将当前绝对位置复制为相对坐标系原点。点击“保存”、“激活”后启用相对坐标系。“d20-》机床坐标”、“机床坐标-》d20”按钮可以实现当前位置在轴倾角为20度坐标系和绝对坐标系下的来回切换。
33.点击显示操作单元13右侧“prg”按钮，中央显示区有三个列表框。点击底部“显示”按钮，目录列表框会显示存在的轨迹文件，默认为g代码,程序代码列表框和程序信息列表框会显示程序内容。点击“保存”和“下载”按钮后，系统开始读取轨迹，点击“操作”按钮后，系统开始按照轨迹文件提供的g代码运动。点击顶部的“sur”按钮，可以加载轨迹点坐标文件，点击“保存”、“下载”和“操作”后系统开始读取文件中各个点的坐标并按照坐标点插补运动。
34.点击显示操作单元13右侧“param”按钮，可以修改相关加工参数，包括：空走速度、空走加速度、加工速度、加工加速度、接近速度、脱离速度、x/y/z轴的最大速度等。点击“保存”和“刷新”按钮后参数修改成功。
35.点击显示操作单元13右侧“修砂轮”按钮，中央显示区主要包括以下部分：显示主轴在当前坐标系下的位置；输入修整砂轮过程中所需要的相关参数，砂轮半径、修整砂轮的半径、进给量、修整次数、圆弧速度、接近速度、摆动次数和摆动幅度；显示对刀点在当前坐标系下的位置。点击底部“当前位置”将对刀点位置复制到系统中，点击底部“对刀”按钮后保存相关参数成功。点击“修砂轮”按钮后，砂轮修整变频器24开始启动，开始修正砂轮。
36.点击显示操作单元13右侧“检测”按钮，点击中央显示区有如下选项：点击“转”和“停”分别启动和停止主轴变频器23。左侧分别输入相关参数可以实现所需要的运动轨迹，通过外接激光位移传感器可以在线测量砂轮直径。
37.点击显示操作单元13顶部“mpg”按钮，进入手动微调模式，通过手摇脉冲发生器25可以对x/y/z轴进行微调。
38.点击显示操作单元13顶部“20”按钮，此时启用相对坐标系，并且此相对坐标系为z轴和绝对坐标系z轴夹角为20度，即绕x轴旋转20度后的坐标系，从而实现轴倾角为20度时的运动控制。该相对坐标系的原点可以根据需求任意指定。加工过程中通常为对刀点。在此坐标系下，手动微调时，z/y轴的移动都是沿着和绝对坐标系y/z轴夹角20度的方向移动。
39.点击右侧
ꢀ“
forcon”按钮，中央显示区可以设置需要控制的磨削力的大小。软件部分将根据三维力传感器测量的磨削力实时调整进给速度，抑制磨削力超调，降低振动引起的表面质量不佳，降低表面的亚表面损伤。
40.以上说明仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。