开放式数控系统在超精密加工中的应用

    数控技术经过四十多年的发展日益成熟，于90年代初出现了开放性数控系统的概念，并逐渐出现了开放性数控系统取代以往专用数控系统的趋势。目前，各发达国家都在竞相发展自己的开放式体系结构的数控系统，如美国的“下一代工作站／机床控制器体系结构”NGC（The Next GenerationWork-station／Machine Control）；欧洲的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA（Open System Architecture for Control Within Automation Systems）；日本的OSEC（Open System Environment for Controller）等。我国国家计委和科技部在99年7月14日发布的《当前国家优先发展的高技术产业化重点领域指南》中制造技术中的第一项即为“适用先进的数控机床及开放式数控系统”。目前开放式数控系统也已经应用于超精密加工领域。

1、开放式数控系统的特点

    目前的专用数控系统（包括软件和硬件），基本不具备可移植性，都是为特定的机床或设备专门开发的，从而使得其成本十分昂贵。随着制造技术的发展，要求整个制造系统具有更多的开放性，集成为一个具有更大柔性的系统。在九十年代初就出现了开放式数控系统的概念，目前的开放式数控系统多以PC机为基础，配上各种控制卡。与以往的专用数控系统相比，开放式数控系统一般具有如下特点：

    1.1 格较低，性能价格比极高

    由于开放式数控系统具有较强的可移植性，使其开发费用大大下降，维修更简易，质量更可靠，性能更加完善，增强了开放式数控系统的市场竞争能力。以往一套专用超精密数控加工系统动辄就上百万，更存在禁运的问题，而一套开放式超精密加工数控系统成本则低得多。

    1.2 模块化的设计

    开放式数控系统中的各模块相互独立，可让用户在较大范围内根据需求配置系统，如机床轴数、I／O点数等，而当系统硬件改变时，只需简单修改数控系统软件，即可满足需求。具有更大的灵活性，更能适应市场的动态变化。

    1.3 丰富友好的人机界面

    机床制造商或用户可在开放式环境下用不同的编程语言随心所欲地开发最适合自己用途的人机界面，完善自己的数控系统，如某些特殊机床的专用控制功能，而不必过多地考虑数控系统控制器的核心部分。

    1.4 优良的开放性能

    开放式数控系统能方便地挂上第三方的应用软件，如各种 CAD／CAM软件、测试软件或管理软件满足自己的需求。开放式数控系统可集众家之长，其优势是不言而喻的。

    1.5 支持多种操作平台

    开放式结构的数控系统比以往的专用数控系统能更好地支持各种不同的操作平台，如：windowsNT、Unix、OS2等。

2、开放式数控系统在超精密加工中的应用

    开放式数控系统由于其自身的优越性，目前在超精密加工中也得到了较广泛的应用。

    2.1 国外开放式数控系统在超精密加工中的应用

    英国Rank Pneumo公司在八十年代末开发了Nanoform300机床。该机床不仅能够进行切削加工，还可以用金刚石砂轮进行磨削，能加工直径为300 mm的非球面金属反射镜。机床的控制系统采用的是美国 DELTA TAU公司的可编程多轴运动控制器（PMAC）。该控制器采用了先进的数字信号处理技术。最初选用的是摩托罗拉的56001数字信号处理器（DSP）。每个卡可控制多达8个伺服轴，可用PC、XT／AT、VME、STD32或PCI总线形式（都可完全脱机运行）。16／18位的DAC输出分辨率。10／15MHZ的编码计数率，高达320 MHZ的有效输入带宽。开放式的结构可控制任何型号的电机，具有极强的处理能力和高度的灵活性，适于现今实际应用中的各种总线结构、电机类型、反馈元件和指令数据结构，是开放式数控系统在超精密加工中一个铰早的成功应用。

    Rank Pneumo公司新推出的Nanoform250超精密加工系统，是一台两轴超精密CNC机床，能进行超精密车削和磨削。该机床可以直接磨削出能达到光学系统要求的具有光学表面质量和面型精度的硬脆材料光学零件。机床最大加工工件直径达到250 mm。机床数控系统的分辨率为1.25 nm，其数控系统Nanoform300相似，仍是采用美国DELTA TAU公司的可编程多轴运动控制器。

    与该公司有密切关系的美国Precitech公司，在其后来推出的众多机床上，都采用了开放式的数控系统结构，但其控制器不再是采用美国DELTATAU公司的可编程多轴运动控制器。改为采用Precitech自己开发的UltrapathTM DSP在Naonoform200、Nan0form350、Nanoform600、PLANOFORM550、Freeform4000、Freeform5000等 Precitech公司最新的机床上皆采用基于Precitech’s UltrapathTM DSP的开放式数控系统。目前该数控系统的资料较少，但这么多机床使用同一套数控系统，可见该系统的可移植性及其它性能都应是很好的。

    美国摩尔公司目前最新的三台机床Nanotech500FG、Nanotech350UPL、Nanotech150AG当中，除了Nanotech500FG用的是带高速串行总线的专用Fanuc15i数控系统。NanoteCh350UPL和Nanotech150AG采用的是开放式数控系统。与Nanoform300、Nanoform250相同，NanoteCh350UPL采用的是美国DELTA TAU公司的PMAC控制器，而Nanotechl50AG采用的是Aerotech公司UNIDEX600控制器。该控制器可控制多达16个伺服轴，可执行高速位置锁存。控制器上所用的是高达33／66MHZ的RISC处理器，其上的i960芯片能在一个时钟周期内执行数条指令，控制器上集成了高达32 MB的DRAM，提供了强大的处理能力，同其它开放式数系统一样，也具有很强的灵活性，提供了丰富的支持软件。
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    2.2 国内开放式数控系统的状况及在超精密加工中的应用

    近年来，国内对开放式数控系统的研究也在不断深入，为数众多的高校科研院所开发了自己的开放式数控系统。较典型的有华中理工大学的华中I型数控系统、北京航空航天大学的中华I型数控系统、中国科学院沈阳计算技术研究所的蓝天系列高档数控系统、西安交通大学刚在首届中国国际高新技术成果交易会推出的五轴五联动数控系统等。

    但由于超精密加工的独特性，这些数控系统都还不能直接用于超精密加工。我实验室正在研制的Nanosystem300超精密复合加工系统中，经论证选用的是DELTA TAU公司的 PMAC控制器，下图即为该复合加工系统的控制系统框图：

Nanosystem300控制系统框图

    本系统采用的是PC总线结构，上位机为工控机，通过系统总线与PMAC通讯，也可通过双口RAM与PMAC进行高速数据交换；控制器上有高速的DSP处理加工数据；用高精度的LVDT测头对刀；通过16位的DAC驱动主轴电机和伺服电机；用高分辨率、高精度的编码器和光栅实现系统的闭环双位置反馈控制。

3、结束语

    可以预见，开放式数控系统以其自身的优越性将会成为未来先进数控系统的主流，在超精密加工中的应用也会更加广泛，我们应该抓紧时间采取措施，投入大量人力、财力进行研究开发，推动我国数控技术的发展。