基于PC机的微小孔振动钻床数控系统

0 引言

　　随着时代的发展，科技的进步，微小孔已经广泛地出现在了我们生活中的各个领域，大到航空、航天、军事等方面的尖端零件，小到电路板、模具、钟表等民用零件，几乎在各个生产领域的产品中都能遇到微小孔。当前，微小孔的加工方法有很多种，如钻削加工、振动钻削加工、电火花加工、电子束加工等。这些加工方法中，微小孔振动钻削加工不仪适用于加工各种材料，且加工精度高、效率高『面被广泛适用，它一般是利用高速数控振动钻床来完成的。随着产品要求的提高，微小孔的孔径越来越小，深度加深，而且对孔尺寸形状精度和表面粗糙度的要求也越来越高。因此研制一套经济性好、精度高、稳定性好的微小孔振动钻床数控系统具有很好的现实意义和广阔的市场前景。

1 总体方案设计

　　鉴于微小孔数控振动钻床的特点和实际的应用需求，本文硬件设计总体方案如下：

　　(1)钻床的基础部件包括床身、横梁、床脚、高精度滚珠丝杠(丝杠螺距为4mm)、滑动导轨以及高速主轴。

　　(2)钻床钻孔直径范围为0.2—1mm，进给孔深比为1：8。

　　(3)钻床定位工作台采用十字坐标数控滑台，分别为x和Y坐标，由x和y两向步进电机带动(定位精度／重复定位精度为±10μ/±5μ)。

　　(4)钻床主轴为z坐标，分别由直流无刷电机(MinMotor 3564K012B)带动高速旋转(最高转速达27000r／min，无机调速)和z向步进电机(四通)通过滚珠丝杠带动z向进给。

　　(5)钻床制振器由压电陶瓷堆组成，通过弹簧与高速主轴相连，利用压电陶瓷的电致伸缩带动主轴和刀具振动(振动频率为0—300Hz，振动幅度为3—5μm)。

　　(6)基于PC机运动控制技术通过各个执行部件的驱动单元构建钻床数控系统。

2 基于PC机的微小孔振动钻床数控系统硬件平台的设计

　　目前，国内自行研发的基于PC机的机床数控系统主要有3种类型：PC嵌入NC结构的开放式数控系统、NC嵌入PC结构的开放式数控系统以及纯软件型开放式数控系统，这3种类型的数控系统各有自己的优点。其中NC嵌入PC结构的开放式数控系统，PC机处理非实时部分，而加工控制所需的实时任务由运动控制卡来承担。这种系统的特点是结构简单、性价比高、集成方便、灵活性好、功能稳定、可共享计算机的所有资源。本文就是采用了NC嵌入PC结构类型构建了基于“PC机+A／D功能卡”的数控硬件平台和以Windows 98作为软件运行平台的微小孔振动钻床经济型数控系统，并给出了具体的方案设计。

　　本钻床数控系统硬件主要由PC机、A／D运动控制卡(MPC2810)、PCI2003数据采集卡、步进电机控制器、直流无刷电机控制器、制振器驱动电源、压力扭矩传感器等组成。图1为基于PC机的微小孔振动钻床数控系统硬件的总体结构。利用PC机作为主体，将选择的,adD功能卡插在PC机PCI标准插槽上，外接输入输出接口卡、步进电机驱动模块、直流无刷电机驱动模块等构成硬件总体结构。作为控制系统的核心，由PC机向控制卡(MPC2810和PCI2003)发出指令，控制卡对PC机发出的各种数据、信息(主轴转速、步进电机进给速度、振动频率、钻孔深度及位置等)进行有关的处理和运算，根据处理的结果向各个驱动模块发出控制命令I／O信号，执行用户的指令。该系统的I／O量主要有以下几类：步进电机控制信号(9路，每个步进电机有3路：+5V公共端信号(Corn)、方向(Dir)以及脉冲(PULS))l直流无刷电机控制信号(4路：模拟地(GND)、模拟速度信号(Analog speed comm)、方向(Dir)以及刹车(Brake))；制振器控制信号(4路：逻辑地1(GND)、方波l(PULS)、逻辑地2(GND)、方波2(PULS))；限位信号(6路：-X、+X、-Y、+Y、-Z、+Z)，它主要保证机床运动时不超出特定极限位置；采集信号(4路：模拟地1、模拟压力电压、模拟地2、模拟扭矩电压)，它是用来测试机床加工过程中刀具的受力情况以便进行模拟分析。在整个设计中控制器与外部信号的连接都采用了光电耦合，以排除外界对系统的干扰。

图1基于PC机的微小孔振动钻床数控系统硬件结构 

　　此外需要特别指出的有以下几点：

　　(1)MPC2810运动控制卡以IBM—PC及其兼容机为主机，基于PCI总线的步进电机或数字式伺服电机的上位控制单元。它可以完成运动控制的所有细节(包括直线和圆弧插补、脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等)。单张卡可控制4轴的步进电机或数字式伺服电机，此外除了各轴专用的输入输出(COM端、脉冲、方向、正限位、负限位)，该卡还提供了24路通用数字量输出口和19路通用数字量输入口以供控制更多的部件。本系统设计中充分利用了该卡的多轴电机控制功能和数字量输入输出功能。

　　(2)PCI2003数据采集卡上装有12Bit分辨率的A／D转换器和D／A转换器，提供了8双116单的模拟输入通道和2路模拟输出通道。输入信号幅度可以经程控增益仪表放大器调到合适的范围，保证最佳转换精度，在本系统设计中充分运用了该卡所具备的信号采集和模拟量输出功能。

　　(3)通过控制MPC2810上的两个DO口输出两路推免的具有一定频率的相位相差1800的数字方波信号经光电耦合电路到制振器驱动电源，控制电源输出有规律的正负电压信号驱动制振器振动。