基于PMAC的大型超精密车铣机床数控系统开发

引言

　　超精密加工技术是为适应现代高新技术发展需要而发展起来的先进制造技术，是一门综合应用了机械技术、现代电子、控制技术、传感器技术、材料科学、光学和计算机技术等的高新技术，是光机电一体化的结晶。目前已成为现代先进制造技术的重要发展方向，是衡量国家科学技术发展水平的重要标志。

　　在超精密加工技术的研究和发展过程中，超精密机床起到了决定性的作用，它是实现先进制造技术的重要基础装备，是一个国家超精密加工技术水平的重要指标，是在国防工业和民用高新工业中应用最为广泛的超精密加工设备。美国、西欧和日本等发达国家都把发展超精密数控加工作为发展国家制造技术的重要战略，投入了大量的人力、物力进行开发，并取得了很大的成就。我国在超精密数控机床的研制方面起步较晚，虽然取得了较大的进步，但与发达国家相比仍有很大的差距。尤其是在大型超精密数控机床方面，至今我国还没有能够自行研制出能加工<600mm以上尺寸零件的大型超精密数控加工的设备。因此,依靠自己的力量，研制出大型超精数控机床及其相关技术具有重大理论意义和实际价值。我们利用PMAC运动控制卡的优越性能开发出了一套应用于大型超精密车铣机床的数控伺服系统。

1.超精密车铣机床总体结构

　　机床采用双立柱、双横梁立式龙门结构，为X轴和Z轴两轴联动加工。X轴的最大行程为600mm,Z轴的最大行程为200mm。机床加工工件最大直径为<1000mm，加工精度优于2μm，数控系统的分辨率为50nm。机床的结构如图1所示。

 图1超精密车铣机床总体结构图

　　(1) 作为铣床使用时

　　对称安装在旋转工作台两侧的两台交流伺服电机经过摩擦轮和谐波减速器减速后驱动工作台实现旋转进给; 安装在Z轴上的模拟主轴电机接收CNC的加工指令后驱动其下端的铣刀盘旋转，实现铣刀的切削功能; CNC控制X、Z轴的伺服电机完成两轴联动的插补加工功能。

　　(2) 作为车床使用时

　　此时两摩擦轮机械脱开，工作台由与其同轴安装的力矩电机驱动，实现平稳旋转运动，执行普通车床的工件主轴功能; 此时，Z轴上的主轴电机被锁定,卸掉铣刀盘后，换装车刀，由CNC驱动X、Z轴电机控制刀具完成两轴联动插补加工功能。

　　2.超精密车铣机床数控系统的硬件构成与功能

　　机床数控系统采用PMAC卡嵌入工业PC机的形式，构成双CPU的开放式数控系统，其中PC机作为数控系统的上位机，主要完成系统的协调与管理工作，如通讯控制、图形显示、动态仿真等。并根据加工工件的精度要求，对所加工工件轮廓曲线进行数据点的离散，按照给定曲线形式来对所加工曲线进行分段拟合，完成对加工轮廓曲线的粗插补，实现数控编程。PMAC卡作为数控系统的下位机，主要完成电机位置和速度的实时控制，如对由PC机离散所得的曲线段进行精插补运算和螺距补偿等工作。超精密机床的数控伺服系统的结构如图2所示。

图2基于PMAC控制卡的超精密机床数控伺服系统结构框图

　　作为上位机的PC机主要通过调用下位机PMAC卡中的相应变量和功能函数等应用程序接口与下位机进行信息交换，实现指令的传送和信息的获取等通讯功能。

　　PMAC运动控制卡与PC机之间采用ISA总线和双端口RAM (DPRAM) 两种方式进行数据通讯。双端口RAM主要用来与PMAC卡进行快速的数据通讯和命令通讯。DPRAM在用于向PMAC卡写数据时,不但能在实时状态下快速地将位置数据信息或程序信息进行重复下载，而且，在从PMAC卡中读取数据时，还可以快速地重复获取系统的状态信息。若系统不使用DPRAM，这些数据则必须用PMAC卡的在线命令，通过ISA总线进行数据的存取。超精密机床的控制系统利用DPRAM进行数据的自动存取，不需要经过通讯口发送命令和等待响应，大大提高了系统的响应速度，从而提高了系统的加工精度。同时也方便了控制系统中模块之间的快速通讯和地址表的设定,便于编程。