開(kāi)放式數控系統在超精密加工中的應用

數控技術(shù)經(jīng)過(guò)四十多年的發(fā)展日益成熟，于90年代初出現了開(kāi)放性數控系統的概念，并逐漸出現了開(kāi)放性數控系統取代以往專(zhuān)用數控系統的趨勢。目前，各發(fā)達國家都在競相發(fā)展自己的開(kāi)放式體系結構的數控系統，如美國的“下一代工作站/機床控制器體系結構” NGC(The Next GenerationWork-station/Machine Control)；歐洲的“自動(dòng)化系統中開(kāi)放式體系結構OSACA(Open System Architecture for Control Within Automation Systems)；日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)等。我國國家計委和科技部在99年7月14日發(fā)布的《當前國家優(yōu)先發(fā)展的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重點(diǎn)領(lǐng)域指南》中制造技術(shù)中的第一項即為“適用先進(jìn)的數控機床及開(kāi)放式數控系統”。目前開(kāi)放式數控系統也已經(jīng)應用于超精密加工領(lǐng)域。

1 開(kāi)放式數控系統的特點(diǎn)

目前的專(zhuān)用數控系統(包括軟件和硬件)，基本不具備可移植性，都是為特定的機床或設備專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)的，從而使得其成本十分昂貴。隨著(zhù)制造技術(shù)的發(fā)展，要求整個(gè)制造系統具有更多的開(kāi)放性，集成為一個(gè)具有更大柔性的系統。在九十年代初就出現了開(kāi)放式數控系統的概念，目前的開(kāi)放式數控系統多以 PC機為基礎，配上各種控制卡。與以往的專(zhuān)用數控系統相比，開(kāi)放式數控系統一般具有如下特點(diǎn)：

1. 格較低，性能價(jià)格比極高

由于開(kāi)放式數控系統具有較強的可移植性，使其開(kāi)發(fā)費用大大下降，維修更簡(jiǎn)易，質(zhì)量更可靠，性能更加完善，增強了開(kāi)放式數控系統的市場(chǎng)競爭能力。以往一套專(zhuān)用超精密數控加工系統動(dòng)輒就上百萬(wàn)，更存在禁運的問(wèn)題，而一套開(kāi)放式超精密加工數控系統成本則低得多。

2. 模塊化的設計

開(kāi)放式數控系統中的各模塊相互獨立，可讓用戶(hù)在較大范圍內根據需求配置系統，如機床軸數、 I/O點(diǎn)數等，而當系統硬件改變時(shí)，只需簡(jiǎn)單修改數控系統軟件，即可滿(mǎn)足需求。具有更大的靈活性，更能適應市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。

3. 豐富友好的人機界面

機床制造商或用戶(hù)可在開(kāi)放式環(huán)境下用不同的編程語(yǔ)言隨心所欲地開(kāi)發(fā)最適合自己用途的人機界面，完善自己的數控系統，如某些特殊機床的專(zhuān)用控制功能，而不必過(guò)多地考慮數控系統控制器的核心部分。

4. 優(yōu)良的開(kāi)放性能

開(kāi)放式數控系統能方便地掛上第三方的應用軟件，如各種 CAD/CAM軟件、測試軟件或管理軟件滿(mǎn)足自己的需求。開(kāi)放式數控系統可集眾家之長(cháng)，其優(yōu)勢是不言而喻的。

5. 支持多種操作平臺

開(kāi)放式結構的數控系統比以往的專(zhuān)用數控系統能更好地支持各種不同的操作平臺，如： windows windowsNT， Unix， OS2等。

2 開(kāi)放式數控系統在超精密加工中的應用

開(kāi)放式數控系統由于其自身的優(yōu)越性，目前在超精密加工中也得到了較廣泛的應用。

1. 國外開(kāi)放式數控系統在超精密加工中的應用

英國 Rank Pneumo公司在八十年代末開(kāi)發(fā)了 Nanoform300機床。該機床不僅能夠進(jìn)行切削加工，還可以用金剛石砂輪進(jìn)行磨削，能加工直徑為300mm的非球面金屬反射鏡。機床的控制系統采用的是美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動(dòng)控制器(PMAC)。該控制器采用了先進(jìn)的數字信號處理技術(shù)。最初選用的是摩托羅拉的56001數字信號處理器(DSP)。每個(gè)卡可控制多達8個(gè)伺服軸，可用 PC、XT/AT、VME、STD32或 PCI總線(xiàn)形式(都可完全脫機運行)。16/18位的DAC輸出分辨率。10/15MHZ的編碼計數率，高達320MHZ的有效輸入帶寬。開(kāi)放式的結構可控制任何型號的電機，具有極強的處理能力和高度的靈活性，適于現今實(shí)際應用中的各種總線(xiàn)結構、電機類(lèi)型、反饋元件和指令數據結構，是開(kāi)放式數控系統在超精密加工中一個(gè)鉸早的成功應用。

Rank Pneumo公司新推出的 Nanoform250超精密加工系統，是一臺兩軸超精密 CNC機床，能進(jìn)行超精密車(chē)削和磨削。該機床可以直接磨削出能達到光學(xué)系統要求的具有光學(xué)表面質(zhì)量和面型精度的硬脆材料光學(xué)零件。機床最大加工工件直徑達到250mm。機床數控系統的分辨率為1．25nm，其數控系統 Nanoform300相似，仍是采用美國 DELTA TAU公司的可編程多軸運動(dòng)控制器。

與該公司有密切關(guān)系的美國 Precitech公司，在其后來(lái)推出的眾多機床上，都采用了開(kāi)放式的數控系統結構，但其控制器不再是采用美國 DELTATAU公司的可編程多軸運動(dòng)控制器。改為采用 Precitech自己開(kāi)發(fā)的UltrapathTM DSP 在 Naonoform200、 Nan0form350、 Nanoform600、PLANOFORM550、 Freeform4000、 Freeform5000等 Precitech公司最新的機床上皆采用基于 Precitech's UltrapathTM DSP的開(kāi)放式數控系統。目前該數控系統的資料較少，但這么多機床使用同一套數控系統，可見(jiàn)該系統的可移植性及其它性能都應是很好的。

美國摩爾公司目前最新的三臺機床 Nanotech500FG、 Nanotech350UPL、Nanotechl50AG當中，除了 Nanotech500FG用的是帶高速串行總線(xiàn)的專(zhuān)用Fanucl5i數控系統。NanoteCh350UPL和 Nanotechl50AG采用的是開(kāi)放式數控系統。與 Nanoform300、Nanoform250相同， NanoteCh350UPL采用的是美國 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，而 Nanotechl50AG采用的是Aerotech公司 UNIDEX600控制器。該控制器可控制多達16個(gè)伺服軸，可執行高速位置鎖存?？刂破魃纤玫氖歉哌_33／66MHZ的 RISC處理器，其上的 i960芯片能在一個(gè)時(shí)鐘周期內執行數條指令，控制器上集成了高達32MB的 DRAM，提供了強大的處理能力，同其它開(kāi)放式數系統一樣，也具有很強的靈活性，提供了豐富的支持軟件。

2. 國內開(kāi)放式數控系統的狀況及在超精密加工中的應用

近年來(lái)，國內對開(kāi)放式數控系統的研究也在不斷深入，為數眾多的高?？蒲性核_(kāi)發(fā)了自己的開(kāi)放式數控系統。較典型的有華中理工大學(xué)的華中I型數控系統，北京航空航天大學(xué)的中華I型數控系統，中國科學(xué)院沈陽(yáng)計算技術(shù)研究所的藍天系列高檔數控系統、西安交通大學(xué)剛在首屆中國國際高新技術(shù)成果交易會(huì )推出的五軸五聯(lián)動(dòng)數控系統等。

但由于超精密加工的獨特性，這些數控系統都還不能直接用于超精密加工。我實(shí)驗室正在研制的 Nanosys300非球面超精密復合加工系統中，經(jīng)論證選用的是 DELTA TAU公司的 PMAC控制器，右圖即為該復合加工系統的控制系統框圖。

本系統采用的是 PC總線(xiàn)結構，上位機為工控機，通過(guò)系統總線(xiàn)與 PMAC通訊，也可通過(guò)雙口 RAM與 PMAC進(jìn)行高速數據交換；控制器上有高速的 DSP處理加工數據：用高精度的LVDT測頭對刀;通過(guò)16位的 DAC驅動(dòng)主軸電機和伺服電機：用高分辨率、高精度的編碼器和光柵實(shí)現系統的閉環(huán)雙位置反饋控制。

3 結束語(yǔ)

可以預見(jiàn)，開(kāi)放式數控系統以其自身的優(yōu)越性將會(huì )成為未來(lái)先進(jìn)數控系統的主流，在超精密加工中的應用也會(huì )更加廣泛，我們應該抓緊時(shí)間采取措施，投入大量人力、財力進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，推動(dòng)我國數控技術(shù)的發(fā)展。