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。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。

　　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。

3 基于PC机的微小孔振动钻床数控系统软件的设计

　　在数控系统软件的开发中，采用标准的开发环境，既降低开发成本，又可开发出性能更优越的系统，同时还能降低维修成本。众所周知，在基于PC机的系统开发中，Windows操作系统具有统一的友好图形界面以及丰富的软件资源和开发工具，同时又是基于抢占式的多任务操作系统，实现实时多任务功能不需要用户的干预。因此在本系统软件开发中，选用Windows98作为操作系统平台，利用VisualC++6．0作为软件的开发工具开发可视化、操作界面良好的数控系统。

　　与此同时，本系统采用的PCI2003和MPC2810两块控制卡本身包含由开发商提供的设备驱动程序，它既负责各个功能实现中对底层硬件操作的交换细节，确保各个功能的有效实现，又提供了一致的标准模块应用接口，在用VC++编写应用程序时，可以直接凋用，有利于实现系统集成和功能调用的硬件无关性，为编程者提供了极大地方便。所以，当底层硬件设备发生改变时，只需安装相应的驱动程序并调用相应的函数，对用户应用程序没有太大的影响。

　　为了使整个系统具有最大的开放性和扩展性，根据系统硬件结构平台特点，本文采用一种开放式、模块化结构设计方法将整个软件系统划分为多个功能模块，各模块之间的层次结构。各个模块的功能介绍如下：

　　(1)人机界面主控模块：用友好的界面设计来实现人机对话，用户可以用鼠标点击和键盘输入的方式完成电机运动参数、传感器参数、启动、停止、采集、定位等功能。

　　(2)X、Y轴定位模块：接收用户给定孔的x、Y定位参数(移动距离、移动速度等)，生成一定频率和数量的脉冲波形，输出到功率驱动部件，完成对X、Y向步进电机的控制。

　　(3)主轴(z轴)进给模块：接收给定的主轴进给深度和速度，控制生成一定频率和数量的脉冲波形，输出到功率驱动部件，完成对z向步进电机的控制。

　　(4)主轴旋转模块：该模块将给定的旋转速度值进行数据换算和LSB码转换输出对应的模拟信号(电压)到电机驱动器，完成对直流无刷电机的控制。

　　(5)制振器控制模块：该模块控制MPC2810的两个DO口输出具有一定频率的推免的相位相差180°数字方波信号，以控制制振器的振动。

　　(6)数据采集模块：用来处理由采集卡读取传感器传输的信号。

　　钻床执行部件控制流程：数控加工过程中，能够有效、合理、协调地控制系统执行部件运动是非常重要的，十字数控滑台的控制流程，钻孔定位时，首先判断滑台是否需要返回加工原点，如果需要，执行返回原点命令将滑台归位到机械原点，然后，执行孔的定位操作。

　钻孔加工控制流程，首先读入孔的加工参数，然后依次输出直流旋转电机、Z向步进电机以及制振器的控制信号(顺序不能变)以控制对应执行部件开始运动，然后判断是否进行数据采集。如果是，需要调用数据采集模块(此模块置于单独的线程中)，最后判断是否停止加工(可以随时停止各执行部件的运行，即使没有加工到初始设定的位置)。

4 结论

　　本文基于NC嵌入PC的设计思想，利用“PC机+A/D功能卡”构建的微小孔振动数控钻床样机已制作完成，在系统中PC机实现友好的人机界面、灵活的系统配置、增强的外部软件接口，配合两张控制卡进行各种信号的输入输出，完成位置控制、速度控制等实时任务l以Windows98操作系统为软件开发平台，各功能模块化设计。将这种软硬件设计方法应用于微小孔振动钻床，使其专用性强，结构简单，易于维修，制造周期短且提高了机床的性价比，适合于小规模的数控系统。目前，样机已经通过测试，系统工作可靠，参数调节满足实验要求，事实证明这是一种比较快捷可行的经济型数控系统方案。