0 引言

　　隨著時代的發(fā)展，科技的進步，微小孔已經(jīng)廣泛地出現(xiàn)在了我們生活中的各個領域，大到航空、航天、軍事等方面的尖端零件，小到電路板、模具、鐘表等民用零件，幾乎在各個生產領域的產品中都能遇到微小孔。當前，微小孔的加工方法有很多種，如鉆削加工、振動鉆削加工、電火花加工、電子束加工等。這些加工方法中，微小孔振動鉆削加工不儀適用于加工各種材料，且加工精度高、效率高『面被廣泛適用，它一般是利用高速數(shù)控振動鉆床來完成的。隨著產品要求的提高，微小孔的孔徑越來越小，深度加深，而且對孔尺寸形狀精度和表面粗糙度的要求也越來越高。因此研制一套經(jīng)濟性好、精度高、穩(wěn)定性好的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)具有很好的現(xiàn)實意義和廣闊的市場前景。

1 總體方案設計

　　鑒于微小孔數(shù)控振動鉆床的特點和實際的應用需求，本文硬件設計總體方案如下：

　　(1)鉆床的基礎部件包括床身、橫梁、床腳、高精度滾珠絲杠(絲杠螺距為4mm)、滑動導軌以及高速主軸。

　　(2)鉆床鉆孔直徑范圍為0.2—1mm，進給孔深比為1：8。

　　(3)鉆床定位工作臺采用十字坐標數(shù)控滑臺，分別為x和Y坐標，由x和y兩向步進電機帶動(定位精度／重復定位精度為±10μ/±5μ)。

　　(4)鉆床主軸為z坐標，分別由直流無刷電機(MinMotor 3564K012B)帶動高速旋轉(最高轉速達27000r／min，無機調速)和z向步進電機(四通)通過滾珠絲杠帶動z向進給。

　　(5)鉆床制振器由壓電陶瓷堆組成，通過彈簧與高速主軸相連，利用壓電陶瓷的電致伸縮帶動主軸和刀具振動(振動頻率為0—300Hz，振動幅度為3—5μm)。

　　(6)基于PC機運動控制技術通過各個執(zhí)行部件的驅動單元構建鉆床數(shù)控系統(tǒng)。

2 基于PC機的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺的設計

　　目前，國內自行研發(fā)的基于PC機的機床數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：PC嵌入NC結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)、NC嵌入PC結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)以及純軟件型開放式數(shù)控系統(tǒng)，這3種類型的數(shù)控系統(tǒng)各有自己的優(yōu)點。其中NC嵌入PC結構的開放式數(shù)控系統(tǒng)，PC機處理非實時部分，而加工控制所需的實時任務由運動控制卡來承擔。這種系統(tǒng)的特點是結構簡單、性價比高、集成方便、靈活性好、功能穩(wěn)定、可共享計算機的所有資源。本文就是采用了NC嵌入PC結構類型構建了基于“PC機+A／D功能卡”的數(shù)控硬件平臺和以Windows 98作為軟件運行平臺的微小孔振動鉆床經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并給出了具體的方案設計。

　　本鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件主要由PC機、A／D運動控制卡(MPC2810)、PCI2003數(shù)據(jù)采集卡、步進電機控制器、直流無刷電機控制器、制振器驅動電源、壓力扭矩傳感器等組成。基于PC機的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)硬件的總體結構。利用PC機作為主體，將選擇的,adD功能卡插在PC機PCI標準插槽上，外接輸入輸出接口卡、步進電機驅動模塊、直流無刷電機驅動模塊等構成硬件總體結構。作為控制系統(tǒng)的核心，由PC機向控制卡(MPC2810和PCI2003)發(fā)出指令，控制卡對PC機發(fā)出的各種數(shù)據(jù)、信息(主軸轉速、步進電機進給速度、振動頻率、鉆孔深度及位置等)進行有關的處理和運算，根據(jù)處理的結果向各個驅動模塊發(fā)出控制命令I／O信號，執(zhí)行用戶的指令。該系統(tǒng)的I／O量主要有以下幾類：步進電機控制信號(9路，每個步進電機有3路：+5V公共端信號(Corn)、方向(Dir)以及脈沖(PULS))l直流無刷電機控制信號(4路：模擬地(GND)、模擬速度信號(Analog speed comm)、方向(Dir)以及剎車(Brake))；制振器控制信號(4路：邏輯地1(GND)、方波l(PULS)、邏輯地2(GND)、方波2(PULS))；限位信號(6路：-X、+X、-Y、+Y、-Z、+Z)，它主要保證機床運動時不超出特定極限位置；采集信號(4路：模擬地1、模擬壓力電壓、模擬地2、模擬扭矩電壓)，它是用來測試機床加工過程中刀具的受力情況以便進行模擬分析。在整個設計中控制器與外部信號的連接都采用了光電耦合，以排除外界對系統(tǒng)的干擾。

　　此外需要特別指出的有以下幾點：

　　(1)MPC2810運動控制卡以IBM—PC及其兼容機為主機，基于PCI總線的步進電機或數(shù)字式伺服電機的上位控制單元。它可以完成運動控制的所有細節(jié)(包括直線和圓弧插補、脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。單張卡可控制4軸的步進電機或數(shù)字式伺服電機，此外除了各軸專用的輸入輸出(COM端、脈沖、方向、正限位、負限位)，該卡還提供了24路通用數(shù)字量輸出口和19路通用數(shù)字量輸入口以供控制更多的部件。本系統(tǒng)設計中充分利用了該卡的多軸電機控制功能和數(shù)字量輸入輸出功能。

　　(2)PCI2003數(shù)據(jù)采集卡上裝有12Bit分辨率的A／D轉換器和D／A轉換器，提供了8雙116單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。輸入信號幅度可以經(jīng)程控增益儀表放大器調到合適的范圍，保證最佳轉換精度，在本系統(tǒng)設計中充分運用了該卡所具備的信號采集和模擬量輸出功能。

　　(3)通過控制MPC2810上的兩個DO口輸出兩路推免的具有一定頻率的相位相差1800的數(shù)字方波信號經(jīng)光電耦合電路到制振器驅動電源，控制電源輸出有規(guī)律的正負電壓信號驅動制振器振動。

3 基于PC機的微小孔振動鉆床數(shù)控系統(tǒng)軟件的設計

　　在數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，采用標準的開發(fā)環(huán)境，既降低開發(fā)成本，又可開發(fā)出性能更優(yōu)越的系統(tǒng)，同時還能降低維修成本。眾所周知，在基于PC機的系統(tǒng)開發(fā)中，Windows操作系統(tǒng)具有統(tǒng)一的友好圖形界面以及豐富的軟件資源和開發(fā)工具，同時又是基于搶占式的多任務操作系統(tǒng)，實現(xiàn)實時多任務功能不需要用戶的干預。因此在本系統(tǒng)軟件開發(fā)中，選用Windows98作為操作系統(tǒng)平臺，利用VisualC++6．0作為軟件的開發(fā)工具開發(fā)可視化、操作界面良好的數(shù)控系統(tǒng)。

　　與此同時，本系統(tǒng)采用的PCI2003和MPC2810兩塊控制卡本身包含由開發(fā)商提供的設備驅動程序，它既負責各個功能實現(xiàn)中對底層硬件操作的交換細節(jié)，確保各個功能的有效實現(xiàn)，又提供了一致的標準模塊應用接口，在用VC++編寫應用程序時，可以直接凋用，有利于實現(xiàn)系統(tǒng)集成和功能調用的硬件無關性，為編程者提供了極大地方便。所以，當?shù)讓佑布O備發(fā)生改變時，只需安裝相應的驅動程序并調用相應的函數(shù)，對用戶應用程序沒有太大的影響。

　　為了使整個系統(tǒng)具有最大的開放性和擴展性，根據(jù)系統(tǒng)硬件結構平臺特點，本文采用一種開放式、模塊化結構設計方法將整個軟件系統(tǒng)劃分為多個功能模塊，各模塊之間的層次結構。各個模塊的功能介紹如下：

　　(1)人機界面主控模塊：用友好的界面設計來實現(xiàn)人機對話，用戶可以用鼠標點擊和鍵盤輸入的方式完成電機運動參數(shù)、傳感器參數(shù)、啟動、停止、采集、定位等功能。

　　(2)X、Y軸定位模塊：接收用戶給定孔的x、Y定位參數(shù)(移動距離、移動速度等)，生成一定頻率和數(shù)量的脈沖波形，輸出到功率驅動部件，完成對X、Y向步進電機的控制。

　　(3)主軸(z軸)進給模塊：接收給定的主軸進給深度和速度，控制生成一定頻率和數(shù)量的脈沖波形，輸出到功率驅動部件，完成對z向步進電機的控制。

　　(4)主軸旋轉模塊：該模塊將給定的旋轉速度值進行數(shù)據(jù)換算和LSB碼轉換輸出對應的模擬信號(電壓)到電機驅動器，完成對直流無刷電機的控制。

　　(5)制振器控制模塊：該模塊控制MPC2810的兩個DO口輸出具有一定頻率的推免的相位相差180°數(shù)字方波信號，以控制制振器的振動。

　　(6)數(shù)據(jù)采集模塊：用來處理由采集卡讀取傳感器傳輸?shù)男盘枴?/span>

　　鉆床執(zhí)行部件控制流程：數(shù)控加工過程中，能夠有效、合理、協(xié)調地控制系統(tǒng)執(zhí)行部件運動是非常重要的，十字數(shù)控滑臺的控制流程，鉆孔定位時，首先判斷滑臺是否需要返回加工原點，如果需要，執(zhí)行返回原點命令將滑臺歸位到機械原點，然后，執(zhí)行孔的定位操作。

　鉆孔加工控制流程，首先讀入孔的加工參數(shù)，然后依次輸出直流旋轉電機、Z向步進電機以及制振器的控制信號(順序不能變)以控制對應執(zhí)行部件開始運動，然后判斷是否進行數(shù)據(jù)采集。如果是，需要調用數(shù)據(jù)采集模塊(此模塊置于單獨的線程中)，最后判斷是否停止加工(可以隨時停止各執(zhí)行部件的運行，即使沒有加工到初始設定的位置)。

4 結論

　　本文基于NC嵌入PC的設計思想，利用“PC機+A/D功能卡”構建的微小孔振動數(shù)控鉆床樣機已制作完成，在系統(tǒng)中PC機實現(xiàn)友好的人機界面、靈活的系統(tǒng)配置、增強的外部軟件接口，配合兩張控制卡進行各種信號的輸入輸出，完成位置控制、速度控制等實時任務l以Windows98操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺，各功能模塊化設計。將這種軟硬件設計方法應用于微小孔振動鉆床，使其專用性強，結構簡單，易于維修，制造周期短且提高了機床的性價比，適合于小規(guī)模的數(shù)控系統(tǒng)。目前，樣機已經(jīng)通過測試，系統(tǒng)工作可靠，參數(shù)調節(jié)滿足實驗要求，事實證明這是一種比較快捷可行的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)方案。