一種數控成形高次非球面控制方法及硬體系統的製作方法
2023-06-05 17:46:06 1
專利名稱：一種數控成形高次非球面控制方法及硬體系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種以速度插補原理三軸聯動來實現切線法成形高次非球面數字控 制方法及硬體系統。
背景技術：
數控技術目前已廣泛應用於各種控制領域，如航空航天、汽車、交通、通訊、電子、 定位跟蹤系統、機器人、高精密加工設備以及裝配線等。在光學零件加工領域，已用數控車 削、數控磨削和數控拋光等技術來加工出高精度非球面光學零件。國內外已研發出的多種 數控加工光學非球面工具機以得到應用，目前數控加工光學非球面技術，其加工效率比起傳 統手工加工非球面技術有了較大的提高，但加工效率仍然很低，只適用單件少量生產，隨著 光產業的迅速發展光學非球面光學零件需求量不斷增加，迫切需要加工效率高，能夠批量 和變批量生產光學非球面零件的設備。目前數控成形光學非球面工具機加工效率低的主要原因是不論車削、磨削還是拋光 成形後的非球面表面總是產生微小波紋誤差，而去除這種波紋誤差花費較長時間，所以加 工效率低，加工成本高。造成這種情況的原因有數控成形原理、加工方法的幾何因素和物理 因素等。其中數控成形原理造成的誤差是理論性誤差。當前國內外已有的加工非球面工具機 的數控成形原理均是二軸聯動的位置插補數控原理，這種數控成形原理本身存在形成表面 波紋的理論性誤差。位置插補數控原理有三種插補方法，即脈衝增量插補、數字採樣插補及 數字採樣插補和脈衝增量插補混合的插補方法。根據以上三種插補方法得到的軌跡曲線都 是一條接近光學設計給定的非球面軌跡曲線的微小折線。這種折線，其插補間格取得越小， 可使接近誤差越小，但理論上總是一條折線，而折線在整個表面上總是形成微小波紋。在這 種理論性微小波紋基礎上，疊加上幾何因素和物理因素的波紋，將得到更為複雜的不同頻 帶的微小波紋。針對上述的現狀，提出一種新的數控成形高次非球面控制方法，以達到非球 面成形表面上消除產生微小波紋的目的。提出的具體控制方法是以速度插補原理三軸聯動 來實現切線法成形高次非球面數字控制方法。
發明內容
本發明的目的在於為了提高非球面光學零件的加工效率，提出速度插補原理的三 軸聯動切線法成形數控方法，所指三軸聯動是在同一時間段內磨輪軸以轉動軸Z軸轉動、 磨輪軸沿X軸移動和磨輪軸沿Y軸移動的三軸數控聯動，所指速度插補是三軸中每一軸的 運動均由光學設計給定的軌跡曲線方程中分解出的單軸運動方程進行不同角度的轉動和 不同距離的移動，所指切線法是磨輪上的磨削點始終沿曲線上的每個點的切線方向移動。速度插補原理的三軸聯動是採用具有多軸聯動功能的UMAC控制器硬體來實現， 每一個軸的速度插補控制是採用UMAC控制器攜帶的PVT速度插補方法來實現，準確的運動 控制時間是採用電子凸輪算法。具體聯動的參數，即加工參數是對給定零件方程式的工件口徑進行N等分，通過程序計算出磨輪軸沿X軸和y軸移動Δ^」 Aymi線位移量和磨輪軸繞轉動軸Z軸旋轉的 Δ θω 角位移。按加工工藝的要求給定磨輪軸轉動角速度ωω、那麼由程序計算可得到加 工的時間 Ati，其中 Ati = (Δ emiX60)/(comX2Ji) ;ti = ^+Ati, t0 = 0。再通過程2(Δχ —ν r,,At)序計算得到各分割節點速度Vmxi、Vfflyi和加速度amxi，其中=Λ T 『 ，Vfflxi =Ay .Vmxa-^amxiAtijVmy, =。如果ζ軸以ωω勻速旋轉，其速度變化規律是一條恆速直線，χ軸分段為勻加速運動，速度時間曲線單調上升；y軸為分段勻速運動，速度時間曲線單調下 降。通過以上編程計算，最終獲得曲線上各節點的位置、速度、加速度、時間以及各變量的單 調變化關係。本發明的技術方案的硬體系統是基於UMAC的切線法加工高次非球面三軸聯動速 度伺服控制方法，其特徵在於控制系統選用基於UMAC的PC+NC遞階式結構，採用零傳動驅 動技術和模擬線性驅動器構成自控變頻同步電動機進給伺服系統，以實現三軸聯動控制。 控制系統軟體設計方案由上、下位機兩部分組成，上位機軟體系統採用Microsoft Visual C++6. 0開發環境進行設計，主要完成人機互動功能模塊設計、預處理計算、運動程序編制和 上下位機通訊，下位機運動控制採用UMAC的PVT速度插補控制方法和電子凸輪算法實現對 插補節點間磨輪進給速度進行精確控制，即基於UMAC的PVT速度插補三軸聯動伺服控制方 法，最終使磨輪滿足加工過程中時刻位於要求曲線的切線方向上。通過上述上位機的預處理的運動參數，用UMAC的PTV速度插補和電子凸輪算法進 行三軸聯動控制，PVT控制方式是根據被控軌跡節點位置(P)、速度(V)、相鄰節點間的時間 片段(T)等參數實現軌跡運動控制的，這些參數是依據在上位機預處理計算結果生成的初 始列表文件，從這個列表文件取出一組PVT參數後，按照運動程序自動走出一個位置軌跡 曲線，並有相應的速度曲線和加速度曲線對應，此外也可以設定加速時間(TA)和運動時間 ⑴值相等來得到全程加速度的曲線。在插補節點間的運動控制過中，時刻保持速度的連續 變化即與切線方向一致，同時，運動控制過程中採用加減速前瞻控制，最少要輸入4個節點 進行提前運算，使實際加工中速度曲線在節點處不出現拐點，位置曲線光滑過渡，速度逐漸 增加或減少，位置不產生超調。最終通過三軸聯動加工出要求面型精度又連續光滑的高精 度非球面，此方法實際上是基於UMAC的PVT精插補速度伺服控制方法。所述的電子凸輪算法，即利用PVT進行運動控制過程中不能直接使用計算的T值， 而需採用UMAC運動控制器的電子凸輪算法。在PVT運動控制中使用外部時基來代替計算 的T值。擺動軸作為時間基軸當其運動產生η個脈衝，x、y軸跟隨基軸運動η個脈衝對應的 時間，這種時基控制是使「時間」同基軸轉過的距離成比例，而不是通過語言表達成「時間」 的函數，從而完成三軸位置協調同步，實現高精度三軸聯動。本發明的有益效果本發明通過電子凸輪算法，保證了三軸聯動的同步，時基控制既沒有改變伺服周 期的時間，也沒有改變控制系統的動態性能，只是把軌跡控制定義成基軸位置的函數，所以 運動軌跡沒有發生變化。其次採用的PVT速度插補算法，使實際加工中速度曲線在節點處 不出現拐點，位置曲線光滑過渡，速度逐漸增加或減少，位置不產生超調，在插補節點間的 運動控制過中，時刻保持磨輪進給速度的連續變化且與切線方向一致，能夠成形高精度連續光滑的非球面，進而提高非球面加工效率。
以下結合附圖詳細說明本發明的較佳實施例，其中附
圖1是脈衝增量插補原理形成的曲線軌跡；附圖2是數據採樣插補原理形成的曲線軌跡；附圖3是混合插補原理形成的曲線軌跡；附圖4是脈衝增量插補軌跡與磨輪成形軌跡；附圖5是數據採樣插補軌跡與磨輪成形軌跡；附圖6是速度插補原理的三軸聯動控制原理的示意；附圖7為θ mi.xmi和ymi位移隨時間ti變化關係曲線；附圖8是基於UMAC的總控制系統結構框圖；附圖9為三軸聯動伺服系統框圖。附圖1是用平行於坐標軸的單位長度直線段或其合成線段逼近被插補曲線，圖中 1為被插補曲線、2為插補軌跡，即為脈衝增量插補原理。附圖2是在每一插補周期中，用直線段逼近被插補曲線，圖中1為被插補曲線、2為 插補軌跡、3為插補點，即為數字採樣插補原理。附圖3是採用數據採樣插補原理及脈衝增量插補原理混合插補過程，圖中1為被 插補曲線、2為粗插補直線段、3為粗插補點、4為精插補點，即為混合插補原理。附圖4是脈衝增量插補軌跡與磨輪成形軌跡，圖中1為磨輪外圓、2為成形軌跡、3 為插補軌跡、4為工件。附圖5是數據採樣插補原理形成的曲線軌跡，圖中1為磨輪外圓、2為成形軌跡、3 為插補軌跡、4為工件。附圖6是速度插補原理的三軸聯動控制原理的示意，在每一個時間段內，磨輪軸 以中心轉動一定角度的同時，沿X軸移動，沿Y軸移動一定距離，即可形成連續光滑高精度 的光學設計給定的非球面示意。
具體實施例方式如圖1、圖2和圖3所示當前位置插補數控原理所能得到的接近光學設計給定曲線 的折線的原理，由圖說明用位置插補數控原理，理論上不能得到連續光滑曲線軌跡。如圖4和圖5所示在具有理論性波紋誤差的脈衝增量插補原理和數字採樣插補原 理形成的軌跡上，疊加磨輪的幾何因素造成的波紋，將產生更為複雜的波紋。如圖6所示本發明具體實施的方法，在每一個時間段內，磨輪軸以中心轉動一定 角度同時，沿X軸移動，沿Y軸移動距離，即可形成連續光滑高精度的光學設計給定的非球 面。圖6為形成凸形非球面的示意，形成凹形非球面成形原理與凸形非球面完全相同，只是 磨輪軸轉動方向與凸型相反、磨輪的斷面為圓弧形而已。如圖7所示以時間、為橫坐標由MATLAB分析得到^變化規律呈近似拋物線特 性、Yffli變化規律呈近似直線特性(由y軸等分割決定)、θ mi變化規律呈近似直線特性。 θ ffli> Xffli> yffli的合成軌跡形成了磨輪中心的運動軌跡。具體計算過程是先依據加工參數，對工件口徑進行N等分，通過程序計算出磨輪軸沿χ軸和y軸移動Δ ^cmi、Aymi線位移和磨輪 繞磨輪中心旋轉Δ θ mi角位移，按加工工藝的要求確定磨輪軸轉動角速度ωω，那麼根據編 程計算可得到加工時間 Ati，其中 Ati = (Δ emiX60)/(comX2Ji) = ^+Ati, t0 =2(Axm -Vmxa^At,)0。再通過編程求的各節點速度vmxi、vmyi，加速度amxi，其中=--，Vmxi =AtlAv .Vmxa-^amxiAtijVmy, =^-，分析得到ζ軸以ωω勻速旋轉，其速度變化規律是一條恆速直線，χ軸做分段勻加速運動，速度時間曲線單調上升；y軸做分段勻速運動，速度時間曲線單 調下降。通過以上編程計算，最終獲得曲線上各節點的位置、速度、加速度、時間以及各變量 的單調變化關係。如圖8所示速度插補原理三軸聯動來實現切線法成形高次非球面數字控制硬 件系統，硬體系統是基於UMAC的PC+NC遞階式結構，在上位機軟體系統採用Microsoft Visual C++6.0開發環境進行設計，PC(上位機)主要完成人機互動功能模塊設計、預處理 計算、運動程序編制、上下位機通訊以及動態顯示等，並對整個系統的運行進行協調和管理 等非實時控制。NC(UMAC控制器)主要完成軌跡規劃、軌跡插補、開關量控制(PLC)、驅動控 制等實時控制，組成NC系統所需的功能模塊(如CPU基礎卡、模擬軸接口卡、I/O接口卡)。如圖9所示通過上位機的預處理過程，其次要利用UMAC的PTV速度插補和電子凸 輪算法進行三軸聯動控制示意圖，PVT控制方式是根據被控軌跡節點位置(P)、速度(V)、相 鄰節點間時間片段(T)等參數實現軌跡運動控制的，這些參數是依據在上位機預處理計算 結果生成的初始列表文件，從這個列表文件取出一組PVT參數後，按照運動程序自動走出 一個位置軌跡曲線，並有相應的速度曲線和加速度曲線對應，並且可以設定加速時間(TA) 和運動時間(T)值相等來得到全程加速度的曲線(對於X軸)。程序片段舉例如下INC ；增量模式，用距離指定運動PVT200 ；進入PVT運動模式，運動時間200msXlOO :1500 ；以1500單位/秒終點的速度平移100個單位長PVT100 ；進入PVT運動模式，運動時間IOOmsX500 3000 ；以3000單位/秒終點的速度平移500個單位長此外，在運動控制過程中採用加減速前瞻控制，最少要輸入4個節點進行提前運 算，使實際加工中速度曲線在節點處不出現拐點，位置曲線光滑過渡，速度逐漸增加或減 少，位置不產生超調。在插補節點間的運動控制過中，時刻保持速度的連續變化且與切線方 向一致，同時，本身高精度的UMAC控制器也滿足位置的誤差要求，最終達到加工出要求面 型精度又連續光滑的高次非球面光學零件。最後，如圖9所示在PVT速度插補算法的基礎上引入電子凸輪算法作為三軸聯動 的時基，電子凸輪的時基控制是一種與獨立軸同步協調的複雜方法，設計中將ζ軸作為時 間基軸，通過已知加工條件設定時間基數，按照基軸運動產生的脈衝數完成三軸同步動作， 即基軸旋轉運動產生η個脈衝，x、y軸跟隨基軸運動η個脈衝對應的時間，因為超精密數控 系統的脈衝周期是微秒級，所以能夠滿足PVT編程時運動時間片段的設置。這種時基控制 是使「時間」同基軸轉過的距離成比例，而不是通過語言表達成「時間」的函數，從而完成三 軸位置協調同步。時基控制既沒有改變伺服周期的時間，也沒有改變控制系統的動態性能，只是把軌跡控制定義成基軸位置的函數，所以運動軌跡沒有發生變化。通過上述方法的綜合運用最終加工出達到要求面型精度又連續光滑的高次非球 面光學零件。這一過程採用的方法即為基於UMAC的PVT速度插補原理的三軸聯動切線法 控制方法。以上所述為本發明的較佳實施例，並非用來限定本發明的實施範圍，凡依本發明 的權利要求範圍所作的等效變化與修飾，均屬於本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種以速度插補原理三軸聯動來實現切線法成形高次非球面數字控制方法，其特徵 在於所指的三軸聯動是在同一時間段內磨輪軸以轉動軸Z軸轉動、磨輪軸沿X軸移動和磨 輪軸沿Y軸移動的三軸數控聯動。所指速度插補是三軸中每一軸的運動均由光學設計給定 的軌跡曲線方程中分解出的單軸運動方程進行不同角度的轉動和不同距離的移動，所指切 線法是磨輪上的磨削點始終沿曲線上的每個點的切線方向移動。速度插補原理的三軸聯 動是採用具有多軸聯動功能的UMAC控制器硬體來實現，每一個軸的速度插補控制是採用 UMAC控制器攜帶的PVT速度插補方法來實現，準確的運動控制時間是採用電子凸輪算法。
2.根據權利要求1所述的速度插補原理三軸聯動運動控制所需的參數是對給定零件 方程式的工件口徑進行N等分，通過程序計算出磨輪軸沿χ軸和y軸移動Δ、」 Aymi線 位移量和磨輪軸繞轉動軸ζ軸旋轉的△ emi角位移。由加工工藝要求給定磨輪軸轉動角 速度ωω、那麼由程序計算得到加工的時間Ati，其中Ati = (Δ 6miX60)/( mX2Ji)； ti = ^1+Ati, t0 = 0。再通過程序計算得到各分割節點速度vmxi、Vfflyi和加速度amxi，其中2(Axmi -Vmxu^Ati)Δν -=-—2-，Vmxi = Vmx(i_1)+amxi Δ I17Vmyi = -J^-。如果 ζ 軸以 COm 勻速旋轉，其速度變化規律是一條恆速直線，χ軸分段為勻加速運動，速度時間曲線單調上升；y軸為 分段勻速運動，速度時間曲線單調下降。通過以上編程計算，最終獲得曲線上各節點的位 置、速度、加速度、時間以及各變量的單調變化關係。
3.根據權利要求1所述的數字控制方法，為了實現速度插補原理三軸聯動切線法加 工高次非球面，本發明的技術方案的硬體系統是基於UMAC的PC+NC遞階式結構，採用零傳 動驅動技術和模擬線性驅動器構成自控變頻同步電動機進給伺服系統，以實現三軸聯動 控制。控制系統軟體設計方案由上、下位機兩部分組成，上位機軟體系統採用Microsoft Visual C++6. O開發環境進行設計，主要完成人機互動功能模塊設計、預處理計算、運動程 序編制和上下位機通訊，下位機運動控制採用UMAC的PVT速度插補控制方法和電子凸輪算 法實現對插補節點間磨輪進給速度進行精確控制，即基於UMAC的PVT速度插補三軸聯動伺 服控制方法，最終使磨輪滿足加工過程中時刻位於要求曲線的切線方向上。
4.如權利要求1所述的PVT速度插補控制方式是根據被控軌跡節點位置(P)、速度 (V)、相鄰節點間時間片段(T)等參數實現軌跡運動控制的，這些參數是依據在上位機預處 理計算結果生成的初始列表文件，從這個列表文件取出一組PVT參數後，按照運動程序自 動走出一個位置軌跡曲線，並有相應的速度曲線和加速度曲線對應，此外也可以設定加速 時間(TA)和運動時間(T)值相等來得到全程加速度的曲線。在插補節點間的運動控制過 中，時刻保持速度的連續變化即與切線方向一致，同時，運動控制過程中採用加減速前瞻控 制，最少要輸入4個節點進行提前運算，使實際加工中速度曲線在節點處不出現拐點，位置 曲線光滑過渡，速度逐漸增加或減少，位置不產生超調。最終通過三軸聯動加工出要求面型 精度又連續光滑的高精度非球面
5.如權利要求1所述的電子凸輪算法，即利用PVT進行運動控制過程中不能直接使用 計算的τ值，而需採用UMAC運動控制器的電子凸輪算法。在PVT運動控制中使用外部時基 來代替計算的T值。擺動軸作為時間基軸當其運動產生η個脈衝，χ、y軸跟隨基軸運動η 個脈衝對應的時間，這種時基控制是使「時間」同基軸轉過的距離成比例，而不是通過語言 表達成「時間」的函數，從而完成三軸位置協調同步，實現高精度三軸聯動。
全文摘要
本發明是一種以速度插補原理三軸聯動來實現切線法成形高次非球面數字控制方法及硬體系統。硬體控制系統採用具有多軸聯動功能的UMAC控制器，利用電子凸輪算法獲得準確的時間間隔，保證三軸聯動的同步，同時採用的PVT速度插補算法，使實際加工曲線在節點處不出現拐點光滑過渡，位置不產生超調，並在插補節點之間時刻保持磨輪進給速度的連續變化，且磨輪的移動方向與該點的切線方向一致，進而形成高精度連續光滑的非球面，最終能提高非球面的加工效率和降低加工成本。
文檔編號B24B13/06GK102049717SQ20101022946
公開日2011年5月11日 申請日期2010年7月19日 優先權日2010年7月19日
發明者於化東, 於正林, 樸承鎬, 耿振野, 軒洋, 顧莉棟 申請人:於正林, 樸承鎬, 長春理工大學