专利名称：一种数控成形高次非球面控制方法及硬件系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种以速度插补原理三轴联动来实现切线法成形高次非球面数字控 制方法及硬件系统。
背景技术：
数控技术目前已广泛应用于各种控制领域，如航空航天、汽车、交通、通讯、电子、 定位跟踪系统、机器人、高精密加工设备以及装配线等。在光学零件加工领域，已用数控车 削、数控磨削和数控抛光等技术来加工出高精度非球面光学零件。国内外已研发出的多种 数控加工光学非球面机床以得到应用，目前数控加工光学非球面技术，其加工效率比起传 统手工加工非球面技术有了较大的提高，但加工效率仍然很低，只适用单件少量生产，随着 光产业的迅速发展光学非球面光学零件需求量不断增加，迫切需要加工效率高，能够批量 和变批量生产光学非球面零件的设备。目前数控成形光学非球面机床加工效率低的主要原因是不论车削、磨削还是抛光 成形后的非球面表面总是产生微小波纹误差，而去除这种波纹误差花费较长时间，所以加 工效率低，加工成本高。造成这种情况的原因有数控成形原理、加工方法的几何因素和物理 因素等。其中数控成形原理造成的误差是理论性误差。当前国内外已有的加工非球面机床 的数控成形原理均是二轴联动的位置插补数控原理，这种数控成形原理本身存在形成表面 波纹的理论性误差。位置插补数控原理有三种插补方法，即脉冲增量插补、数字采样插补及 数字采样插补和脉冲增量插补混合的插补方法。根据以上三种插补方法得到的轨迹曲线都 是一条接近光学设计给定的非球面轨迹曲线的微小折线。这种折线，其插补间格取得越小， 可使接近误差越小，但理论上总是一条折线，而折线在整个表面上总是形成微小波纹。在这 种理论性微小波纹基础上，叠加上几何因素和物理因素的波纹，将得到更为复杂的不同频 带的微小波纹。针对上述的现状，提出一种新的数控成形高次非球面控制方法，以达到非球 面成形表面上消除产生微小波纹的目的。提出的具体控制方法是以速度插补原理三轴联动 来实现切线法成形高次非球面数字控制方法。
发明内容
本发明的目的在于为了提高非球面光学零件的加工效率，提出速度插补原理的三 轴联动切线法成形数控方法，所指三轴联动是在同一时间段内磨轮轴以转动轴Z轴转动、 磨轮轴沿X轴移动和磨轮轴沿Y轴移动的三轴数控联动，所指速度插补是三轴中每一轴的 运动均由光学设计给定的轨迹曲线方程中分解出的单轴运动方程进行不同角度的转动和 不同距离的移动，所指切线法是磨轮上的磨削点始终沿曲线上的每个点的切线方向移动。速度插补原理的三轴联动是采用具有多轴联动功能的UMAC控制器硬件来实现， 每一个轴的速度插补控制是采用UMAC控制器携带的PVT速度插补方法来实现，准确的运动 控制时间是采用电子凸轮算法。具体联动的参数，即加工参数是对给定零件方程式的工件口径进行N等分，通过程序计算出磨轮轴沿X轴和y轴移动Δ^” Aymi线位移量和磨轮轴绕转动轴Z轴旋转的 Δ θω 角位移。按加工工艺的要求给定磨轮轴转动角速度ωω、那么由程序计算可得到加 工的时间 Ati，其中 Ati = (Δ emiX60)/(comX2Ji) ;ti = ^+Ati, t0 = 0。再通过程2(Δχ —ν r,,At)序计算得到各分割节点速度Vmxi、Vfflyi和加速度amxi，其中=Λ T ‘ ，Vfflxi =Ay .Vmxa-^amxiAtijVmy, =。如果ζ轴以ωω勻速旋转，其速度变化规律是一条恒速直线，χ轴分段为勻加速运动，速度时间曲线单调上升；y轴为分段勻速运动，速度时间曲线单调下 降。通过以上编程计算，最终获得曲线上各节点的位置、速度、加速度、时间以及各变量的单 调变化关系。本发明的技术方案的硬件系统是基于UMAC的切线法加工高次非球面三轴联动速 度伺服控制方法，其特征在于控制系统选用基于UMAC的PC+NC递阶式结构，采用零传动驱 动技术和模拟线性驱动器构成自控变频同步电动机进给伺服系统，以实现三轴联动控制。 控制系统软件设计方案由上、下位机两部分组成，上位机软件系统采用Microsoft Visual C++6. 0开发环境进行设计，主要完成人机交互功能模块设计、预处理计算、运动程序编制和 上下位机通讯，下位机运动控制采用UMAC的PVT速度插补控制方法和电子凸轮算法实现对 插补节点间磨轮进给速度进行精确控制，即基于UMAC的PVT速度插补三轴联动伺服控制方 法，最终使磨轮满足加工过程中时刻位于要求曲线的切线方向上。通过上述上位机的预处理的运动参数，用UMAC的PTV速度插补和电子凸轮算法进 行三轴联动控制，PVT控制方式是根据被控轨迹节点位置(P)、速度(V)、相邻节点间的时间 片段(T)等参数实现轨迹运动控制的，这些参数是依据在上位机预处理计算结果生成的初 始列表文件，从这个列表文件取出一组PVT参数后，按照运动程序自动走出一个位置轨迹 曲线，并有相应的速度曲线和加速度曲线对应，此外也可以设定加速时间(TA)和运动时间 ⑴值相等来得到全程加速度的曲线。在插补节点间的运动控制过中，时刻保持速度的连续 变化即与切线方向一致，同时，运动控制过程中采用加减速前瞻控制，最少要输入4个节点 进行提前运算，使实际加工中速度曲线在节点处不出现拐点，位置曲线光滑过渡，速度逐渐 增加或减少，位置不产生超调。最终通过三轴联动加工出要求面型精度又连续光滑的高精 度非球面，此方法实际上是基于UMAC的PVT精插补速度伺服控制方法。所述的电子凸轮算法，即利用PVT进行运动控制过程中不能直接使用计算的T值， 而需采用UMAC运动控制器的电子凸轮算法。在PVT运动控制中使用外部时基来代替计算 的T值。摆动轴作为时间基轴当其运动产生η个脉冲，x、y轴跟随基轴运动η个脉冲对应的 时间，这种时基控制是使“时间”同基轴转过的距离成比例，而不是通过语言表达成“时间” 的函数，从而完成三轴位置协调同步，实现高精度三轴联动。本发明的有益效果本发明通过电子凸轮算法，保证了三轴联动的同步，时基控制既没有改变伺服周 期的时间，也没有改变控制系统的动态性能，只是把轨迹控制定义成基轴位置的函数，所以 运动轨迹没有发生变化。其次采用的PVT速度插补算法，使实际加工中速度曲线在节点处 不出现拐点，位置曲线光滑过渡，速度逐渐增加或减少，位置不产生超调，在插补节点间的 运动控制过中，时刻保持磨轮进给速度的连续变化且与切线方向一致，能够成形高精度连续光滑的非球面，进而提高非球面加工效率。
以下结合附图详细说明本发明的较佳实施例，其中附
图1是脉冲增量插补原理形成的曲线轨迹；附图2是数据采样插补原理形成的曲线轨迹；附图3是混合插补原理形成的曲线轨迹；附图4是脉冲增量插补轨迹与磨轮成形轨迹；附图5是数据采样插补轨迹与磨轮成形轨迹；附图6是速度插补原理的三轴联动控制原理的示意；附图7为θ mi.xmi和ymi位移随时间ti变化关系曲线；附图8是基于UMAC的总控制系统结构框图；附图9为三轴联动伺服系统框图。附图1是用平行于坐标轴的单位长度直线段或其合成线段逼近被插补曲线，图中 1为被插补曲线、2为插补轨迹，即为脉冲增量插补原理。附图2是在每一插补周期中，用直线段逼近被插补曲线，图中1为被插补曲线、2为 插补轨迹、3为插补点，即为数字采样插补原理。附图3是采用数据采样插补原理及脉冲增量插补原理混合插补过程，图中1为被 插补曲线、2为粗插补直线段、3为粗插补点、4为精插补点，即为混合插补原理。附图4是脉冲增量插补轨迹与磨轮成形轨迹，图中1为磨轮外圆、2为成形轨迹、3 为插补轨迹、4为工件。附图5是数据采样插补原理形成的曲线轨迹，图中1为磨轮外圆、2为成形轨迹、3 为插补轨迹、4为工件。附图6是速度插补原理的三轴联动控制原理的示意，在每一个时间段内，磨轮轴 以中心转动一定角度的同时，沿X轴移动，沿Y轴移动一定距离，即可形成连续光滑高精度 的光学设计给定的非球面示意。
具体实施例方式如图1、图2和图3所示当前位置插补数控原理所能得到的接近光学设计给定曲线 的折线的原理，由图说明用位置插补数控原理，理论上不能得到连续光滑曲线轨迹。如图4和图5所示在具有理论性波纹误差的脉冲增量插补原理和数字采样插补原 理形成的轨迹上，叠加磨轮的几何因素造成的波纹，将产生更为复杂的波纹。如图6所示本发明具体实施的方法，在每一个时间段内，磨轮轴以中心转动一定 角度同时，沿X轴移动，沿Y轴移动距离，即可形成连续光滑高精度的光学设计给定的非球 面。图6为形成凸形非球面的示意，形成凹形非球面成形原理与凸形非球面完全相同，只是 磨轮轴转动方向与凸型相反、磨轮的断面为圆弧形而已。如图7所示以时间、为横坐标由MATLAB分析得到^变化规律呈近似抛物线特 性、Yffli变化规律呈近似直线特性(由y轴等分割决定)、θ mi变化规律呈近似直线特性。 θ ffli> Xffli> yffli的合成轨迹形成了磨轮中心的运动轨迹。具体计算过程是先依据加工参数，对工件口径进行N等分，通过程序计算出磨轮轴沿χ轴和y轴移动Δ ^cmi、Aymi线位移和磨轮 绕磨轮中心旋转Δ θ mi角位移，按加工工艺的要求确定磨轮轴转动角速度ωω，那么根据编 程计算可得到加工时间 Ati，其中 Ati = (Δ emiX60)/(comX2Ji) = ^+Ati, t0 =2(Axm -Vmxa^At,)0。再通过编程求的各节点速度vmxi、vmyi，加速度amxi，其中=--，Vmxi =AtlAv .Vmxa-^amxiAtijVmy, =^-，分析得到ζ轴以ωω勻速旋转，其速度变化规律是一条恒速直线，χ轴做分段勻加速运动，速度时间曲线单调上升；y轴做分段勻速运动，速度时间曲线单 调下降。通过以上编程计算，最终获得曲线上各节点的位置、速度、加速度、时间以及各变量 的单调变化关系。如图8所示速度插补原理三轴联动来实现切线法成形高次非球面数字控制硬 件系统，硬件系统是基于UMAC的PC+NC递阶式结构，在上位机软件系统采用Microsoft Visual C++6.0开发环境进行设计，PC(上位机)主要完成人机交互功能模块设计、预处理 计算、运动程序编制、上下位机通讯以及动态显示等，并对整个系统的运行进行协调和管理 等非实时控制。NC(UMAC控制器)主要完成轨迹规划、轨迹插补、开关量控制(PLC)、驱动控 制等实时控制，组成NC系统所需的功能模块(如CPU基础卡、模拟轴接口卡、I/O接口卡)。如图9所示通过上位机的预处理过程，其次要利用UMAC的PTV速度插补和电子凸 轮算法进行三轴联动控制示意图，PVT控制方式是根据被控轨迹节点位置(P)、速度(V)、相 邻节点间时间片段(T)等参数实现轨迹运动控制的，这些参数是依据在上位机预处理计算 结果生成的初始列表文件，从这个列表文件取出一组PVT参数后，按照运动程序自动走出 一个位置轨迹曲线，并有相应的速度曲线和加速度曲线对应，并且可以设定加速时间(TA) 和运动时间(T)值相等来得到全程加速度的曲线(对于X轴)。程序片段举例如下INC ；增量模式，用距离指定运动PVT200 ；进入PVT运动模式，运动时间200msXlOO :1500 ；以1500单位/秒终点的速度平移100个单位长PVT100 ；进入PVT运动模式，运动时间IOOmsX500 3000 ；以3000单位/秒终点的速度平移500个单位长此外，在运动控制过程中采用加减速前瞻控制，最少要输入4个节点进行提前运 算，使实际加工中速度曲线在节点处不出现拐点，位置曲线光滑过渡，速度逐渐增加或减 少，位置不产生超调。在插补节点间的运动控制过中，时刻保持速度的连续变化且与切线方 向一致，同时，本身高精度的UMAC控制器也满足位置的误差要求，最终达到加工出要求面 型精度又连续光滑的高次非球面光学零件。最后，如图9所示在PVT速度插补算法的基础上引入电子凸轮算法作为三轴联动 的时基，电子凸轮的时基控制是一种与独立轴同步协调的复杂方法，设计中将ζ轴作为时 间基轴，通过已知加工条件设定时间基数，按照基轴运动产生的脉冲数完成三轴同步动作， 即基轴旋转运动产生η个脉冲，x、y轴跟随基轴运动η个脉冲对应的时间，因为超精密数控 系统的脉冲周期是微秒级，所以能够满足PVT编程时运动时间片段的设置。这种时基控制 是使“时间”同基轴转过的距离成比例，而不是通过语言表达成“时间”的函数，从而完成三 轴位置协调同步。时基控制既没有改变伺服周期的时间，也没有改变控制系统的动态性能，只是把轨迹控制定义成基轴位置的函数，所以运动轨迹没有发生变化。通过上述方法的综合运用最终加工出达到要求面型精度又连续光滑的高次非球 面光学零件。这一过程采用的方法即为基于UMAC的PVT速度插补原理的三轴联动切线法 控制方法。以上所述为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围，凡依本发明 的权利要求范围所作的等效变化与修饰，均属于本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种以速度插补原理三轴联动来实现切线法成形高次非球面数字控制方法，其特征 在于所指的三轴联动是在同一时间段内磨轮轴以转动轴Z轴转动、磨轮轴沿X轴移动和磨 轮轴沿Y轴移动的三轴数控联动。所指速度插补是三轴中每一轴的运动均由光学设计给定 的轨迹曲线方程中分解出的单轴运动方程进行不同角度的转动和不同距离的移动，所指切 线法是磨轮上的磨削点始终沿曲线上的每个点的切线方向移动。速度插补原理的三轴联 动是采用具有多轴联动功能的UMAC控制器硬件来实现，每一个轴的速度插补控制是采用 UMAC控制器携带的PVT速度插补方法来实现，准确的运动控制时间是采用电子凸轮算法。
2.根据权利要求1所述的速度插补原理三轴联动运动控制所需的参数是对给定零件 方程式的工件口径进行N等分，通过程序计算出磨轮轴沿χ轴和y轴移动Δ、” Aymi线 位移量和磨轮轴绕转动轴ζ轴旋转的△ emi角位移。由加工工艺要求给定磨轮轴转动角 速度ωω、那么由程序计算得到加工的时间Ati，其中Ati = (Δ 6miX60)/( mX2Ji)； ti = ^1+Ati, t0 = 0。再通过程序计算得到各分割节点速度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 轴以 COm 勻速旋转，其速度变化规律是一条恒速直线，χ轴分段为勻加速运动，速度时间曲线单调上升；y轴为 分段勻速运动，速度时间曲线单调下降。通过以上编程计算，最终获得曲线上各节点的位 置、速度、加速度、时间以及各变量的单调变化关系。
3.根据权利要求1所述的数字控制方法，为了实现速度插补原理三轴联动切线法加 工高次非球面，本发明的技术方案的硬件系统是基于UMAC的PC+NC递阶式结构，采用零传 动驱动技术和模拟线性驱动器构成自控变频同步电动机进给伺服系统，以实现三轴联动 控制。控制系统软件设计方案由上、下位机两部分组成，上位机软件系统采用Microsoft Visual C++6. O开发环境进行设计，主要完成人机交互功能模块设计、预处理计算、运动程 序编制和上下位机通讯，下位机运动控制采用UMAC的PVT速度插补控制方法和电子凸轮算 法实现对插补节点间磨轮进给速度进行精确控制，即基于UMAC的PVT速度插补三轴联动伺 服控制方法，最终使磨轮满足加工过程中时刻位于要求曲线的切线方向上。
4.如权利要求1所述的PVT速度插补控制方式是根据被控轨迹节点位置(P)、速度 (V)、相邻节点间时间片段(T)等参数实现轨迹运动控制的，这些参数是依据在上位机预处 理计算结果生成的初始列表文件，从这个列表文件取出一组PVT参数后，按照运动程序自 动走出一个位置轨迹曲线，并有相应的速度曲线和加速度曲线对应，此外也可以设定加速 时间(TA)和运动时间(T)值相等来得到全程加速度的曲线。在插补节点间的运动控制过 中，时刻保持速度的连续变化即与切线方向一致，同时，运动控制过程中采用加减速前瞻控 制，最少要输入4个节点进行提前运算，使实际加工中速度曲线在节点处不出现拐点，位置 曲线光滑过渡，速度逐渐增加或减少，位置不产生超调。最终通过三轴联动加工出要求面型 精度又连续光滑的高精度非球面
5.如权利要求1所述的电子凸轮算法，即利用PVT进行运动控制过程中不能直接使用 计算的τ值，而需采用UMAC运动控制器的电子凸轮算法。在PVT运动控制中使用外部时基 来代替计算的T值。摆动轴作为时间基轴当其运动产生η个脉冲，χ、y轴跟随基轴运动η 个脉冲对应的时间，这种时基控制是使“时间”同基轴转过的距离成比例，而不是通过语言 表达成“时间”的函数，从而完成三轴位置协调同步，实现高精度三轴联动。
全文摘要
本发明是一种以速度插补原理三轴联动来实现切线法成形高次非球面数字控制方法及硬件系统。硬件控制系统采用具有多轴联动功能的UMAC控制器，利用电子凸轮算法获得准确的时间间隔，保证三轴联动的同步，同时采用的PVT速度插补算法，使实际加工曲线在节点处不出现拐点光滑过渡，位置不产生超调，并在插补节点之间时刻保持磨轮进给速度的连续变化，且磨轮的移动方向与该点的切线方向一致，进而形成高精度连续光滑的非球面，最终能提高非球面的加工效率和降低加工成本。
文档编号B24B13/06GK102049717SQ20101022946
公开日2011年5月11日 申请日期2010年7月19日 优先权日2010年7月19日
发明者于化东, 于正林, 朴承镐, 耿振野, 轩洋, 顾莉栋 申请人:于正林, 朴承镐, 长春理工大学