基于UMAC的微V槽阵列精密机床数控系统研究与开发

摘要

光纤阵列FA(Fiber Array)器件是一种高集成、小型化和大数据传输的光学器件，已经被广泛用于光通信、医学、工业、军事等领域。至今国内市场上高精密微Ⅴ槽阵列的制作大多是引进国外精密数控机床加工或直接进口，造成成本高、维护困难，开放性不高等缺点，为后续研究和突破造成诸多困难，不利于企业参与国际市场的竞争。为了满足现代化产品及光电产业需求，自主研发出一套微Ⅴ槽精密机床数控系统具有重要意义。　　本课题所研究的微Ⅴ槽精密机床正是为了满足光电产业需求而研究设计的，该机床主要用于加工高精密微Ⅴ槽阵列元器件。为了达到微Ⅴ槽加工精度要求，本课题围绕精密机床数控系统展开相关研究工作。　　首先，对机床的整体布局及机械关键功能部件进行分析和阐述，论证其机械组成特点对机械系统精度和刚度的影响，接着从硬件功能、成本、开发难易程度及可重复利用率出发，完成机床控制系统硬件选型，基于UMAC运动控制器、研华IPC-5120工控机、Parker公司生产的I-Force无铁芯直线电机、TA330线性放大器、海德汉及雷尼绍模拟量光栅尺完成机床数控系统硬件平台的搭建。　　其次，利用UMAC运动控制器开放性特点，在Windows平台下运用QT开发工具完成人机界面程序的编写，人机界面包括建立机床刀具参数、磨削参数、工件参数的数据库管理;加工程序自动生成、手动编写，实现加工文件的读取、保存、复制和删除等功能;程序载入、开始、暂停、停止功能;电机位置和状态的实时监测和反馈等。　　然后，对机床数控系统PID参数进行激励整定，提高机床的动静态特性，减少系统跟随误差。为了提高微Ⅴ槽阵列精密机床的定位精度，达到微Ⅴ槽高精度加工要求，利用激光干涉仪对机床Z轴进行定位精度检测和误差补偿，提高机床定位精度及重复定位精度，使机床定位精度达到微Ⅴ槽阵列高精度加工要求。　　最后，机床主轴是否进行动平衡调节对微Ⅴ槽阵列元器件进行加工对比实验，通过对微Ⅴ槽的加工结果进行检测与对比分析，验证机床机械特性和数控系统对微Ⅴ槽加工精度的影响，实验结果得出对机床主轴进行动平衡调整后机床数控系统满足微Ⅴ槽间距误差在±0.5μm的要求。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题来源及背景意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题背景及研究意义

1．2 国内外精密及超精密机床研究现状

1．2．1 国外精密及超精密机床研究现状

1．2．2 国内精密及超精密机床研究现状

1．3 国内外开放式数控系统研究现状

1．3．1 国外开放式数控系统研究现状

1．3．2 国内开放式数控系统的研究现状

1．4 数控系统误差补偿特点及意义

1．4．1 数控系统误差补偿的意义

1．4．2 数控系统误差补偿特点

1．5 课题研究的主要内容

1．6 本章小结

第二章 微V槽阵列精密机床整体布局及关键功能部件设计丌j达先型犁

2．1 微V槽的几何误差与光纤耦合损耗的关系

2．1．1 微V槽与光纤的定位

2．1．2 微V槽的角度α与光纤耦合损耗关系

2．1．3 微V槽间距P与光纤耦合损耗关系

2．2 微V槽阵列精密机床数控系统研究目标

2．3 微V槽阵列精密机床整体布局

2．4 微V槽阵列元件精密机床主要机械功能部件的设计选型

2．5 本章小结

第三章 微V槽阵列精密机床数控系统的硬件设计

3．1 机床数控系统总体设计方案

3．2 机床数控系统的硬件组成

3．2．1 UMAC多轴运动控制卡

3．2．2 工业控制计算机

3．2．3 直线电机及其驱动器

3．2．4 精密检测光栅反馈系统

3．3 机床数控系统电气系统设计

3．4 本章小结

第四章 微V槽阵列精密机床数控系统软件设计

4．1 数控系统软件总体结构设计

4．1．1 UMAC软件开发工具

4．1．2 机床数控系统的功能目标分析

4．1．3 机床控制界面的总体结构

4．2 机床数控系统模块的功能分析

4．3 QT中UMAC运动链接库的调用

4．4 部分模块功能的具体实现

4．4．1 各轴电机状态监测功能实现

4．4．2 程序模块的部分功能实现

4．4．3 加工程序文件的自动生成

4．5 本章小结

第五章 微V槽阵列精密机床数控系统PID参数整定及定位精度补偿

5．1 机床数控系统PID的整定及优化

5．1．1 PID伺服环工作原理

5．1．2 机床数控系统PID调试参数说明

5．1．3 PID阶跃调整和抛物线调整

5．1．4 PID伺服滤波器的参数调节结果

5．2 机床Z轴定位精度的检测及补偿

5．2．1 激光干涉仪定位精度检测原理

5．2．2 Z轴定位精度的检测

5．2．3 UMAC补偿表制定方法

5．2．4 Z轴定位精度误差补偿

5．3 本章小结

第六章 微V槽阵列精密机床微V槽元器件加工过程与实验结果验证

6．1 实验设备

6．2 微V槽阵列精密机床磨削加工对比实验

6．3 加工工件的检测及分析

6．4 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及申请的专利

声明

致谢