電子束加工機床運動系統(tǒng)設(shè)計及誤差補償

金艷，胡建軍，蔣鵬，杜向斌

(1.重慶理工大學(xué)計算機學(xué)院，重慶400054;2.重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶400054)

電子束加工具有效率高、加工零件表面應(yīng)力低等特點，能完成狹縫、深槽等普通工藝難完成的加工。而且電子束能量密度高，金屬基體加熱和冷卻速度快，材料表面的物理和化學(xué)變化明顯，能夠顯著提高材料表層硬度，改善其耐磨和耐腐蝕性能。同時電子束加工引起金屬材料表層重熔流動，起到拋光的作用，使零件表面形貌和摩擦性能得到提高［1］。

目前對電子束加工的原理以及材料表面改性的基礎(chǔ)性研究較多，而對電子束加工的運動系統(tǒng)設(shè)計及控制研究不夠［2－3］。電子束加工量的大小一般是由電規(guī)準(zhǔn)確定，加工過程不存在Z 向進(jìn)給，一般要求工作臺帶動加工件做X 和Y 向的二維運動，但由于其需要在真空環(huán)境下工作，因此運動精度和普通機床不同。這里對電子束加工機床的運動系統(tǒng)和精度控制進(jìn)行研究。

圖1 電子束加工工藝流程圖

1 運動系統(tǒng)設(shè)計

1.1 電子束加工工藝流程

電子束加工工藝流程如圖1所示，當(dāng)加工任務(wù)到達(dá)，由控制系統(tǒng)發(fā)出指令，電子槍產(chǎn)生電子束，經(jīng)電磁線圈匯聚后對工件進(jìn)行照射，當(dāng)達(dá)到工藝需要的要求后，控制系統(tǒng)指揮工作臺進(jìn)行移動及誤差補償［2］。

1.2 運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

電子束加工運動系統(tǒng)分為X 和Y 方向的運動，單個方向結(jié)構(gòu)相同，如圖2所示，步進(jìn)電機通過聯(lián)軸器直連滾珠絲杠，滾珠絲杠通過與之連接的滾珠螺母形成傳動副將旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為直線運動，滾珠螺母通過聯(lián)動塊帶動傳力桿經(jīng)過密封裝置伸進(jìn)真空室內(nèi)部，拖動工作臺運動。

圖2 電子束加工工作臺框圖

1.3 運動系統(tǒng)驅(qū)動原理

運動系統(tǒng)的驅(qū)動原理如圖3所示，由單片機、信號控制開關(guān)、直流電源及步進(jìn)電機構(gòu)成，并與PC 機相連。采用Windows 平臺下利用Visual C + +提供的串口通信控件與單片機的通信來產(chǎn)生四相信號，PC機主要完成人機交互、顯示等非實時性任務(wù)，單片機接收主機發(fā)出的指令并通過運動控制卡驅(qū)動電機［3］。

圖3 步進(jìn)電機驅(qū)動圖

2 基于PC 的控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

硬件系統(tǒng)如圖4所示，采用PC 機和單片機構(gòu)成主從式二級控制總體結(jié)構(gòu)，上位機采用通用PC 機，完成加工參數(shù)的設(shè)置、加工工藝的選擇等任務(wù)，而下位機利用AT89S52 單片機系統(tǒng)完成位移進(jìn)給驅(qū)動控制，并從外部獲取加工狀態(tài)等反饋信息，上下位機間以中斷方式進(jìn)行串口通信［4］。

圖4 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 基于串口的上位機控制軟件開發(fā)

串行通信原理如圖5所示，系統(tǒng)為每個通信設(shè)備開辟了輸入輸出緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)進(jìn)出由系統(tǒng)后臺完成，應(yīng)用程序完成對輸入輸出緩沖區(qū)操作。實際接收數(shù)據(jù)的過程為:每接收一個字符，系統(tǒng)產(chǎn)生一個低級硬件中斷，操作系統(tǒng)中的串行驅(qū)動程序就取得了控制權(quán)，并將接收到的字符放入輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后將控制權(quán)返還正在運行的控制程序［5－6］。

圖5 串行通信的基本原理

基于Visual C+ +設(shè)計的控制系統(tǒng)界面如圖6所示，分為6 個部分，即:串口參數(shù)、步進(jìn)電機參數(shù)、絲杠參數(shù)、運動控制、加工軌跡。運動控制是對步進(jìn)電機軸向運動、運動方向(正向運動還是反向運動)進(jìn)行選擇，要求電子束加工工作臺運動的距離和此距離由已選定的絲杠速度運算出的時間等可視參數(shù);加工軌跡是對步進(jìn)電機進(jìn)行多步控制時使用，此處主要用于工作臺成梳狀的運行方式選擇［7－8］。

圖6 電子束加工機構(gòu)工作臺控制系統(tǒng)

2.3 控制系統(tǒng)下位機設(shè)計

使用PC 機通過串口驅(qū)動運動控制卡來驅(qū)動步進(jìn)電機是較廣泛的一種驅(qū)動方法。運用下位機作為步進(jìn)電機的驅(qū)動控制部件，由單片機發(fā)出信號來驅(qū)動步進(jìn)電機驅(qū)動器供給步進(jìn)電機直流電源，設(shè)計選用AT89S52 單片機芯片，如圖7所示，它是一種低功耗、高性能CMOS8 位微控制器，具有8 kB 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)單片機開發(fā)板

3 運動誤差分析及補償

3.1 誤差計算方法

由于受滾軸絲杠以及相關(guān)導(dǎo)軌精度的影響，運動過程會產(chǎn)生平移和角運動而引起誤差，在較高要求的控制系統(tǒng)中需要進(jìn)行誤差補償，誤差計算如公式(1):

式中:R 為工作臺運動誤差，R理論為工作臺理論運動距離(mm)，R實際為工作臺實際運動距離(mm)。

3.2 運動誤差分析與補償

為了便于測量，對X 和Y 兩方向每隔5 mm 連續(xù)運動和往返運動進(jìn)行誤差測試，為了減少實驗誤差，每組進(jìn)行3 次實驗求平均值。在X 方向連續(xù)運動每5 mm 誤差值如圖8(a)所示，平均誤差為0.024 mm;X 方向往返運動每5 mm 誤差值如圖8(b)所示，平均誤差為0.042 mm。圖中顯示誤差值基本落在平均誤差值兩側(cè)，同時可計算出反向間隙平均為0.018 mm［9－10］。

圖8 X 向誤差及平均值

Y 方向連續(xù)運動每5 mm 誤差值如圖9(a)所示，平均誤差為0.035 mm;Y 方向往返運動每5 mm誤差值如圖9(b)所示，平均誤差為0.044 mm，可以計算出反向間隙平均為0.009 mm。

圖9 Y 向誤差及平均值

4 結(jié)論

通過對電子束加工機床進(jìn)行運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理的構(gòu)架，設(shè)計了基于PC 機的控制系統(tǒng)及軟件，并對運動系統(tǒng)進(jìn)行了誤差和補償實驗研究，可以得出如下結(jié)論:

(1)設(shè)計出了可行的電子束加工運動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理，利用PC 及控制單片機驅(qū)動步進(jìn)電機、利用滾珠絲杠的系統(tǒng)能夠滿足電子束加工機床的需要。

(2)完成了基于通用PC 機控制系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)建立，利用Visual C+ +的MSComm 控件進(jìn)行串口通信并完成電子束加工機構(gòu)控制系統(tǒng)的編寫，結(jié)果顯示可以較好地對步進(jìn)電機和運動系統(tǒng)進(jìn)行控制。

(3)設(shè)計的運動系統(tǒng)在X 向每5 mm 連續(xù)運動平均誤差為0.024 mm，往返運動平均誤差為0.042 mm;Y 方向每5 mm 連續(xù)運動平均誤差為0.035 mm，往返運動平均誤差為0.044 mm。

【1】胡建軍，許洪斌，蔣鵬，等.模具型腔的電子束表面精整加工機床研究［J］.機床與液壓，2007，35(11):40－41.

【2】MARKOV A B，KOLITSCH A.Improving the Properties of Metallic Materials by Surface Alloying Induced with a Pulsed Electron Beam［C］//Proceedings of International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum，ISDEIV，Braunschweig，2010:486－489.

【3】許洪斌，杜向斌.步進(jìn)電機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報，2008，22(5):32－34，49.

【4】杜向斌.電子束加工運動控制技術(shù)及裝置［D］.重慶:重慶理工大學(xué)，2008.

【5】周丹.全軟件型CNC 系統(tǒng)的研究與設(shè)計［J］.機床與液壓，2007，35(9):101－103.

【6】陳慧娥，言勇華，魏林.玻璃切割機的運動控制器［J］.機械設(shè)計與制造，2007(2):110－112.

【7】關(guān)林君，裴海龍，賀躍幫.基于運動控制卡的兩軸轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2011，32(3):863－866.

【8】DONNELLY W，LAURITZEN A.Variance Shadow Maps［C］//Proc of the Symposium on Interactive 3D Graphics and Games，2006:161－165.

【9】SCHOLL Cristoph.Functional Decomposition with Application to FPGA Synthesis［M］.Germany:Springer，2002:345－346.

【10】顧瑞娟，王宇，張善從.基于FPGA 的步進(jìn)電機驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2012，33(1):111－115.