基于Galil卡的光纖凸球端面研磨機控制系統研究

趙伊澤，田志強，王春

（1. 大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028；2.大連施奈萊克創新汽車零部件有限公司，遼寧 大連 116000）

0 引言

光纖是當今信息傳輸最主要的部件，光纖通信傳輸技術有著極高的傳輸效率和速度，同時還具有強大的抗干擾能力[1]。光纖連接器作為光纖通信中可拆卸的活動部件，要求其能夠使兩個光纖端面最大限度地耦合，在一定程度上其影響了光纖傳輸系統的可靠性及各項性能指標。

常見的光纖連接器有FC、SC、LC、MU、MC、MT和雙錐形等型號的連接器。其中常見的端面形狀有凸球形、楔形、角錐形、斜面形及圓錐形端面，如圖1所示[2-3]。

圖1 各種光纖端面的形狀

國外以日本精工電子和美國的ULTRA TEC等公司為代表已制造了一系列從研磨拋光到檢測的可實用化光纖加工裝置。國內研發的端面研磨裝置，加工過程比較復雜，成本較高，同時成品率低。特別是凸球光纖端面研磨設備存在功能單一、可拓展性差和加工步驟復雜等問題。本文的研究是基于Galil卡為控制核心設計適用于光纖凸球端面研磨的控制系統。

1 光纖研磨原理

本文設計的光纖端面研磨機采用在球面加工中常用的展成法[4]，利用高精度杯形金剛石砂輪對凸球形狀的光纖端面進行研磨。其原理如圖2所示，球體工件繞軸線旋轉與杯形砂輪繞自身軸線旋轉形成的平面圓相交，那么它們旋轉成的軌跡就是一個理想球面。

圖2 展成法加工原理

由于光纖是由高純度的SiO2組成屬于硬脆玻璃材料[5]，在磨削加工中主要的材料去除原理為脆性斷裂，然而脆性斷裂會造成加工的端面表面粗糙度高并有大量的劃痕，不能滿足需求。同時硬脆材料存在一個延性變形范圍[6]，在這個范圍內加工的材料去除原理為塑性去除，能夠獲得很高的表面質量。Bifano[7]對硬脆材料實現塑性切削臨界切削深度進行了研究，得出了脆性材料的臨界切削深度與材料的彈性模量、硬度及斷裂韌性的關系。

在光纖端面研磨時，首先選用W20的杯形金剛石砂輪進行半精研磨，之后選用W2.5的杯形金剛石砂輪進行精磨完成加工，以達到加工后的光纖端面粗糙度達到Ra6.0 nm。光纖加工后的端面曲率半徑應在15～25 mm之間，頂點偏移應不大于50 μm，光纖材料進行塑性去除的臨界切削深度為dc=0.023 μm[8]。

2 凸球形端面加工軌跡

為了研究展成法加工形成的包絡面曲率半徑與角度和砂輪直徑的關系，本文以工件的中心軸為z，以砂輪軸線和工件軸線形成的平面作為xoz平面，建立坐標系如圖3所示。

圖3 包絡面計算的坐標系

D為杯形砂輪旋轉成的平面圓直徑，砂輪軸線與工件軸線的夾角為θ1，砂輪形成的平面圓與yoz平面的夾角為θ，θ1和θ互余，則砂輪軌跡平面圓的曲線方程為：

圖4 砂輪運動曲線方程仿真圖

采用展成法形成加工包絡面，要求在砂輪磨削運動的時候工件也在同時進行自轉運動，即曲線方程繞z軸旋轉一周。

首先將曲線方程變為如下參數方程：

其中，ψ∈［0,2π］。

對式（3）使用Matlab進行仿真，如圖5所示。

圖5 加工形成包絡面仿真圖

從圖5可以看出形成的包絡面為球面的一部分。為了更方便地確認形成的包絡面的半徑，將式（3）消去t和ψ化為一般方程：

式（4）中砂輪的內徑D為一個常數，可以看出包絡面是一個球面，同時這個球面的曲率半徑與工件軸線和砂輪軸線的夾角相關，因此只要改變夾角θ1就可以改變包絡面的曲率半徑。將包絡曲面的曲率半徑控制在15～25 mm以內就能夠加工出符合要求的凸球端面。

光纖凸球端面加工模塊可以根據用戶所設定凸球曲率半徑計算出X軸與Z軸所需的夾角，完成角度的調整。由于在加工時的進給量很小，因此使用1/4周期的正弦波曲線作為Z軸進給時的速度軌跡曲線，運用控制卡的樣條插值功能來實現位置軌跡，使用的部分代碼如下：

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這樣設計能夠使加工步驟進一步簡化，減少用戶端使用時的操作步驟。

3 控制系統的硬件設計

本文所設計的光纖端面研磨系統主要由控制系統、主軸系統和進給系統等3部分組成。控制系統是光纖端面研磨系統的核心，其負責整個機床的各功能協調，最核心的任務是完成進給量的控制。根據光纖端面的加工需要設計出的機床主軸系統和進給系統硬件結構如圖6所示。

圖6 光纖端面研磨機結構示意圖

其中砂輪所在回轉軸為主軸S，控制其進給的軸為Z軸，控制工件上料后進給的直線軸為X軸，控制工件自轉的為A軸，調整工件與砂輪軸線夾角θ的為B軸。除B軸為手動調整，S軸使用變頻控制外，其余軸均采用伺服控制。

光纖端面研磨控制系統的硬件組成部分如圖7所示。

圖7 控制系統硬件連接示意圖

工業控制機作為整個系統的上位機，主要完成系統調度、人機交互、加工軌跡控制、參數設置及狀態顯示[5]。上位機通過PCI總線向下位機發送控制命令并根據所反饋信息給下位機發出相應的指令。下位機的核心是DMC18x6運動控制卡，通過PICM3900-S互聯模塊與伺服驅動器、限位開關及高速主軸等部件產生聯系。DMC18x6運動控制卡通過接受工業控制機發送的加工軌跡坐標信息，使用多線程控制技術控制2個直線軸和工件回轉軸的運動，同時反饋它們的實時信息并顯示在所設計的UI界面上。

在Z軸、X軸和A軸處使用伺服電動機作為動力源。在運動控制中使用同步交流伺服，其慣量大、功率范圍大，適合運用在低速平穩的場合[9]。因此動力裝置使用安川電動機伺服電動機及其配套的伺服驅動器。使用高精度高速電動機FBT4F53（最高轉速達到24 000 r/min）作為機床的主軸電動機。控制工件旋轉的電動機被安裝在可調節Z軸線與工件軸線夾角的裝置上，當需要加工斜面、楔形、角錐形和圓錐形端面時，僅需調節X軸與Z軸線的角度并換上平面砂輪就可以加工，以滿足不同端面形狀加工的需求，增加了設備可實現的功能并提高了其可拓展性。

4 系統的軟件設計

本系統是在Windows操作系統環境下，使用Visual Studio軟件的C# WinForm模塊進行人機交互界面的編程。使用Galil公司提供的驅動程序及通信用的動態連接庫文件建立上位機和下位機的通信，并使用其提供的API函數庫進行適用于機器系統的二次開發。

系統由界面層、功能層和控制層組成，其控制系統結構圖如圖8所示。

圖8 控制系統結構示意圖

界面層包括主界面和功能界面，是控制系統中人機交互的主要部分。功能層可以將用戶設定好的加工參數記錄并寫入加工程序中，同時能夠實現手動控制，控制層包括位置控制和程序調用組成。位置控制是控制系統的核心部分，其根據用戶所設定的加工參數計算出加工軌跡路線，并生成運動控制卡能識別的加工程序。根據所需功能設計出的系統軟件的主界面如圖9所示。

圖9 光纖端面研磨機主界面

包括急停、手動控制、零點設置及回零等主要功能。加工時需要先設置加工原點并回零，設置完加工所需的參數后選擇要加工的端面形狀進入相應的加工界面。同時每一步的操作將會被記錄在操作日志上，每完成一次加工操作日志會自動保存一次。

5 結語

本文采用展成法加工的原理，推導出凸球端面曲率半徑與杯形砂輪直徑X軸和Z軸夾角的關系，根據光纖的端面加工要求設計了加工進給控制系統。系統采用運動控制卡和計算機相結合的方式，具有很好的開放性和拓展性，設計的光纖端面研磨機可拓展性更高，在完成凸球形端面的同時還可以勝任其他端面的加工，同時在后續開發中可以添加不同的功能模塊來滿足用戶需求，具有良好的應用前景。