0 引言

　　隨著時代的發展，科技的進步，微小孔已經廣泛地出現在了我們生活中的各個領域，大到航空、航天、軍事等方面的尖端零件，小到電路板、模具、鐘表等民用零件，幾乎在各個生產領域的產品中都能遇到微小孔。當前，微小孔的加工方法有很多種，如鉆削加工、振動鉆削加工、電火花加工、電子束加工等。這些加工方法中，微小孔振動鉆削加工不儀適用于加工各種材料，且加工精度高、效率高『面被廣泛適用，它一般是利用高速數控振動鉆床來完成的。隨著產品要求的提高，微小孔的孔徑越來越小，深度加深，而且對孔尺寸形狀精度和表面粗糙度的要求也越來越高。因此研制一套經濟性好、精度高、穩定性好的微小孔振動鉆床數控系統具有很好的現實意義和廣闊的市場前景。

1 總體方案設計

　　鑒于微小孔數控振動鉆床的特點和實際的應用需求，本文硬件設計總體方案如下：

　　(1)鉆床的基礎部件包括床身、橫梁、床腳、高精度滾珠絲杠(絲杠螺距為4mm)、滑動導軌以及高速主軸。

　　(2)鉆床鉆孔直徑范圍為0.2—1mm，進給孔深比為1：8。

　　(3)鉆床定位工作臺采用十字坐標數控滑臺，分別為x和Y坐標，由x和y兩向步進電機帶動(定位精度／重復定位精度為±10μ/±5μ)。

　　(4)鉆床主軸為z坐標，分別由直流無刷電機(MinMotor 3564K012B)帶動高速旋轉(最高轉速達27000r／min，無機調速)和z向步進電機(四通)通過滾珠絲杠帶動z向進給。

　　(5)鉆床制振器由壓電陶瓷堆組成，通過彈簧與高速主軸相連，利用壓電陶瓷的電致伸縮帶動主軸和刀具振動(振動頻率為0—300Hz，振動幅度為3—5μm)。

　　(6)基于PC機運動控制技術通過各個執行部件的驅動單元構建鉆床數控系統。

2 基于PC機的微小孔振動鉆床數控系統硬件平臺的設計

　　目前，國內自行研發的基于PC機的機床數控系統主要有3種類型：PC嵌入NC結構的開放式數控系統、NC嵌入PC結構的開放式數控系統以及純軟件型開放式數控系統，這3種類型的數控系統各有自己的優點。其中NC嵌入PC結構的開放式數控系統，PC機處理非實時部分，而加工控制所需的實時任務由運動控制卡來承擔。這種系統的特點是結構簡單、性價比高、集成方便、靈活性好、功能穩定、可共享計算機的所有資源。本文就是采用了NC嵌入PC結構類型構建了基于“PC機+A／D功能卡”的數控硬件平臺和以Windows 98作為軟件運行平臺的微小孔振動鉆床經濟型數控系統，并給出了具體的方案設計。

　　本鉆床數控系統硬件主要由PC機、A／D運動控制卡(MPC2810)、PCI2003數據采集卡、步進電機控制器、直流無刷電機控制器、制振器驅動電源、壓力扭矩傳感器等組成。基于PC機的微小孔振動鉆床數控系統硬件的總體結構。利用PC機作為主體，將選擇的,adD功能卡插在PC機PCI標準插槽上，外接輸入輸出接口卡、步進電機驅動模塊、直流無刷電機驅動模塊等構成硬件總體結構。作為控制系統的核心，由PC機向控制卡(MPC2810和PCI2003)發出指令，控制卡對PC機發出的各種數據、信息(主軸轉速、步進電機進給速度、振動頻率、鉆孔深度及位置等)進行有關的處理和運算，根據處理的結果向各個驅動模塊發出控制命令I／O信號，執行用戶的指令。該系統的I／O量主要有以下幾類：步進電機控制信號(9路，每個步進電機有3路：+5V公共端信號(Corn)、方向(Dir)以及脈沖(PULS))l直流無刷電機控制信號(4路：模擬地(GND)、模擬速度信號(Analog speed comm)、方向(Dir)以及剎車(Brake))；制振器控制信號(4路：邏輯地1(GND)、方波l(PULS)、邏輯地2(GND)、方波2(PULS))；限位信號(6路：-X、+X、-Y、+Y、-Z、+Z)，它主要保證機床運動時不超出特定極限位置；采集信號(4路：模擬地1、模擬壓力電壓、模擬地2、模擬扭矩電壓)，它是用來測試機床加工過程中刀具的受力情況以便進行模擬分析。在整個設計中控制器與外部信號的連接都采用了光電耦合，以排除外界對系統的干擾。

　　此外需要特別指出的有以下幾點：

　　(1)MPC2810運動控制卡以IBM—PC及其兼容機為主機，基于PCI總線的步進電機或數字式伺服電機的上位控制單元。它可以完成運動控制的所有細節(包括直線和圓弧插補、脈沖和方向信號的輸出、自動升降速的處理、原點和限位等信號的檢測等等)。單張卡可控制4軸的步進電機或數字式伺服電機，此外除了各軸專用的輸入輸出(COM端、脈沖、方向、正限位、負限位)，該卡還提供了24路通用數字量輸出口和19路通用數字量輸入口以供控制更多的部件。本系統設計中充分利用了該卡的多軸電機控制功能和數字量輸入輸出功能。

　　(2)PCI2003數據采集卡上裝有12Bit分辨率的A／D轉換器和D／A轉換器，提供了8雙116單的模擬輸入通道和2路模擬輸出通道。輸入信號幅度可以經程控增益儀表放大器調到合適的范圍，保證最佳轉換精度，在本系統設計中充分運用了該卡所具備的信號采集和模擬量輸出功能。

　　(3)通過控制MPC2810上的兩個DO口輸出兩路推免的具有一定頻率的相位相差1800的數字方波信號經光電耦合電路到制振器驅動電源，控制電源輸出有規律的正負電壓信號驅動制振器振動。

3 基于PC機的微小孔振動鉆床數控系統軟件的設計

　　在數控系統軟件的開發中，采用標準的開發環境，既降低開發成本，又可開發出性能更優越的系統，同時還能降低維修成本。眾所周知，在基于PC機的系統開發中，Windows操作系統具有統一的友好圖形界面以及豐富的軟件資源和開發工具，同時又是基于搶占式的多任務操作系統，實現實時多任務功能不需要用戶的干預。因此在本系統軟件開發中，選用Windows98作為操作系統平臺，利用VisualC++6．0作為軟件的開發工具開發可視化、操作界面良好的數控系統。

　　與此同時，本系統采用的PCI2003和MPC2810兩塊控制卡本身包含由開發商提供的設備驅動程序，它既負責各個功能實現中對底層硬件操作的交換細節，確保各個功能的有效實現，又提供了一致的標準模塊應用接口，在用VC++編寫應用程序時，可以直接凋用，有利于實現系統集成和功能調用的硬件無關性，為編程者提供了極大地方便。所以，當底層硬件設備發生改變時，只需安裝相應的驅動程序并調用相應的函數，對用戶應用程序沒有太大的影響。

　　為了使整個系統具有最大的開放性和擴展性，根據系統硬件結構平臺特點，本文采用一種開放式、模塊化結構設計方法將整個軟件系統劃分為多個功能模塊，各模塊之間的層次結構。各個模塊的功能介紹如下：

　　(1)人機界面主控模塊：用友好的界面設計來實現人機對話，用戶可以用鼠標點擊和鍵盤輸入的方式完成電機運動參數、傳感器參數、啟動、停止、采集、定位等功能。

　　(2)X、Y軸定位模塊：接收用戶給定孔的x、Y定位參數(移動距離、移動速度等)，生成一定頻率和數量的脈沖波形，輸出到功率驅動部件，完成對X、Y向步進電機的控制。

　　(3)主軸(z軸)進給模塊：接收給定的主軸進給深度和速度，控制生成一定頻率和數量的脈沖波形，輸出到功率驅動部件，完成對z向步進電機的控制。

　　(4)主軸旋轉模塊：該模塊將給定的旋轉速度值進行數據換算和LSB碼轉換輸出對應的模擬信號(電壓)到電機驅動器，完成對直流無刷電機的控制。

　　(5)制振器控制模塊：該模塊控制MPC2810的兩個DO口輸出具有一定頻率的推免的相位相差180°數字方波信號，以控制制振器的振動。

　　(6)數據采集模塊：用來處理由采集卡讀取傳感器傳輸的信號。

　　鉆床執行部件控制流程：數控加工過程中，能夠有效、合理、協調地控制系統執行部件運動是非常重要的，十字數控滑臺的控制流程，鉆孔定位時，首先判斷滑臺是否需要返回加工原點，如果需要，執行返回原點命令將滑臺歸位到機械原點，然后，執行孔的定位操作。

　鉆孔加工控制流程，首先讀入孔的加工參數，然后依次輸出直流旋轉電機、Z向步進電機以及制振器的控制信號(順序不能變)以控制對應執行部件開始運動，然后判斷是否進行數據采集。如果是，需要調用數據采集模塊(此模塊置于單獨的線程中)，最后判斷是否停止加工(可以隨時停止各執行部件的運行，即使沒有加工到初始設定的位置)。

4 結論

　　本文基于NC嵌入PC的設計思想，利用“PC機+A/D功能卡”構建的微小孔振動數控鉆床樣機已制作完成，在系統中PC機實現友好的人機界面、靈活的系統配置、增強的外部軟件接口，配合兩張控制卡進行各種信號的輸入輸出，完成位置控制、速度控制等實時任務l以Windows98操作系統為軟件開發平臺，各功能模塊化設計。將這種軟硬件設計方法應用于微小孔振動鉆床，使其專用性強，結構簡單，易于維修，制造周期短且提高了機床的性價比，適合于小規模的數控系統。目前，樣機已經通過測試，系統工作可靠，參數調節滿足實驗要求，事實證明這是一種比較快捷可行的經濟型數控系統方案。