大口径非球面光学元件的加工和检测,是制约非球面光学元件技术发展和应用的主要问题,主要表现为加工、 检测工艺装备技术落后,制约了大口径非球面光学元件加工技术的推广应用. 而目前大口径非球面磨削的技术在国内尚很落后,突破不了中大口径光学元件精确磨削的瓶颈.研究大口径非球面光学元件精密磨削成形技术,是解决大口径光学元件加工效率低的主要技术途径,因此超精密磨削技术是数控机床发展的必然趋势[ 1].本文采用 840D数控系统和西门子 S7 -300 H PLC相结合的思想,突破了中大口径精密磨削的瓶颈,从而实现了精密磨削.
1 磨削控制系统的设计
控制系统主要由 S I NUMER I K 840D数控系统、 伺服系统、 速度和位置检测系统等组成. 系统原理框图如图 1所示.
可编程控制器( PLC )和数控( NC)是控制系统的核心.根据加工程序段指令进行实时插补与机床位置伺服控制,同时将辅助动作指令通过 PLC发往机床,并接受通过可编程控制器返回机床各部分信息, 以决定下一步工作.本机床要求 NC可控制五个轴(三个进给轴 X、 Y、 C,二个旋转轴 A、 B )[ 2- 3].
控制系统是由数控单元、 驱动单元、 PLC模块以及人机界面等几部分组成.
数字操控单元 NCU (Numerical Con t ro lUn i t )是 SI NUMER I K 840D数控体系的操控中间和信息处理中间,数控体系的直线插补、 圆弧插补等轨道运算和操控、PLC体系的算术运算和逻辑运算都是由 NCU完结的.
驱动单元为 S I MODRIVE 611D. 611D数字驱动是新一代数字操控总线驱动的沟通驱动, 它分为双轴模块和单轴模块两种,相应的进给伺服电机可采用 1FT6或许 1FK6系列, 编码器信号为 1V pp正弦波,可完成全闭环操控.本伺服体系中共有 5个轴,因而我们选用两个双轴模块和一个单轴模块.
PLC使用的是西门子 SI MAT IC S7 -300的软件及模块, 在同一条导轨上从左到右依次为电源模块( PS) ,接口模块( I M) ,信号模块( SM) . PLC的 CP U与 NC的 CP U是集成在 NCU中的. 电源模块为 PLC和NC提供+ 24 V和+ 5 V电源; 接口模块用于级之间的互连.
人机界面MMC (Man Machine Communicati on)包括:人机通信处理单元 MMC-CPU、 操作员面板OP(Operation pane l )、 机床操作面板MCP(Mach i ne Contro lPanel ) .
2 系统加工原理
在对高精度的光学元件进行精密加工过程中, 仅仅进行一次加工是无法达到精度要求的.系统还要按
照要求对工件进行补偿加工,从而完成精度的要求.
2 . 1 初始加工原理
加工时,以轴对称非球面工件中心为起始点,加工点沿轴对称非球面母线运动,同时工件绕其旋转轴旋转, 这样在工件表面形成了螺旋状的加工轨迹.工件表面加工轨迹俯视图如图 2所示.
2 . 2 补偿加工原理
补偿加工轨迹示意图如图 3所示.补偿加工前,要根据砂轮的初始加工轨迹,拟合出一条连续的误差曲线, 拟合曲线与理想轨迹(由非球面公式计算得到)之差就是补偿加工的进给量.
3 大口径非球面磨削控制系统的软件设计
在磨削控制系统中, PLC主要完成控制软件功能, 而 840D数控系统主要完成管理软件的功能, 不论是 PLC,还是数控系统, 均需合理的编写程序.控制系统软件设计主要包括 PLC控制程序的设计和 CNC程序的设计[ 4- 5].
3 . 1 软件配置
西门子 840D的系统软件结构很大程度取决于硬件组成, 840D继承了框架式数控系统的传统,采用一体化框架多 CPU模块组成.机床采用西门子 SINUMERIK 840D数控系统的系统软件 840DV6 . 2 .该系统软件的构成如图 4所示.
MMC-CPU基于人机界面设计,负责输入、 显示输出等,系统软件为W i ndow s操作系统,便于与外部软硬件的接口,统一的通讯协议,并可以担当复杂数学运算, 提供良好其他高级编程语言的平台. NC-CPU基于数控运算控制. PLC-CP U由西门子可编程器 S tep7设计,负责机床运动控制, 主要参与逻辑开关量的控制,完成机床的辅助协调控制. CSB-CPU基于多 CP U并行运行的控制理念,负责 CP U之间的协调工作.
3 . 2 PLC程序的软件设计
西门子 840D数控系统的 PLC设计是采用 STEP7语言嵌入 840D中, STEP7编程软件的结构秉承了西门子硬件的设计思想,仍然采用模块化结构[ 6], PLC控制回路连接图如图 5所示.
大口径非球面光学元件的磨削主要分为两部分:曲线计算和磨削控制. 系统控制流程如图 6所示.
4 结语本文完成了系统的软、 硬件设计.实现了手持单元, 系统上下电等控制功能. 由于整个控制所需的各功能都是由 PLC来实现的,因此,大幅度地减小了目标系统的体积, 减少了外部元器件,增加了系统的可靠性. 另外各种功能都是通过软件编程来实现的,因此, 系统具有升级容易、 扩展性好、 维护性好的优点.
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