超精密数控机床控制系统技术方案
1、系统组成
超精密数控机床系统主要有三个部分：主轴、横向进给机构、纵向进给机构。其平面布局如图1所示。
图1 超精密数控机床平面布局示意图
主轴由空气磁力轴承支承，用带有变频器的电动机驱动，功率为1500W；横向进给机构与纵向进给机构均采用花岗石滑台与方导轨结构，各由一台伺服电动机直接驱动滚珠丝杠带动滑台在导轨上移动，电动机功率为850W。
2、技术要求
(1) 横、纵向进给的操作采用手柄式控制开关操作（十字选择开关，中间有快速选择按钮）。
(2) 进给的速度可调（最小为2mm/min），可实现自动/手动进给，移动精度为0.1μm。
(3) 横、纵向的移动应有锁定开关。
(4) 主轴旋转可调速50-1800r/min(60Hz达到1800r)采用无级变速，且有相对的转速指示。
(5) 主轴旋转的起、停均需有缓冲过程（慢爬、慢停），主轴旋转应有保护电路，断电时应缓慢停止旋转。
(6) 气压保护，控制机床的正常运转（0.4MPa），低于设定值时机床不能工作（或停止工作）。
(7) 电源、气源有正常工作灯指示。
(8) 其余要求按常规机床实施。有电控箱、人机对话控制台、手柄式控制进
给操作
手柄组成。
3、系统功能需求
3.1 主轴
(1)无级变速，要求50～1800转；
(2)启停应有一个过渡过程（即从慢到快启动，从快到慢停止）；
(3)转速设定；
3.2横向进给机构
(4)任意位置停止锁定；
(5)移动距离设定；
(6)设置快速移动操作手柄；
3.3纵向进给机构
(1)任意位置停止锁定；
(2)移动距离设定；
(3)设置快速移动操作手柄；
3.4控制面板
(1)主轴转速设定、显示；
(2)横向进给量设定、显示；
(3)纵向进给量设定、显示；
(4)纵横向进给手动控制；
(5)电源总快关
3.5系统整体
(1)主轴中心线位置定位（原点、二次定位点）
(2)刀具轨迹程序编制
4、控制系统解决方案
4.1 硬件解决方案
根据数控机床的功能需求与技术要求，拟定其控制系统硬件解决方案如图2所示。
1) 控制主机控制主机选用工业级平板电脑，其整机性能完善，稳定可靠，功耗低，支持各类应用软件，具有良好的开放性，易于软件的升级和数控系统功能的拓展，可实现基于网络的数控功能，触摸屏可以实现丰富的人机交互功能，广泛应用于电信、电力、国防、自动化设备、制造业等各领域。
2) 运动控制卡初步选用雷赛智能控制股份公司的DMC2410运动控制卡。DMC2410运动控制卡是一款基于PCI总线的高性能运动控制卡，它可控制多达四轴步进或伺服电机，具有快速的运动速度控制功能，有很好的直线和圆弧插补功能。同时还增加了编码器位置锁存、位置比较等高级功能。为研发制造多轴工业自动化设备提供了优良的控制器解决方案。
3) 变频器主轴电机由变频器控制。变频器型号为YASKAWA(安川) J1000。
4) 伺服控制器型号为安川公司的SGMGH-09ACA61。
5) 其他I/O元件数控机床控制过程所需的各类模拟量（如气压传感器信号）和数字量输入/输出信号（电磁阀的开关信号、电源指示灯的通断信号）均通过运动控制卡和其他I/O设备实现。
图2 控制系统硬件解决方案示意图
4.2 软件解决方案
超精密数控机床软件系统采用MS VC++6.0开发。可以充分发挥VC++6.0强大的软件开发功能，易于实现各种硬件的驱动，极好地发挥其快速的运算能力和数据处理能力，从而实现超精密数控机床提出的各项控制功能。不仅如此，VC++6.0所开发的软件系统容易实现系统的升级换代。为今后提升数控系统的功能奠定良好基础。
超精密数控机床控制拟采用触摸屏和软按钮方式，同时配置必要的硬件控制按钮，如“急停”按钮、进给手轮等，以实现系统的一般操作控制功能和应急处理功能。
为了实现数控加工控制功能，软件系统将提供图3所示操控功能。
1) 加工参数设置此功能实现加工参数的设定，如切削速度，进给量，切
削深度等
。
2) 加工过程操作控制此功能实现数控加工的人工控制，如X轴、Y轴快进快退，对刀操作，急停等。
3) 加工程序设定此功能实现基本的数控加工零件程序设定，如加工原点，直线加工的起点坐标、终点坐标，圆弧插补加工的起点、终点、圆弧半径等。
图3 超精密数控机床控制软件功能构成
4) 加工状态显示此功能实现数控加工状态的显示，包括：当前X坐标、Y坐标，主轴速度，主轴转向等。同时包括系统电源、气源状态，电气元件工作状态，是否有报警等。
5) 系统辅助功能此功能包括加工零件数据文件保存，用户管理等。
4.3 界面设计
系统界面设计应遵循界面友好，操作方便，功能完善等基本要求。图4~图5为系统界面的初步设计示例。
图4 控制与先是界面示意图
图5 加工设置界面示意1
图6 加工设置界面示意2
5 超精密数控机床控制系统硬件配置需求清单
厂家/型号参考单价(元) 数量合计(元)
工业平板电脑艾讯宏达(GrantTech)/
UFP6315-525NM-2PCI
7800.00 1 7800.00
运动控制卡雷赛/ DMC2410 3000.00 1 3000.00 运动卡连接
附件
雷赛/ACC2410400.00 1 400.00
配电柜定制3000.00 1 1100.00 操作台定制800.00 1 800.00 继电器等电
气配件、辅件
1800.00
总计16800.00
6 项目投资估算
根据项目开发的硬件和软件需求，得到投资估算如附表1所示。
附表1 投资估算各项费用明细表
序号名称参考价格(元) 备注
1 硬件费用16800.00
2 现场安装实施费3000.00
3 技术服务费10000.00 一年保修服务