一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统及工作方法
技术领域
本发明涉及刻蚀定位控制技术领域，特别是涉及一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统及工作方法。
背景技术
近年来，随着现代制造业和机械、材料、力学、电子、通信以及光学等多学科交叉融合的发展，常常需要在曲面零部件表面进行二次精密加工。在进行曲面表面刻蚀之前，基于对刻蚀精度的要求，需要先进行定位操作，因此定位的精度直接影响了刻蚀的精度。目前PMAC(多轴运动控制器)已经被应用于数控机床、天线扫描架、导弹转台测试等各个方面的控制系统，其性价比高、屏蔽性能好、抗干扰能力强、可兼容多种电机驱动器、兼容性高。但目前，基于PMAC的控制技术多为二轴、三轴或四轴，无法满足在三维表面高精度定位的需求，要在三维表面进行激光加工，要求高精度定位以及保证法向距离等于激光焦距。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种能大大提高三维表面定位精度的基于PMAC的五轴高精度定位控制系统及工作方法。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统，包括运动控制模块、驱动模块、五轴运动模块、数据采集和处理模块和人机交互模块；
所述的运动控制模块包括PMAC多轴运动控制器，所述的驱动模块包括三个驱动器，三个驱动器分别是铭朗直流伺服驱动器、安川伺服驱动器和Aerotech驱动器，所述的五轴运动模块包括水平轴、垂直轴、水平转台、俯仰转台及Z轴动态聚焦单元，所述的数据采集和处理模块包括光栅尺、位移传感器、A/D信号转换器、数据发送单元和数据处理单元，所述的人机交互模块包括上位机，所述的上位机中安装五轴高精度定位控制程序；
所述的人机交互模块通过数据线分别与运动控制模块、Z轴动态聚焦单元、位移传感器、水平光栅尺和垂直光栅尺连接；所述的运动控制模块经驱动模块分别与水平轴、垂直轴、水平转台和俯仰转台连接；
所述的水平轴安装在基座上的前侧，所述的水平转台通过滑块安装在水平轴上，所述的水平转台上安装工件；所述的垂直轴安装在基座上的后侧，所述的俯仰转台通过滑块安装在垂直轴上，所述的俯仰转台上安装扫描组件；
所述的水平轴上安装水平光栅尺，所述的垂直轴上安装垂直光栅尺，所述的Z轴动态聚焦单元安装在俯仰转台上，所述的位移传感器安装在Z轴动态聚焦单元上；
所述的运动控制模块由指令接收单元、DPRAM(双端口RAM)通信单元和信号发送单元构成，运动控制模块通过网线与人机交互模块相连；人机交互模块发送专用的运动指令和工件曲面轮廓数据到运动控制模块，专用的运动指令由指令接收单元接收，工件曲面轮廓数据由DPRAM通信单元接收并存储，运动控制模块将专用运动指令和工件曲面轮廓数据转化为CLK+DIR(脉冲+方向)信号，通过信号发送单元发送CLK+DIR信号到驱动模块。
所述的驱动模块中的三个驱动器均由信号接收单元、PID调试单元和信号发送单元构成；驱动模块与运动控制模块通过RS232接口进行物理连接，信号接收单元接收到运动控制模块发送的CLC+DIR信号，再由信号发送单元发送到驱动模块，驱动模块将信号分别传送给水平轴电机、垂直轴电机、水平转台电机和俯仰转台电机进行相应的运动；PID调试单元通过调节位置环增益参数的方式，将增益参数从小往大调，直到不出现震动的超调稳定值时，将该增益参数作为最佳值进行设定，使得驱动模块输出的信号更加稳定。
所述的数据采集和处理模块分别对水平轴、垂直轴、水平转台和俯仰转台以及Z轴动态聚焦单元的数据进行采集和处理。
所述的人机交互模块分别与运动控制模块、数据采集与处理模块相连，人机交互模块包括系统初始化单元、参数设置单元、实时显示单元和数据监视单元。系统初始化单元和参数设置单元对整体电控系统进行初始化并设定各项参数，数据监视单元在接收到数据采集和处理模块采集处理的数据后，判断是否超出规定误差范围，超出规定误差范围后发出报警信息，提醒工作人员向运动控制模块发送运动指令进行误差补偿；实时显示单元采用三维图形显示方式，实时显示曲面定位刻蚀的进度。
进一步地，所述的水平轴和垂直轴两端装有限位保护装置，避免工件移动时超出范围。
进一步地，所述的Z轴动态聚焦单元是一个旋转调整的光路管，调整10mm范围以内的距离。
一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统的工作方法，包括以下步骤：
A、参数录入
在上位机上的人机交互界面进行各项参数设置；
B、数据输入
位移传感器与水平轴、垂直轴、水平转台、俯仰转台配合扫描待加工工件的工件曲面轮廓数据，运用布阵算法将工件曲面轮廓数据进行仿真排布，生成空间坐标数据表，将空间坐标数据表发送到PMAC多轴运动控制器中的DPRAM双端口通信单元；
C、五轴运动定位
上位机发送指令到运动控制模块，运动控制模块将指令转化成CLK+DIR信号发送到驱动模块，驱动模块分别发送CLK+DIR信号到水平轴电机、垂直轴电机、水平转台电机和俯仰转台电机；工作时，首先水平轴电机运转，带动水平轴上的工件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做直线运动，运动到CLC+DIR信号所指定的距离；然后垂直轴电机运转，带动垂直轴上的扫描组件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做直线运动，运动到CLC+DIR信号所指定的距离；接着水平转台电机运转，带动水平转台上的工件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做圆周运动，运动到CLC+DIR信号所指定的角度；最后俯仰转台电机运转，带动俯仰转台上的扫描组件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做圆周运动，运动到CLC+DIR信号所指定的角度；Z轴动态聚焦单元根据上位机所发送的数据旋转调整光路管，确保光斑焦点在刻蚀点上；
D、数据采集和处理
D1、水平轴、垂直轴、水平转台和俯仰转台的数据采集和处理
水平光栅尺采集到工件在水平轴上的实际移动距离、速度和加速度之后传输到A/D信号转换器，垂直光栅尺采集到扫描组件在垂直轴上的实际移动距离、速度和加速度之后，传输到A/D信号转换器；A/D信号转换器将水平光栅尺和垂直光栅尺采集到的信号转换为数字信号通过数据发送单元发送到人机交互模块。实际移动距离与指定移动距离相差超过所设定的移动误差范围后，人机交互模块发送指令到运动控制模块分别控制水平轴和垂直轴进行相应的补偿，补偿方法是：当实际移动距离与指定移动距离相差超过所设定的移动误差范围后，求出实际移动与指定移动误差的差值，将此差值发送到运动控制模块，控制水平轴和垂直轴运动该差值所定距离，完成补偿；
D2、Z轴动态聚焦单元的数据采集和处理
Z轴动态聚焦单元的补偿数据通过位移传感器采集光线到工件曲面表面刻蚀点法向方向距离，通过数据发送单元将补偿数据发送到Z轴动态聚焦单元，控制Z轴动态聚焦单元调整距离进行补偿。补偿数据计算公式如下：
X2＝X-X1
其中X2为补偿数据，X为焦距，X1为法向方向距离。
水平轴和垂直轴接收驱动模块发送的CLK+DIR信号，根据该信号进行相应的运动；Z轴动态聚焦单元由RTC5板控制的动态聚焦单元组成。Z轴动态聚焦单元通过接收数据采集和处理模块发送补偿数据X2进行动态调整，使光斑焦点在刻蚀点上。
E、人机交互界面显示
判断实际移动距离和指定移动距离之差、焦距和法向方向距离之差是否超出各自规定的误差范围，如果超出规定误差范围，在人机交互模块发出报警信息，提醒工作人员向运动控制模块发送运动指令进行误差补偿；同时，在人机交互模块采用三维图形显示方式，实时显示曲面定位刻蚀的进度。
F、判断是否完成了全部的刻蚀点定位工作，如果完成，整个系统关闭；否则转步骤C。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明采用基于PMAC的控制技术，创新性的采用了五轴的超精密定位方式，实现了对工件曲面表面点的超精密定位，精确度高、稳定性好。
2、本发明在使用PMAC多轴运动控制器来实现定位控制时，在运动控制模块中添加了DPRAM芯片，DPRAM芯片能够与上位机进行自动的回传通信，从而实现了工件曲面表面激光刻蚀的自动运行。
3、本发明使用了由RTC5板控制的动态聚焦单元作为Z轴，该单元配备孔径为6mm，发射长为355nm的激光。动态聚焦单元根据位移传感器的数据动态调整焦点距离，聚焦光斑在刻蚀点上。动态聚焦单元可以调整10mm范围以内的距离，大大提高了定位系统的精度。
4、本发明中采用了限位保护装置，避免工件移动时超出范围，起到保护设备的作用。
附图说明
图1是本发明的硬件结构示意图。
图2是本发明的模块组成示意图。
图3是本发明的程序流程图。
其中：1-上位机，2-运动控制模块，3-驱动模块，4-垂直轴，5-俯仰转台，6-Z轴动态聚焦单元，7-位移传感器，8-水平转台，9-水平轴，10-水平光栅尺，11-垂直光栅尺。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步的说明：
如图1-3所示一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统，包括运动控制模块2、驱动模块3、五轴运动模块、数据采集和处理模块和人机交互模块；
所述的运动控制模块2包括PMAC多轴运动控制器，所述的驱动模块3包括三个驱动器，三个驱动器分别是铭朗直流伺服驱动器、安川伺服驱动器和Aerotech驱动器，所述的五轴运动模块包括水平轴9、垂直轴4、水平转台8、俯仰转台5及Z轴动态聚焦单元6，所述的数据采集和处理模块包括水平光栅尺10、垂直光栅尺11、位移传感器7、A/D信号转换器、数据发送单元和数据处理单元，所述的人机交互模块包括上位机1，所述的上位机1中安装五轴高精度定位控制程序；
所述的人机交互模块通过数据线分别与运动控制模块2、Z轴动态聚焦单元6、位移传感器7、水平光栅尺10和垂直光栅尺11连接；所述的运动控制模块2经驱动模块3分别与水平轴9、垂直轴4、水平转台8和俯仰转台5连接；
所述的水平轴9安装在基座上的前侧，所述的水平转台8通过滑块安装在水平轴9上，所述的水平转台8上安装工件；所述的垂直轴4安装在基座上的后侧，所述的俯仰转台5通过滑块安装在垂直轴4上，所述的俯仰转台5上安装扫描组件；
所述的水平轴9上安装水平光栅尺10，所述的垂直轴4上安装垂直光栅尺11，所述的Z轴动态聚焦单元6安装在俯仰转台5上，所述的位移传感器7安装在Z轴动态聚焦单元6上；
所述的运动控制模块2由指令接收单元、DPRAM双端口RAM通信单元和信号发送单元构成，运动控制模块2通过网线与人机交互模块相连；人机交互模块发送专用的运动指令和工件曲面轮廓数据到运动控制模块2，专用的运动指令由指令接收单元接收，工件曲面轮廓数据由DPRAM通信单元接收并存储，运动控制模块2将专用运动指令和工件曲面轮廓数据转化为CLK+DIR脉冲+方向信号，通过信号发送单元发送CLK+DIR信号到驱动模块3。
所述的驱动模块3中的三个驱动器均由信号接收单元、PID调试单元和信号发送单元构成；驱动模块3与运动控制模块2通过RS232接口进行物理连接，信号接收单元接收到运动控制模块2发送的CLC+DIR信号，再由信号发送单元发送到驱动模块3，驱动模块3将信号分别传送给水平轴9电机、垂直轴4电机、水平转台8电机和俯仰转台5电机进行相应的运动；PID调试单元通过调节位置环增益参数的方式，将增益参数从小往大调，直到不出现震动的超调稳定值时，将该增益参数作为最佳值进行设定，使得驱动模块3输出的信号更加稳定。
所述的数据采集和处理模块分别对水平轴9、垂直轴4、水平转台8和俯仰转台5以及Z轴动态聚焦单元6的数据进行采集和处理。
所述的人机交互模块分别与运动控制模块2和数据采集与处理模块相连，人机交互模块包括系统初始化单元、参数设置单元、实时显示单元和数据监视单元。系统初始化单元和参数设置单元对整体电控系统进行初始化并设定各项参数，数据监视单元在接收到数据采集和处理模块采集处理的数据后，判断是否超出规定误差范围，超出规定误差范围后发出报警信息，提醒工作人员向运动控制模块2发送运动指令进行误差补偿；实时显示单元采用三维图形显示方式，实时显示曲面定位刻蚀的进度。
进一步地，所述的水平轴9和垂直轴4两端装有限位保护装置，避免工作台移动时超出范围。
进一步地，所述的Z轴动态聚焦单元6是一个旋转调整的光路管，调整10mm范围以内的距离。
一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统的工作方法，包括以下步骤：
A、参数录入
在上位机1上的人机交互界面进行各项参数设置；
B、数据输入
位移传感器7与水平轴9、垂直轴4、水平转台8、俯仰转台5配合扫描待加工工件的工件曲面轮廓数据，运用布阵算法将工件曲面轮廓数据进行仿真排布，生成空间坐标数据表，将空间坐标数据表发送到PMAC多轴运动控制器中的DPRAM双端口通信单元；
C、五轴运动定位
上位机1发送指令到运动控制模块2，运动控制模块2将指令转化成CLK+DIR信号发送到驱动模块3，驱动模块3分别发送CLK+DIR信号到水平轴电机、垂直轴电机、水平转台电机和俯仰转台电机；工作时，首先水平轴电机运转，带动水平轴9上的工件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做直线运动，运动到CLC+DIR信号所指定的距离；然后垂直轴电机运转，带动垂直轴4上的扫描组件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做直线运动，运动到CLC+DIR信号所指定的距离；接着水平转台电机运转，带动水平转台8上的工件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做圆周运动，运动到CLC+DIR信号所指定的角度；最后俯仰转台电机运转，带动俯仰转台5上的扫描组件按照接收到的CLC+DIR信号所指定的方向以设定的速度和加速度做圆周运动，运动到CLC+DIR信号所指定的角度；Z轴动态聚焦单元6根据上位机1所发送的数据旋转调整光路管，确保光斑焦点在刻蚀点上；
D、数据采集和处理
D1、水平轴9、垂直轴4、水平转台8和俯仰转台5的数据采集和处理
水平光栅尺10采集到工件在水平轴9上的实际移动距离、速度和加速度之后传输到A/D信号转换器，垂直光栅尺11采集到扫描组件在垂直轴4上的实际移动距离、速度和加速度之后，传输到A/D信号转换器；A/D信号转换器将水平光栅尺10和垂直光栅尺11采集到的信号转换为数字信号通过数据发送单元发送到人机交互模块。实际移动距离与指定移动距离相差超过所设定的移动误差范围后，人机交互模块发送指令到运动控制模块2分别控制水平轴9和垂直轴4进行相应的补偿，补偿方法是：当实际移动距离与指定移动距离相差超过所设定的移动误差范围后，求出实际移动与指定移动误差的差值，将此差值发送到运动控制模块2，控制水平轴9和垂直轴4运动该差值所定距离，完成补偿；
D2、Z轴动态聚焦单元6的数据采集和处理
Z轴动态聚焦单元6的补偿数据通过位移传感器7采集光线到工件曲面表面刻蚀点法向方向距离，通过数据发送单元将补偿数据发送到Z轴动态聚焦单元6，控制Z轴动态聚焦单元6调整距离进行补偿。补偿数据计算公式如下：
X2＝X-X1
其中X2为补偿数据，X为焦距，X1为法向方向距离。
水平轴9和垂直轴4接收驱动模块3发送的CLK+DIR信号，根据该信号进行相应的运动；Z轴动态聚焦单元6由RTC5板控制的动态聚焦单元组成。Z轴动态聚焦单元6通过接收数据采集和处理模块发送补偿数据X2进行动态调整，使光斑焦点在刻蚀点上。
E、人机交互界面显示
判断实际移动距离和指定移动距离之差、焦距和法向方向距离之差是否超出各自规定的误差范围，如果超出规定误差范围，在人机交互模块发出报警信息，提醒工作人员向运动控制模块2发送运动指令进行误差补偿；同时，在人机交互模块采用三维图形显示方式，实时显示曲面定位刻蚀的进度。
F、判断是否完成了全部的刻蚀点定位工作，如果完成，整个系统关闭；否则转步骤C。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。
