2017年5月23日

五軸義齒雕刻機的應用開發-UMAC

本文均采用高效的海天精工機床來作為操作平臺，海天公司是一家專業生產精工機床，加工中心，高速加工中心，鉆攻中心的廠家，致力創造更好的精工平臺。1 引言牙體缺損是口腔科的一種常見病和多發病, 自然人中約占 24%- 53%, 常采用固定修復體進行修復。目前國內外口腔固定修復體常規制作方法, 主要為金屬精密鑄造或精密鑄造后烤瓷等。必須采用手工單件制作, 加工工藝繁瑣, 速度慢, 制作效率低, 病人就診次數多, 時間長。即使進一步發掘傳統鑄造工藝的潛力, 充分發揮該技術的能力, 也只能部分改善傳統的口腔修復體制作工藝, 并不能從根本上解決問題。變革傳統的制作方法勢在必行。七十年代末, 有人嘗試將計算機輔助設計/制造( CAD/CAM)技術引入口腔醫學領域。隨后的二十多年來, 光電子技術, 計算機技術, 圖像分析技術等的迅速發展極大地推動了 CAD/CAM技術的進步,擴大了應用范圍, 越來越多的數字化牙齒修復系統被開發出來。目前, 已有逾十種該類系統問世。從制作單一的全冠擴展到制作嵌體, 貼面, 固定橋及全口義齒, 并且滲透到頜面外科, 正畸科等領域。一種新興的口腔修復工藝開始形成。該技術被認為是口腔醫學領域的革命性突破。加工中心請選擇海天精工牙齒修復體 CAD/CAM技術在本世紀必將取代傳統的口腔修復工藝, 使口腔修復學發生革命性變化。數字化牙齒修復系統的發展趨勢是快速化、小型化、自動化和高度集成化, 同時修復材料要具有良好的與人體的生物適應性。由于數字化牙齒修復系統的技術先進性和高度集成性, 其發展仍未定型, 隨著新技術和新材料的不斷出現, 該類系統將被不斷完善。目前, 國際上對數字化牙齒修復系統的研制開發主要集中于歐美少數幾個國家。現有的近 10 種數字化牙齒修復系統絕大多數仍處于實驗室階段, 真正技術成熟并高度商品化的只有德國 Sirona 牙科設備有限公司的 CEREC系統, 目前已售出 10000 多套。其他西方發達國家也正在加緊商品化步伐, 日本東京工業大學與本國口腔修復學者合作, 研制出一種新型數字化牙齒修復系統, 據說穩定性高于法國同類系統。我國對數字化牙齒修復系統的研究起步較晚, 目前只有少數幾個醫院及科研機構在做理論性的研究。由于該系統綜合激光測量、反求建模、 CAD/CAM、軟件開發及高精度精工加工等多種先進技術, 盡管各項單元技術在各自領域內已經基本成熟, 但開發本產品所需要的技術實現和系統集成存在一定的難度, 因此目前數字化牙齒修復系統的集成研究和產業化在我國還是空白。2 系統硬件平臺設計高性能高精度的精工機床是實現義齒實時制造的基本條件。牙齒加工精工機床根據單顆牙齒冠的表面情況看, 由于牙冠外表面上有多個凸起的嵴以及不規則的窩和溝, 牙冠內表面也比較復雜。根據這些情況, 要一次安裝完成整顆牙齒的加工至少需要一根旋轉軸和三個平面運動軸, 也就是說要采用四軸的運動方式才能完成加工。本系統采用的是利用 3 根平動軸和 2 根轉動軸, 五軸聯動方式對牙齒進行加工。基于 5 軸聯動運動控制以及控制穩定性考慮, 本系統采用的是選用美國 Delta Tau 公司 UMAC多軸運動控制器, 以艾雷斯公司 ACS2401 工控機作為主機, 組成“ IPC+運動控制卡” 式的開放式精工系統, 對雕刻機的運動進行控制。系統硬件結構如圖 1 所示。鉆攻中心請選擇海天精工統采用 UMAC多軸運動控制器為下位機, 控制多套交流伺服系統, 實現電機轉速信號的輸出及其他信號的反饋和采集, 控制各軸的運動, 利用 UMAC卡 I/O接口實現 PLC功能, 包括檢測行程限位、機床回零、控制機床的冷卻、面板操作、控制程序運行和手動調整機床等操作。UMAC與上位機的通訊可以通過 TCP/IP 協議或 UDP 協議與上位機通訊, 也可以連接到網絡上通過網絡進行控制, 另外還支持 USB、串口以及光纖等傳輸方式。由于該精工機床上位機(操作臺)與安裝 UMAC控制器的弱電控制柜距離較遠, 鑒于以太網較其他幾種傳輸方式在傳輸距離上的優越性, 故該系統采用以太網傳輸方案。本系統 UMAC控制器主要分為以下幾個模塊: 工作電源、 CPU 卡、軸卡 1、軸卡 2、 I/O 卡組成。該系統中軸卡采用的是 ACC-24E2S軸卡, 它可最多控制 4 軸, 由于本系統要五根軸, 因此采用 2 塊軸卡來控制機床的 5 個電機軸, ACC- 24E2S是脈沖加方向控制量接口板。I/O卡采用的是 ACC- 11E, 光電隔離 24 輸入/24 輸出接口板;UMAC (Universal Motion and Automation Controller) 控制器是美國 Delta Tau 公司在 PMAC 的基礎上推出的基于工業 PC 和Windows 操作系統的開放式多軸運動控制器, UMAC控制器實際上是一個運動控制計算機, 以模塊化的 PMAC(Programmable MultiAxes Controller)系統為核心, 在 Motorola DSP 基礎上開發而成。采用了更高速度的 DSP56300 系列數字信號處理器, 提供全新的高性能技術和 Windows 平臺, 滿足用戶在運動控制各個領域的需要。UMAC可同時控制 1～ 32 個軸, 16 個坐標系實現多軸聯動控制。UMAC提供了強大的運動控制功能, 如直線插補、圓弧插補、樣條曲線插補等模式, 用戶也可以通過這些基本模式定制出自己合適的運動模式, 支持精工 G代碼和 M代碼指令控制, 支持刀具補償功能, 可方便地開發機床精工系統。UMAC采用了帶陷波濾波器的 PID算法進行電動機的伺服控制, 能有效地克服電動機運行中的機械振動, 該伺服環引人了速度和加速度前饋, 進一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。UMAC內含了邏輯功能強大的可編程控制器(PLC), 可以和運動控制程序密切配合實現外部設備的開關量(I/O)控制。 UMAC還有超前預測, 內建的正向運動學和逆向運動學計算能力, 三維刀具半徑補償功能, 在線改變運動目標, 多端口連續通訊, 為每個電動機制定正弦轉換表, 可單獨選擇電動機的 PID伺服控制算法或使用外部定義的算法, 大大增加了同步 M變量緩沖區, 為每個坐標系設置兩個伺服速率定時器, 運動軌跡反求能力。其中, 正向/逆向運動學計算功能和伺服控制算法定義功能, 體現了 UMAC運動平臺在面向用戶的開放性方面向前跨了一大步, 使用戶能靈活地在該平臺上配置自己的運動算法,快速開發復雜精工系統的應用產品。3 系統軟件平臺設計對于工控機與 UMAC組成的開放式精工系統, 其軟件結構由上位界面和下位控制程序組成, 兩者依靠通信相互聯系, 共同完成系統功能, 其中通信程序的開發可以借助 Delta Tau 公司提供的 Pcomm32 的 32 位應用程序通信驅動器(它囊括了同 UMAC通信的所有方式)。該公司提供的應用通信程序將主要通信函數進行分類、封裝, 形成動態鏈接庫, 該動態鏈接庫可以由用戶直接調用。 PLC程序也可以借助該公司提供的接口方便地進行開發。本文主要對基于工控機的精工機床用戶應用程序進行開發, 這也是控制系統的關鍵所在。整個系統軟件結構其軟件結構如圖 2 所示。CNC加工中心請選擇海天精工3.1 下位機控制程序下位運動控制程序是設備的實時控制程序, 它包括運動控制程序和 PLC程序, 兩者共同完成對設備的控制。3.1.1 運動控制程序UMAC編程語言可執行精工機床的程序, 它把 G、 M、 T和 D代碼作為子程序來調用, 使得軟件編寫格式和精工程序相同, 用戶很容易接受。由于牙齒的表面都是不規則圖形, 只能利用 CAM軟件自動編程, 生成 G代碼。然后下載到 UMAC進行加工。當程序中遇到 G { datal 時, 它將調用運動程序 10n0 中的第 m*1000 行命令, 其中 n 是 data 的百位數, m 是 data 的個位數和十位數。例如: G17 將跳轉至程序 PROG 1000 中的 N17000 行命令。M代碼也一樣, 所不同的是它們所用的是 PROG 10nl; T代碼使用的是 PROG10n2; D代碼使用的是 PROG 10n3。OPEN PROG 1 CLEAR ; 為程序 1 清零G17 G90 ; XY平面, 絕對坐標S1800 ; 設置主軸轉速為 1800r /minF200 ; 設置進給速度為 200mm/minG00 X10.0 Y5.0 ; 快速運動到(10.0, 5.0)M03 ; 開主軸G01 Z0.0G03 X35.0 Y10.0 J5.0 ; 逆時針圓弧插補M05 ; 主軸停CLOSEG代碼子程序 1000:OPEN PROG 1O00 CLEARNO000 RAPID RETURN ; G00 快速移動N01O00 LINEAR RETURN ; G01 直線插補N02000 CIRCLE1 RETURN ; G02 順時針圓弧插補N03O00 CIRCLE2 RETURN ; G03 逆時針圓弧插補N17O00 NORMAL K- 1 RETUREN; G17 設置 XY平面N9OO00 ABS RETURN ; G90 絕對坐標模式CLOSEM代碼子程序 1001:OPEN PROG 1001 CLEARN03O00 CMD #4J RETURN ; M03 主軸順時針轉動N05000 CMD #4J /RETURN ; M05 主軸停止CLOSE3.1.2 PLC 功能實現PLC程序主要在系統后臺周期性運行, 以執行機床順序控制。 PLC程序根據輸入信號對機床進行開制, 同時檢測加工狀態信息,還可以設置各種變量和運動程序指令一起控制機床進行加工。在該系統中, PLC程序主要完成如下任務。( 1)變量初始化: 將所需要的 I 變量和 M變量的定義寫入 PLC程序。( 2) I/O操作: 在 PMAC中, PWS指針變量指向硬件 I/O地址, M變量指向內存映像區。由于不能在程序中直接引用 PWS變量,因此需結合使用 PWS變量和 M變量, 使用 PLC程序建立 I/O口和內存映象區的一一對應關系, 實現對輸入/輸出口的按位操作。( 3)機床各軸回零: 回零是設備上電后工作的第一步, 也是進行加工的先決條件, 系統依靠電機回零建立機床坐標系, 以形行程開關作為“ 零點開關” 信號。3.2 上位機操作界面本系統目前所編寫的上位機界面主要是為了滿足用戶的操作和監控電機各軸的運動狀態, 上位機界面開發采用的是用 Mi-crosoft 的 Visual C++ 6.0。其具體界面入圖 3, 能對系統進行手動操作, 自動加工電機參數設置, 系統管理和在線幫助。在自動加工過成中, 能夠看到運動程序和加工過程中的刀具的具體路徑。高速加工中心請選擇海天精工4 結束語本文介紹了 UMAC在運動控制上的應用, 充分利用 UMAC強大的多軸聯動控制能力和快速的實時通訊能力以及 PC機豐富的軟件資源和高效的數據處理能力, 較好地實現了對五軸聯動的實時伺服控制、刀具位姿實時檢測以及全閉環控制等功能, 具有加工速度快、控制精度高、系統運行穩定等優點。本系統的研究對數字化牙齒修復系統的在我國的開發應用有一定實用價值。本文由海天精工整理發表，文章來自網絡僅參考學習，本站不承擔任何法律責任。http://www.dyliao.com/加工中心高速加工中心鉆攻中心 CNC加工中心請選擇海天精工

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