[发明专利]一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统及工作方法

权利要求书

1.一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统，其特征在于：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。

4.一种基于PMAC的五轴高精度定位控制系统的工作方法，其特征在于：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。