基于Galil卡的光纤凸球端面研磨机控制系统研究

赵伊泽，田志强，王春

（1. 大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028；2.大连施奈莱克创新汽车零部件有限公司，辽宁 大连 116000）

0 引言

光纤是当今信息传输最主要的部件，光纤通信传输技术有着极高的传输效率和速度，同时还具有强大的抗干扰能力[1]。光纤连接器作为光纤通信中可拆卸的活动部件，要求其能够使两个光纤端面最大限度地耦合，在一定程度上其影响了光纤传输系统的可靠性及各项性能指标。

常见的光纤连接器有FC、SC、LC、MU、MC、MT和双锥形等型号的连接器。其中常见的端面形状有凸球形、楔形、角锥形、斜面形及圆锥形端面，如图1所示[2-3]。

图1 各种光纤端面的形状

国外以日本精工电子和美国的ULTRA TEC等公司为代表已制造了一系列从研磨抛光到检测的可实用化光纤加工装置。国内研发的端面研磨装置，加工过程比较复杂，成本较高，同时成品率低。特别是凸球光纤端面研磨设备存在功能单一、可拓展性差和加工步骤复杂等问题。本文的研究是基于Galil卡为控制核心设计适用于光纤凸球端面研磨的控制系统。

1 光纤研磨原理

本文设计的光纤端面研磨机采用在球面加工中常用的展成法[4]，利用高精度杯形金刚石砂轮对凸球形状的光纤端面进行研磨。其原理如图2所示，球体工件绕轴线旋转与杯形砂轮绕自身轴线旋转形成的平面圆相交，那么它们旋转成的轨迹就是一个理想球面。

图2 展成法加工原理

由于光纤是由高纯度的SiO2组成属于硬脆玻璃材料[5]，在磨削加工中主要的材料去除原理为脆性断裂，然而脆性断裂会造成加工的端面表面粗糙度高并有大量的划痕，不能满足需求。同时硬脆材料存在一个延性变形范围[6]，在这个范围内加工的材料去除原理为塑性去除，能够获得很高的表面质量。Bifano[7]对硬脆材料实现塑性切削临界切削深度进行了研究，得出了脆性材料的临界切削深度与材料的弹性模量、硬度及断裂韧性的关系。

在光纤端面研磨时，首先选用W20的杯形金刚石砂轮进行半精研磨，之后选用W2.5的杯形金刚石砂轮进行精磨完成加工，以达到加工后的光纤端面粗糙度达到Ra6.0 nm。光纤加工后的端面曲率半径应在15～25 mm之间，顶点偏移应不大于50 μm，光纤材料进行塑性去除的临界切削深度为dc=0.023 μm[8]。

2 凸球形端面加工轨迹

为了研究展成法加工形成的包络面曲率半径与角度和砂轮直径的关系，本文以工件的中心轴为z，以砂轮轴线和工件轴线形成的平面作为xoz平面，建立坐标系如图3所示。

图3 包络面计算的坐标系

D为杯形砂轮旋转成的平面圆直径，砂轮轴线与工件轴线的夹角为θ1，砂轮形成的平面圆与yoz平面的夹角为θ，θ1和θ互余，则砂轮轨迹平面圆的曲线方程为：

图4 砂轮运动曲线方程仿真图

采用展成法形成加工包络面，要求在砂轮磨削运动的时候工件也在同时进行自转运动，即曲线方程绕z轴旋转一周。

首先将曲线方程变为如下参数方程：

其中，ψ∈［0,2π］。

对式（3）使用Matlab进行仿真，如图5所示。

图5 加工形成包络面仿真图

从图5可以看出形成的包络面为球面的一部分。为了更方便地确认形成的包络面的半径，将式（3）消去t和ψ化为一般方程：

式（4）中砂轮的内径D为一个常数，可以看出包络面是一个球面，同时这个球面的曲率半径与工件轴线和砂轮轴线的夹角相关，因此只要改变夹角θ1就可以改变包络面的曲率半径。将包络曲面的曲率半径控制在15～25 mm以内就能够加工出符合要求的凸球端面。

光纤凸球端面加工模块可以根据用户所设定凸球曲率半径计算出X轴与Z轴所需的夹角，完成角度的调整。由于在加工时的进给量很小，因此使用1/4周期的正弦波曲线作为Z轴进给时的速度轨迹曲线，运用控制卡的样条插值功能来实现位置轨迹，使用的部分代码如下：

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这样设计能够使加工步骤进一步简化，减少用户端使用时的操作步骤。

3 控制系统的硬件设计

本文所设计的光纤端面研磨系统主要由控制系统、主轴系统和进给系统等3部分组成。控制系统是光纤端面研磨系统的核心，其负责整个机床的各功能协调，最核心的任务是完成进给量的控制。根据光纤端面的加工需要设计出的机床主轴系统和进给系统硬件结构如图6所示。

图6 光纤端面研磨机结构示意图

其中砂轮所在回转轴为主轴S，控制其进给的轴为Z轴，控制工件上料后进给的直线轴为X轴，控制工件自转的为A轴，调整工件与砂轮轴线夹角θ的为B轴。除B轴为手动调整，S轴使用变频控制外，其余轴均采用伺服控制。

光纤端面研磨控制系统的硬件组成部分如图7所示。

图7 控制系统硬件连接示意图

工业控制机作为整个系统的上位机，主要完成系统调度、人机交互、加工轨迹控制、参数设置及状态显示[5]。上位机通过PCI总线向下位机发送控制命令并根据所反馈信息给下位机发出相应的指令。下位机的核心是DMC18x6运动控制卡，通过PICM3900-S互联模块与伺服驱动器、限位开关及高速主轴等部件产生联系。DMC18x6运动控制卡通过接受工业控制机发送的加工轨迹坐标信息，使用多线程控制技术控制2个直线轴和工件回转轴的运动，同时反馈它们的实时信息并显示在所设计的UI界面上。

在Z轴、X轴和A轴处使用伺服电动机作为动力源。在运动控制中使用同步交流伺服，其惯量大、功率范围大，适合运用在低速平稳的场合[9]。因此动力装置使用安川电动机伺服电动机及其配套的伺服驱动器。使用高精度高速电动机FBT4F53（最高转速达到24 000 r/min）作为机床的主轴电动机。控制工件旋转的电动机被安装在可调节Z轴线与工件轴线夹角的装置上，当需要加工斜面、楔形、角锥形和圆锥形端面时，仅需调节X轴与Z轴线的角度并换上平面砂轮就可以加工，以满足不同端面形状加工的需求，增加了设备可实现的功能并提高了其可拓展性。

4 系统的软件设计

本系统是在Windows操作系统环境下，使用Visual Studio软件的C# WinForm模块进行人机交互界面的编程。使用Galil公司提供的驱动程序及通信用的动态连接库文件建立上位机和下位机的通信，并使用其提供的API函数库进行适用于机器系统的二次开发。

系统由界面层、功能层和控制层组成，其控制系统结构图如图8所示。

图8 控制系统结构示意图

界面层包括主界面和功能界面，是控制系统中人机交互的主要部分。功能层可以将用户设定好的加工参数记录并写入加工程序中，同时能够实现手动控制，控制层包括位置控制和程序调用组成。位置控制是控制系统的核心部分，其根据用户所设定的加工参数计算出加工轨迹路线，并生成运动控制卡能识别的加工程序。根据所需功能设计出的系统软件的主界面如图9所示。

图9 光纤端面研磨机主界面

包括急停、手动控制、零点设置及回零等主要功能。加工时需要先设置加工原点并回零，设置完加工所需的参数后选择要加工的端面形状进入相应的加工界面。同时每一步的操作将会被记录在操作日志上，每完成一次加工操作日志会自动保存一次。

5 结语

本文采用展成法加工的原理，推导出凸球端面曲率半径与杯形砂轮直径X轴和Z轴夹角的关系，根据光纤的端面加工要求设计了加工进给控制系统。系统采用运动控制卡和计算机相结合的方式，具有很好的开放性和拓展性，设计的光纤端面研磨机可拓展性更高，在完成凸球形端面的同时还可以胜任其他端面的加工，同时在后续开发中可以添加不同的功能模块来满足用户需求，具有良好的应用前景。