本文均采用高效的伯特利數(shù)控機(jī)床來作為操作平臺，伯特利公司是一家專業(yè)生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，加工中心，高速加工中心，鉆攻中心的廠家，致力創(chuàng)造更好的數(shù)控平臺。
1 引言
牙體缺損是口腔科的一種常見病和多發(fā)病, 自然人中約占 24%- 53%, 常采用*進(jìn)行修復(fù)。目前國內(nèi)外口腔*常規(guī)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(shù)多, 時(shí)間長。即使進(jìn)一步發(fā)掘傳統(tǒng)鑄造工藝的潛力, 充分發(fā)揮該技術(shù)的能力, 也只能部分改善傳統(tǒng)的口腔修復(fù)體制作工藝, 并不能從根本上解決問題。變革傳統(tǒng)的制作方法勢在必行。七十年代末, 有人嘗試將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/制造( cad/cam)技術(shù)引入口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨后的二十多年來, 光電子技術(shù), 計(jì)算機(jī)技術(shù), 圖像分析技術(shù)等的迅速發(fā)展極大地推動了 cad/cam技術(shù)的進(jìn)步,擴(kuò)大了應(yīng)用范圍, 越來越多的數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)被開發(fā)出來。目前, 已有逾十種該類系統(tǒng)問世。從制作單一的全冠擴(kuò)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(lǐng)域。一種新興的口腔修復(fù)工藝開始形成。該技術(shù)被認(rèn)為是口腔醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的革命性突破。
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牙齒修復(fù)體 cad/cam技術(shù)在本世紀(jì)必將取代傳統(tǒng)的口腔修復(fù)工藝, 使口腔修復(fù)學(xué)發(fā)生革命性變化。 數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是快速化、 小型化、 自動化和高度集成化, 同時(shí)修復(fù)材料要具有良好的與人體的生物適應(yīng)性。由于數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的技術(shù)*性和高度集成性, 其發(fā)展仍未定型, 隨著新技術(shù)和新材料的不斷出現(xiàn), 該類系統(tǒng)將被不斷完善。
目前, 上對數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的研制開發(fā)主要集中于歐美少數(shù)幾個(gè)國家?，F(xiàn)有的近 10 種數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)絕大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段, 真正技術(shù)成熟并高度商品化的只有德國 sirona 牙科設(shè)備有限公司的 cerec系統(tǒng), 目前已售出 10000 多套。其他西方發(fā)達(dá)國家也正在加緊商品化步伐, 日本東京工業(yè)大學(xué)與本國口腔修復(fù)學(xué)者合作, 研制出一種新型數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng), 據(jù)說穩(wěn)定性高于法國同類系統(tǒng)。
我國對數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的研究起步較晚, 目前只有少數(shù)幾個(gè)醫(yī)院及科研機(jī)構(gòu)在做理論性的研究。由于該系統(tǒng)綜合激光測量、 反求建模、 cad/cam、 軟件開發(fā)及高精度數(shù)控加工等多種*技術(shù), 盡管各項(xiàng)單元技術(shù)在各自領(lǐng)域內(nèi)已經(jīng)基本成熟, 但開發(fā)本產(chǎn)品所需要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)集成存在一定的難度, 因此目前數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的集成研究和產(chǎn)業(yè)化在我國還是空白。
2 系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計(jì)
高性能高精度的數(shù)控機(jī)床是實(shí)現(xiàn)義齒實(shí)時(shí)制造的基本條件。牙齒加工數(shù)控機(jī)床根據(jù)單顆牙齒冠的表面情況看, 由于牙冠外表面上有多個(gè)凸起的嵴以及不規(guī)則的窩和溝, 牙冠內(nèi)表面也比較復(fù)雜。根據(jù)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(zhuǎn)軸和三個(gè)平面運(yùn)動軸, 也就是說要采用四軸的運(yùn)動方式才能完成加工。本系統(tǒng)采用的是利用 3 根平動軸和 2 根轉(zhuǎn)動軸, 五軸聯(lián)動方式對牙齒進(jìn)行加工?；?5 軸聯(lián)動運(yùn)動控制以及控制穩(wěn)定性考慮, 本系統(tǒng)采用的是選用美國 delta tau 公司 umac多軸運(yùn)動控制器, 以艾雷斯公司 acs2401 工控機(jī)作為主機(jī), 組成“ ipc+運(yùn)動控制卡” 式的開放式數(shù)控系統(tǒng), 對雕刻機(jī)的運(yùn)動進(jìn)行控制。系統(tǒng)硬件
結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
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統(tǒng)采用 umac多軸運(yùn)動控制器為下位機(jī), 控制多套交流伺服系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號的輸出及其他信號的反饋和采集, 控制各軸的運(yùn)動, 利用 umac卡 i/o接口實(shí)現(xiàn) plc功能, 包括檢測行程限位、 機(jī)床回零、 控制機(jī)床的冷卻、 面板操作、 控制程序運(yùn)行和手動調(diào)整機(jī)床等操作。umac與上位機(jī)的通訊可以通過 tcp/ip 協(xié)議或 udp 協(xié)議與上位機(jī)通訊, 也可以連接到網(wǎng)絡(luò)上通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制, 另外還支持 usb、 串口以及光纖等傳輸方式。由于該數(shù)控機(jī)床上位機(jī)(操作臺)與安裝 umac控制器的弱電控制柜距離較遠(yuǎn), 鑒于以太網(wǎng)較其他幾種傳輸方式在傳輸距離上的優(yōu)越性, 故該系統(tǒng)采用以太網(wǎng)傳輸方案。
本系統(tǒng) umac控制器主要分為以下幾個(gè)模塊: 工作電源、 cpu 卡、 軸卡 1、 軸卡 2、 i/o 卡組成。該系統(tǒng)中軸卡采用的是 acc-24e2s軸卡, 它可多控制 4 軸, 由于本系統(tǒng)要五根軸, 因此采用 2 塊軸卡來控制機(jī)床的 5 個(gè)電機(jī)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(chǔ)上推出的基于工業(yè) pc 和windows 操作系統(tǒng)的開放式多軸運(yùn)動控制器, umac控制器實(shí)際上是一個(gè)運(yùn)動控制計(jì)算機(jī), 以模塊化的 pmac(programmable multiaxes controller)系統(tǒng)為核心, 在 motorola dsp 基礎(chǔ)上開發(fā)而成。采用了更高速度的 dsp56300 系列數(shù)字信號處理器, 提供全新的高性能技術(shù)和 windows 平臺, 滿足用戶在運(yùn)動控制各個(gè)領(lǐng)域的需要。umac可同時(shí)控制 1～ 32 個(gè)軸, 16 個(gè)坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動控制。
umac提供了強(qiáng)大的運(yùn)動控制功能, 如直線插補(bǔ)、 圓弧插補(bǔ)、 樣條曲線插補(bǔ)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(yùn)動模式, 支持?jǐn)?shù)控 g代碼和 m代碼指令控制, 支持刀具補(bǔ)償功能, 可方便地開發(fā)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。umac采用了帶陷波濾波器的 pid算法進(jìn)行電動機(jī)的伺服控制, 能有效地克服電動機(jī)運(yùn)行中的機(jī)械振動, 該伺服環(huán)引人了速度和加速度前饋, 進(jìn)一步提高了伺服控制中的軌跡跟蹤精度和加速性能。umac內(nèi)含了邏輯功能強(qiáng)大的可編程控制器(plc), 可以和運(yùn)動控制程序密切配合實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備的開關(guān)量(i/o)控制。 umac還有超前預(yù)測, 內(nèi)建的正向運(yùn)動學(xué)和逆向運(yùn)動學(xué)計(jì)算能力, 三維刀具半徑補(bǔ)償功能, 在線改變運(yùn)動目標(biāo), 多端口連續(xù)通訊, 為每個(gè)電動機(jī)制定正弦轉(zhuǎn)換表, 可單獨(dú)選擇電動機(jī)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(qū), 為每個(gè)坐標(biāo)系設(shè)置兩個(gè)伺服速率定時(shí)器, 運(yùn)動軌跡反求能力。 其中, 正向/逆向運(yùn)動學(xué)計(jì)算功能和伺服控制算法定義功能, 體現(xiàn)了 umac運(yùn)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(yùn)動算法,快速開發(fā)復(fù)雜數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用產(chǎn)品。
3 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計(jì)
對于工控機(jī)與 umac組成的開放式數(shù)控系統(tǒng), 其軟件結(jié)構(gòu)由上位界面和下位控制程序組成, 兩者依靠通信相互, 共同完成系統(tǒng)功能, 其中通信程序的開發(fā)可以借助 delta tau 公司提供的 pcomm32 的 32 位應(yīng)用程序通信驅(qū)動器(它囊括了同 umac通信的所有方式)。該公司提供的應(yīng)用通信程序?qū)⒅饕ㄐ藕瘮?shù)進(jìn)行分類、 封裝, 形成動態(tài)鏈接庫, 該動態(tài)鏈接庫可以由用戶直接調(diào)用。 plc程序也可以借助該公司提供的接口方便地進(jìn)行開發(fā)。本文主要對基于工控機(jī)的數(shù)控機(jī)床用戶應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā), 這也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。整個(gè)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)其軟件結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。
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3.1 下位機(jī)控制程序
下位運(yùn)動控制程序是設(shè)備的實(shí)時(shí)控制程序, 它包括運(yùn)動控制程序和 plc程序, 兩者共同完成對設(shè)備的控制。
3.1.1 運(yùn)動控制程序
umac編程語言可執(zhí)行數(shù)控機(jī)床的程序, 它把 g、 m、 t和 d代碼作為子程序來調(diào)用, 使得軟件編寫格式和數(shù)控程序相同, 用戶很容易接受。由于牙齒的表面都是不規(guī)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(jìn)行加工。
當(dāng)程序中遇到 g { datal 時(shí), 它將調(diào)用運(yùn)動程序 10n0 中的第 m*1000 行命令, 其中 n 是 data 的百位數(shù), m 是 data 的個(gè)位數(shù)和十位數(shù)。例如: g17 將跳轉(zhuǎn)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, 坐標(biāo)
s1800 ; 設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為 1800r /min
f200 ; 設(shè)置進(jìn)給速度為 200mm/min
g00 x10.0 y5.0 ; 快速運(yùn)動到(10.0, 5.0)
m03 ; 開主軸
g01 z0.0
g03 x35.0 y10.0 j5.0 ; 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)
m05 ; 主軸停
close
g代碼子程序 1000:
open prog 1o00 clear
no000 rapid return ; g00 快速移動
n01o00 linear return ; g01 直線插補(bǔ)
n02000 circle1 return ; g02 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)
n03o00 circle2 return ; g03 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)
n17o00 normal k- 1 returen; g17 設(shè)置 xy平面
n9oo00 abs return ; g90 坐標(biāo)模式
close
m代碼子程序 1001:
open prog 1001 clear
n03o00 cmd #4j return ; m03 主軸順時(shí)針轉(zhuǎn)動
n05000 cmd #4j /return ; m05 主軸停止
close
3.1.2 plc 功能實(shí)現(xiàn)
plc程序主要在系統(tǒng)后臺周期性運(yùn)行, 以執(zhí)行機(jī)床順序控制。 plc程序根據(jù)輸入信號對機(jī)床進(jìn)行開制, 同時(shí)檢測加工狀態(tài)信息,還可以設(shè)置各種變量和運(yùn)動程序指令一起控制機(jī)床進(jìn)行加工。在該系統(tǒng)中, plc程序主要完成如下任務(wù)。
( 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(nèi)存映像區(qū)。由于不能在程序中直接引用 pws變量,因此需結(jié)合使用 pws變量和 m變量, 使用 plc程序建立 i/o口和內(nèi)存映象區(qū)的一一對應(yīng)關(guān)系, 實(shí)現(xiàn)對輸入/輸出口的按位操作。
( 3)機(jī)床各軸回零: 回零是設(shè)備上電后工作的第一步, 也是進(jìn)行加工的先決條件, 系統(tǒng)依靠電機(jī)回零建立機(jī)床坐標(biāo)系, 以形行程開關(guān)作為“ 零點(diǎn)開關(guān)” 信號。
3.2 上位機(jī)操作界面
本系統(tǒng)目前所編寫的上位機(jī)界面主要是為了滿足用戶的操作和監(jiān)控電機(jī)各軸的運(yùn)動狀態(tài), 上位機(jī)界面開發(fā)采用的是用 mi-crosoft 的 visual c++ 6.0。
其具體界面入圖 3, 能對系統(tǒng)進(jìn)行手動操作, 自動加工電機(jī)參數(shù)設(shè)置, 系統(tǒng)管理和在線幫助。在自動加工過成中, 能夠看到運(yùn)動程序和加工過程中的刀具的具體路徑。
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4 結(jié)束語
本文介紹了 umac在運(yùn)動控制上的應(yīng)用, 充分利用 umac強(qiáng)大的多軸聯(lián)動控制能力和快速的實(shí)時(shí)通訊能力以及 pc機(jī)豐富的軟件資源和高效的數(shù)據(jù)處理能力, 較好地實(shí)現(xiàn)了對五軸聯(lián)動的實(shí)時(shí)伺服控制、 刀具位姿實(shí)時(shí)檢測以及全閉環(huán)控制等功能, 具有加工速度快、 控制精度高、 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)的研究對數(shù)字化牙齒修復(fù)系統(tǒng)的在我國的開發(fā)應(yīng)用有一定實(shí)用價(jià)值。
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