本文均采用高效的伯特利數(shù)控機床來作為操作平臺，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%, 常采用固定修復體進行修復。目前國內(nèi)外口腔固定修復體常規(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, 時間長。即使進一步發(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, 有人嘗試將計算機輔助設(shè)計/制造( CAD/CAM)技術(shù)引入口腔醫(yī)學領(lǐng)域。隨后的二十多年來, 光電子技術(shù), 計算機技術(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)的進步,擴大了應用范圍, 越來越多的數(shù)字化牙齒修復系統(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工藝開始形成。該技術(shù)被認為是口腔醫(yī)學領(lǐng)域的革命性突破。

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牙齒修復體 CAD/CAM技術(shù)在本世紀必將取代傳統(tǒng)的口腔修復工藝, 使口腔修復學發(fā)生革命性變化。數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是快速化、小型化、自動化和高度集成化, 同時修復材料要具有良好的與人體的生物適應性。由于數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)的技術(shù)先進性和高度集成性, 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, 國際上對數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)的研制開發(fā)主要集中于歐美少數(shù)幾個國家。現(xiàn)有的近 10 種數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)絕大多數(shù)仍處于實驗室階段, 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)達國家也正在加緊商品化步伐, 日本東京工業(yè)大學與本國口腔修復學者合作, 研制出一種新型數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng), 據(jù)說穩(wěn)定性高于法國同類系統(tǒng)。

我國對數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)的研究起步較晚, 目前只有少數(shù)幾個醫(yī)院及科研機構(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)控加工等多種先進技術(shù), 盡管各項單元技術(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

高性能高精度的數(shù)控機床是實現(xiàn)義齒實時制造的基本條件。牙齒加工數(shù)控機床根據(jù)單顆牙齒冠的表面情況看, 由于牙冠外表面上有多個凸起的嵴以及不規(guī)則的窩和溝, 牙冠內(nèi)表面也比較復雜。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(tǒng)采用的是利用 3 根平動軸和 2 根轉(zhuǎn)動軸, 五軸聯(lián)動方式對牙齒進行加工。基于 5 軸聯(lián)動運動控制以及控制穩(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” 式的開放式數(shù)控系統(tǒng), 對雕刻機的運動進行控制。系統(tǒng)硬件

結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

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統(tǒng)采用 UMAC多軸運動控制器為下位機, 控制多套交流伺服系統(tǒng), 實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速信號的輸出及其他信號的反饋和采集, 控制各軸的運動, 利用 UMAC卡 I/O接口實現(xiàn) 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(diào)整機床等操作。UMAC與上位機的通訊可以通過 TCP/IP 協(xié)議或 UDP 協(xié)議與上位機通訊, 也可以連接到網(wǎng)絡上通過網(wǎng)絡進行控制, 另外還支持 USB、串口以及光纖等傳輸方式。由于該數(shù)控機床上位機(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(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, 它可最多控制 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(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(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, 滿足用戶在運動控制各個領(lǐng)域的需要。UMAC可同時控制 1～ 32 個軸, 16 個坐標系實現(xiàn)多軸聯(lián)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, 支持數(shù)控 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(fā)機床數(shù)控系統(tǒng)。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(huán)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(nèi)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(xiàn)外部設(shè)備的開關(guān)量(I/O)控制。 UMAC還有超前預測, 內(nèi)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(xù)通訊, 為每個電動機制定正弦轉(zhuǎn)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(qū), 為每個坐標系設(shè)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(xiàn)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(fā)復雜數(shù)控系統(tǒng)的應用產(chǎn)品。

3 系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計

對于工控機與 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, 兩者依靠通信相互聯(lián)系, 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)。該公司提供的應用通信程序?qū)⒅饕ㄐ藕瘮?shù)進行分類、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行開發(fā)。本文主要對基于工控機的數(shù)控機床用戶應用程序進行開發(fā), 這也是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。整個系統(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 下位機控制程序

下位運動控制程序是設(shè)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(shè)備的控制。

3.1.1 運動控制程序

UMAC編程語言可執(zhí)行數(shù)控機床的程序, 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進行加工。

當程序中遇到 G { datal 時, 它將調(diào)用運動程序 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, 絕對坐標

S1800 ; 設(shè)置主軸轉(zhuǎn)速為 1800r /min

F200 ; 設(shè)置進給速度為 200mm/min

G00 X10.0 Y5.0 ; 快速運動到(10.0, 5.0)

M03 ; 開主軸

G01 Z0.0

G03 X35.0 Y10.0 J5.0 ; 逆時針圓弧插補

M05 ; 主軸停

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

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(shè)置 XY平面

N9OO00 ABS RETURN ; G90 絕對坐標模式

M代碼子程序 1001:

OPEN PROG 1001 CLEAR

N03O00 CMD #4J RETURN ; M03 主軸順時針轉(zhuǎn)動

N05000 CMD #4J /RETURN ; M05 主軸停止

3.1.2 PLC 功能實現(xiàn)

PLC程序主要在系統(tǒng)后臺周期性運行, 以執(zhí)行機床順序控制。 PLC程序根據(jù)輸入信號對機床進行開制, 同時檢測加工狀態(tài)信息,還可以設(shè)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(tǒng)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(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)的一一對應關(guān)系, 實現(xiàn)對輸入/輸出口的按位操作。

( 3)機床各軸回零: 回零是設(shè)備上電后工作的第一步, 也是進行加工的先決條件, 系統(tǒng)依靠電機回零建立機床坐標系, 以形行程開關(guān)作為“ 零點開關(guān)” 信號。

3.2 上位機操作界面

本系統(tǒng)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(jiān)控電機各軸的運動狀態(tài), 上位機界面開發(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)進行手動操作, 自動加工電機參數(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在運動控制上的應用, 充分利用 UMAC強大的多軸聯(lián)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(shù)據(jù)處理能力, 較好地實現(xiàn)了對五軸聯(lián)動的實時伺服控制、刀具位姿實時檢測以及全閉環(huán)控制等功能, 具有加工速度快、控制精度高、系統(tǒng)運行穩(wěn)定等優(yōu)點。本系統(tǒng)的研究對數(shù)字化牙齒修復系統(tǒng)的在我國的開發(fā)應用有一定實用價值。