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数控装备的高效、高精、复合化加工是当今数控机床发展的主要趋势。我国是水晶饰品需求和制造大国,水晶的磨削和抛光是水晶加工的关键工序,不仅关系到水晶成品的尺寸精度、表面质量、透亮程度等品质因素,而且对企业的生产效率与经济效益产生直接的影响。本文针对我国水晶加工工艺落后,加工设备自动化程度低、加工精度差,产品质量偏低等问题,在企业横向项目的资助下,以提高水晶加工的质量与效率、降低工人作业强度为目标,对水晶加工技术及其多过程控制系统开展研究与开发,论文主要的研究工作体现在:(1)在分析现有水晶加工设备不足的基础上,针对四工位水晶磨抛机的加工机理,提出了多过程控制系统的需求与指标,在对比分析市场主流的控制系统架构后,选定“PC+TurboPMAC”作为控制系统核心,并以此开展软硬件的设计。(2)采用附件板ACC-24PCI、ACC-34AA分别对Turbo PMAC的控制轴数目和I/O端口数目进行扩展,搭建了具有13轴运动控制能力的开放型数控系统硬件平台。伺服驱动器均采用速度控制模式,伺服系统的位置环由Turbo PMAC完成闭环。对系统的控制电路、伺服系统电路、I/O端口电路和主电路进行了设计。(3)采用Denavit-Hartenberg方法建立了数控机头位姿表达的运动学分析模型,基于面心距法向法和刻面点法向法,推导出了空间任意平面加工所需的三个关节控制变量的数学表达式。基于平面加工算法和工艺,研究了刻面球琢型、圆明亮琢型和椭圆琢型的加工轨迹规划,为系统的软件设计提供了理论基础。(4)对系统的下位机程序和上位机软件进行了设计。其中下位机程序主要包括:转位程序、加工程序、PLC程序等,以1号数控机头的坐标系作为主控制坐标系,对四个数控机头的任务进行分配与协调,在片内搭建了并行加工程序框架。基于Windows7操作系统,采用VC++开发了面向水晶磨抛机的上位机软件。在以上研究基础上,对物理样机的伺服系统的PID参数进行了整定,通过软件补偿的方法使Z轴的定位误差从43.4μm降到9.9μm,满足了设计指标。对64面椭圆琢型进行了加工实验,加工后的实验样本具有良好的尺寸精度和表面质量,表面平均粗糙度为0.0692μm,验证了所设计的软硬件系统和加工算法的正确性、可行性和稳定性。课题的研究方法对复合数控机床的多过程控制系统的研发具有借鉴价值,课题的研究成果及其应用对于提高我国水晶制品的档次和创新能力,增强企业在国际市场的核心竞争力具有现实意义。