经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现.pdf

、1 匐 矽 似 经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现 Des i g nat i on an d de vel opment on CNC s y s t em of f i ve - di m ens i onal econom i c engr av i n g m ach i n e 李文星 ，郭贵中 L I W e n x i n g． GUO Gu i z h o n g 新乡学院 机电工程学院，新乡4 5 1 0 0 3 摘要详细介绍了经济型五轴雕刻机数控机床的开发与研制。阐述了硬件系统和软件系统具体的 实现方法。该系统在文字图案雕刻和模具制造等实际中应用，可实现立体加工 ，具有较高 的使用价值。 关键词雕刻系统；串口通讯；汇编语言 中图分类号T G6 5 9 文献标识码B 文章编号1 0 0 9 -0 1 3 4 2 0 1 1 下 -O l 2 4 -0 4 D o i 1 0 ． 3 9 6 g l／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 1 ． 1 下 ． 4 2 0 引言 五轴加工是指在一 台机床上 至少有五个坐标 轴 ，三个直线坐标和两个旋转坐标，而且可以在 计算机数控系统的控制下同时协调运动进行加工。 这样五轴联动数控加工 与一般的三轴联动数控加 工相 比，主要有 1 提高加工 质量和效率 ，2 扩 大工艺范围，可以用于复杂 曲面和斜空斜面的加 工 ；同时 ，五轴加工也存在很多难点，需要在开 发的过程中重点考虑的问题。主要体现在 1 五轴 数控编程抽象 ，操作 困难，可能在加工控件 曲面 时，需要多次坐标变换和空间几何运算； 2 对 N C 插补控制器、伺服驱动系统要求十分严格，旋转 坐标的微小误差就会大幅度降低加工精度。3 只 能针对特定的机床编制后置处理程序 ，难度较高； 4 五轴机床的结构设计和制造更复杂；针对 以上 特点，在开发经济型雕刻数控系统 的五轴加工设 备中，尽量避开某些难点 ，只要求满足特定功能 ， 也是可行的。 1 具体技术实现 1 。 1 雕刻数控系统的机械本体设计 结合雕 刻加工特点 ，经过对雕刻过程的空间 结 构和 改装可 行性分 析，采用 x，Y，z，A，B 五轴联动立式结构的机械本体设计。数控雕刻机 机 械本体部分的结构示意如 图 l ，X轴通过 工作 台转动实现，雕刻 刀可以绕坐标轴 X轴旋转 A 一4 5 。 ≤ A≤ 4 5 。 ；绕 Y轴摆动 B 一 4 5 。 ≤ A≤ 4 5 。 。五个轴方向上的驱动采用步进电动机 ， 传动装置 采用丝杠 一螺母传动副，并且在 Z轴上 配备一个雕刻电动机以驱动高速旋转的雕刻刀具。 X 、 一_ ．一 。 。 Y 0 ， { _ ， _】 Y一 。 l V j z ／ ．／ j ， { i i ； ～ A 弼 、 ． 一 一 图i 数控雕刻机机械本体 的结构示意图 1 ． 2 驱动系统 驱动采用开环控制 ，最 简单的步进控制 系统 包括脉冲发生器 控制单元 、驱动器和电源。为 了消除因过载而产生 的步进电机丢步 ，采取 了在 数据文件的加工代码切深过大时报警 的方法来代 替 闭环系统对丢步的检测。在系统设计 中，为了 减 少下位 机 单片机 A T 8 9 C 5 2 的运算量，数 控 程序的后置处理由上位机 P C 完成，串行口向 数控系统发送每个轴步进 电机的脉冲个数和方向。 收稿日期2 0 1 0 -1 0 - 0 2 作者简介李文星 1 9 6 8 一，男，河南新乡人，副教授，硕士，主要从事数控加工的研究与开发工作。 [ 1 2 4 ] 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 - 1 下 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 訇 化 对于 A、B两轴，精密电控旋转台选用的步进电机 每 2 0 0步转一 周，即单脉冲 1 ． 8 o ，转 台的减速 比 i 1 8 0 ，步进电机驱动器的细分数 M 4 。所以数 控系统每输出一个脉冲 A、B两轴所转的角度为 口 3 6 0 3 6 丽0 0 ．0 0 2 5 度 ／ 脉冲 2 0 0 2 0 0 1 8 0 4 ⋯’ 一 ～ 2 数控系统的硬件总体设计 机械本体 硬件 系统的输入信号包括五个步进 电动机驱动信号。步进电动机驱动必须有两个驱 动信号来实现 ，一个是脉冲信号 ，另一个是方向 信号。控制步进电动机 的驱动，就是要控制这两 个信号的时间序列，P C机通过串行 口输 出脉冲和 方向控制信号，经过功率放大器 ，驱动步进电机， 最终控制执行元件。机械本体 的输 出信号包括五 个轴方向上的位置控制信号。 在系统设计 中，考虑到 目前雕刻软件 已经成 熟，数控设备 的加工路径代码可以 由雕 刻软件生 成，也可以手工编辑输入。数控系统 只需 负责进 给路径 的读入，各轴进给 脉冲的输 出、方 向控制 以 及和 上 位机 的通 讯 ，不 需 要 执 行 复 杂 的运 动 函 数。具体数控 系统的设计 中，采取 了分离式的设 计 ，运用五个单片机 A T 8 9 C 5 2分别控制雕刻机的 五个坐标轴，每个单片机单元分别完成数控代码 的读取、判别、驱动步进电机进给 等操作 ，并有 一 个单 片机 负责协调运动 以及 和上 位机的通讯。 这样的结构可 以尽量简化电路的设计 和程序编 制，结构 紧凑，功能 明 了， 符合经济性 的 目标。硬件 系统工作原 理如图 2所示。 从图 2中可以看出，每个坐标轴 在功能和硬件结构上都几乎完全相同， 在 x轴上，粗略描述各轴控制单片机 及外围 电路 ，以及 驱动 系统 的组 成 。 数控系统的功能主要体现在 1 接受来 自上位机的控制信息，并反馈 信息。2 必须考虑五个轴控单片机之 间的协调 ，以及五个轴控单片机向上 位机 反馈 信息 的方式。3 轴控 单片 机 向驱动系统发 出控制信号，控制五 个 轴 的进给 运 动。 由于 A T 8 9 C 5 2和 8 0 5 1单片机 指令 集和引脚 都是 兼容 的，拥有片 内 F L AS H存储 器，所 以 方便程序修改、重新编程 写入 等操 作。R S 2 3 2接 口更便于连接外部设备 。由于接 口 R S 一 2 3 2 C输入 输出电平和采用 T T L电平的 A T 8 9 C 5 2在接口时会 产生电平不一致的问题，必须进行 电平转换 ，在 此，采用 几成 电平 转换 芯片 MA X2 3 2 C P E 1 6 为 R S 一 2 3 2 C ／ T T L电平转换 ，它使用单 -- I-5 V电源， 配接 4个 O ． O l n F电解电容，即可完成 R S 一 2 3 2电平 与 T T L电 平 之 间 的 转 换 。A T8 9 C 5 2和 P C进 行 串 行通讯时采用标准异步通讯方式，通过 T X D端发 送数据 ， R XD端接受数据，通讯格式为每帧 1 0位 ， 包括 8个数据位，一个起始位 0 和一个停止位 1 ，波特率可变。 为 了保 证联 动 的效果 ，必 须建 立 五个 轴控 单 片 机 之 间 的 协 调 机 制。具 体 实 现 通 过 设 定 P 1 _ 3～p 1 ． 6四个管脚为 X轴控单片机与其余四个 轴控单 片机进行协调通讯 的端 口，当上位机 向数 控系统发送控制指令 的时候，各轴控单片机接受 各 自需要执行的数据 ，在规定的时间段 内同时驱 动各轴进给，并在 完成动作后 向 x轴控单片机反 馈信息；当其余四轴都和 x轴本身也进给完毕后， 由x轴控单片机向上位机发送信息，上位机响应 并且进行下一次的数据发送。 3 软件设计 3 ． 1下位机的串行通信及步进电机控制程序 汇编语言是单片机最常用的语言，在基 于前 面的硬件设计基础上 ，A T 8 9 C 5 2单片机程 序采用 一 一 - 一z 轴 运 动 控 制 单 片 机 } ． ．- 【 驱 动 系 统 一Y 轴 运 动 控 制 单 片 机 } 驱 动 系 统 一 一x 轴 运 动 控 制 单 片 机 ， 1 吨 驱 动 系 统 j P R S - 2 3 2 电缆 数 外 围电路 ， 、 控 C 代 、 ▲ 一 码 T r I m a x 2 3 2 I 8 ● 平 转 换 } 一 9 ■■■■■■ ■■● ■●■■一 C 5 L i “ I M I L I ∞ L ． - ． I 女 。 l 二 J ⋯ ⋯ ， _ ． 、 ， 、 I 廿 锢匿列1 仝 利早厅仉r ． ． ．． ．．．__， 』 图2 硬件 系统工作原理 图 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 - 1 下 [ 1 2 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务1 生 匐 化 汇编语言编写更加高效便捷。由于硬件设计中，x 轴控单片机 负责整个下位机 的协调控制 ，并 与上 位机进行通讯 的功能 ，所 以在软件设计时 ，需要 考虑串口通讯的实现。 图3 X轴控单 片机程序流程 图 3 ． 2 上位机的V C 6 ． 0 串行通信程序 上位机的串行通信程序将要实现完成以下工 作读取数控文件，将代码转化为二进制 ，发送 数 控代 码。通 过 Mi c r o s o f t公 司的 V C 6 ． 0提 供 的 MS C o m m Mi c r o s o f t C o mmu n i c a t i o n C o n t r o 1 控件实现串行端 口发送和接收数据，不需要 了解 较为复杂的 AP I函数，编程非常方便。在设计实 现过程中，控件采用 了事件驱动法处理通信问题， 即当有新字 符到达，或者端 口状态改变，或发现 错误时，MS C o mm控件将发送 O n C o mm事件，应 用程序在捕获该事件后 ，通过检查 MS C o mm控件 的 C o m mE v e n t 属性 ，可以获知所发生的事件或错 误，从 而采取响应的操作。这种方法程序响应及 时，可靠性高 ，为整个机床的性能提供了软件保 证。图4 列出了上位机通信子程序实现基本流程图。 3 ． 3人机界面的设计及总体软件实时性的实现 为了方便操作，为整个数控系统设计 了基于 【 1 2 6 】 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 1 下 在当前P r o j e c t 中插入MS Co mm控件 建立一个 斗 - MS C o mm，MS C o mm 类是由MS C o mm件导出的一系列接 口函数构成的，利用MS C 0 mm将可以 访问MS C o mm件的属性和方法 初始化程序并打开 串口 1 ． 选择设置通讯端口号 2 ． 设置输出／ 输入缓冲区大小 3 ． 打开串口 4 ． 设置输入方式为十六进制 5 ． 设置波特率、数据传输格式等参数 、 l， 捕捉 串口事件 接收到数据时通知程序，并在程序中 捕获并处理这些通讯事件 建立响应MS C o mm事件的处理函数 1 ． 定义对象 2 ． 接收字符串 3 ． 循环判断 如果接收到 ⋯ S 字符， 则表示下位机准备读取下一行数控码， 转入4 ，否则等待 4 ． 读取数控文件的一行代码 ，将代码 转换成十六进制 ，向下位机发送数控代穰 5 ． 程序文件结束，退出循环 、l ， 通信结束 ，关 闭串 口 图4串口通讯基本流程 图 Wi n d o w s 的人机界面 ，主要包括一下几个部分 控制界面部分 设置了手动按钮 ，参数设置 等操作； 数控加工程序编辑界面 部分 实现数控代码 的编写编辑 ，输入程序 ，暂停执行等操作 ； 加工轨迹仿真 ／ 实时监控界面部分 模拟仿真 刀具轨 迹的 运动 ，监控加 工过程 刀具 轨迹 的运 动 ； 图5 人机界面 【 下转第1 4 3 页】 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 匐 似 程，一号工位和二号工位可 以连续 自动 更换 ，或 者通过脚踏开关更换。当钻孔结束后，关闭高速 电机 ，按下电源开关，整个钻孔过程结束。 3 ． 2 系统的软件设计 可编程控制器的软件设计就是设计系统 的梯 形图。根据加工工艺要求，梯形图程序主要包括 1 高速电机的启动 、停止 、及其变频调速控 制 ； 2 通过钻头扭 力的设 定实 现更换 钻头提 示， 保护钻头 ； 3 工作循环及整个加工过程控制 ； 4 发生误操作时系统 自锁控制 ； 5 步进 电机速度、钻孔深度、孔距控制 ； 6 故障报警控制和急停控制。 4 弹子孔数控钻孔机的性能特点 与以前的手工钻床钻孔相比，该钻孔机 的精 度和效率都得到 了大幅的提高，具体表现如下 1 本机床采用直线滑轨和无间隙传动丝杠带 动夹具和钻头做上下前后左右运动，保证了的工 件夹具的进给精度，由高速电主轴直接夹持钻头， 保证 了其钻头的稳定性 ； 2 实现 了钻 孔过程 的 自动化 ，加工效 率高。 控制系统采用可编程控制器控制 ，由面板可 以自 由调节钻孔的 中心距、加工速 度、孔深、延时时 间和初始定位距 离等工艺参数 ，大大提高 了加工 效率，减轻了工人的劳动强度； 3 钻孔精度高 ，手工钻孔时钻孔的深度全凭 操作人员用 目测判断 ，难 以满足高精度的产品要 求。本机器钻孔 的深度和孔 间距可 以 自由设定， 由可编程控制器 自动准确控制 ，完全满足产品的 高精度要求 ； 4 安全可靠 ，操作方便。控制系统采用可编 程控制器和操作面板控制，中文莱单 ，方便易懂 ， 显示设置信息和加工信息等，且有管理 员密码保 护，方便生产管理。同时，系统的 自锁功能和故 障报警功能从根本上保证了操作者和设备的安全； 5 结束语 生产实践证明，该数 控弹子孔钻孔机完全满 足 目前我国制锁企业使用的要求，整机结构紧凑， 控 制、传 动合理， 自动化程度 较高，性能可靠， 维护维修方便。在使用过程 中机床运行状况 良好， 产品质量稳定 ，提高了劳动生产率和经济效益。 参考资料 [ 1 ]刘 宝廷 ， 程树 康． 步进 电机 及其驱动 控制 系统 【 M】 ． 哈尔 滨 哈尔滨工业大学 出版社， 2 0 0 3 ． [ 2 ]X C系列可编程控制器用户手册． 无锡信捷电子有限公司， 2 01 0． 【 3 I林风 ． 变频器的技术与应用 『 J ] ． 电器工业， 2 0 0 9 9 ． [ 4 ]王玉林 ． 步进 电动机的软件 脉冲分配【 J 】 ． 制造技 术与机 床， 2 0 0 6 7 ． [ 5 】曹春宜． 双面钻孔组合机床的改造 【 J ] ． 大众科技， 2 0 1 0 1 ． [ 6 ]许为 民． 基 于P L C 的全 自动气动钻 床控制 系统设 计【 J 】 ． 液压 与气动， 2 0 0 9 1 2 ． 【 7 】李莉娅． P L C 对箱体钻孔攻丝加工组合机床控制系统的 改造 [ J ] ． 现代机械， 2 0 0 7 3 ． 出‘ 蠢‘ {矗‘ 蠡‘ 出‘ ＆‘ 量 品‘ 岛‘ 曼‘{盘‘ {蛊‘ {＆‘ ．{出‘ {＆‘ ． {彘‘ 是‘ ＆‘ 矗 {壶‘ 是‘ 囊 【 上接第1 2 6 页】 由于 Wi n d o ws 的多任务机 制多少会影响定时 的精 度 ，在软 件 的设 计 中采取两 条措 施加 以改 进。一是提高雕刻监控程序的线程优先级，二是 在执行雕刻加工时尽量不要运行 占 C P U资源多的 其他程序 。通过具体的雕刻试验表明 ，采用这种 方案编制的雕刻监控程序完全可 以达到实时控制 的要 求 。 4 结束语 采用 P C - I- 单片机构成 的雕 刻数控 系统 的设 计方案结构紧凑，功能明了，能够节约成本 ，满 足经济型机床 的要求 ，并且能够满足雕刻精度要 求不是太高的加工任务。经过平面雕刻试验验证 ， 在雕刻过程 中，雕刻机运行平缓 ，各轴协调运动 ， 加工质量完全可以达到特定产品的要求。 参考文献 【 1 】余洪林， 熊正鹏 ． 立体雕 刻机数控 系统 的开发和研制[ J 】 ． 计算机测量与控制 ， 2 0 0 4 6 ． 【 2 】徐志 明， 陈金城， 冯 正进 ．Wi n d o ws 平台上三轴联动数控 雕刻机 的开发 【 J 】 ． 制造技术与车床， 2 0 0 2 4 ． 【 3 】王青松 ， 傅建 中． 面向对象的计算机数控雕 刻控制软件 [ J J _ 机 电一体化， 2 0 0 0 6 ． [ 4 ]郭阳． 协 同式虚拟设计与快速试 制系统算法与显示研究 [ D ] ． 北京 清华大学机械工程系， 2 0 0 3 ． 【 4 】An o n． En g r a v e o n a CNC mi l l [ J ] ． Ame r i c a n Ma c h i n i s t ， 20 03， c hi c a go， 1 4 22． 第3 3 卷第1 期2 0 1 1 1 下 [ 1 4 3 ] 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m