經濟型五軸雕刻數控機床的設計與實現

李文星，郭貴中

LI Wen-xing，GUO Gui-zhong

（新鄉學院 機電工程學院，新鄉 451003）

0 引言

五軸加工是指在一臺機床上至少有五個坐標軸，三個直線坐標和兩個旋轉坐標，而且可以在計算機數控系統的控制下同時協調運動進行加工。這樣五軸聯動數控加工與一般的三軸聯動數控加工相比，主要有1）提高加工質量和效率，2）擴大工藝范圍，可以用于復雜曲面和斜空斜面的加工；同時，五軸加工也存在很多難點，需要在開發的過程中重點考慮的問題。主要體現在1）五軸數控編程抽象，操作困難，可能在加工控件曲面時，需要多次坐標變換和空間幾何運算；2）對NC插補控制器、伺服驅動系統要求十分嚴格，旋轉坐標的微小誤差就會大幅度降低加工精度。3）只能針對特定的機床編制后置處理程序，難度較高；4）五軸機床的結構設計和制造更復雜；針對以上特點，在開發經濟型雕刻數控系統的五軸加工設備中，盡量避開某些難點，只要求滿足特定功能，也是可行的。

1 具體技術實現

1.1 雕刻數控系統的機械本體設計

結合雕刻加工特點，經過對雕刻過程的空間結構和改裝可行性分析，采用X，Y，Z，A，B五軸聯動立式結構的機械本體設計。數控雕刻機機械本體部分的結構示意如圖1，X軸通過工作臺轉動實現，雕刻刀可以繞坐標軸X軸旋轉A＝（－45°≤A≤45°）；繞Y軸擺動B＝（－45°≤A≤45°）。五個軸方向上的驅動采用步進電動機，傳動裝置采用絲杠－螺母傳動副，并且在Z軸上配備一個雕刻電動機以驅動高速旋轉的雕刻刀具。

圖1 數控雕刻機機械本體的結構示意圖

1.2 驅動系統

驅動采用開環控制，最簡單的步進控制系統包括脈沖發生器（控制單元）、驅動器和電源。為了消除因過載而產生的步進電機丟步，采取了在數據文件的加工代碼切深過大時報警的方法來代替閉環系統對丟步的檢測。在系統設計中，為了減少下位機（單片機AT89C52）的運算量，數控程序的后置處理由上位機（PC）完成，串行口向數控系統發送每個軸步進電機的脈沖個數和方向。對于A、B兩軸，精密電控旋轉臺選用的步進電機每200步轉一周，即單脈沖1.8o，轉臺的減速比i=180，步進電機驅動器的細分數M＝4。所以數控系統每輸出一個脈沖A、B兩軸所轉的角度為：

2 數控系統的硬件總體設計

機械本體硬件系統的輸入信號包括五個步進電動機驅動信號。步進電動機驅動必須有兩個驅動信號來實現，一個是脈沖信號，另一個是方向信號。控制步進電動機的驅動，就是要控制這兩個信號的時間序列，PC機通過串行口輸出脈沖和方向控制信號，經過功率放大器，驅動步進電機，最終控制執行元件。機械本體的輸出信號包括五個軸方向上的位置控制信號。

在系統設計中，考慮到目前雕刻軟件已經成熟，數控設備的加工路徑代碼可以由雕刻軟件生成，也可以手工編輯輸入。數控系統只需負責進給路徑的讀入，各軸進給脈沖的輸出、方向控制以及和上位機的通訊，不需要執行復雜的運動函數。具體數控系統的設計中，采取了分離式的設計，運用五個單片機AT89C52分別控制雕刻機的五個坐標軸，每個單片機單元分別完成數控代碼的讀取、判別、驅動步進電機進給等操作，并有一個單片機負責協調運動以及和上位機的通訊。這樣的結構可以盡量簡化電路的設計和程序編制，結構緊湊，功能明了，符合經濟性的目標。硬件系統工作原理如圖2所示。

圖2 硬件系統工作原理圖

從圖2中可以看出，每個坐標軸在功能和硬件結構上都幾乎完全相同，在X軸上，粗略描述各軸控制單片機及外圍電路，以及驅動系統的組成。

數控系統的功能主要體現在：1）接受來自上位機的控制信息，并反饋信息。2）必須考慮五個軸控單片機之間的協調，以及五個軸控單片機向上位機反饋信息的方式。3）軸控單片機向驅動系統發出控制信號，控制五個軸的進給運動。由于AT89C52和8051單片機指令集和引腳都是兼容的，擁有片內FLASH存儲器，所以方便程序修改、重新編程寫入等操作。RS232接口更便于連接外部設備。由于接口RS-232C輸入輸出電平和采用TTL電平的AT89C52在接口時會產生電平不一致的問題，必須進行電平轉換，在此，采用幾成電平轉換芯片MAX232 CPE（16）為RS-232C/TTL電平轉換，它使用單＋5V電源，配接4個0.01nF電解電容，即可完成RS-232電平與TTL電平之間的轉換。AT89C52和PC進行串行通訊時采用標準異步通訊方式，通過TXD端發送數據，RXD端接受數據，通訊格式為每幀10位，包括8個數據位，一個起始位（0）和一個停止位（1），波特率可變。

為了保證聯動的效果，必須建立五個軸控單片機之間的協調機制。具體實現通過設定P1.3～p1.6四個管腳為X軸控單片機與其余四個軸控單片機進行協調通訊的端口，當上位機向數控系統發送控制指令的時候，各軸控單片機接受各自需要執行的數據，在規定的時間段內同時驅動各軸進給，并在完成動作后向X軸控單片機反饋信息；當其余四軸都和X軸本身也進給完畢后，由X軸控單片機向上位機發送信息，上位機響應并且進行下一次的數據發送。

3 軟件設計

3.1 下位機的串行通信及步進電機控制程序

匯編語言是單片機最常用的語言，在基于前面的硬件設計基礎上，AT89C52單片機程序采用匯編語言編寫更加高效便捷。由于硬件設計中，X軸控單片機負責整個下位機的協調控制，并與上位機進行通訊的功能，所以在軟件設計時，需要考慮串口通訊的實現。

圖3 X軸控單片機程序流程圖

3.2 上位機的VC++6.0串行通信程序

上位機的串行通信程序將要實現完成以下工作：讀取數控文件，將代碼轉化為二進制，發送數控代碼。通過Microsoft 公司的VC++6.0提供的MSComm（Microsoft Communication Control）控件實現串行端口發送和接收數據，不需要了解較為復雜的API函數，編程非常方便。在設計實現過程中，控件采用了事件驅動法處理通信問題，即當有新字符到達，或者端口狀態改變，或發現錯誤時，MSComm控件將發送OnComm事件，應用程序在捕獲該事件后，通過檢查MSComm控件的CommEvent屬性，可以獲知所發生的事件或錯誤，從而采取響應的操作。這種方法程序響應及時，可靠性高，為整個機床的性能提供了軟件保證。圖4列出了上位機通信子程序實現基本流程圖。

圖4 串口通訊基本流程圖

圖5 人機界面

3.3 人機界面的設計及總體軟件實時性的實現

為了方便操作，為整個數控系統設計了基于Windows的人機界面，主要包括一下幾個部分：

控制界面部分：設置了手動按鈕，參數設置等操作；

數控加工程序編輯界面部分：實現數控代碼的編寫編輯，輸入程序，暫停執行等操作；

加工軌跡仿真/實時監控界面部分：模擬仿真刀具軌跡的運動，監控加工過程刀具軌跡的運動；

由于Windows的多任務機制多少會影響定時的精度，在軟件的設計中采取兩條措施加以改進。一是提高雕刻監控程序的線程優先級，二是在執行雕刻加工時盡量不要運行占CPU資源多的其他程序。通過具體的雕刻試驗表明，采用這種方案編制的雕刻監控程序完全可以達到實時控制的要求。

4 結束語

采用PC＋單片機構成的雕刻數控系統的設計方案結構緊湊，功能明了，能夠節約成本，滿足經濟型機床的要求，并且能夠滿足雕刻精度要求不是太高的加工任務。經過平面雕刻試驗驗證，在雕刻過程中，雕刻機運行平緩，各軸協調運動，加工質量完全可以達到特定產品的要求。

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