經濟型數控雕刻機的控制系統研究

徐 銘 琚 海

（①安陽工學院，河南安陽455000;②安陽市質量技術監督檢驗測試中心，河南安陽 455000）

數控雕刻技術是傳統雕刻技術與現代數控技術相結合的產物。它秉承傳統雕刻精細輕巧、靈活自如的操作特點，利用數控加工技術，結合高轉速、小進給和快走刀的加工方式，在工件上完成文字、圖案的加工。數控雕刻機分國外進口和國產兩大類。如:美國“雕霸”、日本“御牧”、上海“啄木鳥”等，但由于其價格較高、雕刻系統專業性強、整體結構不開放、不便于功能擴展等原因，不能滿足小企業對雕刻加工的需要。為此，在傳統機械結構的基礎上，對經濟型數控雕刻機的控制系統進行了深入分析和研究。

1 控制系統硬件部分

1.1 主控系統

控制系統的優劣直接影響雕刻機的加工性能、工件的加工精度等諸多方面。現代雕刻機的控制系統結構有單機系統結構和主從式結構兩種。經濟型數控雕刻機主要應用于小企業的雕刻加工，要求結構簡單，成本低，穩定性好。綜合以上因素，本系統采用單機系統結構。

單機系統結構通過計算機CPU直接控制和管理整個雕刻系統，一切操作和功能都由個人計算機實現。如圖1所示，個人計算機通過分時處理的方式負責圖形處理、步進電動機進給、主軸旋轉，讀取操作人員的鍵盤命令等多項功能，從而合理地完成雕刻加工。

PC機通過對并口輸入輸出信息的控制來完成雕刻機各功能［1］。PC機并口一般有12個輸出口和5個輸入口可供利用，能夠滿足經濟型數控雕刻機I/O信號的要求。利用雕刻軟件輸出多通道數字波形實現對主軸電動機和步進電動機的控制，通過鍵盤信號可實現操作人員與控制系統的交流。與采用主從式結構相比，雕刻機采用單機系統結構具有以下幾個特點:

（1）結構簡單，成本低廉。

（2）傳輸效率高，對數據處理能力強。

（3）利用PC機進行插補計算時，速度快且計算準確，可提高加工速度和加工精度。

1.2 主運動系統和進給運動系統

雕刻機數控系統包括主運動系統和進給運動系統兩部分。鑒于經濟型數控雕刻機控制系統的目標精度要求不高，負載變化不大，加之開環控制具有結構簡單、設計制造容易、價格便宜、容易調試和便于維修等特點，該系統選用開環控制。主運動采用電主軸驅動的開環控制，如圖2所示。進給運動系統采用步進電動機驅動的開環控制，其組成原理如圖3所示。數控系統將工件的信息處理后，輸出指令信號給伺服裝置，驅動主軸及工作臺運動［2］。由于沒有檢測反饋功能，其精度主要取決于驅動元器件和步進電動機的性能，速度和控制精度的提高雖受到一定限制，但穩定性較好，調試和維修比較方便。

1.3 步進電動機驅動電路

步進式伺服系統由步進電動機和步進電動機驅動控制電路（圖4所示）組成。系統采用TA8435步進電動機專用驅動芯片將具有一定頻率和方向的進給脈沖轉換成控制步進電動機各相繞組通、斷電的電平信號，經功率放大后，發送給步進電動機。步進電動機通過彈性聯軸器、滾珠絲杠將脈沖信號轉換為移動部件的位移量、進給速度和進給方向，實現伺服系統對位移的控制。

本系統所用步進電動機要求具有一定的定位精度和力矩輸出，電流比較大，諧波成分高，且電流交變的頻率隨轉速變化。因此，步進電動機在使用過程中會出現較大的發熱。由于電動機內部各部分熱膨脹系數不同，發熱將導致結構應力和內部氣隙的微小變化，影響電動機的動態響應，容易失步［3］。綜合以上因素，有必要對步進電動機的發熱加以控制。利用 NE555實現步進電動機的半流控制，如圖5所示。當步進脈沖停止時間超過10 ms時，電動機線圈的電流在NE555的控制下自動減半，從而有效地減小了電動機的發熱。

2 控制系統軟件部分

2.1 軟件功能

作為經濟型數控雕刻機的編輯平臺，本系統所用雕刻軟件采用PC機的LPT或USB接口作為CNC設備的輸入和輸出端，控制脈沖和方向信號，驅動電主軸和步進電動機運動［4］。軟件功能強大，性能穩定，人機界面友好，文件格式兼容，操作簡單。軟件主要功能如圖6所示。該軟件將標準PC電腦轉換為全功能的CNC控制器，最高可實現六軸聯動控制，支持DXF、BMP、JPG、HPGL等多種文件格式輸入，可實現視覺G代碼顯示、主軸轉速控制、多重繼電器控制及手動脈沖生成，具有三維數字化顯示跟蹤功能、程序跳段執行（斷點記憶）等多項功能。

本系統所用雕刻軟件可實現自動編程和手動編程。其中，手動編程支持常規G代碼、M代碼輸出，方便使用者根據實際需要編制程序，實現加工。在雕刻加工過程中，可通過程序運行窗口實時觀察程序的運行情況（圖7所示）。

本系統雕刻軟件設有仿真功能區，即采用計算機圖形學的手段，對加工走刀和工件切削過程進行模擬。在仿真過程中，操作者還可從主界面的坐標顯示區實時地

觀察刀具的坐標變化（圖8）。使操作者能預先看到雕刻過程，發現雕刻過程中的不足，有效預測數控加工和切削過程的可靠性。

2.2 軟件參數設置

經濟型數控雕刻機按照工程使用要求設計，可完成美術字、小型電路板等的加工。在進行雕刻加工時，需掌握工件安裝、雕刻軟件參數設置、加工等重要環節的操作（如圖9所示）。

一系列參數設定之后，將編好的程序引入程序運行區，雕刻加工便可開始。操作者在刀具運行過程中，可通過仿真功能區結合加工現場，實時地關注整個加工過程。遇到緊急情況，可按主界面的“急停”鍵（圖10所示），令加工暫停。

3 結語

該經濟型數控雕刻機采用單機系統結構，以PC機作為其CNC系統的軟、硬件基礎。利用PC機強大的系統資源控制和管理整個雕刻機系統，通過分時處理的方式由計算機完成圖形處理、步進電動機進給、讀取操作人員的鍵盤命令等多項功能，使整個CNC系統的控制過程安全、可靠。經過實際應用，經濟型數控雕刻機的控制系統硬件安全可靠，軟件功能強大，操作簡單。實現了整機的經濟合理、方便實用。

［1］劉天標.微型計算機組成原理及接口技術［M］.西安:西安交通大學出版社，2002.

［2］任玉田，包杰，喻逸君，等.新編機床數控技術［M］.北京:北京理工大學出版社，2005.

［3］于政濤，林喜榮，周云龍，等.基于微機的激光雕刻機控制系統設計［J］.電子技術應用，2000（12）:9 －11.

［4］白建華，潘建峰，范劍，等.一種基于 Windows的全軟件數控系統［J］.機電工程，2004（9）:39 －42.