（机械制造及其自动化专业论文）基于pc机的五轴陶瓷雕刻机的研究.pdf

摘要 摘要 在陶瓷行业，价格适中、形状复杂、雕刻精致的陶瓷制品越来越受消费者 的青睐，因此设计成本低廉、性能可靠的五轴联动陶瓷雕刻机的需求日益明显， 在当前，由于p c 机性能的提高，使得开放式数控系统能较好地应用于五轴联动控 制；在生成加工程序方面，能借助于c a d c a m 集成软件p r o e ，自动生成加 工用的程序。针对这些实际情况，本课题开发研制了用在陶瓷加工的五轴联动 数控机床，采用基于p c 机的开放式数控系统，根据导入的g 代码进行插补运算， 利用m a c h 2 软件插补的方式，得出各个轴的脉冲信号，并由计算机的l p t 并口 输出控制信号到各个轴的步进电机驱动器，驱动各个轴的步进电机运动，从而 完成零件的加工。论文包括以下几部分内容： 首先介绍了五轴联动陶瓷雕刻机的机床本体以及各组成部分，各部件的相 关参数。 其次，构建了基于p c 机的五轴联动陶瓷雕刻机的开放式数控系统。包括相 应的硬件和软件设计。 第三，针对本机床的特殊性，以及m a c h 2 控制软件的特点，利用p r o e 的 后处理模块p r o en cp o s t 中的机床后置处理编辑器g p o s t ，开发了专用的后 置处理程序。 第四讨论了此陶瓷雕刻机的一转台一摆动五坐标机床的后置处理算法。 最后，通过瓷花坛加工实验验证表明，该p c 机的五轴陶瓷雕刻机的建立是 可行的。 关键词：五轴陶瓷雕刻机：p c 机；开放式数控系统；p r 0 e 专用后置处理 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h ec e r a m i ci n d u s t r y , c e r a m i cp r o d u c t s 、析t l la f f o r d a b l e 、c o m p l e xs h a p e & f i n e c a r v i n g sf e a t u r e sh a v eb e e nm o r ea n dm o r el o v e db yt h ec o n s u m e r s ，t h e r e f o r et h e d e s i g no fl o w - c o s t ，r e l i a b l ep e r f o r m a n c eo ft h ef i v e - a x i sc e r a m i ce n g r a v i n gm a c h i n ei s i n c r e a s i n g l yc l e a r a tp r e s e n t ，o p e nc n cs y s t e ma l l o w st ob e t t e rc o n t r o lt h e a p p l i c a t i o no ff i v e - a x i sl i n k a g eb e c a u s eo ft h ee n h a n c eo fp cp e r f o r m a n c e ；i nt h e p r o c e s s i n gp r o c e d u r e s ，p r o e ，ac a d c a mi n t e g r a t e ds o f t w a r ec a na u t o m a t i c a l l y g e n e r a t ep r o c e s s i n gp r o c e d u r e s i nv i e w o ft h i s ，f i v e a x i sn cm a c h i n et o o lu s e di nt h e p r o c e s s i n go ft h ec e r a m i ci sb e e nd e s i g n e di nt h ep a p e r i tu s e so p e n c n cs y s t e m b a s e do np ca c c o r d i n gt ot h egc o d ei n t oi n t e r p o l a t i o no p e r a t o r , t h es o f t w a r em a c h 2 c a np r o d u c ep u l s es i g n a l so fe a c ha x i s ，t h e nl p t p a r a l l e lp o r to nt h ep co u t p u tc o n t r o l s i g n a l st oe a c ha x i ss t e p p e rm o t o rd r i v e r , t h ed r i v ew i l lm a k ee a c ha x i sc o n t r o l l e db y s t e p p e rm o t o rm o v et om a c h i n ew o r k p i e c e t h ec o n t e n t so ft h ep a p e ri n c l u d et h e s e p a r t s ： f i r s t l y , i n t r o d u c e af i v e a x i sc e r a m i cm a c h i n et o o l 舔w e l l 嬲t h ev a r i o u s c o m p o n e n t so ft h eb o d ya n dt h e i rr e l e v a n tp a r a m e t e r s s e c o n d l y , o p e nc n cs y s t e mo ff i v e - a x i sc e r a m i ce n g r a v i n gm a c h i n eo nt h ep c i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ea p p r o p r i a t eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n t h i r d l y , a c c o r d i n gt o t h e p a r t i c u l a r i t yo ft h i sm a c h i n e ，器w e l la st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec o n t r o ls o f t w a r em a c h 2 ，d e v e l o p e dad e d i c a t e dp o s t - p r o c e s s i n g p r o c e d u r e st h r o u g ht h et r e a t m e n tm o d u l ep r o n cp o s t f o u r t h , w ed i s c u s s e dt h ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m so ff i v e a x i sc e r a m i ce n g r a v i n g m a c h i n e ，w h i c hh a so n es w i n ga x i sa n do n er o t a t i o na x i s f i n a l l y , t h ef i v e a x i sc e r a m i cc a r v i n gm a c h i n ei sp r o v e df e a s i b l et h r o u g ht h e p r o c e s s i n gt h ew o r k p i e e eo fp o r c e l a i nf l o w e r k e yw o r d s ：f i v e a x i sc e r a m i c ：e n g r a v i n gm a c h i n e ：p c ：o p e nc n cs y s t e m ：p r o e - s p e c i f i cp o s t - p r o c e s s i n g i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特另, j d l l 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写钎玄直筌字日期：带月f 夕l e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名钐玄压一导师签名：罗茁以 签字日期：劢哆年月日签字日期：d 7 年月f 夕日 l 第l 章绪论 第1 章绪论 陶瓷的应用范围十分广泛，随着人们欣赏水平的提高，一些加工复杂、雕刻 精致的陶瓷制品越来越受消费者的青睐。然而，在当前的陶瓷行业，要生产出这 种陶瓷制品，需要花费雕刻师大量的精力。如果采用目前市场上用于加工叶轮、 叶片、曲轴的五轴联动数控机床，不仅将大大提高零件的加工成本，也发挥不了 这种高精尖机床的优点。因此，要满足市场要求，需要生产出一种能用于陶瓷复 杂曲面加工、而加工成本又不高的五轴数控陶瓷机。本论文课题旨在通过开放式 五轴数控系统和专用后置处理器的研究，设计出一种能用于复杂曲面加工、而成 本偏低的五轴数控陶瓷雕刻机。 1 1 国内外发展现状 1 9 3 8 年世界第一台手动雕刻机在法国“嘉宝”问世，1 9 5 0 年“嘉宝”生产出世界 第一台真正意义的电动、可缩放比例的手动雕刻机。随后美国、日本和法国等国 也开始研制。2 0 世纪9 0 年代，随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算 机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高技术群体飞速发展，从 而使雕刻机产生了质的飞跃。雕刻机完成了从2 d 2 5 n - 3 d 加工的变革， 功能完善、性能稳定、造型美观和价格合理成为雕刻机研制的基本要求。国外的 雕刻机，如美国“雕霸”、法国“嘉宝”和日本“御牧”是此行业的佼佼者，但价格非 常昂贵。不管大小都在1 0 万元人民币以上。近几年国内的雕刻机，北京“精雕”、 上海“啄木鸟”在国内也有一定的市场，但价格也不菲。并且基本上都是三轴雕刻 机，真正运用五轴联动技术加工复杂曲面雕刻机的几乎没有。 1 2 五轴数控陶瓷雕刻机的主要组成 本课题设计的雕刻机主要用于陶瓷坯的雕刻，对机床的切削力要求不高，它 由五大部分【l 】组成：机床本体、控制系统、驱动系统、输入输出装置、辅助装置 ( 冷却、装夹装置等) 。 ( 1 ) 其中机床本体中的主轴头是整个加工系统的核心。要求其稳定、可靠， 只有长期运行稳定的主轴头才能承担加工任务。 第1 章绪论 ( 2 ) 机床本体是承受加工件的部分，工件与主轴头作相对运动而进行加工， 因此加工的精度在很大程度上取决于机床本体的精度和各方向轴的运动位置精 度。由于是五轴联动，在加工时工件和主轴头上的刀具都是运动的。主轴头和各 方向轴的运动都由步进电机和齿轮构成的进给系统来加以控制，从而按照加工轨 迹的要求进行各种方式的加工。 ( 3 ) 控制系统是数控雕刻机的“大脑”。它负责读取加工数据、进行插补运算、 读取操作人员的指令等，从而使雕刻机各个组成部分与操作人员之间协调工作。 ( 4 ) 驱动系统是机床本体和控制系统的连接部分，通过接收控制系统发出的 脉冲指令，并对信号进行放大处理，控制步进电机运动。 ( 5 ) 在雕刻机中还有一些辅助装置，如采用水泵提供切削液来降低加工时刀 具的温度；用于转换刀具的装置等。 1 3 五轴数控陶瓷雕刻机控制系统结构简述 控制系统是机床的关键组成部分之一。机床的控制系统与其结构是相互协调 的，机床结构就像一幅躯壳，控制系统就是它的神经和大脑。没有控制系统数控 机床的各个组成部分就不能协调工作，也就不能完成对零件的复杂加工。 控制系统的优劣也直接影响机床的加工性能、工件的加工精度、废品率等。 目前用于五轴联动数控加工的机床基本上都是在航空、航天、军事、科研、精密 器械等行业，此种设备造价高，制造难度大，不适合于陶瓷加工。本陶瓷数控雕 刻机通过计算机c p u 直接控制和管理整个机床，一切行动和功能都由个人计算机 来实现。通过分时处理的方式由个人计算机负责何时步进电机运动、何时读取操 作人员的键盘命令，从而合理地完成雕刻加工。 1 4 相关软件介绍 ( 1 ) m a t h 2 软件介绍 m a c h 2 软件是美国a r t s o t l 公司出品的基于w 协d o w s 2 0 0 0 ，操作系统的c n c 控制软件，m a c h 2 是目前使用较多的c n c 软件之一，它是一种使用p c 机并口或 u s b 口( 需要专用驱动器) 控制步进电机的c n c 软件，使用方便，在电脑中运 行可以成为经济而强有力的机床控制系统。它最多时可控制6 轴运动，可成为基 于p c 机的五轴数控陶瓷雕刻机的控制系统。 2 第1 章绪论 ( 2 ) p r o e 软件介绍 p r o e n g i n e e r t 2 i 是美国p t c 公司的产品，于1 9 8 8 年问世。1 0 多年来，经历 2 0 余次的改版，已成为全世界及中国地区最普及的3 dc a d c a m 系统的标准软 件，广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航天、家电、玩具等行 业。p r o e 是全方位的3 d 产品开发软件包，和相关软件p r o d e s i n g e r ( 造型 设计) 、p r o m e c h a m c a ( 功能仿真) ，集合了零件设计、产品装配、模具开发、 加工制造、钣金件设计、铸造件设计、工业设计、逆向工程、自动测量、机构 分析、有限元分析、产品数据库管理等功能，从而使用户缩短了产品开发的时 间并简化了开发的流程：国际上有2 7 0 0 0 多企业采用了p r o e _ n g i n e e r 软件系 统，作为企业的标准软件进行产品设计。 ( 3 ) v 硪c u t 软件介绍 v e r i c u t 是全世界n c 验证软件的领导者。使用v e r i c u t 可在产品实际 加工之前仿真n c 加工过程， 以检测刀具路径中可能存在的错误，并可用于验 证g 代码和c a m 软件输出结果，v e r i c u t 可在u n i x 、w i n d o w s n t 9 5 9 8 2 0 0 0 ，系统下运行。v e r i c u t 系统有五大主要功能：仿真、验证、 分析、优化、模型输出。 1 5 主要研究内容及预期的创新点 本课题希望通过对基于p c 机的五轴联动数控机床的研究，实现在陶瓷行业 用低成本的五轴控制加工，逐步取代手工雕刻，减轻工人的劳动强度，提高生 产效率。同时，对于许多复杂的图形的雕刻，不再需要熟练的雕刻师花费大量 的时间精心雕刻，只需要生成相应的程序，通过此机床就能又快又好地加工出 来。 出于经济型五轴联动雕刻机的考虑，本课题采用基于p c 机的开放式数控系 统，利用m a t h 2 软件插补的方式，该软件根据导入的g 代码进行插补运算，得 出各个轴的脉冲信号由l p t 并口输出，并由计算机的l p t 并口输出控制信号到 各个轴的步进电机驱动器，驱动各个轴的步进电机运动。从而完成零件的加工。 具体的工作内容包括： ( 1 ) 硬件设计，包括结构设计、电路设计以及接口等方面。 ( 2 ) 软件设计及应用，主要是m a c h 2 的操作和应用。 3 第1 章绪论 ( 3 ) 基于p r o e 的五坐标机床的后置处理，即如何生成本机床可执行的g 代码。 创新点： ( 1 ) 利用计算机并行打印接口，借助于m a c h 2 软件以及相应的步进电动机 及驱动器实现五轴联动功能，创建五轴数控陶瓷雕刻机的样机。 ( 2 ) 基于p r o e 的五坐标机床的后置处理，生成适合本机床的可执行的g 代码。 全文共分为七章，在第一章讨论了研究五轴数控陶瓷雕刻机的必要性和可 行性以及本课题研究的相关内容。 第二章简要地介绍了五轴数控陶瓷雕刻机的原理和结构。 第三章针对本机床，构建了此机床的基于p c 的开放式数控系统，并设计了 其硬件驱动电路。 第四章详细介绍了p r o e 后置处理器的创建步骤及本机床的后处理的算 法。 第五章针对五轴数控陶瓷雕刻机，创建了适用于此机床的后置处理器。 第六章通过零件瓷花坛的加工验证了创建的专用后置处理器的正确性和此 机床设计的可行性。 第七章对本文的研究工作进行了总结，并对基于p c 机的五轴数控陶瓷雕刻 机的发展进行了展望。 本课题的研究，将为五坐标联动技术运用于陶瓷雕刻提供较好的技术支持。 同时，也能为其他类型的五坐标联动机床开发提供借鉴。 本章小结 本章为本文的绪论部分。根据陶瓷加工现状，从复杂陶瓷制品的加工难度以 及加工经济性分析课题的研究意义，并介绍了课题研究的目标、主要内容及相关 创新点。 4 第2 章总体方案设计 2 1 总体设计思路 第2 章总体方案设计 2 1 1 五轴数控陶瓷雕刻机的工作流程 零件图形处理 上 上 走刀路径文件再处理 l 0 键盘操作输入命令 上 l数控雕刻加工 图2 - 1 陶瓷雕刻机工作流程不慈图 如图2 - 1 所示是五轴数控陶瓷雕刻机的主要工作流程，大体分为四个阶段： ( 1 ) 零件图形处理阶段通过p r o e 软件建立加工零件的模型，应用p r o e 的数控加工模块，根据产品的特点设计产品的加工刀路轨迹，借助于此软件自带 的v e r i c u t 仿真功能，对刀路进行优化。 ( 2 ) 走刀路径文件再处理阶段对于五坐标联动机床来说，图形处理阶段生 成的较优的刀路路径并不能生成g 代码，j 必须根据数控机床的特点设置专用的后 置处理器。只有适合本机床的专用后处理器，才能把刀路文件转换为适合本机床 加工的g 代码，然后再通过c n c 控制软件转换成插补所需的数据信息。 ( 3 ) 键盘操作输入命令读取操作人员输入的外部命令，如步进电机的向上、 向下、向左、向右等命令或加工开始命令，以便更好地确定加工起始点。这些命 令是通过c n c 控制软件m a c h 2 的用户操作界面上的按钮来执行的。 ( 4 ) 雕刻加工阶段按照设定的程序进行加工，若希望执行加工暂停等操作 必须再次配合操作键盘使用。 以上四个阶段基本包含了五轴数控机床所有的工作流程，每个阶段为后一阶 段提供前提和保障，缺一不可。 5 第2 章总体方案设计 2 1 2 五轴数控陶瓷雕刻机的具体组成及其设计原则 图2 2 是基于p c 并口的五轴数控陶瓷雕刻机具体组成示意图，它主要由机械 系统、计算机控制系统【3 】、驱动系统组成。图中可以看出此雕刻机的加工主要是 通过主轴头( 附刀具) 相对工件运动来完成，主轴头绕着x 轴转动，并随着x 、 z 轴步进电机的旋转而成直线运动，刀具在主轴头里高速转动；工件绕着z 轴转 动，并伴随着y 轴步进电机的旋转而运动。 一c 轴步进电机驱动器一叫步进电动机 1 图控 p- y 轴步迸电机驱动器卜叫步进电动机p 形制 ca 轴步进电机驱动器h 步进电动机卜_ h 伟 处软并一x 轴步进电机驱动器 一叫步进电动机 一 理件 1 3 一z 轴步进电机驱动器 叫步进电动机 i 一操作键盘h 操作人员 图2 - 2 陶瓷雕刻机组成示意图 五轴数控陶瓷雕刻机的机械系统是机床的本体，也是其它系统的支撑，它 的设计决定机床布局的合理性，外观的美观性。五轴数控机床除和三轴数控机 床一样具有x y z 三个直线运动坐标外，通常还有两个回转运动轴坐标附】。由于 五轴联动数控陶瓷雕刻机需要雕刻的陶瓷大部分为回转腔体类形状，为此该数 控机床的两个旋转坐标定义为a 、c ，其中一个是刀具绕x 轴摆动1 5 0 0 3 0 0 的 a 坐标，一个是回转工作台绕z 轴自由回转的c 坐标，主轴方向与z 方向平行。 示意图如2 3 所示： 6 第2 章总体方案设计 j - 一 图2 0 五轴数控陶瓷雕刻机示意图 机械总体框架可采用角铁直接焊接而成，既经济又能保证机器的剐性，各 个运动方向如下，z 轴为垂直向上，把回转工作台设为c 轴，由于主轴头在加 工过程中是绕着a 轴以较低的速度旋转的，此时可采用行星齿轮减速装置，可 使步进电机以相对较高地速度转动避免步进电机的转矩过分减小。在x 、y 、 z 方向采用直线导轨导向、滚珠丝杆定位的方式，能够较好的保证加工中各方向 的精度。为保证z 轴上的拖板能够较好的 下移动，在拖板上须通过支架牵挂 一个重物。c 轴可采用铝制回转台面，并采用铝制卡盘与海绵制品相结合对瓷坯 进行定位，工作台与较高精度的蜗轮蜗杆联接，通过电机运转使得工作台做回 转运动。蜗轮蜗杆传动能够得至u 较大的减速比，使得在零件n t 时，工作台能 够以理想的速度运动。生产的样机如图2 _ 4 所示。 第2 章总体方集设计 图2 4 五轴数控陶瓷雕刻机样机 进给系统是给步进电机驱动器、步进电机、齿轮、同步带组成( 步进电机也 可直接连接滚珠丝杆) ，以预定的脉冲当量使各轴运动。步进电机及其驱动器的质 量会影响步距角，齿轮与齿轮之间以及丝杆与螺母之间的传动问隙会影响脉冲当 量的精确度。因此，进给系统主要影响的是机床的加工精度，只有提高进给系统 的精度才能提高工件的加工精度，所以设计时应把握以下几个原则： ( 1 ) 尽量选用与步进电机配套的驱动器产品，以提高步进电机工作时的稳定 性、可靠性。 ( 2 ) 合理选用传动比，在满足进给精度的前提下尽量使脉冲当量为整数级。 ( 3 ) 导轨的刚度、直线度、平行度必须满足加工要求，尽量选用直线导轨。 ( 4 ) 由于齿轮、步进电机、导轨都安装在机床本体上，机床本体必须有较好 的刚度，抗振性。 控制系统主要是通过软件的作用使数控陶瓷雕刻机硬件协调工作来完成零件 加工，其硬件控制都是建立在计算机并口输入输出特性基础上，属于计算机在控 第2 章总体方案设计 制系统的在线应用。在控制系统设计中应将稳定性、可靠性始终置于第一位。五 轴数控机床由于涉及五轴的联动，运动很复杂，这对控制系统要求很高，基于稳 定性和可靠性要求，本课题选用美国a r t s o f l 公司出品的基于w m d o w s 2 0 0 0 x p 操 作系统的c n c 控制软件m a e h 2 ，不需要复杂的专用五轴运动控制卡。同样，由于 五轴联动运动相当复杂，使得手工编制加工零件的g 代码非常困难，只有依靠自 动编程，本文借助于p r o e 通用后置处理器，创建了适用于此机床的专用后置处 理器，用于本机床加工程序的生成。 综上所述，五轴数控陶瓷雕刻机的设计主要集中在进给系统、控制系统和专 用后置处理器三个方面，前两个系统的设计好坏都会直接影响零件的加工精度， 没有专用后置处理器，复杂零件也就无从加工。 2 2 进给系统的布局 对于五轴数控陶瓷雕刻机来说，工件固定在工作台上，而工作台可绕z 轴旋 转，并可随着y 轴步进电机的旋转沿y 轴运动，所以需要y 轴和c 轴的进给驱 动；主轴头可绕x 轴旋转，并可随着x 轴和z 轴步进电机的旋转沿x 轴和z 轴 方向运动，因此需要a 轴、x 轴和z 轴的进给驱动。本数控雕刻机采用步进电机 进给系统，通过机械驱动结构组合来实现所要求的功能，即驱动机构将步迸电机 产生的转矩传递给工作台和主轴头，使得它们按指定的轨迹运动。 步进电机进给系统是由步进电机本体、驱动器以及机械驱动结构组成，如图 2 5 所示： 广 厂 广 驱动器 一一步进电机卜一叫机械驱动结构l 1 一1 。，一i j 图2 5 步进电机进给系统 2 3 控制系统的设计 本陶瓷雕刻机控制系统采用单机系统结构【7 一，由p c 通过对并口输入输出信 息的控制来完成雕刻机的各个轴的运动。p c 并口又称打印机并口，与其它通用i o 口性质完全一样，它由一个2 5 芯的d 型接口提供t t l 输入输出信号。一般它有 1 2 个输出口和5 个输入口可供利用，2 至9 口为8 个数据位，用于步进电机驱动 器，脉冲和方向的控制一共只能控制4 个轴，如果对第五轴进行控制则需要第二 9 第2 章总体方案设计 个l p t 接口，但是，在一般的电脑配置中，只有一个l p t 口，默认为l p t l 。为 此，需在电脑里，插一p c i 并口卡，作为l p t 2 。在本课题中定义并口l p t 2 中的 引脚2 口和3 口为第五轴的脉冲和方向信号。另外，为了提高步进电机的工作寿 命，分别为每根轴配置了一个使能信号引脚，控制步进电机。因此，两个l p t 口 能充分满足五轴数控陶瓷雕刻机i o 信号的要求，即利用程序通过输出多通道数 字波形实现对混合式步进电机的控制，以及通过键盘信号实现操作人员与控制系 统的交互。五轴数控陶瓷雕刻机采用单机控制系统具有以下特点： ( 1 ) 成本低廉、实现简单。 ( 2 ) 传输效率高、对数据处理能力强。 ( 3 ) 利用p c 机进行插补计算时，速度高且计算准确，对提高加工精度和加 工速度有着明显的优势。 ( 4 ) 能借助于相应的c n c 控制软件，减免相应的硬件电路，并能实现良好 的人机交互。 2 3 1 控制系统的工作原理 五轴数控陶瓷雕刻机的工作原理：首先，c n c 控制软件将p r o e 生成的g 代码程序转换成插补所需的数据格式，同时对这些数据进行插补形成进给数据以 及其它开、关数据，然后由并口的寄存器经外围放大电路输出，从而来控制步进 电机的进给和主轴头电机的开关。对工作流程的控制( 如加工开始、结束、暂停、 重新加工等) 是通过操作界面上的相应按钮来输入信号的，这些信号通过并口的 寄存器输入控制系统。 2 3 2 控制系统的研究内容 本数控陶瓷雕刻机的控制系统主要是建立在计算机并口输入输出特性的基础 上，充分利用并口的系统资源，即利用并行端口内部的数据寄存器、状态寄存器、 控制寄存器作为输入输出口。在本论文所设计的控制系统中，c n c 控制软件 m a c h 2 起着相当重要的作用。 主要需解决以下问题：利用计算机并口控制混合式步进电机，在掌握计算机 并口输入输出特性的基础上，合理分配并口硬件资源，利用c n c 控制软件m a c b _ 2 ， 通过并口的寄存器输出多通道数字波形来实现对混合式步进电机的速度、方向和 主轴头电源开、关的控制。 1 0 第2 章总体方案设计 本章小结 这一章主要从总体上介绍了五轴数控陶瓷雕刻机的总体方案，包括机床结构、 进给系统、控制系统和后置处理等。并简要地阐述了其工作流程。 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 3 1 基于p c 的开放式数控系统的构建 3 1 1 开放式数控系统的结构形式 随着高性能、低成本p c 硬件资源的日益丰富、实时多任务操作系统的发展 以及基于软件的控制技术和伺服技术的发展，使开放式数控系统的构造成为可 能。进入了九十年代，个人计算机的性能提高很快从8 位、1 6 位发展到3 2 位和 6 4 位，可以满足作为数控系统核心部件的要求。而且p c 机生产批量很大，价格 便宜，可靠性高。 对于开放式结构的数控系统，应尽可能建立在个开放的、标准的、经济 的、可靠的软硬件平台上。基于p c 的开放式数控系统大体有以下几种形式：p c 连接n c 型、p c 嵌入n c 型、n c 嵌入p c 型和全软件n c 型。 ( 1 ) p c 连接n c 型：就是利用通用的串行线将现有的n c 系统与p c 相连。 该系统实现简单，几乎可以不加修改地进行利用，也可以使用通用的软件。但 原有的n c 系统不能实现开放化，并且系统的通信和响应较慢。 ( 2 ) p c 嵌入n c 型：该类型系统是将p c 装入到n c 内部，p c 与n c 之间 用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型n c 系统也可不加 修改就得以利用。缺点是不能直接利用通用p c ，开放性受到限制，通用p c 强大 的功能和丰富的软硬件资源不能得到有效的利用。这种数控系统尽管具有一定的 开放性，但由于它的n c 部分仍然是传统的数控系统，其体系结构还是不开放的。 ( 3 ) n c 嵌入p c 型：就是在p c 机的内部插入专用的n c 卡组成，它能充 分保证系统的性能，软件通用性强，并且编程处理灵活，但原有c n c 系统资源 很难得到利用。这是目前采用较多的一种结构形式，这种结构形式采用“p c + 运 动控制器”形式建造数控系统的硬件平台，其中以工业p c 为主控计算机，组件 采用商用标准化模块，总线采用p c i 总线形式，同时以多轴运动控制器作为系 统从机，进而构成主从分布式的结构体系。本文研究开发的数控系统就是采用 这种形式。 ( 4 ) 全软件c n c 型：该类型系统是指c n c 的全部功能均由p c 实现，其 软件的通用性好，编程处理灵活。软件化数控系统把运动控制器以应用软件的 形式实现，除了支持数控上层软件的用户定制外，其更深入的开放性还体现在 1 2 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 支持运动控制策略的用户定制。同时，软件数控系统更加向计算机技术靠拢， 并力图使数控技术成为先进制造上层应用的标准的设备驱动代理。这种结构形 式的数控系统，其主要功能部件均表现为应用软件的形式，这是实现形式上的 一种技术变革嗍。 3 1 2 全软件c n c 型的开放式数控系统 这种c n c 装置的主体是p c 机，充分利用p c 机不断提高的计算速度、不 断扩大的存储量和性能不断优化的操作系统，实现机床控制中的运动轨迹控制 和开关量的逻辑控制，此模式中c n c 控制软件主要承担实时性任务，如伺服控 制、路径规划、可编程逻辑控制；p c 机主要完成系统管理、数控编程、数控仿 真、图形插补和人机界面处理、网络功能等非实时任务。p c 机的控制内核是整 个数控系统的核心，它通过调用各种变量和功能的应用程序接口与c n c 控制软 件交换信息，并负责整个系统的协调工作。采用这种模式，在结构上可以将计 算机( p c ) 看成是上层控制部分。p c 机的主要功能就是根据具体装置的运动控 制类型，优化指令形式，属于上层控制，其控制软件也应是通用的。伺服电机 可以看成是下层的执行部件，由它具体完成运动控制。 3 2 基于p c 的开放式数控系统软硬件规划 基于p c 的开放式数控系统不仅应该能够简单的集成现有的软件和硬件，而 且能够有效运行专门的应用模块，因此开放式数控系统应该是功能模块化的系 统。模块化是用来把复杂系统( 包括硬件和软件) 分割成更小的可管理单元， 这些单元模块的接口需要以无二义性的方法明确定义，以使来自不同供应商的 模块能够组合在一起来完成一个规定的任务，模块间的数据交换用开放的通信 接口来处理。模块化使开放式数控系统具有可移植性、互操作性、互交换性、 可扩展性、可重用性等好处。而且它使机器制造商能够并敢于为他们专门的自 动化设计选配组件，从而能在短的时间内实现创造性设计。 模块化设计首先要从硬件的模块化集成化开始，到操作系统的开放性和实 时功能模块化，最后与软件的模块化结合实现最终的开放式控制。面对当今复 杂的数控系统，为了有效的实现从硬件到软件的转换，需要采用开放式模块的 软件结构和充分、正确的接口定义，使开放式控制系统容易适应各种自动化任 务。基于模块化的开放式数控系统不仅能通过现场总线与外部设备( 如传感器， 执行机构) 通信，而且在制造环境下通过局域网与高层系统通信。系统平台是 1 3 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 c n c 的结构框架，是开放体系结构的具体逻辑和物理实现，是开发c n c 系统的 基础。系统平台一方面将开放体系结构所得到的模型和规范变成具体的硬件和 软件实现系统，另一方面，将这一平台用于开发具体c n c 的方法和标准。系统 平台包括硬件、软件及其结构框架。经过仔细的分析，我们对整个系统进行了 规划：系统平台包括硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括机械结构实体和 伺服驱动系统实体部分，主要是满足硬件实时控制；软件部分主要是操作系统 的实时处理与控制软件的开发。操作系统和控制软件主要是对基于p c 机的数控 任务进行资源管理配置和生成控制指令。系统平台软、硬件的体系结构如图3 1 所示1 。 i 应用软件ll 应用软件2 卜 嚣 l 应用软件n i 享 ； 操作系统 设备驱动 贫 l 硬件构件ll 硬件构件2 i 尊 尊标准总线 卜 西 l 硬件构件n i 图3 1 系统平台软硬件的体系结构 3 3 系统软件主要功能模块的规划设计 系统的软件结构取决于系统中的软件和硬件分工。在信息处理方面，软件 和硬件在逻辑上是等价的，有些由硬件能完成的工作原则上也能由软件来完成。 但是硬件和软件有不同的特点：硬件处理速度快，但线路复杂故障率和造价高； 软件灵活、适应性强，但处理速度慢。在早期的n c 装置中，数控系统的全部信 息处理工作基本上都是由硬件来完成。随着微机技术的发展和运算速度的加快， 由软件完成的数控功能在逐渐增加。本系统采用软件方式来构造数控系统的大 部分功能模块，例如界面模块、运动控制模块、插补模块和翻译模块，系统软 件从功能上组织成如图3 2 所示的形式。 1 4 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 图3 - 2 系统平台软硬件的体系结构 图3 2 列出的翻译、解释、插补驱动等都是系统功能子模块，它们通过内核 的协调来完成具体的任务，如插补模块主要由内核定时启动来完成各种插补任 务。至于软硬件的协调工作，是通过驱动模块来实现的。它作为软件和硬件的 过渡，负责软件内核同硬件的数据交换。 ( 1 ) 用户界面模块实现用户的输入、系统的输出。用户输入主要是指用户 输入数控代码以及发出控制命令、进行系统配置等。系统输出主要是进行实时 仿真、显示当前加工状态等。 ( 2 ) 任务协调通信控制模块 这是系统的内核，是各个模块之间相互通信、协调工作的基础。此模块一 方面完成界面与控制层间的信息交换，另一方面还要负责系统各子模块任务的 协调，并实时向i o 卡发送数据或采集数据。 ( 3 ) 系统功能子模块 输入的数控文件不能直接驱动数控系统，必须经过翻译模块逐句或者整篇 地翻译成数控系统所使用的控制语句，调用系统的控制指令来控制机床的运动。 ( 4 ) 任务协调通信控制模块纠 任务协调通信控制模块不仅要与系统各功能模块进行通信，还要协调它们 的启动、运行。任务协调通信控制模块程序编制的好坏将直接关系到整个数控 系统的性能。充分利用w m d o w sn t 支持多线程这一特性，将系统各功能子模块 编制为系统协调通信控制模块( 内核) 下的各个地区线程式，并交由内核定时 启动、统一管理、协调运行。 1 5 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 3 4 五轴数控陶瓷雕刻机开放式数控系统软硬件设计及实现 3 4 1 硬件系统总体结构 考虑到经济性要求，本课题设计的五轴陶瓷雕刻机不使用运动控制卡，采用 基于m a c h 2 软件插补的形式。其硬件组成如图3 - 3 所示。基于p c 的并口l p t 的 开放式数控系统的硬件系统中，p c 部分是c n c 装置的核心，也是大多数数控软 件运行的系统平台。这部分硬件主要是对数据进行算术和逻辑运算，存储系统程 序、零件加工程序和运算的中问变量以及管理定时和中断信号等。当前的p c 机， 其配置足够r o a c h 2 软件用于控制步进电机。 在本课题中我们选择的步进电机每转一转可以分为2 0 0 整步，细分控制器能 把每一整部细分为8 微步，这样系统就能实现1 1 6 0 0 转的最小步距。在这样的速 度下驱动电机细分控制器每秒钟需要2 6 ，6 6 6 ( 1 0 0 0 2 0 0 x8 + 6 0 ) 个脉冲，在 l g i - i z 的电脑上m a c h 2 每秒可以产生3 5 0 0 0 个脉冲，在机床其他的四根轴也是一样 的，因此m a c h 2 可以以这样的速度控制电机。 雠畦 图3 - 3 五轴硬件示意图 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 3 4 1 1 并口资源的研究 在计算机领域【1 3 - 1 4 1 ，接v l 是微处理器或c p u 用来与其他组件之间进行数据交 换的一组信号线。接口的典型应用是连接打印机、键盘、显示器、调制解调器等。 大多数计算机接口都是数字式的，也就是说，要么是0 ，要么是l 。并口即打印机 接口，它和r s 2 3 2 端口一起构成p c 机通信的主要途径。 ( 1 ) 并口的系统资源 并口使用计算机的许多资源【1 5 】。每个接口都占用一个地址段，所不同的只是 地址段的长度和位置。许多接口配置有i r q ( 中断请求) 等级，而e c p 还可能分 配有d m a 通道。并口使用的系统资源不能与包括别的并口在内的其他系统组件 所占用的资源相冲突。标准并行接口使用三个连续地址，通常是下面列出地址范 围中的一个： 3 b c h ，3 b d h ，3 b e h 3 7 8 h ，3 7 9 h ，3 7 a h 2 7 8 h ，2 7 9 h ，2 7 a h 其中的第一个地址是接口的基地址，也称为数据寄存器地址或简称接口地址。 第二个地址为接口的状态寄存器地址，第三个则是控制寄存器地址。在早期的p c 机中，并口基地址是3 b c h ，新型系统采用3 7 8 h 作为基地址。但是系统为并口保 留了上述的三组地址，只要并口硬件兼容，还是可以将它配置到其中任何一个地 址域。通常d o s 和w m d o w s 系统将第一个接口称为l p t i ，第二个、第三个接口 依次称为l p t 2 和l p t 3 。尽管第一个接口可以出现在任何一个地址域中，但通常 它都放在3 7 8 h 处。目前的主板基本上都支持e c p 并口模式，它是以一种压缩的 技术方式来双向传输数据，其传输速率可达2 m b s 。这就为用l p t 口控制多轴运 动提供了可能。 ( 2 ) 并口的内部结构 并口在硬件上包含数据端口、状态端口和控制端口，其对应的地址为3 7 8 h ， 3 7 9 h ，3 7 a h ( 通常在一个并口情况下) 。图中描述了并口适配器的设计结构。在 该适配器和微处理器之间使用p c 总线接口进行连接。适配器的输出连接在一个 2 5 针d 型连接器上。 实际的并口使用了1 7 个信号，这些信号对应三个端口的分布情况如下：、 ( a ) 输出端口中有8 个数据信号，即数据端口： ( b ) 输入端口中有5 个状态信号，即状态端口； 1 7 第3 章 五轴雕刻机开放式数控系统 ( c ) 另一个输出端口有4 个信号，即控制端口。 具体介绍如下所述： ( a ) 数据端口数据端口或称为数据寄存器( d o d 7 ) 保存写入数据端口的 一个字节信息。当端口在双向数据接口中被作为输入使用时，数据寄存器中保存 的是从连接器数据线上读取的一个字节信息。 ( b ) 状态端口状态端口或称为状态寄存器保存的是5 个输入( s 3 s 7 ) 的逻 辑状态。s o s 2 位不出现在并口连接器中。除s 0 外，状态寄存器是只读的。s o 是支持e p p 传输并口的超时标志信息，可以用软件方法清零。 ( c ) 控制端口控制端口或称为控制寄存器保存c o - 4 2 3 的4 位状态信息。一 般说来，这些位被用作输出，但在有些模式中同样可以用作输入，如s p p 模式， 因为其控制位硬件电路为集电极开路漏极开路模式。要从控制位上读取外部逻辑 信号，先将相应的输出位写入1 ，然后再读取控制寄存器的值。 数据、状态、控制寄存器各位的具体定义参见表3 1 。 表3 1 并口各引脚的定义 1 8 第3 章五轴雕刻机开放式数控系统 在p c 机中，标准并行接口使用3 个8 位的端口寄存器( 表3 1 中未列出的位 开发者无法使用) 。p c 机就是通过对这些寄存器，也就是数据、状态、控制寄存 器的读写访问并口信号的。8 个数据位分别为d o - d 7 ，5 个状态位为s 3 s 7 ，4 个控制位为c 0 - - c 3 。其中字母表示端口寄存器，数字表示该信号在寄存器中的位。 在此，根据并口l p t l 的特点，用引脚2 、3 分别控制x 轴脉冲、x 轴方向； 用引脚4 、5 分别控制y 轴脉冲、y 轴方向；引脚6 、7 分别用来控制z 轴脉冲、 z 轴方向；引脚8 、9 分别用来控制a 轴脉冲、a 轴方向；并口l p t 2 引脚2 、3 分别用来控制c 轴脉冲、c 轴方向；用引脚1 0 控制急停；引脚l l 、1 2 、1 3 、1 5 分别用来控制x 、y 、z 、a 的限位。 3 4 1 25 7 b y g 混合式步进电机及其驱动器简介 步进电动机又称脉冲电动机。它采用变磁阻原理产生电磁转矩，将数字的 电脉冲输入转换为模拟的输出轴运动。每输入一个脉冲，旋转式步进电动机的 输出轴转动一步。因此，当输入一串脉冲序列时，输出轴就以等增量的转角响 应输入序列，输出步数等于输入脉冲个数，转速与输入脉冲频率成正比。 步进电动机与一般伺服电动机比较，其特点是：可以实现直接数字控制，