经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现.pdf

124 第33卷 第1期 2011 1 下 收稿日期 2010 10 02 作者简介 李文星 1968 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 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 NC 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 1 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 45 A 45 绕 Y 轴摆动 B 45 A 45 五个轴方向上的驱动采用步进电动机 传动装置采用丝杠 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 经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现 Designation and development on CNC system of fi ve dimensional economic engraving machine 李文星 郭贵中 LI Wen xing GUO Gui zhong 新乡学院 机电工程学院 新乡 451003 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 TG659 文献标识码 B 文章编号 1009 0134 2011 1 下 0124 04 Doi 10 3969 j issn 1009 0134 2011 1 下 42 z z Y Y A B X X 图1 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 AT89C52 的运算量 数控 程序的后置处理由上位机 PC 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 第33卷 第1期 2011 1 下 125 对于 A B 两轴 精密电控旋转台选用的步进电机 每 200 步转一周 即单脉冲 1 8o 转台的减速比 i 180 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 度 脉冲 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 PC 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 AT89C52 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 AT89C52 和 8051 单片机指令集和引脚都是兼容 的 拥有片内 FLASH 存储器 所以 方便程序修改 重新编程写入等操作 RS232 接 口更便于连接外部设备 由于接口 RS 232C 输入 输出电平和采用 TTL 电平的 AT89C52 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 MAX232 CPE 16 为 RS 232C TTL 电平转换 它使用单 5V 电源 配接 4 个 0 01nF 电解电容 即可完成 RS 232 电平 与 TTL 电平之间的转换 AT89C52 和 PC 进行串 行通讯时采用标准异步通讯方式 通过 TXD 端发 送数据 RXD 端接受数据 通讯格式为每帧 10 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 P1 3 p1 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 AT89C52 单片机程序采用 图2 硬件系统工作原理图 126 第33卷 第1期 2011 1 下 3 2 上位机的VC 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 Microsoft 公司的 VC 6 0 提供 的 MSComm Microsoft Communication Control 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 API 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 MSComm 控 件 将 发 送 OnComm 事 件 应 用程序在捕获该事件后 通过检查 MSComm 控件 的 CommEvent 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 图4 串口通讯基本流程图 开始 串行通信初始化 等待PC 上位机 发送数据 数控文件结束标志 x轴优先执行完毕 其余各轴执行完毕 反馈运动完成信号 返回 符合规定格式 各轴取走各自的数据信息 查询各轴协调通讯状态位 脉冲频率计算 确定方向 脉冲发送 Y N Y N Y Y N N 图3 X轴控单片机程序流程图 图5 人机界面 Windows 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 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 下转第143页 第33卷 第1期 2011 1 下 143 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 中文菜单 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 2003 2 XC系列可编程控制器用户手册 无锡信捷电子有限公司 2010 3 林风 变频器的技术与应用 J 电器工业 2009 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 2006 7 5 曹春宜 双面钻孔组合机床的改造 J 大众科技 2010 1 6 许为民 基于PLC的全自动气动钻床控制系统设计 J 液压与气动 2009 12 7 李莉娅 PLC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 2007 3 由于 Windows 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 CPU 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 PC 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 佘洪林 熊