经济型五轴雕刻数控机床的设计与实现

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）

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。

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。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：

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。

图2 硬件系统工作原理图

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。

图4 串口通讯基本流程图

图5 人机界面

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；

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。

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