李文星，郭貴中

LI Wen-xing，GUO Gui-zhong

（新鄉(xiāng)學院 機電工程學院，新鄉(xiāng) 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(zhuǎn)坐標，而且可以在計算機數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時協(xié)調(diào)運動進行加工。這樣五軸聯(lián)動數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動數(shù)控加工相比，主要有1）提高加工質(zhì)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(fā)的過程中重點考慮的問題。主要體現(xiàn)在1）五軸數(shù)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(qū)動系統(tǒng)要求十分嚴格，旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)設計和制造更復雜；針對以上特點，在開發(fā)經(jīng)濟型雕刻數(shù)控系統(tǒng)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(shù)實現(xiàn)

1.1 雕刻數(shù)控系統(tǒng)的機械本體設計

結(jié)合雕刻加工特點，經(jīng)過對雕刻過程的空間結(jié)構(gòu)和改裝可行性分析，采用X，Y，Z，A，B五軸聯(lián)動立式結(jié)構(gòu)的機械本體設計。數(shù)控雕刻機機械本體部分的結(jié)構(gòu)示意如圖1，X軸通過工作臺轉(zhuǎn)動實現(xiàn)，雕刻刀可以繞坐標軸X軸旋轉(zhuǎn)A＝（－45°≤A≤45°）；繞Y軸擺動B＝（－45°≤A≤45°）。五個軸方向上的驅(qū)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(qū)動高速旋轉(zhuǎn)的雕刻刀具。

圖1 數(shù)控雕刻機機械本體的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動系統(tǒng)

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

2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件總體設計

機械本體硬件系統(tǒng)的輸入信號包括五個步進電動機驅(qū)動信號。步進電動機驅(qū)動必須有兩個驅(qū)動信號來實現(xiàn)，一個是脈沖信號，另一個是方向信號。控制步進電動機的驅(qū)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(jīng)過功率放大器，驅(qū)動步進電機，最終控制執(zhí)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(tǒng)設計中，考慮到目前雕刻軟件已經(jīng)成熟，數(shù)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(shù)控系統(tǒng)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(zhí)行復雜的運動函數(shù)。具體數(shù)控系統(tǒng)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(shù)控代碼的讀取、判別、驅(qū)動步進電機進給等操作，并有一個單片機負責協(xié)調(diào)運動以及和上位機的通訊。這樣的結(jié)構(gòu)可以盡量簡化電路的設計和程序編制，結(jié)構(gòu)緊湊，功能明了，符合經(jīng)濟性的目標。硬件系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(qū)動系統(tǒng)的組成。

數(shù)控系統(tǒng)的功能主要體現(xiàn)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(xié)調(diào)，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(qū)動系統(tǒng)發(fā)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(nèi)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(chǎn)生電平不一致的問題，必須進行電平轉(zhuǎn)換，在此，采用幾成電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232 CPE（16）為RS-232C/TTL電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)送數(shù)據(jù)，RXD端接受數(shù)據(jù)，通訊格式為每幀10位，包括8個數(shù)據(jù)位，一個起始位（0）和一個停止位（1），波特率可變。

為了保證聯(lián)動的效果，必須建立五個軸控單片機之間的協(xié)調(diào)機制。具體實現(xiàn)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(xié)調(diào)通訊的端口，當上位機向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令的時候，各軸控單片機接受各自需要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，在規(guī)定的時間段內(nèi)同時驅(qū)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(fā)送信息，上位機響應并且進行下一次的數(shù)據(jù)發(fā)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(xié)調(diào)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(xiàn)。

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?qū)⒁獙崿F(xiàn)完成以下工作：讀取數(shù)控文件，將代碼轉(zhuǎn)化為二進制，發(fā)送數(shù)控代碼。通過Microsoft 公司的VC++6.0提供的MSComm（Microsoft Communication Control）控件實現(xiàn)串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要了解較為復雜的API函數(shù)，編程非常方便。在設計實現(xiàn)過程中，控件采用了事件驅(qū)動法處理通信問題，即當有新字符到達，或者端口狀態(tài)改變，或發(fā)現(xiàn)錯誤時，MSComm控件將發(fā)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(fā)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?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)

為了方便操作，為整個數(shù)控系統(tǒng)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(shù)設置等操作；

數(shù)控加工程序編輯界面部分：實現(xiàn)數(shù)控代碼的編寫編輯，輸入程序，暫停執(zhí)行等操作；

加工軌跡仿真/實時監(jiān)控界面部分：模擬仿真刀具軌跡的運動，監(jiān)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(jiān)控程序的線程優(yōu)先級，二是在執(zhí)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(jiān)控程序完全可以達到實時控制的要求。

4 結(jié)束語

采用PC＋單片機構(gòu)成的雕刻數(shù)控系統(tǒng)的設計方案結(jié)構(gòu)緊湊，功能明了，能夠節(jié)約成本，滿足經(jīng)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(jīng)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(xié)調(diào)運動，加工質(zhì)量完全可以達到特定產(chǎn)品的要求。

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