李文星，郭貴中

LI Wen-xing，GUO Gui-zhong

（新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 451003）

0 引言

五軸加工是指在一臺(tái)機(jī)床上至少有五個(gè)坐標(biāo)軸，三個(gè)直線(xiàn)坐標(biāo)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)，而且可以在計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的控制下同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加工。這樣五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工與一般的三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工相比，主要有1）提高加工質(zhì)量和效率，2）擴(kuò)大工藝范圍，可以用于復(fù)雜曲面和斜空斜面的加工；同時(shí)，五軸加工也存在很多難點(diǎn)，需要在開(kāi)發(fā)的過(guò)程中重點(diǎn)考慮的問(wèn)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(shí)，需要多次坐標(biāo)變換和空間幾何運(yùn)算；2）對(duì)NC插補(bǔ)控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求十分嚴(yán)格，旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的微小誤差就會(huì)大幅度降低加工精度。3）只能針對(duì)特定的機(jī)床編制后置處理程序，難度較高；4）五軸機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造更復(fù)雜；針對(duì)以上特點(diǎn)，在開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)型雕刻數(shù)控系統(tǒng)的五軸加工設(shè)備中，盡量避開(kāi)某些難點(diǎn)，只要求滿(mǎn)足特定功能，也是可行的。

1 具體技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1.1 雕刻數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)

結(jié)合雕刻加工特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)對(duì)雕刻過(guò)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(dòng)立式結(jié)構(gòu)的機(jī)械本體設(shè)計(jì)。數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械本體部分的結(jié)構(gòu)示意如圖1，X軸通過(guò)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，雕刻刀可以繞坐標(biāo)軸X軸旋轉(zhuǎn)A＝（－45°≤A≤45°）；繞Y軸擺動(dòng)B＝（－45°≤A≤45°）。五個(gè)軸方向上的驅(qū)動(dòng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)裝置采用絲杠－螺母?jìng)鲃?dòng)副，并且在Z軸上配備一個(gè)雕刻電動(dòng)機(jī)以驅(qū)動(dòng)高速旋轉(zhuǎn)的雕刻刀具。

圖1 數(shù)控雕刻機(jī)機(jī)械本體的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

驅(qū)動(dòng)采用開(kāi)環(huán)控制，最簡(jiǎn)單的步進(jìn)控制系統(tǒng)包括脈沖發(fā)生器（控制單元）、驅(qū)動(dòng)器和電源。為了消除因過(guò)載而產(chǎn)生的步進(jìn)電機(jī)丟步，采取了在數(shù)據(jù)文件的加工代碼切深過(guò)大時(shí)報(bào)警的方法來(lái)代替閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)丟步的檢測(cè)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了減少下位機(jī)（單片機(jī)AT89C52）的運(yùn)算量，數(shù)控程序的后置處理由上位機(jī)（PC）完成，串行口向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送每個(gè)軸步進(jìn)電機(jī)的脈沖個(gè)數(shù)和方向。對(duì)于A、B兩軸，精密電控旋轉(zhuǎn)臺(tái)選用的步進(jìn)電機(jī)每200步轉(zhuǎn)一周，即單脈沖1.8o，轉(zhuǎn)臺(tái)的減速比i=180，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的細(xì)分?jǐn)?shù)M＝4。所以數(shù)控系統(tǒng)每輸出一個(gè)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(shè)計(jì)

機(jī)械本體硬件系統(tǒng)的輸入信號(hào)包括五個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)必須有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一個(gè)是脈沖信號(hào)，另一個(gè)是方向信號(hào)?？刂撇竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，就是要控制這兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間序列，PC機(jī)通過(guò)串行口輸出脈沖和方向控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，最終控制執(zhí)行元件。機(jī)械本體的輸出信號(hào)包括五個(gè)軸方向上的位置控制信號(hào)。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到目前雕刻軟件已經(jīng)成熟，數(shù)控設(shè)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(fù)責(zé)進(jìn)給路徑的讀入，各軸進(jìn)給脈沖的輸出、方向控制以及和上位機(jī)的通訊，不需要執(zhí)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)函數(shù)。具體數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采取了分離式的設(shè)計(jì)，運(yùn)用五個(gè)單片機(jī)AT89C52分別控制雕刻機(jī)的五個(gè)坐標(biāo)軸，每個(gè)單片機(jī)單元分別完成數(shù)控代碼的讀取、判別、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給等操作，并有一個(gè)單片機(jī)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)以及和上位機(jī)的通訊。這樣的結(jié)構(gòu)可以盡量簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)和程序編制，結(jié)構(gòu)緊湊，功能明了，符合經(jīng)濟(jì)性的目標(biāo)。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(gè)坐標(biāo)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(jī)及外圍電路，以及驅(qū)動(dòng)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(lái)自上位機(jī)的控制信息，并反饋信息。2）必須考慮五個(gè)軸控單片機(jī)之間的協(xié)調(diào)，以及五個(gè)軸控單片機(jī)向上位機(jī)反饋信息的方式。3）軸控單片機(jī)向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出控制信號(hào)，控制五個(gè)軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于AT89C52和8051單片機(jī)指令集和引腳都是兼容的，擁有片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器，所以方便程序修改、重新編程寫(xiě)入等操作。RS232接口更便于連接外部設(shè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生電平不一致的問(wèn)題，必須進(jìn)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(gè)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(jìn)行串行通訊時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)異步通訊方式，通過(guò)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(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)起始位（0）和一個(gè)停止位（1），波特率可變。

為了保證聯(lián)動(dòng)的效果，必須建立五個(gè)軸控單片機(jī)之間的協(xié)調(diào)機(jī)制。具體實(shí)現(xiàn)通過(guò)設(shè)定P1.3～p1.6四個(gè)管腳為X軸控單片機(jī)與其余四個(gè)軸控單片機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)通訊的端口，當(dāng)上位機(jī)向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送控制指令的時(shí)候，各軸控單片機(jī)接受各自需要執(zhí)行的數(shù)據(jù)，在規(guī)定的時(shí)間段內(nèi)同時(shí)驅(qū)動(dòng)各軸進(jìn)給，并在完成動(dòng)作后向X軸控單片機(jī)反饋信息；當(dāng)其余四軸都和X軸本身也進(jìn)給完畢后，由X軸控單片機(jī)向上位機(jī)發(fā)送信息，上位機(jī)響應(yīng)并且進(jìn)行下一次的數(shù)據(jù)發(fā)送。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)的串行通信及步進(jìn)電機(jī)控制程序

匯編語(yǔ)言是單片機(jī)最常用的語(yǔ)言，在基于前面的硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，AT89C52單片機(jī)程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)更加高效便捷。由于硬件設(shè)計(jì)中，X軸控單片機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)下位機(jī)的協(xié)調(diào)控制，并與上位機(jī)進(jìn)行通訊的功能，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮串口通訊的實(shí)現(xiàn)。

圖3 X軸控單片機(jī)程序流程圖

3.2 上位機(jī)的VC++6.0串行通信程序

上位機(jī)的串行通信程序?qū)⒁獙?shí)現(xiàn)完成以下工作：讀取數(shù)控文件，將代碼轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制，發(fā)送數(shù)控代碼。通過(guò)Microsoft 公司的VC++6.0提供的MSComm（Microsoft Communication Control）控件實(shí)現(xiàn)串行端口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，不需要了解較為復(fù)雜的API函數(shù)，編程非常方便。在設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，控件采用了事件驅(qū)動(dòng)法處理通信問(wèn)題，即當(dāng)有新字符到達(dá)，或者端口狀態(tài)改變，或發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，MSComm控件將發(fā)送OnComm事件，應(yīng)用程序在捕獲該事件后，通過(guò)檢查MSComm控件的CommEvent屬性，可以獲知所發(fā)生的事件或錯(cuò)誤，從而采取響應(yīng)的操作。這種方法程序響應(yīng)及時(shí)，可靠性高，為整個(gè)機(jī)床的性能提供了軟件保證。圖4列出了上位機(jī)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(jī)界面

3.3 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)及總體軟件實(shí)時(shí)性的實(shí)現(xiàn)

為了方便操作，為整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于Windows的人機(jī)界面，主要包括一下幾個(gè)部分：

控制界面部分：設(shè)置了手動(dòng)按鈕，參數(shù)設(shè)置等操作；

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

加工軌跡仿真/實(shí)時(shí)監(jiān)控界面部分：模擬仿真刀具軌跡的運(yùn)動(dòng)，監(jiān)控加工過(guò)程刀具軌跡的運(yùn)動(dòng)；

由于Windows的多任務(wù)機(jī)制多少會(huì)影響定時(shí)的精度，在軟件的設(shè)計(jì)中采取兩條措施加以改進(jìn)。一是提高雕刻監(jiān)控程序的線(xiàn)程優(yōu)先級(jí)，二是在執(zhí)行雕刻加工時(shí)盡量不要運(yùn)行占CPU資源多的其他程序。通過(guò)具體的雕刻試驗(yàn)表明，采用這種方案編制的雕刻監(jiān)控程序完全可以達(dá)到實(shí)時(shí)控制的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

采用PC＋單片機(jī)構(gòu)成的雕刻數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)緊湊，功能明了，能夠節(jié)約成本，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)型機(jī)床的要求，并且能夠滿(mǎn)足雕刻精度要求不是太高的加工任務(wù)。經(jīng)過(guò)平面雕刻試驗(yàn)驗(yàn)證，在雕刻過(guò)程中，雕刻機(jī)運(yùn)行平緩，各軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，加工質(zhì)量完全可以達(dá)到特定產(chǎn)品的要求。

[1]佘洪林，熊正鵬.立體雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和研制[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004（6）.

[2]徐志明，陳金城，馮正進(jìn).Windows平臺(tái)上三軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控雕刻機(jī)的開(kāi)發(fā)[J].制造技術(shù)與車(chē)床，2002（4）.

[3]王青松，傅建中.面向?qū)ο蟮挠?jì)算機(jī)數(shù)控雕刻控制軟件[J].機(jī)電一體化，2000（6）.

[4]郭陽(yáng).協(xié)同式虛擬設(shè)計(jì)與快速試制系統(tǒng)算法與顯示研究[D].北京：清華大學(xué)機(jī)械工程系，2003.

[4]Anon.Engrave on a CNC mill[J].American Machinist，2003，chicago，14-22.