徐 銘 琚 海

（①安陽工學(xué)院，河南安陽455000;②安陽市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心，河南安陽 455000）

數(shù)控雕刻技術(shù)是傳統(tǒng)雕刻技術(shù)與現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。它秉承傳統(tǒng)雕刻精細輕巧、靈活自如的操作特點，利用數(shù)控加工技術(shù)，結(jié)合高轉(zhuǎn)速、小進給和快走刀的加工方式，在工件上完成文字、圖案的加工。數(shù)控雕刻機分國外進口和國產(chǎn)兩大類。如:美國“雕霸”、日本“御牧”、上?！白哪绝B”等，但由于其價格較高、雕刻系統(tǒng)專業(yè)性強、整體結(jié)構(gòu)不開放、不便于功能擴展等原因，不能滿足小企業(yè)對雕刻加工的需要。為此，在傳統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機的控制系統(tǒng)進行了深入分析和研究。

1 控制系統(tǒng)硬件部分

1.1 主控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響雕刻機的加工性能、工件的加工精度等諸多方面。現(xiàn)代雕刻機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主從式結(jié)構(gòu)兩種。經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機主要應(yīng)用于小企業(yè)的雕刻加工，要求結(jié)構(gòu)簡單，成本低，穩(wěn)定性好。綜合以上因素，本系統(tǒng)采用單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過計算機CPU直接控制和管理整個雕刻系統(tǒng)，一切操作和功能都由個人計算機實現(xiàn)。如圖1所示，個人計算機通過分時處理的方式負責(zé)圖形處理、步進電動機進給、主軸旋轉(zhuǎn)，讀取操作人員的鍵盤命令等多項功能，從而合理地完成雕刻加工。

PC機通過對并口輸入輸出信息的控制來完成雕刻機各功能［1］。PC機并口一般有12個輸出口和5個輸入口可供利用，能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機I/O信號的要求。利用雕刻軟件輸出多通道數(shù)字波形實現(xiàn)對主軸電動機和步進電動機的控制，通過鍵盤信號可實現(xiàn)操作人員與控制系統(tǒng)的交流。與采用主從式結(jié)構(gòu)相比，雕刻機采用單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下幾個特點:

（1）結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。

（2）傳輸效率高，對數(shù)據(jù)處理能力強。

（3）利用PC機進行插補計算時，速度快且計算準確，可提高加工速度和加工精度。

1.2 主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)

雕刻機數(shù)控系統(tǒng)包括主運動系統(tǒng)和進給運動系統(tǒng)兩部分。鑒于經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機控制系統(tǒng)的目標精度要求不高，負載變化不大，加之開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、價格便宜、容易調(diào)試和便于維修等特點，該系統(tǒng)選用開環(huán)控制。主運動采用電主軸驅(qū)動的開環(huán)控制，如圖2所示。進給運動系統(tǒng)采用步進電動機驅(qū)動的開環(huán)控制，其組成原理如圖3所示。數(shù)控系統(tǒng)將工件的信息處理后，輸出指令信號給伺服裝置，驅(qū)動主軸及工作臺運動［2］。由于沒有檢測反饋功能，其精度主要取決于驅(qū)動元器件和步進電動機的性能，速度和控制精度的提高雖受到一定限制，但穩(wěn)定性較好，調(diào)試和維修比較方便。

1.3 步進電動機驅(qū)動電路

步進式伺服系統(tǒng)由步進電動機和步進電動機驅(qū)動控制電路（圖4所示）組成。系統(tǒng)采用TA8435步進電動機專用驅(qū)動芯片將具有一定頻率和方向的進給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進電動機各相繞組通、斷電的電平信號，經(jīng)功率放大后，發(fā)送給步進電動機。步進電動機通過彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠將脈沖信號轉(zhuǎn)換為移動部件的位移量、進給速度和進給方向，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)對位移的控制。

本系統(tǒng)所用步進電動機要求具有一定的定位精度和力矩輸出，電流比較大，諧波成分高，且電流交變的頻率隨轉(zhuǎn)速變化。因此，步進電動機在使用過程中會出現(xiàn)較大的發(fā)熱。由于電動機內(nèi)部各部分熱膨脹系數(shù)不同，發(fā)熱將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)應(yīng)力和內(nèi)部氣隙的微小變化，影響電動機的動態(tài)響應(yīng)，容易失步［3］。綜合以上因素，有必要對步進電動機的發(fā)熱加以控制。利用 NE555實現(xiàn)步進電動機的半流控制，如圖5所示。當步進脈沖停止時間超過10 ms時，電動機線圈的電流在NE555的控制下自動減半，從而有效地減小了電動機的發(fā)熱。

2 控制系統(tǒng)軟件部分

2.1 軟件功能

作為經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機的編輯平臺，本系統(tǒng)所用雕刻軟件采用PC機的LPT或USB接口作為CNC設(shè)備的輸入和輸出端，控制脈沖和方向信號，驅(qū)動電主軸和步進電動機運動［4］。軟件功能強大，性能穩(wěn)定，人機界面友好，文件格式兼容，操作簡單。軟件主要功能如圖6所示。該軟件將標準PC電腦轉(zhuǎn)換為全功能的CNC控制器，最高可實現(xiàn)六軸聯(lián)動控制，支持DXF、BMP、JPG、HPGL等多種文件格式輸入，可實現(xiàn)視覺G代碼顯示、主軸轉(zhuǎn)速控制、多重繼電器控制及手動脈沖生成，具有三維數(shù)字化顯示跟蹤功能、程序跳段執(zhí)行（斷點記憶）等多項功能。

本系統(tǒng)所用雕刻軟件可實現(xiàn)自動編程和手動編程。其中，手動編程支持常規(guī)G代碼、M代碼輸出，方便使用者根據(jù)實際需要編制程序，實現(xiàn)加工。在雕刻加工過程中，可通過程序運行窗口實時觀察程序的運行情況（圖7所示）。

本系統(tǒng)雕刻軟件設(shè)有仿真功能區(qū)，即采用計算機圖形學(xué)的手段，對加工走刀和工件切削過程進行模擬。在仿真過程中，操作者還可從主界面的坐標顯示區(qū)實時地

觀察刀具的坐標變化（圖8）。使操作者能預(yù)先看到雕刻過程，發(fā)現(xiàn)雕刻過程中的不足，有效預(yù)測數(shù)控加工和切削過程的可靠性。

2.2 軟件參數(shù)設(shè)置

經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機按照工程使用要求設(shè)計，可完成美術(shù)字、小型電路板等的加工。在進行雕刻加工時，需掌握工件安裝、雕刻軟件參數(shù)設(shè)置、加工等重要環(huán)節(jié)的操作（如圖9所示）。

一系列參數(shù)設(shè)定之后，將編好的程序引入程序運行區(qū)，雕刻加工便可開始。操作者在刀具運行過程中，可通過仿真功能區(qū)結(jié)合加工現(xiàn)場，實時地關(guān)注整個加工過程。遇到緊急情況，可按主界面的“急?！辨I（圖10所示），令加工暫停。

3 結(jié)語

該經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機采用單機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以PC機作為其CNC系統(tǒng)的軟、硬件基礎(chǔ)。利用PC機強大的系統(tǒng)資源控制和管理整個雕刻機系統(tǒng)，通過分時處理的方式由計算機完成圖形處理、步進電動機進給、讀取操作人員的鍵盤命令等多項功能，使整個CNC系統(tǒng)的控制過程安全、可靠。經(jīng)過實際應(yīng)用，經(jīng)濟型數(shù)控雕刻機的控制系統(tǒng)硬件安全可靠，軟件功能強大，操作簡單。實現(xiàn)了整機的經(jīng)濟合理、方便實用。

［1］劉天標.微型計算機組成原理及接口技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2002.

［2］任玉田，包杰，喻逸君，等.新編機床數(shù)控技術(shù)［M］.北京:北京理工大學(xué)出版社，2005.

［3］于政濤，林喜榮，周云龍，等.基于微機的激光雕刻機控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2000（12）:9 －11.

［4］白建華，潘建峰，范劍，等.一種基于 Windows的全軟件數(shù)控系統(tǒng)［J］.機電工程，2004（9）:39 －42.