孫 杰 仲廣玉

（遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧撫順 113001）

目前我國五軸數(shù)控加工機(jī)床大多數(shù)是采用西門子公司等國外的硬件系統(tǒng)和控制軟件，其價(jià)格高昂，不利于五軸數(shù)控加工技術(shù)在眾多的小型機(jī)加工企業(yè)的開展和應(yīng)用。在考慮滿足數(shù)控系統(tǒng)加工要求同時(shí)，應(yīng)盡可能地減少硬件設(shè)計(jì)成本，提高控制系統(tǒng)的性價(jià)比和可靠性。

Mach3控制軟件，是美國Artsoft公司的基于通用PC計(jì)算機(jī)構(gòu)架和Windows 2000/XP操作系統(tǒng)的開放式CNC控制軟件，很好地融合了圖1所示的6種功能模塊，是比較理想的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的選擇。該軟件通過PC機(jī)并口或USB口（需要專用驅(qū)動(dòng)器）控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，使用方便，設(shè)置功能齊全。本文針對(duì)Mach3軟件的核心功能開發(fā)出一種專用的并行雙向多功能接口卡，與PC構(gòu)架工控板和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器配套搭建成了低成本的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控硬件控制系統(tǒng)。

1 PC機(jī)的系統(tǒng)硬件選擇

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵組成部分之一。機(jī)床的控制系統(tǒng)與其結(jié)構(gòu)要相互協(xié)調(diào)工作，才能完成對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的高效加工。通過PC計(jì)算機(jī)的并口直接控制和管理整臺(tái)機(jī)床，加工運(yùn)動(dòng)軌跡和控制功能都由PC計(jì)算機(jī)通過控制接口來實(shí)現(xiàn)，從而精確地完成五軸加工過程。

1.1 PC計(jì)算機(jī)構(gòu)架的選擇

因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)是利用PC計(jì)算機(jī)的并口進(jìn)行輸出控制信號(hào)，所以計(jì)算機(jī)構(gòu)架的選擇要滿足體積小功耗低，并具有并行輸出接口，為此選用了intel的雙核Atom 330工控板，CPU頻率為1.6 GHz，945GC芯片組，集成顯卡，1 G內(nèi)存，整個(gè)主板功耗為8 W，并帶有串并口和顯示器接口，整塊板尺寸為17 cm×17 cm，滿足控制系統(tǒng)的硬件要求。

1.2 利用并口雙向數(shù)據(jù)傳輸模式傳遞數(shù)控信號(hào)

PC機(jī)并口通訊技術(shù)經(jīng)歷多年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)形成了統(tǒng)一的1284標(biāo)準(zhǔn)。在這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中，目前定義了5種并口通訊模式，如表1所示。

表1 并口的5種通訊模式

其中，增強(qiáng)模式（EPP）和擴(kuò)容模式（ECP）并口支持雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率都能夠達(dá)到2 Mb/s以上，滿足一般的數(shù)控信號(hào)要求。這兩種模式是一般并口外設(shè)和主機(jī)廣泛支持的并口工作模式。由于EPP模式的操作時(shí)序簡單，本文將其作為首選數(shù)據(jù)通訊模式。

1.3 PC機(jī)并口的五軸數(shù)控信號(hào)安排

PC機(jī)并口共計(jì)25個(gè)針腳，由于每路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要2個(gè)數(shù)字位（脈沖和方向）控制，五軸系統(tǒng)共占用并口10個(gè)數(shù)字位輸出脈沖和方向信號(hào)，并通過步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。另外電荷泵輸出、冷卻液控制和主軸PWM控制信號(hào)各用1個(gè)數(shù)字位，共計(jì)占用3個(gè)并口輸出數(shù)字位。并口的其他數(shù)據(jù)位用來檢測限位開關(guān)信號(hào)、電子手輪信號(hào)以及急停輸入信號(hào)。并口數(shù)據(jù)位資源有限，采用將5個(gè)軸電動(dòng)機(jī)的限位分別串聯(lián)或并聯(lián)的連接方法，其總共占用1個(gè)數(shù)字位。急停開關(guān)輸入信號(hào)占用1個(gè)數(shù)字位，手輪占用2個(gè)數(shù)字位。具體信號(hào)針腳安排如表2所示。

在五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)中，CNC控制軟件將CAM后處理生成的加工G代碼程序轉(zhuǎn)換成插補(bǔ)所需的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行插補(bǔ)形成進(jìn)給數(shù)據(jù)以及其他開、關(guān)數(shù)據(jù)，然后由并口的寄存器經(jīng)并行雙向控制接口電路和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出，從而來控制各軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的進(jìn)給和主軸頭電動(dòng)機(jī)的PWM轉(zhuǎn)速控制。對(duì)工作流程的控制（如加工開始、結(jié)束、暫停、重新加工等）是通過操作界面上的相應(yīng)按鈕來控制輸入信號(hào)的，這些信號(hào)通過并口的寄存器輸入控制系統(tǒng)的工作。

表2 并口信號(hào)針腳安排

2 SJ－122并行雙向控制接口卡的設(shè)計(jì)

本文自行設(shè)計(jì)了SJ－122并行雙向五軸控制接口卡，內(nèi)部單元框圖如圖2所示，分配數(shù)控信號(hào)見表2，主要用來完成PC計(jì)算機(jī)的并行口與五軸數(shù)控聯(lián)動(dòng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸和機(jī)床狀態(tài)信號(hào)的檢測任務(wù)，這是保證機(jī)床能否按照工藝加工要求準(zhǔn)確和可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

下邊具體介紹接口卡幾個(gè)相關(guān)主要功能的設(shè)計(jì)內(nèi)容。

2.1 脈沖、方向信號(hào)的緩沖電路

SJ－122設(shè)置了雙向數(shù)據(jù)信號(hào)緩沖電路，見圖3，在計(jì)算機(jī)并口和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器之間起到了緩沖隔離的效果，所有的數(shù)據(jù)輸出口都有上拉電阻，保證了信號(hào)傳遞的可靠性。

改變 JP1 的跳線方式，可通過 J1、J2、J3、J4、J5 的COM端控制公共端為+5 V（1和2短接）或公共端為參考地（2和3短接）的光隔離電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

改變JP2的跳線方式，可以改變緩沖電路的使能控制模式，1和2短接緩沖電路總有效，2和3短接，緩沖電路使能接受來自電荷泵電路的控制，可以防止開關(guān)機(jī)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的沖擊和誤動(dòng)作。

改變JP5的跳線方式，可以改變緩沖電路的信號(hào)方向，1和2短接緩沖電路為輸出方式;空（不接）緩沖電路為輸入方式;2和3短接，緩沖電路使能受電荷泵電路控制信號(hào)傳遞的方向。

2.2 電荷泵信號(hào)控制電路

電荷泵控制電路（看門狗電路，見圖4）是配合Mach3 CNC控制軟件工作的，軟件通過并口pin17發(fā)出15 kHz的脈沖信號(hào)，在PC運(yùn)行的軟件非正常工作時(shí)使電荷泵動(dòng)作（其動(dòng)作取決于跳線JP3和JP2的設(shè)置），會(huì)引起圖3的緩沖電路無效，禁止所有的信號(hào)輸出，防止電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作。

2.3 信號(hào)輸入控制電路

圖5是外部狀態(tài)信號(hào)輸入電路。PC機(jī)并口引腳13、14、15和16為通用的輸入端。每個(gè)狀態(tài)輸入都有2 kΩ的上拉電阻和一個(gè)低通濾波器（濾除高頻噪聲）。這個(gè)輸入可以被外部集電極驅(qū)動(dòng)器或機(jī)械開關(guān)轉(zhuǎn)換為接地，而不用時(shí)則斷開，由上拉電阻提供邏輯高電平。是用來完成限位和手輪等外部信號(hào)的輸入控制。

2.4 Fault（故障）和E－Stop（急停）控制電路

SJ－122提供了E－Stop（緊急停止）和Fault（故障）輸入控制，見圖6。E－Stop輸入是一個(gè)緊急停止信號(hào)，外部要連接一個(gè)常閉開關(guān)與地相連，正常工作時(shí)為低電平，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由上拉電阻置高電平系統(tǒng)緊急剎車。Fault輸入有一個(gè)100 kΩ的上拉電阻，它的默認(rèn)狀態(tài)是“無故障”。E－Stop和Fault輸入聯(lián)合驅(qū)動(dòng)PC并行口內(nèi)的pin16“～Ack”信號(hào)和圖3緩沖電路上的緩沖使能。

2.5 限位開關(guān)的外部接線方式

為了充分利用并口的有限資源，五軸運(yùn)動(dòng)的限位觸發(fā)采用常閉開關(guān)串聯(lián)方式或常開開關(guān)并聯(lián)方式，這樣只占用1個(gè)并口數(shù)字位即可完成多軸的限位控制，接線方式見圖7。

還有冷卻液、主軸PWM轉(zhuǎn)速等輸出控制電路和以上介紹的主要電路組成了SJ－122并行雙向五軸控制接口卡，接口卡成品如圖8所示。

3 配套控制軟件的技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)采用的Mach3控制軟件，是美國Artsoft公司的基于Windows 2000/XP操作系統(tǒng)的開放式CNC控制軟件。其主要特點(diǎn):支持最多6軸聯(lián)動(dòng);直接使用G代碼文件;支持DXF、BMP、JPG與HPGL文件直接導(dǎo)入;直觀G代碼路徑顯示;可編輯G代碼文件;主軸PWM轉(zhuǎn)速控制;即時(shí)加工進(jìn)度顯示;手動(dòng)控制等功能。

用戶可以根據(jù)具體的機(jī)床結(jié)構(gòu)和加工要求，自行定制控制界面和加工策略模塊，利用VB和OEM代碼建立操作控制臺(tái)接口。本文對(duì)Mach3做了界面的漢化處理，專門編制了五軸加工的中文控制界面，使得控制軟件更適合一般的機(jī)械加工人員操作，其自建的Mach3控制軟件主界面如圖9所示。該軟件的屏幕顯示有6個(gè)分界面:①程序運(yùn)行界面;②手工輸入界面;③刀路界面;④偏移量界面;⑤設(shè)置界面;⑥診斷界面。在程序運(yùn)行界面包含有代碼顯示區(qū)、具體軸向位置顯示、刀路軌跡顯示、代碼執(zhí)行控制、緊急停止按鈕、手動(dòng)模式選擇、主軸控制等。通過相應(yīng)的按鈕的控制，可以完成對(duì)機(jī)床的各項(xiàng)操作任務(wù)。

鑒于版面關(guān)系，Mach3的詳細(xì)應(yīng)用略。

4 結(jié)語

本文利用PC計(jì)算機(jī)的Windows多任務(wù)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)以及并行雙向多功能控制接口為硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)型五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。采用Mach3開放式CNC控制軟件通過計(jì)算機(jī)并口完成對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的軌跡控制。并通過實(shí)際加工工件證明該數(shù)控系統(tǒng)具有五軸機(jī)床聯(lián)動(dòng)加工能力。該數(shù)控系統(tǒng)可最大程度地利用系統(tǒng)軟件資源替代了大多數(shù)硬件的運(yùn)動(dòng)算法功能，大大地降低了硬件設(shè)計(jì)成本。數(shù)控系統(tǒng)中通過軟件編程的方法實(shí)現(xiàn)所有功能，為系統(tǒng)的修改及擴(kuò)充增加了更大的柔性。

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