楊 義，陳 勇，楊 周

(上海大學 機械工程與自動化學院，上海 200072)

數(shù)控技術的出現(xiàn)不僅給機械制造業(yè)帶來了飛速發(fā)展，而且隨著IT技術的不斷深入，應用領域也在不斷擴充，從零件的加工到設備的升級，數(shù)控技術正成為國民生產中不可缺少的一部分[1]。

為適應國際工程師認證的工程教學背景，上海大學機械自動化專業(yè)的數(shù)控技術實驗課程團隊對實驗內容和方法進行創(chuàng)新實踐嘗試，在實驗教學過程中特別強調學生綜合能力的培養(yǎng)，以實驗室一批老式的三維工作平臺裝置為基礎，選用CNC USB controller 控制板以及制造商所提供的控制開放性軟件構成開放式數(shù)控系統(tǒng)，設計實踐出一臺基于USB口的數(shù)控雕刻機實驗平臺，加強學生綜合性和探索性研究的訓練。

數(shù)控技術的發(fā)展需要大量的應用型人才，應用型人才的培養(yǎng)質量在較大程度上體現(xiàn)在數(shù)控技術理論的實際應用能力、實踐動手能力和創(chuàng)新能力等方面，基于USB口的數(shù)控雕刻機的實踐過程在一定程度上就是這種科學探究過程或科學研究過程的再現(xiàn)[2]。學生在實踐中增強了專業(yè)興趣，明顯提高了數(shù)控技術課程的教學效果。

1 雕刻機實驗平臺的工作原理

基于USB接口的數(shù)控雕刻機實際上是一個多維數(shù)控系統(tǒng)控制一個特定的三維工作平臺,其工作原理如圖1所示。通過計算機內安裝的專用的CAM軟件，如MASTERCAM進行圖像、文字的設計和排版，生成適合于CNC USB軟件運行的DXF文件。將DXF工程文件導入后，根據(jù)模型進行相關配置與調整，試運行生成刀具路徑數(shù)據(jù)，接下來通過USB接口將刀具路徑數(shù)據(jù)傳輸給CNC USB controller控制卡，數(shù)控系統(tǒng)接收刀具路徑，完成顯示和用戶交互等一系列功能后，用特定的算法將輸入的路徑信息轉化為數(shù)控信息，控制卡把這些信息轉化為驅動步進電機所需的脈沖串，控制雕刻機X.Y.Z三軸的運行，當X.Y.Z三軸的運行到達指定位置時，限位開關斷開，電機停止轉動。同時，電主軸按照設定的轉速進行銑削，即可雕刻出在計算機上設計的各種平面或立體的圖形文字，實現(xiàn)雕刻自動化加工[3-4]。

圖1 數(shù)控雕刻機的原理圖

1-立座；2-Z軸工作臺；3-電主軸組件；4-十字工作臺；5-雕刻機底板。

圖2 雕刻機的整機示意圖

2 平臺關鍵結構與系統(tǒng)的設計

2.1 機械結構設計

為了方便加工各種曲面以及提高加工效率，機械結構的布局方案選擇的是床身式立式銑床結構，整體結構上工作臺只能在X軸和Y軸兩個方向上移動(實現(xiàn)加工長度和寬度)，主軸安裝在Z軸上，可實現(xiàn)上下移動(完成加工深度)。主軸由內裝式電動機直接驅動，以實現(xiàn)主軸運動的“零傳動”[5]。傳動副采用絲桿螺母傳動副，電機使用步進電機，電機與絲桿之間的連接采用伺服聯(lián)軸器-多縫型螺旋切縫聯(lián)軸器。導軌的主要功能是導向和承載作用，采用滾珠直線導軌，導向精度高，可滿足定位精度的要求。完成整個零部件選型后，可以對相關零件進行數(shù)字化設計，主要有立座、二維十字工作臺以及整體設計，最后用三維軟件對整個實驗平臺進行了組裝，整機示意如圖2所示。

2.2 關鍵設計參數(shù)與計算

根據(jù)實現(xiàn)雕刻機的基本要求，實驗平臺的基本參數(shù)如下。

1)最大進給速度：Vf=240 mm/min；

2)各軸向總行程

X:150 mm，Y:150 mm，Z:100 mm；

4)定位精度：±25 μm；

5)脈沖當量：0.01 mm。

由于雕刻機實驗平臺的加工對象主要為鋁合金材料，擬采取了硬質合金直柄立銑刀d0=3 mm,z=2,查閱《機械加工工藝手冊》可知：

Kzf是銑削條件改變時銑削力的修正系數(shù)，此刻為1。aP為平均銑削量。主軸最高轉速n=1500 r/min，帶入相關參數(shù)，對刀具的銑削力、銑削扭矩、銑削功率進行計算?？梢缘玫饺绫?所示結果。

根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以選取電機的型號為森創(chuàng)42-BYG250C，洛陽誠晟電主軸 XD62Z45-0.5和相關配件的型號。

表1銑削力、扭矩和功率的計算

時間占比aP/mmVf/mm·min-1n/r·min-1n絲/r·min-1Fz/NM/(N·M)Pm/kW強力切削10%2908001811.180.0171.4×10-3一般切削30%11201000246.040.009069.48×10-4精細切削50%0.51801500363.180.004777.49×10-4快速進給10%0240048000

2.3 控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括PC機、運動控制卡CNC USB Controller、步進驅動器、反饋裝置和電動機。硬件結構上利用PC機作為主體，將控制卡通過以太網高速USB接口和PC機通信，控制器自身還提供了如直線插補、圓弧插補等典型的插補算法；步進驅動器則根據(jù)運動控制器提供的信號驅動電機按照預定的方向和速度轉動。

本系統(tǒng)屬于多主結構的數(shù)控系統(tǒng)，PC機和運動控制器兩者之間資源實現(xiàn)共享，非實時性任務分別有PC機和運動控制器分別完成。CNC USB controller運動控制卡是介于電腦和電機驅動器之間的設備，使用電腦的USB端口，利用USB CNC軟件平臺，不需要任何附加軟件。運動控制器是數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)速度和位置的關鍵硬件,選用一個四軸的運動控制卡，控制卡的外觀與控制模塊如圖3所示。

圖3 CNC USB controller控制卡示意圖

伺服系統(tǒng)結構采用步進開環(huán)結構，開環(huán)是最為簡單的伺服系統(tǒng)結構，只需要通過控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序即可達到控制執(zhí)行部件運動的位移、速度以及運動方向的目的，步進電機的控制方式如圖4所示[7]?？刂瓶ń邮盏较尬婚_關發(fā)出的工作臺到達信號，通過內部控制電路的作用，對步進電機驅動器發(fā)出停止命令，即相應電機停止轉動[8-12]。

3 實驗平臺的調試與模擬仿真

數(shù)控系統(tǒng)軟件是人機交互的平臺，用戶通過此平臺發(fā)送控制指令，從而驅動數(shù)控系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)按照預期的運動方式完成加工任務。同時用戶也可以及時地通過此平臺了解數(shù)控系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)，實時地加以調整。而與運動控制卡相匹配的USB CNC軟件足以勝任此項工作。

圖4 驅動器與控制卡和步進電機接線圖

如圖5所示標號的意義依次為：

A區(qū)域是“工具條”；

B區(qū)域是“常用定位工具條”；

C區(qū)域是Position“位置操作板”；

D區(qū)域是“加工代碼圖示窗”；

E區(qū)域是“G-code代碼窗”；

F區(qū)域即為“手動G代碼輸入窗”。

圖5 CNC USB軟件主界面

實驗平臺的調試主要就是相關參數(shù)的設置，根據(jù)前文計算結果選取合理的參數(shù),重要的參數(shù)設置有如下3個方面。

1)脈沖數(shù)的設置。

對于系統(tǒng)脈沖數(shù)設置，脈沖數(shù)(步數(shù)/毫米)在此處的大小即表示機床平臺移動1 mm所需要的脈沖數(shù)。對于步距角為1.8°的步進電機，根據(jù)計算公式：

(200/螺距)×細分數(shù)=步數(shù)/毫米

X軸和Y軸方向上移動速度可以相對Z軸向較快，所以選擇細分數(shù)為32的驅動器，因絲桿螺距為5 mm，可以計算得到1 280。即設置脈沖數(shù)為1 280。Z軸方向為垂直刀具深入部分，所以速度要稍微慢一點，設置為8細分，計算結果為320，故設置為320。

2)速度與加速度的設置。

如圖6所示可以看出，還需要根據(jù)數(shù)控雕刻機的性能進行設置初始速度、最大速度和加速度。初始速度X/Y軸設置為40 mm/min，Z軸的速度要小，因為考慮到Z軸處于垂直狀態(tài)，驅動速度過大會造成初始扭矩過大損失器材。最大速度是根據(jù)前文的計算結果設定為240 mm/min。

加速度的設置存在一定要求，一般情況下數(shù)控銑床設置應不大于300，雕刻機不大于1 000。而加速度設置過高雖然可以使機器運行G碼效率變高，但是如果高加速帶來的機械沖擊力大于機器結構強度，會引起震動大、噪聲增加、運行不平穩(wěn)、影響絲桿和聯(lián)軸器使用壽命等一系列問題。所以考慮到此處設計的數(shù)控雕刻機是實驗操作平臺，將加速度設置為30，雖然運行G碼效率降低，但是可以使機器運行平穩(wěn)。

3)刀具的參數(shù)設置。

添加刀具的型號為立式銑刀，直徑為3 mm。本裝置只添加了一把刀具，實際數(shù)控雕刻機的應用可以配備一個刀具庫，用來添加各刀具具體參數(shù)和名稱。本裝置因為沒有配備刀具庫，所以設置刀具參數(shù)為模擬，設置換刀位置為G28，并選中暫停和保持主軸狀態(tài)選項，設置后，在實驗室的一臺雕刻機實驗平臺上完成了相應的加工演示實驗，如圖6所示。

圖6 雕刻機實驗平臺及實物加工演示圖

4 結束語

針對學?，F(xiàn)有的一些理論性強、課程內容較為抽象、不進行實踐，不易理解的課程，需要建立“理實一體化”實驗室來改變傳統(tǒng)的滿堂灌的做法，擺脫純理論教學，激發(fā)學生的學習興趣和積極性，使得同學們的動腦和動手能力顯著增強。同時達到更新實驗室設備來滿足教育需求。利用PC機和CNC USB controller運動控制卡而構建的開放系統(tǒng)，其開放性的參數(shù)設置體系和硬件組合多元化有利于學生對數(shù)控軟硬件進行個性化的設置的學習，以更加滿足實驗和模擬加工仿真的需求。

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