經(jīng)濟型五軸數(shù)控加工硬件系統(tǒng)的設計與應用

孫 杰，金 珊

(遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順 1130014)

經(jīng)濟型五軸數(shù)控加工硬件系統(tǒng)的設計與應用

孫 杰，金 珊

(遼寧石油化工大學機械工程學院，遼寧撫順 1130014)

為構(gòu)建一種精簡的低成本經(jīng)濟型五軸聯(lián)動機床數(shù)控系統(tǒng)，采用了基于32位操作系統(tǒng)WindowsXP為軟件平臺以及通用PC計算機為硬件平臺，設計了并行雙向多功能接口板作為步進電機驅(qū)動控制接口，用UGPost-builder編制了雙轉(zhuǎn)臺式五軸機床的后置處理程序，并利用MACH3開放式CNC控制軟件完成五軸機床的聯(lián)動控制。實驗結(jié)果證明該數(shù)控系統(tǒng)可有效實現(xiàn)五軸機床聯(lián)動控制。

數(shù)控系統(tǒng);步進電機;五軸聯(lián)動

0 引言

目前我國開展的五軸數(shù)控加工技術(shù)還是只限制在高檔、先進的模具加工以及汽車零部件、飛機結(jié)構(gòu)件等精密、復雜零件的加工。相對于高檔五軸數(shù)控加工中心設備和控制軟件的高昂價格，以步進電機驅(qū)動為特征的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)具有價格便宜、精度中等、功能針對性強等特點。針對我國主要存在的中低檔機床，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)具有相當大的市場潛力。在研制經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)過程中，考慮提高系統(tǒng)性能同時，如何盡可能多地減少硬件設計，降低成本，提高可靠性，是始終追求的目標。為實現(xiàn)該目標，本文研究一種基于通用 PC計算機構(gòu)架，WindowsXP作為軟件操作平臺以及自行設計的并行雙向多功能接口的五軸聯(lián)動數(shù)控應用系統(tǒng)。

1 基于PC機的硬件控制接口設計

控制系統(tǒng)是五軸聯(lián)動數(shù)控機床的關(guān)鍵組成部分之一。機床的控制系統(tǒng)與其結(jié)構(gòu)要相互協(xié)調(diào)工作，才能完成對復雜結(jié)構(gòu)零件的高效加工。通過通用計算機的并口直接控制和管理整個機床，加工運動軌跡和控制功能都由PC計算機通過控制接口來實現(xiàn)，從而精確地完成五軸加工過程。

采用通用PC計算機控制、并行雙向控制接口卡及步進電機驅(qū)動器組成的雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動數(shù)控硬件系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 雙轉(zhuǎn)臺式五軸聯(lián)動數(shù)控硬件系統(tǒng)框圖

1.1 SJ-122并行雙向控制接口卡

本文自行設計了SJ-122并行雙向五軸控制接口卡，如圖2所示。主要用來完成PC計算機的并行口與五軸數(shù)控聯(lián)動的步進電機驅(qū)動控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸和機床狀態(tài)信號的檢測任務，這是保證機床能否按照工藝加工要求準確和可靠運行的關(guān)鍵。PC機并口共計25個針腳，當并口設置為EPP(Enhanced-ParallelPort)增強模式時，所有的并口針腳都可以雙向傳輸數(shù)據(jù)。由于每路步進電機驅(qū)動器需要2個數(shù)字位(脈沖、方向)控制，五軸系統(tǒng)共占用并口10個數(shù)字位輸出脈沖和方向信號，并通過步進電機驅(qū)動器驅(qū)動步進電機的運行。另外用2個數(shù)字位輸出開關(guān)信號分別控制冷卻液和潤滑液的開關(guān)。主軸開關(guān)及轉(zhuǎn)速通過主軸變頻器上的按鍵控制。并口的其它數(shù)據(jù)位用來檢測回零開關(guān)信號、限位開關(guān)信號以及急停輸入信號。并口數(shù)據(jù)位資源有限，采用將5個軸電機的限位和回零信號分別并聯(lián)的連接方法，每個并聯(lián)位各占用1個并口數(shù)字位，共占用2位。電荷泵輸出、急停開關(guān)輸入信號和主軸PWM控制信號各占用1個并口數(shù)字位。具體信號針腳安排如表1所示。

圖2 SJ-122并行雙向五軸控制接口卡

表1 并口信號針腳安排

(續(xù)表)

1.2 控制系統(tǒng)的工作原理

在五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)中，CNC控制軟件將UG后處理生成的加工G代碼程序轉(zhuǎn)換成插補所需的數(shù)據(jù)格式，同時對這些數(shù)據(jù)進行插補形成進給數(shù)據(jù)以及其它開、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電機驅(qū)動器輸出，從而來控制各軸步進電機的進給和主軸頭電機的PWM轉(zhuǎn)速控制。對工作流程的控制(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按鈕來輸入信號的，這些信號通過并口的寄存器輸入控制系統(tǒng)。

2 控制軟件的技術(shù)應用

經(jīng)濟型五軸控制系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)取決于系統(tǒng)中的軟件和硬件分工。在早期的NC裝置中，數(shù)控系統(tǒng)的全部信息處理工作基本上都是由硬件來完成，設備價格昂貴，故障率較高。隨著微機技術(shù)的發(fā)展和運算速度的提高，逐漸由軟件代替硬件完成數(shù)控功能，實現(xiàn)機床控制中的運動軌跡控制，這是實現(xiàn)低成本五軸聯(lián)動控制模式上的一種技術(shù)變革。

2.1 全軟件控制系統(tǒng)的構(gòu)成

本文采用軟件方式來構(gòu)造數(shù)控系統(tǒng)的大部分功能模塊，例如界面模塊、解釋模塊、運動控制模塊、插補模塊和編輯模塊，軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中編輯、解釋、插補驅(qū)動等都是系統(tǒng)功能子模塊，它們通過內(nèi)核的協(xié)調(diào)來完成具體的任務，如插補模塊主要由內(nèi)核定時啟動來完成各種插補任務。至于軟硬件的協(xié)調(diào)工作，是通過驅(qū)動模塊來實現(xiàn)的。它作為軟件和硬件的過渡，負責軟件內(nèi)核同硬件的數(shù)據(jù)交換。

圖3 系統(tǒng)平臺軟硬件的體系結(jié)構(gòu)

2.2 數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊設計

系統(tǒng)采用的MACH3控制軟件，是美國Artsoft公司的基于Windows2000/XP操作系統(tǒng)的開放式CNC控制軟件，很好地融合了以上的六種功能模塊，是比較理想的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的選擇。該軟件通過PC機并口或USB口(需要專用驅(qū)動器)控制步進電機運行，使用方便，設置功能齊全。其主要特點:支持最多6軸聯(lián)動;直接使用G代碼文件;支持DXF、BMP、JPG與HPGL文件直接導入;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;即時加工進度顯示;手動控制功能。

MACH3是開放式CNC控制軟件，用戶可以根據(jù)具體的機床結(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接口，本文對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械加工人員操作，其自建的MACH3控制軟件主界面如圖4所示，該軟件的屏幕顯示有6個分界面:①程序運行界面;②手工輸入界面;③刀路界面;④偏移量界面;⑤設置界面;⑥診斷界面。在程序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、手動模式選擇、主軸控制。通過相應的按鈕的控制，可以完成對機床的各項操作任務。

圖4 M ACH 3控制軟件主界面

2.3 數(shù)控系統(tǒng)軟件的關(guān)鍵參數(shù)設置

MACH3控制軟件使用中的參數(shù)設置對五軸聯(lián)動的正確運行是至關(guān)重要的，以幾項主要參數(shù)設置為例加以簡要說明。

(1)在端口設置窗口界面中，設置端口地址為0x378，內(nèi)核速度與電腦處理器的速度和處理器加載的進程有關(guān)，一般不要超過75000KHz，否則會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，設置界面見圖5。

圖5 端口參數(shù)設置界面

(2)在電機參數(shù)調(diào)試和安裝界面中，分別設置X、Y、Z、A、C 五個軸的速度、加速度，速度設置不要超過步進電機的最大轉(zhuǎn)速，步進脈沖和方向脈沖的設置要根據(jù)驅(qū)動接口板的輸入信號要求來設置，一般設為2微秒即可，過小或過大有可能丟失脈沖，單位脈沖數(shù)可按如下公式設置:單位脈沖=每轉(zhuǎn)脈沖×電機單位轉(zhuǎn)數(shù)。其中電機單位轉(zhuǎn)數(shù)與電機類型和細分設置有關(guān)，設置界面見圖6。

圖6 電機參數(shù)調(diào)試界面

3 基于UG-NX的雙轉(zhuǎn)臺五軸機床后處理建立

上面介紹的硬件控制接口和CNC控制軟件只是為經(jīng)濟型五軸聯(lián)動機床提供了一個基本的硬件和軟件的體系構(gòu)架，如果確保五軸聯(lián)動數(shù)控機床能夠完成各種復雜的加工過程，還需要建立相應機床結(jié)構(gòu)的后處理程序，UG-NX是目前國內(nèi)使用很普及的交互式CAD/CAM系統(tǒng)，可以實現(xiàn)各種復雜實體及造型的建構(gòu)，其中的UG-NX加工基礎(chǔ)模塊提供聯(lián)接UG所有加工模塊的基礎(chǔ)框架，可以提供各種復雜形狀的實體建模，并編制實體模型的加工工藝，直接生成加工程序，利用UG-NX的加工后置處理模塊使用戶可方便地建立自己的加工后置處理程序，該模塊適用于目前世界上幾乎所有的2～5軸的銑削加工。

3.1 經(jīng)濟型雙轉(zhuǎn)臺五軸機床的結(jié)構(gòu)坐標系

雙轉(zhuǎn)臺機床(如圖7所示)，除了X、Y、Z三個方向的直線運動外，機床的兩個旋轉(zhuǎn)運動是由工作臺分別繞X軸(A軸)和Z軸(C軸)組成。刀軸(工作頭)沿Z軸作上下運動。由于雙轉(zhuǎn)臺機床的剛性好，而且旋轉(zhuǎn)坐標有足夠的行程范圍，工藝性能好，所以比較適合經(jīng)濟型五軸機床結(jié)構(gòu)。

圖7 雙轉(zhuǎn)臺五軸機床運動簡圖

后置處理數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換是圍繞機床加工坐標系坐標原點和坐標軸進行的，對于雙轉(zhuǎn)臺五軸加工結(jié)構(gòu)，機床加工坐標系原點只有設在A、C旋轉(zhuǎn)軸的交點，才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換后加工程序的正確性。為保證與機床加工坐標系一致，CAM加工坐標系坐標原點要設置在沿C旋轉(zhuǎn)軸、距工作臺端面向下一個旋轉(zhuǎn)軸偏置值處。

3.2 UG-NX后處理的建立

我們改制的雙轉(zhuǎn)臺機床試驗臺屬于標準形式機床，可直接使用UGPost-builder圖形界面后處理生成器處理。通過設定五軸機床參數(shù)、程序和刀軌參數(shù)、直線和回轉(zhuǎn)精度、行程極限、G代碼和M代碼格式設置等，完成后處理程序的建立，編輯后可同時產(chǎn)生事件處理(.tel)、定義(.def)和用于生成器(.pui)的 3個文件。最后生成后處理程序并加入UG后置處理配置模版(template_post.dat)。

4 實驗結(jié)果

在自行改制的一臺采用步進電機驅(qū)動的雙轉(zhuǎn)臺式五軸機床試驗臺上進行實際加工實驗，采用UGNX軟件建立一個在半球圓柱體上刻有字母和數(shù)字的工件，分三次建立粗加工、半精加工和精加工的工藝加工路徑，經(jīng)自建的后處理程序得到的實際加工G代碼，利用自行改制的雙轉(zhuǎn)臺式五軸數(shù)控機床和系統(tǒng)進行實際加工，圖8所示為實際加工系統(tǒng)和加工的工件。從加工結(jié)果可得出，并口驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)可有效實現(xiàn)經(jīng)濟型五軸數(shù)控機床的聯(lián)動加工。

圖8 經(jīng)濟型雙轉(zhuǎn)臺五軸聯(lián)動機床實驗臺及加工樣品

5 結(jié)束語

本文利用PC計算機的Windows多任務操作系統(tǒng)作為軟件平臺以及并行雙向多功能控制接口為硬件平臺，設計了經(jīng)濟型五軸機床聯(lián)動控制系統(tǒng)。采用MACH3開放式CNC控制軟件通過計算機并口完成對五軸聯(lián)動機構(gòu)的軌跡控制。并通過實際加工工件證明該數(shù)控系統(tǒng)具有五軸機床聯(lián)動加工能力。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)硬件的運動算法功能，大大的降低了了硬件設計成本。數(shù)控系統(tǒng)中通過軟件編程的方法實現(xiàn)所有功能，為系統(tǒng)的修改及擴充增加了更大的柔性。

［1］游華云，葉佩青，楊開明，等.機床工業(yè)亟需發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)［J］.制造技術(shù)與機床，2002(12):25－28.

［2］朱世鴻.IBM-PC微機接口和編程應用技術(shù)實驗［M］.合肥:中國科學技術(shù)大學出版社，1992.

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(編輯 趙蓉)

Design and Application for Econom ical Five-axis Num erical Control Machining’s Hardware System

SUN Jie，JIN Shan
(School of Mechanical Engineering，Liaoning University of Petroleum ＆ chemical Technology，F(xiàn)ushun Liaoning 113001，China)

To build a kind of simpler and low cost economical five-axis CNC system,adoptted 32 bit operating system W indowsXP to be software development platform and used computer for hardware system.Designed multi-service bi-directional parallel interface board for stepping motor’s driver control interface.The post processor for five-axis CNCmachinew ith dual rotary tables was developed in UGPostbuilder,and the five-axis CNCmachine’s linkage control are completed by open CNC software MACH3.The experimental results show that this CNC system can realize five-axis CNCmachine’s linkage control.

CNC System;stepping motor;five-axis simultaneous

TG65;TH165

A

1001－2265(2011)06－0065－04

2010－12－10

孫杰(1957—)，男，山東臨沂人，遼寧石油化工大學機械學院教授，學士，主要研究方向為過程裝備控制技術(shù)、機械工程及自動化技術(shù)等，(E －mail)sunjie5701@126.com。