經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)研究

徐 銘 琚 海

（①安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)455000;②安陽(yáng)市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心，河南安陽(yáng) 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(xì)輕巧、靈活自如的操作特點(diǎn)，利用數(shù)控加工技術(shù)，結(jié)合高轉(zhuǎn)速、小進(jìn)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(jī)分國(guó)外進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)兩大類(lèi)。如:美國(guó)“雕霸”、日本“御牧”、上?！白哪绝B(niǎo)”等，但由于其價(jià)格較高、雕刻系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、整體結(jié)構(gòu)不開(kāi)放、不便于功能擴(kuò)展等原因，不能滿足小企業(yè)對(duì)雕刻加工的需要。為此，在傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)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(jī)的加工性能、工件的加工精度等諸多方面。現(xiàn)代雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和主從式結(jié)構(gòu)兩種。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)主要應(yīng)用于小企業(yè)的雕刻加工，要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，穩(wěn)定性好。綜合以上因素，本系統(tǒng)采用單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通過(guò)計(jì)算機(jī)CPU直接控制和管理整個(gè)雕刻系統(tǒng)，一切操作和功能都由個(gè)人計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，個(gè)人計(jì)算機(jī)通過(guò)分時(shí)處理的方式負(fù)責(zé)圖形處理、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給、主軸旋轉(zhuǎn)，讀取操作人員的鍵盤(pán)命令等多項(xiàng)功能，從而合理地完成雕刻加工。

PC機(jī)通過(guò)對(duì)并口輸入輸出信息的控制來(lái)完成雕刻機(jī)各功能［1］。PC機(jī)并口一般有12個(gè)輸出口和5個(gè)輸入口可供利用，能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)I/O信號(hào)的要求。利用雕刻軟件輸出多通道數(shù)字波形實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制，通過(guò)鍵盤(pán)信號(hào)可實(shí)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(jī)采用單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。

（2）傳輸效率高，對(duì)數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)。

（3）利用PC機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算時(shí)，速度快且計(jì)算準(zhǔn)確，可提高加工速度和加工精度。

1.2 主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

雕刻機(jī)數(shù)控系統(tǒng)包括主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)兩部分。鑒于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)控制系統(tǒng)的目標(biāo)精度要求不高，負(fù)載變化不大，加之開(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、價(jià)格便宜、容易調(diào)試和便于維修等特點(diǎn)，該系統(tǒng)選用開(kāi)環(huán)控制。主運(yùn)動(dòng)采用電主軸驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制，如圖2所示。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)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(hào)給伺服裝置，驅(qū)動(dòng)主軸及工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)［2］。由于沒(méi)有檢測(cè)反饋功能，其精度主要取決于驅(qū)動(dòng)元器件和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)式伺服系統(tǒng)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路（圖4所示）組成。系統(tǒng)采用TA8435步進(jìn)電動(dòng)機(jī)專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)芯片將具有一定頻率和方向的進(jìn)給脈沖轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各相繞組通、斷電的電平信號(hào)，經(jīng)功率放大后，發(fā)送給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器、滾珠絲杠將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的位移量、進(jìn)給速度和進(jìn)給方向，實(shí)現(xiàn)伺服系統(tǒng)對(duì)位移的控制。

本系統(tǒng)所用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大的發(fā)熱。由于電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，容易失步［3］。綜合以上因素，有必要對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱加以控制。利用 NE555實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的半流控制，如圖5所示。當(dāng)步進(jìn)脈沖停止時(shí)間超過(guò)10 ms時(shí)，電動(dòng)機(jī)線圈的電流在NE555的控制下自動(dòng)減半，從而有效地減小了電動(dòng)機(jī)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(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的編輯平臺(tái)，本系統(tǒng)所用雕刻軟件采用PC機(jī)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(hào)，驅(qū)動(dòng)電主軸和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)［4］。軟件功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，人機(jī)界面友好，文件格式兼容，操作簡(jiǎn)單。軟件主要功能如圖6所示。該軟件將標(biāo)準(zhǔn)PC電腦轉(zhuǎn)換為全功能的CNC控制器，最高可實(shí)現(xiàn)六軸聯(lián)動(dòng)控制，支持DXF、BMP、JPG、HPGL等多種文件格式輸入，可實(shí)現(xiàn)視覺(jué)G代碼顯示、主軸轉(zhuǎn)速控制、多重繼電器控制及手動(dòng)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(diǎn)記憶）等多項(xiàng)功能。

本系統(tǒng)所用雕刻軟件可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程和手動(dòng)編程。其中，手動(dòng)編程支持常規(guī)G代碼、M代碼輸出，方便使用者根據(jù)實(shí)際需要編制程序，實(shí)現(xiàn)加工。在雕刻加工過(guò)程中，可通過(guò)程序運(yùn)行窗口實(shí)時(shí)觀察程序的運(yùn)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(jì)算機(jī)圖形學(xué)的手段，對(duì)加工走刀和工件切削過(guò)程進(jìn)行模擬。在仿真過(guò)程中，操作者還可從主界面的坐標(biāo)顯示區(qū)實(shí)時(shí)地

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

2.2 軟件參數(shù)設(shè)置

經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)按照工程使用要求設(shè)計(jì)，可完成美術(shù)字、小型電路板等的加工。在進(jìn)行雕刻加工時(shí)，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(yùn)行區(qū)，雕刻加工便可開(kāi)始。操作者在刀具運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)仿真功能區(qū)結(jié)合加工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)時(shí)地關(guān)注整個(gè)加工過(guò)程。遇到緊急情況，可按主界面的“急停”鍵（圖10所示），令加工暫停。

3 結(jié)語(yǔ)

該經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)采用單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以PC機(jī)作為其CNC系統(tǒng)的軟、硬件基礎(chǔ)。利用PC機(jī)強(qiáng)大的系統(tǒng)資源控制和管理整個(gè)雕刻機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)分時(shí)處理的方式由計(jì)算機(jī)完成圖形處理、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)給、讀取操作人員的鍵盤(pán)命令等多項(xiàng)功能，使整個(gè)CNC系統(tǒng)的控制過(guò)程安全、可靠。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控雕刻機(jī)的控制系統(tǒng)硬件安全可靠，軟件功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)了整機(jī)的經(jīng)濟(jì)合理、方便實(shí)用。

［1］劉天標(biāo).微型計(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)的激光雕刻機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［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(jī)電工程，2004（9）:39 －42.