基于CAD/CAM的寶石加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鐘 山，張 威,陳炳忠,李國偉 ,吳家杰

(1.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.梧州學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，廣西 梧州 543002)

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基于CAD/CAM的寶石加工設(shè)備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

鐘 山1,2，張 威1,陳炳忠2,李國偉2,吳家杰2

(1.桂林理工大學(xué) 機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541006；2.梧州學(xué)院 機(jī)械與材料工程學(xué)院，廣西 梧州 543002)

該設(shè)備基于CAD/CAM 集成理論，采用上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)合的人機(jī)交互方法，實(shí)現(xiàn)寶石的設(shè)計(jì)、圍型、刻磨和拋光一體化加工。首先分析了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的各部位運(yùn)動(dòng)功能的控制原理，然后用加工數(shù)據(jù)與控制程序分離的方案分別對(duì)上位機(jī)和下位機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。上位機(jī)控制軟件的開發(fā)在VC++環(huán)境中完成，通過構(gòu)建加工數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把圖形文件信息轉(zhuǎn)換成下位機(jī)能夠識(shí)別運(yùn)行的數(shù)據(jù)。下位機(jī)以STM32F10X系列MCU為控制核心，輔以專用的電機(jī)，配合傳感器和光柵尺，接收上位機(jī)信號(hào)后采用閉環(huán)控制算法。系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，在專用電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下自動(dòng)執(zhí)行寶石的加工工序。測試表明，該系統(tǒng)提高了寶石加工的精度和效率。

CAD/CAM；寶石加工；數(shù)據(jù)處理 ；閉環(huán)控制

0 引言

目前大部分企業(yè)和個(gè)人作坊仍然使用傳統(tǒng)的八角手或機(jī)械手加工寶石，特別是寶石的刻磨拋光是一個(gè)技術(shù)含量高且較難掌握的手工技術(shù)，包括材料選購、設(shè)計(jì)切割、圍型、刻磨拋光五個(gè)工序，剛接觸寶石行業(yè)的加工人員需要大量的時(shí)間去適應(yīng)和學(xué)習(xí)。近年來，許多專家學(xué)者提出了比較先進(jìn)的寶石加工方法，如計(jì)算機(jī)輔助加工和超聲波加工[1]，但是目前市場上的計(jì)算機(jī)輔助加工由于技術(shù)的限制和天然寶石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，只能加工廉價(jià)的合成寶石，精度和效率都不高；超聲波加工由于靠磨料液顆粒撞擊原理進(jìn)行加工,所以只能加工硬而脆的材料,不太適合寶石的加工。

本文所述的寶石加工設(shè)備采用上位機(jī)與下位機(jī)結(jié)合的方式來完成寶石的加工，以VC++為開發(fā)平臺(tái)，建立了寶石各種形狀及加工特性的數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)了相應(yīng)控制算法。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寶石設(shè)計(jì)、圍型、研磨和拋光一體化加工的方法，提高了寶石加工的精度和效率[2]。

1 寶石加工設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)方式

該寶石加工設(shè)備機(jī)構(gòu)主要由三平移兩旋轉(zhuǎn)五個(gè)關(guān)節(jié)依次串聯(lián)而成，分別由5個(gè)不同的步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制運(yùn)動(dòng)。如圖1～圖3所示，步進(jìn)電機(jī)M1、M2可通過滾珠直線導(dǎo)軌使寶石做X、Y軸方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)M3通過滾珠絲桿使寶石做Z軸方向的升降運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)M4控制寶石的傾角運(yùn)動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)M5控制寶石的360度旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。J1 ～ J5分別對(duì)應(yīng)M1 ～ M5帶動(dòng)寶石桿和磨盤的動(dòng)作。加工設(shè)備的工藝流程是：下料切割、圍型、石坯拋光、粘石、刻磨拋光冠部、反石、刻磨拋光亭部[3-4]。研磨時(shí)M5旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)寶石切換到需要研磨的切面(J5)，同時(shí)M4根據(jù)需要打磨的刻面控制傾角將寶石擺動(dòng)到刻面與磨盤平行的位置(J4)，M1和M2根據(jù)具體情況做直線或者曲線運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)寶石到研磨盤中心上方(J1和J2)，然后M3做下降動(dòng)作與磨盤接觸準(zhǔn)備打磨(J3)。當(dāng)一個(gè)切面完成后M3帶動(dòng)寶石離開磨盤(J3)同時(shí)M5將寶石切換到另一個(gè)圓周切面(J5)研磨。完成所有規(guī)定切面的研磨后，由M1帶動(dòng)寶石做X軸方向的平移(J1)到達(dá)拋光盤，拋光、圈石與研磨的動(dòng)作類似。每次動(dòng)作各個(gè)部位電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)都可以預(yù)先在上位機(jī)CAD系統(tǒng)設(shè)置好再通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)寶石的自動(dòng)加工。

圖1 寶石加工設(shè)備正視圖 圖2 寶石加工設(shè)備右視圖

圖3 寶石加工設(shè)備俯視圖

2 機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理

由機(jī)械的運(yùn)動(dòng)方式可以設(shè)計(jì)出寶石加工設(shè)備的控制系統(tǒng)，包括升降系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，傾角系統(tǒng)以及X、Y軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。如圖4是寶石加工設(shè)備控制系統(tǒng)的組成框圖。

圖4 寶石加工設(shè)備控制系統(tǒng)的組成框圖

2.1 升降系統(tǒng)的控制

升降系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)[5]作為動(dòng)力執(zhí)行部件，基準(zhǔn)位置傳感器和位移光柵傳感器作為高度距離標(biāo)準(zhǔn)反饋元件，基準(zhǔn)位置傳感器采用光電開關(guān)。升降系統(tǒng)總成的控制原理是:在機(jī)器復(fù)位時(shí)，MCU發(fā)出指令，升降步進(jìn)電機(jī)按一定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)使得機(jī)械手上升到光電開關(guān)位置，再找到光柵零點(diǎn)位置后停止；在上位機(jī)發(fā)出研磨工作指令后，升降電機(jī)根據(jù)MCU給定的指令執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，并由光柵實(shí)時(shí)反饋位移量給MCU進(jìn)行實(shí)時(shí)分析補(bǔ)償防止丟步和間隙所帶來的移動(dòng)誤差。由于光電開關(guān)存在0.02mm左右的重復(fù)誤差，所以加入高精度的電子光柵尺作為位移傳感反饋和基準(zhǔn)反饋，光電開關(guān)為粗基準(zhǔn)位置，而光柵的Z線輸出則作為精基準(zhǔn)位置，重復(fù)誤差不超過0.01mm。另外絲桿的螺紋間隙也存在誤差，將步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行25細(xì)分，絲桿導(dǎo)程為5mm，理論上，步進(jìn)電機(jī)走1步，絲桿傳動(dòng)距離為0.001mm，提高了加工精度。

2.2 寶石刻磨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成控制

寶石刻磨旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成由旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)作為控制執(zhí)行部件，由基準(zhǔn)位置傳感器作為反饋元件，并配合軟件的檢測算法，保證圓周分度基準(zhǔn)位置準(zhǔn)確性。步進(jìn)電機(jī)通過16細(xì)分驅(qū)動(dòng)，使得步進(jìn)電機(jī)由原來的1.8°/步的步距精度提高0.1125°/步的精度，這樣，整個(gè)圓周可以分成了3200份，可以實(shí)現(xiàn)任意形狀寶石研磨的圓周分度。在機(jī)器復(fù)位時(shí)，MCU發(fā)出指令，旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，尋找圓周分度基準(zhǔn)位置作為零位，然后執(zhí)行給定的分度步數(shù)做精準(zhǔn)定位旋轉(zhuǎn)達(dá)到換面刻磨的動(dòng)作效果，并且能讓電機(jī)鎖定停止不轉(zhuǎn)動(dòng)，使得在刻磨過程中寶石不會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)現(xiàn)象；旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作嚴(yán)格根據(jù)擺動(dòng)系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的動(dòng)作而交替先后執(zhí)行動(dòng)作，保證換面動(dòng)作完成后才進(jìn)行著盤動(dòng)作，避免寶石突然著盤時(shí)造成傷盤或者傷石的事故從而影響寶石的刻磨和拋光質(zhì)量。

2.3 傾角系統(tǒng)的控制

傾角系統(tǒng)由伺服電機(jī)[6]通過蝸輪蝸桿傳動(dòng)組成，寶石刻磨換面旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成安裝在蝸輪轉(zhuǎn)軸上。傾角擺動(dòng)原理是通過上位機(jī)發(fā)送到下位機(jī)的擺角數(shù)據(jù)和命令，控制傾角伺服電機(jī)上的蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度步數(shù)從而帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到需要的傾角，而這個(gè)傾角的精度則是伺服電機(jī)精度再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動(dòng)比[7]得出的最終精度，比如伺服電機(jī)編碼器是1000線，則把電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈分成了1000步，而每一步則是0.36°，而蝸輪蝸桿傳動(dòng)比是40，則傾角精度為0.009°/步。傾角系統(tǒng)配合軟件的檢測算法，實(shí)現(xiàn)寶石研磨工作中寶石與磨盤之間的精準(zhǔn)傾角，保證刻磨出來的角度與所設(shè)計(jì)出來的一致。

2.4 X軸滑動(dòng)系統(tǒng)的控制

X軸滑動(dòng)系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力執(zhí)行部件，刻磨機(jī)械手(即擺角總成、旋轉(zhuǎn)總成、升降總成)安裝在X軸上可以整套移動(dòng)，光電開關(guān)作為基準(zhǔn)位置傳感器反饋元件，定此位置為X軸原點(diǎn)，配合軟件檢測和算法，實(shí)現(xiàn)寶石在刻磨盤或拋光盤上X軸方向的任意點(diǎn)著盤停留或者滑動(dòng)一定距離，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小刻面寶石的點(diǎn)動(dòng)磨削工作方式和對(duì)大刻面寶石滑動(dòng)磨削工作方式。在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)MCU發(fā)出復(fù)位指令，通過X軸滑塊帶動(dòng)機(jī)械手快速在X軸方向返回復(fù)位到光電開關(guān)位置。進(jìn)行研磨工作前，用戶可以通過寶石大小類型等自行選定磨點(diǎn)、和擺速，這些參數(shù)最終都由X軸擺動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)，不同的寶石工藝要求不同點(diǎn)著盤和不同的滑動(dòng)長度(即擺長)。

2.5 Y軸滑動(dòng)系統(tǒng)控制

Y軸滑動(dòng)系統(tǒng)可以控制整套刻磨機(jī)械手在Y軸方向前進(jìn)和后退一定距離，以保證刻磨過程中，寶石能保證始終在磨盤的中心線上運(yùn)動(dòng)，提高刻磨效率和充分利用磨盤，還能保證在任意點(diǎn)著盤刻磨以實(shí)現(xiàn)0～90°的加工角度不受限制。Y軸滑動(dòng)系統(tǒng)與X軸滑動(dòng)系統(tǒng)控制原理幾乎一致，僅區(qū)別于功能上和運(yùn)動(dòng)方向上，故此處不再加以詳細(xì)描述。

3 設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)的人機(jī)操作界面原理

3.1 設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)下位機(jī)組成

設(shè)備下位機(jī)以STM32F10X系列MCU為控制核心，其特點(diǎn)是高性能、低功耗、抗干擾以及豐富的片內(nèi)資源，用其做為下位機(jī)核心方便且適用[8]。如圖5是STM32控制板硬件的資源分配圖，5軸電機(jī)共需要一個(gè)外部中斷I/O口作為總使能端XINT1/IOPC2，電機(jī)使能但又沒有脈沖輸入時(shí)，就會(huì)進(jìn)入鎖死狀態(tài)，鎖死是步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子禁止自由走步的狀態(tài)，可以避免外界振動(dòng)和研磨時(shí)摩擦力導(dǎo)致的電機(jī)無脈沖輸入時(shí)自由走步現(xiàn)象[4]。下位機(jī)絕對(duì)性接收上位機(jī)指令和數(shù)據(jù)并自動(dòng)執(zhí)行不同的指令動(dòng)作，同時(shí)下位機(jī)還負(fù)責(zé)每個(gè)傳感器的信號(hào)接收和對(duì)電機(jī)、繼電器的控制。

圖5 控制板資源分配框圖

3.2 設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)

設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)上位機(jī)操作界面軟件基于VC++自主研發(fā)[9]，系統(tǒng)的控制軟件流程圖如圖6所示。上位機(jī)配合寶石設(shè)計(jì)軟件GEMCAD使用，用戶可以在GEMCAD[10]上設(shè)計(jì)自己所需的寶石式樣，并建立自己的寶石式樣數(shù)據(jù)庫，也可以導(dǎo)入設(shè)備本身配備的各種寶石模型庫進(jìn)行修改，設(shè)計(jì)出自己所需的式樣，按需加工出實(shí)物樣品或產(chǎn)品。自主研發(fā)的上位機(jī)通過打開GEMCAD設(shè)計(jì)出的寶石圖形文件，讀取其中內(nèi)容進(jìn)行分析計(jì)算，最終變成刻磨加工寶石的角度、高度、和分度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)最終轉(zhuǎn)換成電機(jī)的步數(shù)，控制每個(gè)電機(jī)需要運(yùn)動(dòng)的角度和距離實(shí)現(xiàn)精確刻磨加工過程。除了寶石固有的角度、分度等數(shù)據(jù)，還需根據(jù)寶石加工工藝需要對(duì)角度高度壓力擺速等數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和調(diào)節(jié)[11]，這些數(shù)據(jù)全在上位機(jī)軟件上輸入和設(shè)置。圍型時(shí)其采用分段插值控制算法如下：

for(j=Yao_Fendu[0]+1,i=1;j<3200+Yao_Fendu[0];j++)//角度電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，每次轉(zhuǎn)一步，然后計(jì)算插值中心距離

{

if(j>Yao_Fendu[i])

{

if(i

i++;

}

Height=Yao_Hight[i-1]+((float)Yao_Hight[i]-Yao_Hight[i-1])*(j-Yao_Fendu[i-1])/(Yao_Fendu[i]-Yao_Fendu[i-1]);//計(jì)算插值中心距離

if(Height>PreHeight)

{ MoveMotor(Up,Height-PreHeight,100);//電機(jī)返回YTH+ MoveMotor(Zhuanban,1,sudu);//角度電機(jī)走一步

}

else if(Height==PreHeight)

{ MoveMotor(Zhuanban,1,10000);//角度電機(jī)走一步

}

else

{ MoveMotor(Zhuanban,1,sudu);//角度電機(jī)走一步

MoveMotor(Down,PreHeight-Height,100);//下電機(jī)開始磨

}

PreHeight=Height;//保存高度值

}

圖6 寶石加工設(shè)備控制軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

以上對(duì)數(shù)控寶石機(jī)器人控制部分實(shí)現(xiàn)作了詳細(xì)的介紹，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)，并且對(duì)軟件的算法程序也經(jīng)過大量調(diào)試和實(shí)際測試，證實(shí)該控制算法和軟件實(shí)現(xiàn)是可行的，設(shè)備也在控制軟件的指示下完成相應(yīng)的操作。以材料為立方氧化鋯的橢圓形寶石加工為例，在GEMCAD中設(shè)計(jì)好寶石形狀如圖7，得到寶石形狀參數(shù)后在自主開發(fā)的軟件中打開如圖8，設(shè)置好加工參數(shù)和設(shè)備參數(shù)便可自動(dòng)加工或手動(dòng)加工，加工后的寶石如圖9。

圖7 GEMCAD設(shè)計(jì)的橢圓寶石三視圖加工試樣

圖8 橢圓形寶石加工控制面板底面

圖9 氧化鋯材料的橢圓形寶石頂面

5 結(jié)束語

本文介紹的基于CAD/CAM的寶石加工設(shè)備控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了寶石的設(shè)計(jì)、圍型、刻磨和拋光一體化加工。經(jīng)設(shè)備調(diào)試和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后該套設(shè)備可以提高寶石加工的精度和效率，另外初學(xué)寶石加工的人員通過使用這套設(shè)備可以很快入門并掌握寶石加工的基礎(chǔ)知識(shí)，便于后續(xù)學(xué)習(xí)，因此該設(shè)備具有很好的應(yīng)用前景。

[1] 周樹禮. 寶石加工方法的演變和發(fā)展[J]. 寶石和寶石學(xué)雜志,2003(4):28-29.

[2] 郭美斌. 梧州人造寶石產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展存在的問題與對(duì)策[J]. 企業(yè)經(jīng)濟(jì),2007(9):99-101.

[3] 陳炳忠. 寶石琢型設(shè)計(jì)及加工設(shè)備[M]. 武漢: 中國地質(zhì)大學(xué)出版社, 2014.

[4] 呂新彪. 寶石款式設(shè)計(jì)與加工工藝[M]. 武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社,2006.

[5] 劉寶志. 步進(jìn)電機(jī)的精確控制方法研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2010.

[6] 王軍鋒,唐宏. 伺服電機(jī)選型的原則和注意事項(xiàng)[J]. 裝備制造技術(shù),2009(11):129-131,133.

[7] 柴群. 蝸輪蝸桿傳動(dòng)強(qiáng)度精細(xì)分析[D].大連:大連交通大學(xué),2007.

[8] 庫少平,劉晶. 基于STM32F10x和MDK的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,03:107-110.

[9] 鄭阿奇. Visual C++實(shí)用教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

[10] 周漢利.寶石琢型電腦設(shè)計(jì)[J]. 寶石和寶石學(xué)雜志,2001,03:39-45.

[11] 熊毅,玉振明,陳炳忠. 基于DSP寶石加工機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2011(8):56-59,63.

(編輯 李秀敏)

Design and Realization of Gemstone Processing Equipment Control System Based on CAD/CAM

ZHONG Shan1,2, ZHANG Wei1,CHEN Bing-zhong2, LI Guo-wei2, WU Jia-jie2

(1.School of Mechanical and Control Engineering,Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541006, China; 2. School of Mechanical and Control Engineering, Wuzhou University, Wuzhou Guangxi 543002,China)

The equipment realizes the integration of design, rounding of type, grinding and polishing of gemstone carved grinding method, and it is based on CAD/CAM integration theory by the way of human-computer interaction with combination of upper computer and lower computer. Firstly, the control principle of the movement function of each part of equipment is analyzed and upper computer and lower computer control systems are developed by using the separation way of control program and processing data. The exploiting works of upper computer control software are finished by using the VC++ software, and the graphics file information is converted to data which under computer can identify it by building processing data structure. Lower computer adopts STM32F10X series MCU as the core processor with sensors technology and grating ruler, and uses closed-loop control algorithm after receiving upper computer signals. The equipment performs gemstone processing automatically under the special motor driver after data processing. Finally, test results demonstrate that the equipment improves precision and efficiency of gemstone processing.

CAD/CAM; gemstone processing; data processing; closed-loop control

1001-2265(2016)10-0000-00

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.000

2015-11-27；

2015-12-24

2012年廣西教育廳高?？蒲许?xiàng)目(201202ZD087)；廣西高等學(xué)校優(yōu)秀人才資助計(jì)劃、梧州學(xué)院重點(diǎn)科研項(xiàng)目(2012B006，2012B007)；大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目(201411354008，201511354021，201511354055)

鐘山(1967—)，男，廣西梧州人，梧州學(xué)院教授，博士，桂林理工大學(xué)碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樵霾闹圃?，寶石加工?E-mail)jonsonzhong@163.com。

TH166;TG659

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