基于USB口的雕刻機(jī)在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用與實(shí)踐

楊 義，陳 勇，楊 周

(上海大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

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

為適應(yīng)國際工程師認(rèn)證的工程教學(xué)背景，上海大學(xué)機(jī)械自動化專業(yè)的數(shù)控技術(shù)實(shí)驗(yàn)課程團(tuán)隊(duì)對實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐嘗試，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中特別強(qiáng)調(diào)學(xué)生綜合能力的培養(yǎng)，以實(shí)驗(yàn)室一批老式的三維工作平臺裝置為基礎(chǔ)，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(gòu)成開放式數(shù)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)踐出一臺基于USB口的數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺，加強(qiáng)學(xué)生綜合性和探索性研究的訓(xùn)練。

數(shù)控技術(shù)的發(fā)展需要大量的應(yīng)用型人才，應(yīng)用型人才的培養(yǎng)質(zhì)量在較大程度上體現(xiàn)在數(shù)控技術(shù)理論的實(shí)際應(yīng)用能力、實(shí)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(jī)的實(shí)踐過程在一定程度上就是這種科學(xué)探究過程或科學(xué)研究過程的再現(xiàn)[2]。學(xué)生在實(shí)踐中增強(qiáng)了專業(yè)興趣，明顯提高了數(shù)控技術(shù)課程的教學(xué)效果。

1 雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的工作原理

基于USB接口的數(shù)控雕刻機(jī)實(shí)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(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的專用的CAM軟件，如MASTERCAM進(jìn)行圖像、文字的設(shè)計(jì)和排版，生成適合于CNC USB軟件運(yùn)行的DXF文件。將DXF工程文件導(dǎo)入后，根據(jù)模型進(jìn)行相關(guān)配置與調(diào)整，試運(yùn)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(zhuǎn)化為數(shù)控信息，控制卡把這些信息轉(zhuǎn)化為驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)所需的脈沖串，控制雕刻機(jī)X.Y.Z三軸的運(yùn)行，當(dāng)X.Y.Z三軸的運(yùn)行到達(dá)指定位置時，限位開關(guān)斷開，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。同時，電主軸按照設(shè)定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行銑削，即可雕刻出在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)的各種平面或立體的圖形文字，實(shí)現(xiàn)雕刻自動化加工[3-4]。

圖1 數(shù)控雕刻機(jī)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(jī)底板。

圖2 雕刻機(jī)的整機(jī)示意圖

2 平臺關(guān)鍵結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了方便加工各種曲面以及提高加工效率，機(jī)械結(jié)構(gòu)的布局方案選擇的是床身式立式銑床結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)上工作臺只能在X軸和Y軸兩個方向上移動(實(shí)現(xiàn)加工長度和寬度)，主軸安裝在Z軸上，可實(shí)現(xiàn)上下移動(完成加工深度)。主軸由內(nèi)裝式電動機(jī)直接驅(qū)動，以實(shí)現(xiàn)主軸運(yùn)動的“零傳動”[5]。傳動副采用絲桿螺母傳動副，電機(jī)使用步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)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(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載作用，采用滾珠直線導(dǎo)軌，導(dǎo)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(guān)零件進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，主要有立座、二維十字工作臺以及整體設(shè)計(jì)，最后用三維軟件對整個實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了組裝，整機(jī)示意如圖2所示。

2.2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)與計(jì)算

根據(jù)實(shí)現(xiàn)雕刻機(jī)的基本要求，實(shí)驗(yàn)平臺的基本參數(shù)如下。

1)最大進(jìn)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(dāng)量：0.01 mm。

由于雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺的加工對象主要為鋁合金材料，擬采取了硬質(zhì)合金直柄立銑刀d0=3 mm,z=2,查閱《機(jī)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(zhuǎn)速n=1500 r/min，帶入相關(guān)參數(shù)，對刀具的銑削力、銑削扭矩、銑削功率進(jìn)行計(jì)算?？梢缘玫饺绫?所示結(jié)果。

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

表1銑削力、扭矩和功率的計(jì)算

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

2.3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的硬件部分主要包括PC機(jī)、運(yùn)動控制卡CNC USB Controller、步進(jìn)驅(qū)動器、反饋裝置和電動機(jī)。硬件結(jié)構(gòu)上利用PC機(jī)作為主體，將控制卡通過以太網(wǎng)高速USB接口和PC機(jī)通信，控制器自身還提供了如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等典型的插補(bǔ)算法；步進(jìn)驅(qū)動器則根據(jù)運(yùn)動控制器提供的信號驅(qū)動電機(jī)按照預(yù)定的方向和速度轉(zhuǎn)動。

本系統(tǒng)屬于多主結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，PC機(jī)和運(yùn)動控制器兩者之間資源實(shí)現(xiàn)共享，非實(shí)時性任務(wù)分別有PC機(jī)和運(yùn)動控制器分別完成。CNC USB controller運(yùn)動控制卡是介于電腦和電機(jī)驅(qū)動器之間的設(shè)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(yùn)動控制器是數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度和位置的關(guān)鍵硬件,選用一個四軸的運(yùn)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(jié)構(gòu)采用步進(jìn)開環(huán)結(jié)構(gòu)，開環(huán)是最為簡單的伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，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(dá)到控制執(zhí)行部件運(yùn)動的位移、速度以及運(yùn)動方向的目的，步進(jìn)電機(jī)的控制方式如圖4所示[7]?？刂瓶ń邮盏较尬婚_關(guān)發(fā)出的工作臺到達(dá)信號，通過內(nèi)部控制電路的作用，對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出停止命令，即相應(yīng)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動[8-12]。

3 實(shí)驗(yàn)平臺的調(diào)試與模擬仿真

數(shù)控系統(tǒng)軟件是人機(jī)交互的平臺，用戶通過此平臺發(fā)送控制指令，從而驅(qū)動數(shù)控系統(tǒng)中的伺服系統(tǒng)按照預(yù)期的運(yùn)動方式完成加工任務(wù)。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(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時地加以調(diào)整。而與運(yùn)動控制卡相匹配的USB CNC軟件足以勝任此項(xiàng)工作。

圖4 驅(qū)動器與控制卡和步進(jìn)電機(jī)接線圖

如圖5所示標(biāo)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(shí)驗(yàn)平臺的調(diào)試主要就是相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)前文計(jì)算結(jié)果選取合理的參數(shù),重要的參數(shù)設(shè)置有如下3個方面。

1)脈沖數(shù)的設(shè)置。

對于系統(tǒng)脈沖數(shù)設(shè)置，脈沖數(shù)(步數(shù)/毫米)在此處的大小即表示機(jī)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(jìn)電機(jī)，根據(jù)計(jì)算公式：

(200/螺距)×細(xì)分?jǐn)?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(xì)分?jǐn)?shù)為32的驅(qū)動器，因絲桿螺距為5 mm，可以計(jì)算得到1 280。即設(shè)置脈沖數(shù)為1 280。Z軸方向?yàn)榇怪钡毒呱钊氩糠?，所以速度要稍微慢一點(diǎn)，設(shè)置為8細(xì)分，計(jì)算結(jié)果為320，故設(shè)置為320。

2)速度與加速度的設(shè)置。

如圖6所示可以看出，還需要根據(jù)數(shù)控雕刻機(jī)的性能進(jìn)行設(shè)置初始速度、最大速度和加速度。初始速度X/Y軸設(shè)置為40 mm/min，Z軸的速度要小，因?yàn)榭紤]到Z軸處于垂直狀態(tài)，驅(qū)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(jì)算結(jié)果設(shè)定為240 mm/min。

加速度的設(shè)置存在一定要求，一般情況下數(shù)控銑床設(shè)置應(yīng)不大于300，雕刻機(jī)不大于1 000。而加速度設(shè)置過高雖然可以使機(jī)器運(yùn)行G碼效率變高，但是如果高加速帶來的機(jī)械沖擊力大于機(jī)器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，會引起震動大、噪聲增加、運(yùn)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(shè)計(jì)的數(shù)控雕刻機(jī)是實(shí)驗(yàn)操作平臺，將加速度設(shè)置為30，雖然運(yùn)行G碼效率降低，但是可以使機(jī)器運(yùn)行平穩(wěn)。

3)刀具的參數(shù)設(shè)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(shí)際數(shù)控雕刻機(jī)的應(yīng)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?yàn)闆]有配備刀具庫，所以設(shè)置刀具參數(shù)為模擬，設(shè)置換刀位置為G28，并選中暫停和保持主軸狀態(tài)選項(xiàng)，設(shè)置后，在實(shí)驗(yàn)室的一臺雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺上完成了相應(yīng)的加工演示實(shí)驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 雕刻機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺及實(shí)物加工演示圖

4 結(jié)束語

針對學(xué)?，F(xiàn)有的一些理論性強(qiáng)、課程內(nèi)容較為抽象、不進(jìn)行實(shí)踐，不易理解的課程，需要建立“理實(shí)一體化”實(shí)驗(yàn)室來改變傳統(tǒng)的滿堂灌的做法，擺脫純理論教學(xué)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性，使得同學(xué)們的動腦和動手能力顯著增強(qiáng)。同時達(dá)到更新實(shí)驗(yàn)室設(shè)備來滿足教育需求。利用PC機(jī)和CNC USB controller運(yùn)動控制卡而構(gòu)建的開放系統(tǒng)，其開放性的參數(shù)設(shè)置體系和硬件組合多元化有利于學(xué)生對數(shù)控軟硬件進(jìn)行個性化的設(shè)置的學(xué)習(xí)，以更加滿足實(shí)驗(yàn)和模擬加工仿真的需求。

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