基于Android的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)設計

張 亮

（溫州職業(yè)技術學院 機械工程系，浙江 溫州 325035）

0 引 言

數(shù)控技術在醫(yī)療器械、軍事工業(yè)、航空航天等諸多領域已凸顯優(yōu)越的性能。五軸聯(lián)動數(shù)控技術是數(shù)控技術的核心，具有高速、高精度、環(huán)保、智能、復合化等優(yōu)點。相較于國外，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)及產(chǎn)品的研究水平還較低，現(xiàn)階段國內(nèi)使用的高端五軸數(shù)控機床大多依賴于進口，價格相當昂貴[1-3]。目前，國內(nèi)工業(yè)機床的控制主要還是基于特定的工業(yè)PC機，功能比較有限，且系統(tǒng)更新升級較慢，無法滿足制造生產(chǎn)中日益變化的控制需求。因此，將Android智能設備作為移動控制終端應用于數(shù)控控制領域，實現(xiàn)低成本、高精度、穩(wěn)定、智能化控制是時代發(fā)展的潮流[4]。本文以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運動控制芯片[5]，開發(fā)一種五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)。Android系統(tǒng)具有豐富的功能接口，基于Android的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)減少了硬件設計，降低了成本，且可遠程控制，提高控制系統(tǒng)的靈活度。同時，為驗證系統(tǒng)的可行性，設計一臺五軸微型數(shù)控雕刻機作為測試平臺，通過實際加工具有復雜表面結構的零件，檢驗系統(tǒng)的性能、應用可行性及工程價值。

1 系統(tǒng)整體設計方案

目前，常見的數(shù)控系統(tǒng)主要為基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)和基于微處理器的嵌入式數(shù)控系統(tǒng)。本文設計的數(shù)控系統(tǒng)采用“嵌入式平臺+可編程運動控制芯片”串聯(lián)式閉環(huán)控制結構，以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運動控制芯片，具有硬件選擇性強、功能可靠穩(wěn)定、遠程便捷控制、成本較低等優(yōu)點。

1.1 系統(tǒng)總體結構

根據(jù)五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)功能要求[6]，為了使系統(tǒng)在結構設計和功能實現(xiàn)上更加緊湊靈活，將系統(tǒng)整體劃分為上位機（中央控制系統(tǒng)）和下位機（運動控制系統(tǒng)）兩部分?；贑/S架構模式，上位機Android終端和下位機采用全雙工高速通訊，工作時上位機發(fā)送運動命令；下位機接受命令，并經(jīng)過代碼編譯、脈沖發(fā)送、輸入輸出信號等處理后發(fā)出對應的脈沖數(shù)據(jù)給伺服電機，并將傳感器接收到的機床工作狀態(tài)及運動參數(shù)反饋給上位機模塊。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構

上位機主要承擔操作面板、手搖控制器、外部輸入接口、移動存儲設備、觸屏信息、遠程網(wǎng)絡通訊等人機交互功能；下位機主要承擔插補、進給伺服、代碼編譯、誤差補償?shù)葟妼崟r性任務，以及電主軸控制、機床開關量的控制、反饋信號的處理等底層硬件控制功能，對接收到的信號進行分析處理，發(fā)出脈沖指令給伺服驅(qū)動器，由伺服驅(qū)動器驅(qū)動伺服電機，實現(xiàn)機床本體的運動控制。伺服驅(qū)動器檢測到的伺服電機電壓電流、負載情況、報警信息反饋給運動控制系統(tǒng)，以監(jiān)控伺服驅(qū)動器工作情況。運動控制系統(tǒng)配合中央控制系統(tǒng)共同對輔助輸出系統(tǒng)如刀庫、切削液、潤滑系統(tǒng)、排屑系統(tǒng)等進行控制。檢測傳感器如編碼器采集機床位置數(shù)據(jù)反饋給I/O輸入系統(tǒng)，再由I/O輸入系統(tǒng)分別反饋給中央控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)進行位置與速度等補償，實時進行誤差跟隨補償，以確保加工精度實現(xiàn)全閉環(huán)控制。系統(tǒng)工作流程及其內(nèi)部運行原理如圖2～圖3所示。

1.2 系統(tǒng)功能要求

系統(tǒng)功能有以下要求：以UG三維軟件建立三維模型并經(jīng)UG自建后處理軟件，生成刀具加工G代碼程序，系統(tǒng)上位機讀取數(shù)據(jù)并對其進行處理和插補修改，形成適合運動控制卡的加工信息。由操作界面將加工信息通過網(wǎng)絡通訊發(fā)送給下位機，下位機將進行插補計算并加工信息，發(fā)送伺服電機驅(qū)動器和變頻器。伺服電機驅(qū)動器發(fā)出電子脈沖給控制直線運動和旋轉(zhuǎn)運動的伺服電機，控制旋轉(zhuǎn)速度，變頻器發(fā)出電子脈沖給電主軸控制刀具運轉(zhuǎn)速度，從而完成機床的走位和加工。此時，位移傳感器反饋各個軸運動位置信息給上下位機，實現(xiàn)全閉環(huán)控制。通過操作界面上的相應按鈕輸入對工作流程的控制信息（如加工開始、結束、暫停、自動加工、手動加工、回零處理等），通過上位機和下位機的相互信息協(xié)同完成零件加工和實時監(jiān)控。

圖2 系統(tǒng)工作流程

圖3 系統(tǒng)內(nèi)部運行原理

2 系統(tǒng)硬件設計

上位機硬件系統(tǒng)主要包括主控芯片（Exynos4412 64位芯片）、高清觸屏、通訊模塊、控制系統(tǒng)異常報警電路和GPIO按鍵模塊等。除常規(guī)性的基礎電路外，下位機硬件系統(tǒng)主要包括基于STM32F407的芯片電路、伺服驅(qū)動電路、電主軸變頻控制電路、手輪控制電路、繼電器控制電路及信號反饋電路等，最為關鍵的是伺服驅(qū)動脈沖定位電路和電主軸DC0-10V模擬量控制電路。

2.1 脈沖回路硬件電路

采用STM32F407芯片，額定電壓為3.3V，一般伺服驅(qū)動器所能識別的脈沖電壓為5V左右，綜合考慮穩(wěn)定性、可靠性和響應速度，選擇東芝公司生產(chǎn)的TLP115A型5引腳高速光耦作為脈沖隔離輸出光耦。TLP115A電氣原理及電氣特性如圖4所示。

圖4 TLP115A電氣原理及電氣特性

2.2 電主軸變頻控制模塊

為了提高加工零件的表面精度，主軸系統(tǒng)采用電主軸控制單元，主要組成部分為變頻器和主軸電機。采用PWM占空比方式輸出DC0-10V模擬量控制電主軸轉(zhuǎn)速。STM32F407芯片中PF8引腳作為PWM信號輸出引腳，設置占空比方式，將PF8引腳采用TLP115A高速光耦芯片隔離輸出，將PWM波由3.3V轉(zhuǎn)換成5V，再采用LM358P作為模擬量輸出主芯片，將PWM波轉(zhuǎn)換成DC0-10V模擬量電壓。其具體硬件（LM358）電路如圖5所示。

圖5 LM358電路

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件模塊主要用于管理加工程序，實現(xiàn)對機床各個軸電機的運動控制。系統(tǒng)上位機基于Android系統(tǒng)，編程語言為JAVA；下位機開發(fā)工具為Keil5，編程語言為C語言，調(diào)用STM32F407運動控制卡提供的庫函數(shù)，實現(xiàn)各個軸的運動控制。系統(tǒng)軟件模塊主要包括人機交互模塊、編譯模塊、運動控制模塊等。

3.1 上位機程序設計

上位機程序主要為人機交互模塊，其功能是顯示人機交互界面信息和關鍵參數(shù)設置。系統(tǒng)人機交互主界面（見圖6）通過一個Activity類加以實現(xiàn)，每一個按鈕、顯示框、編輯框都在該類中聲明、定義、使用消息機制加以實現(xiàn)。該界面主要包括程序段顯示區(qū)、坐標位置顯示區(qū)、進給倍率調(diào)節(jié)區(qū)、3D圖形顯示區(qū)、功能按鍵區(qū)。

3.2 下位機程序設計

下位機主要為編譯模塊和運動控制模塊，包括伺服驅(qū)動控制、插補計算、速度控制、GPIO控制、編碼器反饋等。系統(tǒng)發(fā)送各個軸脈沖序列，實現(xiàn)伺服電機的驅(qū)動控制，控制脈沖之間的時間間隔等效于控制伺服電機的轉(zhuǎn)動速度。為了保證平穩(wěn)、快速輸出脈沖數(shù)據(jù)，在下位機專門安放一個高速定時器，負責脈沖計算與脈沖輸出。采用全閉環(huán)速度模式PID數(shù)據(jù)采樣插補法，將插補曲線拆分為若干個細小直線段進行插補。在插補過程中，采集當前刀具位置、計算當前點矢量、計算插補誤差量、綜合矢量與速度等參數(shù)，保證各個軸加減速的平滑穩(wěn)定性，避免加速度的沖擊；在兩個軌跡點之間插入密集化點，刀具按軌跡點插值路徑運行。

圖6 系統(tǒng)人機交互主界面

4 測 試

為了驗證系統(tǒng)的可行性，設計一臺五軸微型數(shù)控雕刻機作為測試平臺。數(shù)控雕刻機是一種采用數(shù)控技術的專用機床[7]。根據(jù)雕刻機功能要求，采用Altium Designer Summer 09軟件設計PCB圖并制作控制電路板（見圖7），搭建線路完成一個零件的雕刻加工。經(jīng)UG CAM編程得到實際加工刀具路徑的G代碼文件，利用雕刻機和系統(tǒng)進行實際加工。五軸微型數(shù)控雕刻機樣機如圖8所示。從加工結果可知，系統(tǒng)可有效實現(xiàn)五軸數(shù)控機床高效、高精度的聯(lián)動加工，且可達到預期精度0.005mm。

5 結 論

本文提出一種以“Android系統(tǒng)+STM32F407運動控制芯片”為系統(tǒng)控制核心，可遠程控制的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設計，具有豐富友好的人機界面和優(yōu)良的開放性能，支持多種操作平臺，有較強的可移植性，維修更簡易，質(zhì)量更可靠，增強了開放式數(shù)控系統(tǒng)的市場競爭力。該系統(tǒng)創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：一是模塊化設計。系統(tǒng)各模塊相互獨立，可讓用戶在較大范圍內(nèi)根據(jù)要求配置系統(tǒng)，如機床軸數(shù)、I/O點數(shù)等，而當系統(tǒng)硬件改變時，只需簡單修改數(shù)控系統(tǒng)軟件，即可滿足要求，具有更大的靈活性，更能適應市場的動態(tài)變化。二是具有豐富友好的人機界面。用戶可在系統(tǒng)環(huán)境下使用不同的編程語言隨心所欲地開發(fā)適合個人用途的人機界面，如某些特殊機床的專屬控制功能，而不必過多地考慮系統(tǒng)控制器的核心部分。三是具有優(yōu)良的開放性能。系統(tǒng)能方便地掛上第三方應用軟件，如各種CAD/CAM軟件、測試軟件或管理軟件，以滿足用戶所需，開放式系統(tǒng)可集眾家之長。四是支持多種操作平臺。系統(tǒng)結構更好地支持windows, android, win CE, Linux,Unix, RTOS等不同操作平臺。測試結果表明，該系統(tǒng)可有效實現(xiàn)五軸數(shù)控機床高效、高精度的聯(lián)動加工，且可達到預期精度0.005mm，具有應用可行性與工程價值。

圖7 五軸微型數(shù)控雕刻機控制電路板

圖8 五軸微型數(shù)控雕刻機樣機