教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)研究與開發(fā)
2020-5-27 來源： 湖北水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：龐璐，戴華，黎楠
摘要：研發(fā)了一種應(yīng)用于教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)，采用 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)采用立式數(shù)控銑床形式的結(jié)構(gòu)布局；完成了工作臺步進電機控制線路、銑軸伺服電機控制線路的設(shè)計；模塊化的設(shè)計思路，設(shè)計了控制系統(tǒng)軟件部分，能夠檢查并編譯 NC 代碼，能夠通過運動控制器來完成自動加工、對刀和加工軌跡仿真等功能；人機界面友好，易于使用，用戶可根據(jù)自己使用要求添加相應(yīng)模塊。應(yīng)用加工實例表明，本教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)，操作簡單、功能完善、安全系數(shù)高、性能優(yōu)越等系列優(yōu)點，能夠滿足教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的控制要求，為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：教學(xué)加工兩用型；微型數(shù)控銑床；數(shù)控系統(tǒng)；模塊化設(shè)計
計算機數(shù)控 （Computerized numerical control，簡稱 CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)，是數(shù)控機床的核心[1]。它的功能是接收載體送來的加工信息，經(jīng)計算和處理后去控制機床的動作。其主要組成部分有：工業(yè)控制計算機、運動控制器及通用 I/O 控制卡、主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)、步進驅(qū)動系統(tǒng)，交流伺服控制系統(tǒng)、三軸（XYZ）工作平臺、切屑回收系統(tǒng)及尾軸定位鉆孔等輔助裝置[2]。本文采用基于 DSP 的運動控制器 GE-300-SG作為整個控制系統(tǒng)的核心，構(gòu)建了 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。目前 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)一般采用 PLC 來控制[3]，本文中則采用運動控制器和通用 I/O 卡，為開放式數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)提供了另外一種途徑。
1、 系統(tǒng)硬件設(shè)計
教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)采用工業(yè) PC 機結(jié)合固高科技有限公司生產(chǎn)的運動控制器取代目前數(shù)控銑床中現(xiàn)有的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以Windows 2000 作為操作界面，通過 PC 機輸入的具體加工程序經(jīng)過運動控制器的處理，轉(zhuǎn)換成步進電機驅(qū)動器及伺服驅(qū)動器能識別并能執(zhí)行的電壓信號，然后由各電機驅(qū)動器及伺服驅(qū)動器驅(qū)動各軸的電機按給定的要求運動，從而達到控制銑床運動的目的。其硬件系統(tǒng)包括工業(yè)計算機、運動控制器、通用輸入輸出板卡、主軸交流變頻器及電機、交流伺服驅(qū)動器及驅(qū)動電機、步進電機驅(qū)動器及驅(qū)動電機、鉆孔電機、位置傳感器、吸塵電機等。各部件的選型不僅要滿足功能的要求，也應(yīng)具有很好的性價比和可靠性，同時還應(yīng)注意各部件之間的匹配。其結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。
圖 1 教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)框圖
1.1 機械結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計
機械本體是控制系統(tǒng)的控制對象，其結(jié)構(gòu)作為教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的載體，具體實現(xiàn)控制系統(tǒng)的運動的目的[4]。教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的主體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，其主體結(jié)構(gòu)包括 X、Y 軸工作臺、Z 軸工作臺和立柱結(jié)構(gòu)等部件。
圖 2 教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的主體結(jié)構(gòu)
1.2 運動控制器的分析設(shè)計
教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床選用以 DSP 為主要控制蕊片的數(shù)字式步進/伺服型運動控制器，在本文中，選用固高科技（香港） 有限公司基于 DSP 和FPGA 技術(shù)的三軸PCI運動控制器 ，型號 為 ：GE-300-SG-PCI-G.
該款運動控制器不僅可以控制三個軸（伺服電機或步進電機控制），控制周期 200 us，而且能夠支持三路四倍頻增量式編碼器信號輸入，最高頻率為 8 MHz；具有通用的數(shù)字信號輸入輸出功能；支持原位信號和限位信號輸入；有較高的性價比[5]。如圖 3 所示。
圖 3 GE- 300- SG- PCI- G 運動控制器
在開發(fā)基于運動控制器的程序之前，必須按照其說明說進行安裝、測試并正確的與其他硬件設(shè)備連接，教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的 GE 系列運動控制器與工業(yè)計算機的連接設(shè)計，如圖 4 所示。
GE-300-SG-PCI-G 運動控制器中，其專用的輸入包括：驅(qū)動報警信號、原點信號和限位信號，通過端子板的 CN5（CN6、CN7）將驅(qū)動報警信號與驅(qū)動器相連[6]。原點和限位通過 CN12 與外部開關(guān)相連，如圖5 所示。專用輸出包括：驅(qū)動允許，驅(qū)動報警復(fù)位。專用輸出通過端子板 CN5（CN6、CN7）與驅(qū)動器連接。CN5 對應(yīng) X 軸步進電機，CN6 對應(yīng) Y 軸步進電機，依此類推。
圖 5 專用輸入和輸出信號的連接
1.3 交流伺服系統(tǒng)
伺服電動機也稱為執(zhí)行電動機，在控制系統(tǒng)中作為執(zhí)行元件，將電信號轉(zhuǎn)換為軸上的轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)角，以帶動控制對象。伺服電機有直流和交流兩種，大功率控制系統(tǒng)常采用直流伺服電動機，交流伺服電動機則主要用于小功率伺服系統(tǒng)，最大的特點就是可控性好[7]。在沒有控制信號輸入，伺服電機停止轉(zhuǎn)動；有控制信號輸入時，伺服電機轉(zhuǎn)動；改變控制電壓的相位（極性）和大小就可以改變伺服電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。本文中所采用的是博美德（黃岡）機械有限公司生產(chǎn)的 SM80-024-30LFB 交流伺服電動機。目前，以 DSP（數(shù)字信號處理器）作為控制核心的伺服控制器得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)事項數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化以及較為復(fù)雜的控制運算。伺服驅(qū)動器是伺服系統(tǒng)的核心，它的精度決定了伺服控制系統(tǒng)的整體精度。伺服驅(qū)動器的工作目的，主要是根據(jù)伺服控制器送出的轉(zhuǎn)矩、速度、位置等指令工作[8]。教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床選用博美德（黃岡） 機械有限公司生產(chǎn)的 SA1L04C 型伺服驅(qū)動器。SA1L04C 型伺服驅(qū)動器連接圖如圖 6 所示。
圖 6 SA1L04C 型伺服驅(qū)動器連接圖
1.4 銑軸變頻系統(tǒng)
近幾年來交流變頻調(diào)速系統(tǒng)得到了廣泛的發(fā)展，其優(yōu)異的調(diào)速性能可以取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)。變頻器靠內(nèi)部 IGBT 來調(diào)整輸出電源頻率和電壓，根據(jù)電機的實際需要電壓來提供所需要的電源電壓，從而達到調(diào)速、節(jié)能的目的。并且隨著電子配件的發(fā)展，變頻器的價格越來越低，性能越來越好，性價比不斷提高也使其得到了廣泛的應(yīng)用[9]。因此在銑軸調(diào)速系統(tǒng)中本文采用以變頻器為核心的調(diào)速系統(tǒng)。本文中銑軸變頻系統(tǒng)使用的是三晶牌變頻器，其調(diào)速方式是使用該變頻器的多功能輸入端子來進行調(diào)速。變頻器的連接分，分為主回路和控制回路。連接時應(yīng)將外殼的蓋子掀開，此時可看到主回路端子和控制回路端子，應(yīng)依照圖 7 的配線回路準(zhǔn)確連接。
1.5 步進驅(qū)動系統(tǒng)
步進驅(qū)動系統(tǒng)由運動控制器發(fā)出的方向、脈沖等控制信號，控制步進驅(qū)動器，再通過步進驅(qū)動器控制步進電動機，步進電機與滾珠絲杠相連接，滾珠絲杠的螺母與機床的工作臺相連接，把電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的直線移動[10]。步進驅(qū)動系統(tǒng)包括步進電機與步進驅(qū)動器，根據(jù)微型數(shù)控機床的精度要求，本文中選用雷賽智能式 863S68H 三相混合式的步進電機和用雷賽公司剛研發(fā)出來的一款高細分步進電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用的是精密電流控制技術(shù)，型號：3ND1183，適用于驅(qū)動控制 86-110 型各種品牌的三相混合式的步進電機。
步進驅(qū)動系統(tǒng)中驅(qū)動器的接線圖，如圖 8 所示。
圖 8 步進驅(qū)動系統(tǒng)接線圖
2 、系統(tǒng)軟件設(shè)計
目前在數(shù)控系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，由于經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)軟件采用的是標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)環(huán)境，不僅降低了開發(fā)成本，而且能開發(fā)出性能更好的系統(tǒng)，同時還可以降低維修的成本，因此基于工控機的開放性數(shù)控系統(tǒng)將成為控制系統(tǒng)的發(fā)展方向[11]。在本文教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)軟件的開發(fā)中，采用“工控機+運動控制器”作為控制核心，選用 Win－dowsXP 作為軟件操作平臺，Microsoft Visual C++6.0作為軟件的開發(fā)工具。
2.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成
軟件系統(tǒng)是硬件系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，必須根據(jù)硬件特點、系統(tǒng)設(shè)計、用戶要求來編寫程序。進行系統(tǒng)軟件設(shè)計時，首先將整個系統(tǒng)的任務(wù)功能分成許多個模塊，并對每個執(zhí)行模塊進行定義，之后根據(jù)模塊需要實現(xiàn)的功能設(shè)計每個具體模塊的程序，最后組成一個完整的系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的程序不僅結(jié)構(gòu)上具有模塊化的特點，而且各模塊內(nèi)部也可細分為小模塊。模塊特性有利于軟件測試，在功能擴充上也很方便。如要增加新功能，只需增加新模塊就能實現(xiàn)。因此這樣的模塊程序設(shè)計方法思路清晰、邏輯性強、柔性很大[12]。
根據(jù)構(gòu)建的教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)硬件體系的結(jié)構(gòu)和性能特點，本文中系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊程序設(shè)計方法。其控制系統(tǒng)軟件主要劃分了以下幾個模塊：人機交互界面模塊、語法檢測模塊、數(shù)控加工程序編譯模塊、刀補模塊、仿真模塊以及其他輔助模塊等。整個教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)軟件的基本結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示。
微型銑床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖，如圖 10 所示。
2.2 系統(tǒng)軟件中主要功能的設(shè)計
根據(jù)教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)的功能和特點，可將其軟件根據(jù)實現(xiàn)功能的不同，可歸納為以下幾個功能模塊，分別闡述如下。
（1）自動加工功能的設(shè)計
自動加工程序重點是要將數(shù)控 G 代碼進行編譯，在程序中編寫了一個結(jié)構(gòu)體來存儲 G 代碼中的數(shù)據(jù)。
（2）對刀功能的設(shè)計
對刀的目的是將 G 代碼程序中的原點與實際工件加工的原點對應(yīng)起來。在類 CMillingDlg 中定義成員變量分別用來記錄機床坐標(biāo)和工件坐標(biāo)。對刀操作就是通過刀具當(dāng)前在機床坐標(biāo)系中的位置計算出三個工件零點的值，在后面的插補指令中，分別將工件零點加到相應(yīng)的 X，Y，Z 坐標(biāo)值上，這樣就將工件坐標(biāo)（編程坐標(biāo)）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為了機床坐標(biāo)。
（3）仿真功能的設(shè)計
在本文控制軟件的設(shè)計中，仿真的原理和插補是類似的，只是將插補運動換成 GDI 的直線和圓弧的繪制函數(shù)。在對話框上放置了一個 STATIC 控件，仿真圖形的所有繪制都是在該 STATIC 控件上進行的。在程序中成員函數(shù)中首先繪制了仿真坐標(biāo)，然后根據(jù)結(jié)構(gòu)體數(shù)組中的值一項一項的逐次進行繪制。由于 GDI 的繪圖是一瞬間完成的，為繪制出整個仿真運行的效果，在繪制完每一項的圖形后程序暫停0.5 s，這樣就繪制出了仿真的動態(tài)過程。仿真圖如圖11 所示
圖 11 仿真圖
3 、人機界面的實現(xiàn)
人機界面是計算機和用戶之間進行交互和信息交換的媒介，準(zhǔn)確描述是用戶通過用戶界面向計算機發(fā)出各種數(shù)據(jù)命令，以達到對計算機進行實時操作和控制，而計算機通過用戶界面將計算機控制情況和處理結(jié)果表示出來，直觀地供用戶觀察，并指導(dǎo)用戶發(fā)出下一步命令[13]。除此之外，人機界面還應(yīng)該為計算機和用戶提供幫助、識別以及檢查等功能。所以人機界面不僅僅為用戶和計算機提供信息交換的渠道，而且也充分發(fā)揮了計算機的功能。友好的人機界面能夠提高控制系統(tǒng)的使用效率，促進用戶更好的掌握及創(chuàng)造性發(fā)揮，所以其作用顯得非常重要。本控制系統(tǒng)運用 Visual C++6.0 語言，設(shè)計了程序運行界面和參數(shù)設(shè)置界面的人機界面。
4、 結(jié)束語
通過數(shù)控系統(tǒng)提供機械加工領(lǐng)域的生產(chǎn)制造效率是未來的必然趨勢，本文對教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床，從硬件和軟件探討了采用 NC 嵌入計算機結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，機械結(jié)構(gòu)采用立式數(shù)控銑床形式的結(jié)構(gòu)布局；完成了工作臺步進電機控制線路、銑軸伺服電機控制線路的設(shè)計。
采用模塊化的設(shè)計思路，設(shè)計了控制系統(tǒng)軟件部分。該軟件在工控機上能實現(xiàn)其功能，能夠檢查并編譯 NC 代碼，能夠通過運動控制器來完成自動加工、對刀和加工軌跡仿真等功能；人機界面友好，易于使用；提供了主要功能設(shè)計的源代碼。該軟件的源代碼開放，由于采用的是模塊化設(shè)計思路，用戶可根據(jù)自己使用要求添加相應(yīng)模塊。
應(yīng)用加工實例表明，本教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的數(shù)控系統(tǒng)，人機界面友好、操作簡單、功能完善、安全系數(shù)高、性能優(yōu)越等系列優(yōu)點，能夠滿足教學(xué)加工兩用型微型數(shù)控銑床的控制要求，為數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
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