基于Android的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2020-5-22 來源：溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 作者：張亮
摘要： 以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運(yùn)動控制芯片，開發(fā)一種五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動加工、手動加工，加工中刀具轉(zhuǎn)速可調(diào)、暫停、繼續(xù),以及沿原軌跡返回及支持G代碼等功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床高效、高精度的聯(lián)動加工，且達(dá)到預(yù)期精度0.005mm，具有應(yīng)用可行性與工程價值，可為多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床的開發(fā)提供參考。
關(guān)鍵詞: 五軸聯(lián)動；數(shù)控系統(tǒng)；Android；雕刻機(jī)
0 引 言
數(shù)控技術(shù)在醫(yī)療器械、軍事工業(yè)、航空航天等諸多領(lǐng)域已凸顯優(yōu)越的性能。五軸聯(lián)動數(shù)控技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的核心，具有高速、高精度、環(huán)保、智能、復(fù)合化等優(yōu)點(diǎn)。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(jī)床大多依賴于進(jìn)口，價格相當(dāng)昂貴[1-3]。
目前，國內(nèi)工業(yè)機(jī)床的控制主要還是基于特定的工業(yè)PC 機(jī)，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(shè)備作為移動控制終端應(yīng)用于數(shù)控控制領(lǐng)域，實(shí)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(yùn)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(shè)計(jì)，降低了成本，且可遠(yuǎn)程控制，提高控制系統(tǒng)的靈活度。同時，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)一臺五軸微型數(shù)控雕刻機(jī)作為測試平臺，通過實(shí)際加工具有復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的零件，檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能、應(yīng)用可行性及工程價值。
1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)采用“嵌入式平臺+可編程運(yùn)動控制芯片”串聯(lián)式閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運(yùn)動控制芯片，具有硬件選擇性強(qiáng)、功能可靠穩(wěn)定、遠(yuǎn)程便捷控制、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)上更加緊湊靈活，將系統(tǒng)整體劃分為上位機(jī)（中央控制系統(tǒng)）和下位機(jī)（運(yùn)動控制系統(tǒng)）兩部分。基于C/S架構(gòu)模式，上位機(jī)Android終端和下位機(jī)采用全雙工高速通訊，工作時上位機(jī)發(fā)送運(yùn)動命令；下位機(jī)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(yīng)的脈沖數(shù)據(jù)給伺服電機(jī)，并將傳感器接收到的機(jī)床工作狀態(tài)及運(yùn)動參數(shù)反饋給上位機(jī)模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
上位機(jī)主要承擔(dān)操作面板、手搖控制器、外部輸入接口、移動存儲設(shè)備、觸屏信息、遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通訊等人機(jī)交互功能 ；下位機(jī)主要承擔(dān)插補(bǔ)、進(jìn)給伺服、代碼編譯、誤差補(bǔ)償?shù)葟?qiáng)實(shí)時性任務(wù)，以及電主軸控制、機(jī)床開關(guān)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(jìn)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(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床本體的運(yùn)動控制。伺服驅(qū)動器檢測到的伺服電機(jī)電壓電流、負(fù)載情況、報警信息反饋給運(yùn)動控制系統(tǒng)，以監(jiān)控伺服驅(qū)動器工作情況。運(yùn)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(jìn)行控制。檢測傳感器如編碼器采集機(jī)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(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行位置與速度等補(bǔ)償，實(shí)時進(jìn)行誤差跟隨補(bǔ)償，以確保加工精度實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。系統(tǒng)工作流程及其內(nèi)部運(yùn)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(jī)讀取數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行處理和插補(bǔ)修改，形成適合運(yùn)動控制卡的加工信息。由操作界面將加工信息通過網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)將進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算并加工信息，發(fā)送伺服電機(jī)驅(qū)動器和變頻器。伺服電機(jī)驅(qū)動器發(fā)出電子脈沖給控制直線運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的伺服電機(jī)，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(yùn)轉(zhuǎn)速度，從而完成機(jī)床的走位和加工。此時，位移傳感器反饋各個軸運(yùn)動位置信息給上下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。通過操作界面上的相應(yīng)按鈕輸入對工作流程的控制信息（如加工開始、結(jié)束、暫停、自動加工、手動加工、回零處理等），通過上位機(jī)和下位機(jī)的相互信息協(xié)同完成零件加工和實(shí)時監(jiān)控。
2 、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
上位機(jī)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(chǔ)電路外，下位機(jī)硬件系統(tǒng)主要包括基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(guān)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(yīng)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。
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(jī)。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(shè)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。
3 、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件模塊主要用于管理加工程序，實(shí)現(xiàn)對機(jī)床各個軸電機(jī)的運(yùn)動控制。系統(tǒng)上位機(jī)基于Android 系統(tǒng)，編程語言為JAVA；下位機(jī)開發(fā)工具為Keil5，編程語言為C語言，調(diào)用STM32F407運(yùn)動控制卡提供的庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各個軸的運(yùn)動控制。系統(tǒng)軟件模塊主要包括人機(jī)交互模塊、編譯模塊、運(yùn)動控制模塊等。
3.1 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)
上位機(jī)程序主要為人機(jī)交互模塊，其功能是顯示人機(jī)交互界面信息和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)人機(jī)交互主界面（見圖6）通過一個Activity類加以實(shí)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(jī)制加以實(shí)現(xiàn)。該界面主要包括程序段顯示區(qū)、坐標(biāo)位置顯示區(qū)、進(jìn)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(jī)程序設(shè)計(jì)
下位機(jī)主要為編譯模塊和運(yùn)動控制模塊，包括伺服驅(qū)動控制、插補(bǔ)計(jì)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(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)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(jī)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(jī)專門安放一個高速定時器，負(fù)責(zé)脈沖計(jì)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(bǔ)法，將插補(bǔ)曲線拆分為若干個細(xì)小直線段進(jìn)行插補(bǔ)。在插補(bǔ)過程中，采集當(dāng)前刀具位置、計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)矢量、計(jì)算插補(bǔ)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(diǎn)之間插入密集化點(diǎn)，刀具按軌跡點(diǎn)插值路徑運(yùn)行。
4、測 試
為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)一臺五軸微型數(shù)控雕刻機(jī)作為測試平臺。數(shù)控雕刻機(jī)是一種采用數(shù)控技術(shù)的專用機(jī)床[7]。根據(jù)雕刻機(jī)功能要求，采用Altium Designer Summer09軟件設(shè)計(jì)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)UGCAM編程得到實(shí)際加工刀具路徑的G代碼文件，利用雕刻機(jī)和系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際加工。五軸微型數(shù)控雕刻機(jī)樣機(jī)如圖8所示。從加工結(jié)果可知，系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床高效、高精度的聯(lián)動加工，且可達(dá)到預(yù)期精度0.005mm。
5 、 結(jié) 論
本文提出一種以“Android系統(tǒng)+STM32F407運(yùn)動控制芯片”為系統(tǒng)控制核心，可遠(yuǎn)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(shè)計(jì)，具有豐富友好的人機(jī)界面和優(yōu)良的開放性能，支持多種操作平臺，有較強(qiáng)的可移植性，維修更簡易，質(zhì)量更可靠，增強(qiáng)了開放式數(shù)控系統(tǒng)的市場競爭力。該系統(tǒng)創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面 ：一是模塊化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)各模塊相互獨(dú)立，可讓用戶在較大范圍內(nèi)根據(jù)要求配置系統(tǒng)，如機(jī)床軸數(shù)、I/O點(diǎn)數(shù)等，而當(dāng)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(yīng)市場的動態(tài)變化。二是具有豐富友好的人機(jī)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(jī)界面，如某些特殊機(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)更好地支持windows, android, win CE,Linux, Unix, RTOS等不同操作平臺。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床高效、高精度的聯(lián)動加工，且可達(dá)到預(yù)期精度0.005mm，具有應(yīng)用可行性與工程價值。
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