五軸微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)研究
2018-11-30 來源： 山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：宋嚴(yán)科，趙玉剛，趙潤
摘要: 根據(jù)高等院校學(xué)生實(shí)踐實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了教學(xué)型五軸聯(lián)動(dòng)微型數(shù)控銑床。該銑床采用擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式機(jī)械結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間內(nèi)的移動(dòng)以及 A 軸和 B 軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念。并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了基于 AＲM 的五軸聯(lián)動(dòng)微型數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)采用 “PC + AＲM 單片機(jī)”模式設(shè)計(jì)，上位機(jī)利用 Delphi 編程軟件實(shí)現(xiàn) NC 文檔編譯、刀具補(bǔ)償計(jì)算及與下位機(jī)的通信功能，下位機(jī)是以 STM32 芯片為核心的 AＲM 單片機(jī)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊、插補(bǔ)計(jì)算及對(duì)電機(jī)的位置控制等功能。由于該數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全可靠性強(qiáng)及性價(jià)比高，因此非常適合高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)。
關(guān)鍵詞: 五軸聯(lián)動(dòng); 嵌入式; 數(shù)控系統(tǒng); Delphi 編程; AＲM 單片機(jī); STM32
0 前言
數(shù)控機(jī)床高速加工的運(yùn)動(dòng)控制是提高加工質(zhì)量和加工效率的重要手段。在現(xiàn)如今高校的工程實(shí)訓(xùn)中心中雖已廣泛增加了數(shù)控機(jī)床的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，但由于所有設(shè)備大都是一些成本高的大型機(jī)床或加工中心，一般由老師演示操作，學(xué)生很難有動(dòng)手的機(jī)會(huì)，更無法通過實(shí)訓(xùn)來掌握數(shù)控技術(shù)的原理。基于此，筆者開發(fā)了五軸微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。該數(shù)控銑床是集教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、科研于一體的綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，內(nèi)容涵蓋數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)、安裝和調(diào)試，系統(tǒng)軟件的開發(fā)及機(jī)床電器控制等相關(guān)內(nèi)容。另外，該數(shù)控系統(tǒng)操作簡單、成本低、應(yīng)用范圍廣，不僅給老師授課帶來方便，還能讓學(xué)生更好地培養(yǎng)動(dòng)手操做能力，在教學(xué)領(lǐng)域具有重要意義。
1 、五軸微型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
五軸聯(lián)動(dòng)微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)上由沿 X 、Y 、Z 軸的平動(dòng)和繞 X 、Y 、Z 中任何兩個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)組成，基本可分為 3 種形式: 雙擺頭式、雙轉(zhuǎn)臺(tái)式和擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式。本文作者設(shè)計(jì)的五軸數(shù)控銑床采用擺頭轉(zhuǎn)臺(tái)式結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 ( 總體尺寸 400 mm × 300 mm × 600mm) ，即沿 X， Y， Z 軸的移動(dòng)、 繞著 Y 軸 的擺動(dòng)( B) 及繞著 X 軸的轉(zhuǎn)動(dòng) ( A) 。新設(shè)計(jì)的五軸聯(lián)動(dòng)微型數(shù)控銑床可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的加工，能夠滿足高等院校學(xué)生的實(shí)驗(yàn)要求。
圖 1 五軸微型數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)圖
1. 1 、直線運(yùn)動(dòng)模塊
直線運(yùn)動(dòng)單元主要有: 絲杠螺母副、齒輪齒條副、同步齒型帶等，所設(shè)計(jì)的教學(xué)型五軸微型數(shù)控機(jī)床具有結(jié)構(gòu)緊湊特點(diǎn)。銑床的 X、Y 軸移動(dòng)采用滾珠絲杠傳動(dòng)方式來保證傳動(dòng)精度，Z 軸采用可以自鎖的梯形絲杠來防止主軸頭因自身重力作用而下移。由于Z 軸電機(jī)與絲杠不同軸，所以 Z 軸電機(jī)軸與絲杠軸采用傳動(dòng)比為 1∶ 1 的同步帶傳動(dòng)以保證傳動(dòng)精度，各軸均采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
1. 2 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)模塊
五軸微型數(shù)控銑床常見的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)單元有錐齒輪傳動(dòng)、蝸輪蝸桿傳動(dòng)和直齒齒輪傳動(dòng)等，由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)可以滿足大減速傳動(dòng)比的要求，提高加工精度。因此所設(shè)計(jì)的數(shù)控銑床的轉(zhuǎn)動(dòng)軸及擺動(dòng)軸均采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，傳動(dòng)比為 1∶ 30，各轉(zhuǎn)動(dòng)軸的行程均為 － 90° ～ 90°。由于步進(jìn)電機(jī)斷電之后無法自鎖，因此選用展開螺旋角小于蝸輪蝸桿接觸摩擦角的單頭蝸桿，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的自鎖。采用分辨率為 3600 脈沖的旋轉(zhuǎn)編碼器對(duì)各轉(zhuǎn)動(dòng)軸進(jìn)行角度控制，控制精度為0. 1°，各轉(zhuǎn)動(dòng)軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2 、數(shù)控銑床控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
五軸微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖 2 所示，系統(tǒng)主要由系統(tǒng)硬件和系統(tǒng)軟件程序兩 部分組成。系統(tǒng)硬件部分的核心是 AＲM 單片機(jī)，由單片機(jī)的獨(dú)立 I/O 口控制各軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器從而實(shí)現(xiàn)各軸電機(jī)的精確轉(zhuǎn)動(dòng)，利用 PWM 控制方式實(shí)現(xiàn)主軸直流無刷電機(jī)的無級(jí)變速。AＲM 單片機(jī)的獨(dú)立 I/O 口可以實(shí)現(xiàn)各限位開關(guān)及編碼器的數(shù)字量輸入，從而可以避免銑床各軸由于超程而發(fā)生的危險(xiǎn)及可以保證各轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的精確角度。
圖 2 五軸微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件程序由上位機(jī)程序和下位機(jī)程序組成。上位機(jī)程序由 Delphi 軟件編寫，主要完成 NC 文檔的讀取、保存，刀具補(bǔ)償及譯碼等非實(shí)時(shí)性程序。下位機(jī)程序主要完成譯碼及插補(bǔ)程序，限位開關(guān)及編碼器的控制程序等，由中斷服務(wù)函數(shù)保證下位機(jī)程序的實(shí)時(shí)性。在通訊模塊中，通過設(shè)置相同的波特率等參數(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的實(shí)時(shí)通訊。
3 、數(shù)控銑床控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
目前數(shù)控機(jī)床應(yīng)用最為廣泛的控制系統(tǒng)主要分為以下 兩 種: 單片機(jī)控制 系統(tǒng)、運(yùn) 動(dòng) 控 制 卡 控 制 系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制卡數(shù)據(jù)處理方面雖然可以滿足微型數(shù)控銑床的需求，但因其成本高、使用不方便 ( 需要在電腦主機(jī)中插入特定的板卡) ，與本項(xiàng)目易操作性、性價(jià)比高等要求不符，而單片機(jī)控制系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，且程序編寫簡單，維護(hù)方便。因此選用單片機(jī)作為微型數(shù)控銑床系統(tǒng)硬件的核心。
3. 1 單片機(jī)芯片的選型
選用的單片機(jī)為 STM32F103ＲET6 為核心芯片的AＲM 系列單片機(jī)作為控制系統(tǒng)。該單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量大、處理能力強(qiáng)，引入了嵌入式操作系統(tǒng)，增加了單片機(jī)的可開發(fā)性，能夠滿足微型數(shù)控系統(tǒng)的控制要求。STM32F103ＲET6 微處理器是一款 32 位Coretex-M3 內(nèi) 核 處 理 器， 內(nèi) 置 高 速 存 儲(chǔ) 器 ( 包 括512KB 的閃存和 64KB
的 SＲAM) ，可滿足數(shù)控系統(tǒng)的程序存儲(chǔ)及緩存運(yùn)行。
單片機(jī)具有 64 個(gè) GPIO 端口，可用于控制的獨(dú)立 I/O 口為 51 個(gè)，可以滿足微型數(shù)控銑床 5 個(gè)步進(jìn)電機(jī)、1 個(gè)無刷直流電機(jī)及 6 個(gè)光電限位開關(guān)及 2 個(gè)數(shù)字編碼器的控制。
單片機(jī)的獨(dú)立I / O口的輸出脈沖頻率為 50 MHz，可以滿足步進(jìn)電機(jī)和無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求。
3. 2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
針對(duì) 此 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 功 能 要 求， 設(shè) 計(jì) 基 于STM32F103ＲET6 芯片的數(shù)控銑床專用單片機(jī)控制電路，此單片機(jī)電路主要由電源模塊、驅(qū)動(dòng)器模塊、限位及編碼器模塊及通訊模塊組成。五軸微型數(shù)控銑床的系統(tǒng)硬件電路接線圖如圖 3 所示。
圖 3 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路接線圖
在對(duì)單片機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，外部 + 5 V 電源與 USB 同時(shí)為單片機(jī)供電，以保證單片機(jī)工作時(shí)的電壓與電流需求，單片機(jī)與上位機(jī)通過串口方式進(jìn)行通訊。對(duì)于五軸微型數(shù)控銑床設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到微型數(shù)控銑床的安全，各直線運(yùn)動(dòng)軸都需要用到光電限位開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸需用到光電編碼器，以保證微型數(shù)控銑床在運(yùn)動(dòng)過程中不會(huì)發(fā)生碰撞等危險(xiǎn)動(dòng)作，保護(hù)機(jī)床和操作者的安全。
單片機(jī)通過獨(dú)立的 I/O 接口為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器提供方向與脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。
4 、數(shù)控銑床控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)控銑床的精度和穩(wěn)定性有著重要影響。根據(jù)微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的功能需求及結(jié)構(gòu)分析，其控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個(gè)功能模塊: 用戶界面操作模塊、刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算模塊、上下位機(jī)通訊模塊、譯碼插補(bǔ)模塊及其他模塊。五軸微型數(shù)控銑床的軟件流程圖如圖 4所示。
圖 4 銑床的軟件流程圖
用戶界面操作模塊: 實(shí)現(xiàn)用戶輸入數(shù)控 G 代碼、參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)坐標(biāo)顯示及加工程序管理。五軸微型數(shù)控銑床的軟件主界面如圖 5 所示。
圖 5 微型數(shù)控銑床軟件界面
刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算模塊: 通過讀取刀具補(bǔ)償參數(shù)進(jìn)行單據(jù)補(bǔ)償計(jì)算，生成刀具補(bǔ)償后的 G 代碼，為銑床加工做準(zhǔn)備。上下位機(jī)通訊模塊: 實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳遞。一方面將上位機(jī)的 G 代碼程序、開關(guān)狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)控制銑床電機(jī)驅(qū)動(dòng)器; 另一方面，監(jiān)測單片機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)，使 PC 機(jī)對(duì)數(shù)控銑床的狀態(tài)保持實(shí)時(shí)監(jiān)控。譯碼插補(bǔ)模塊: 對(duì)上位機(jī)傳遞的程序進(jìn)行譯碼分析，確定銑床運(yùn)行方式、進(jìn)給速度等參數(shù)及計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算確定銑床的運(yùn)行軌跡。其他模塊: 主要對(duì)收集的光電限位開關(guān)、數(shù)字編碼器及急停開關(guān)信號(hào)進(jìn)行處理與分析，保證銑床的行程及安全運(yùn)行。
5 、結(jié)論
根據(jù)高等學(xué)校學(xué)生實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了教學(xué)型五軸微型數(shù)控銑床。此微型數(shù)控銑床功能齊全，可以完全滿足復(fù)雜曲面的加工。并對(duì)五軸微型數(shù)控銑床各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元進(jìn)行了設(shè)計(jì)以保證數(shù)控銑床的運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。最后對(duì)微型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，通過控制 5 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和主軸伺服驅(qū)動(dòng)完成對(duì)數(shù)控銑床的控制，并對(duì)控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊進(jìn)行了設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的五軸微型數(shù)控銑床具有較高的精度和穩(wěn)定性。
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