基於androids的五軸聯動數控係統設計-刀具網-數控機床市（shì）場（chǎng）網

您現在的位置：數控係（xì）統網> 技術前沿>基於androids的五軸聯動（dòng）數控係統設計

基於androids的五軸聯動數控係統設計

2020-5-22 來源：溫州職業技術學院機械工程係作（zuò）者：張亮

摘（zhāi）要：以androids嵌入式平台作為（wéi）硬件平台（tái）、STM32F407作為運動控製芯（xīn）片，開發（fā）一種五軸聯動數控係統，可實現遠（yuǎn）程控製、自動加工、手動加工，加工中（zhōng）刀具轉速可調、暫停、繼（jì）續,以及沿原（yuán）軌跡返回及支持G代碼等功能。測試結果表明，該係統可（kě）有效實現五軸數（shù）控機床高效、高精（jīng）度的聯動（dòng）加工，且達到預期精度0.005mm，具有應（yīng）用可行性與工程價值，可（kě）為多軸聯動數控機床的開發提供參考。

關鍵詞: 五（wǔ）軸聯動；數控係統；androids；雕刻機

0 引言

數控技術在醫療（liáo）器械、軍事工業、航空航天等諸多領域已凸顯優越的性能。五軸聯（lián）動數控技術是數控技術的核心，具有高速、高精度、環（huán）保、智能、複合化等優點（diǎn）。相較於國外，國內數控係統及產品的研究水平還較低，現階段國內使用的高端五軸數控機床大多依賴於（yú）進口，價格相當昂貴[1-3]。

目前，國內工業機床（chuáng）的控製主（zhǔ）要還是（shì）基於特（tè）定的工業PC 機，功能比較有限，且係統更新升（shēng）級（jí）較（jiào）慢，無法滿足製造生產中日益變（biàn）化（huà）的控（kòng）製需求。因此，將androids智能設（shè）備作為移動（dòng）控製終端應用於數控（kòng）控製領（lǐng）域，實現低成本、高精度、穩定、智能化控製是時代發展的潮流[4]。本文以androids嵌入式平台作為硬件平（píng）台、STM32F407作為運（yùn）動控製芯片[5]，開發一種五軸聯動數控係統。androids係統具有豐（fēng）富的功能接口，基於androids的五軸聯（lián）動數控係統減少了硬件設計，降低了成本，且可遠程控製（zhì），提高控製係（xì）統的靈活度。同時，為驗證係統的可行性，設計一台五軸微型數（shù）控雕刻機作為測試平台，通過實際加工具有複雜表麵結構的零件，檢驗係統（tǒng）的性能、應用可（kě）行性及工程價值（zhí）。

1、係（xì）統整體（tǐ）設計方案

目前，常見的數控係統（tǒng）主要為基於PC的開放（fàng）式數控係統和基於微處理器的嵌入式數控係統。本文設計的數控係統采用“嵌入式平（píng）台+可編（biān）程運動控製芯片”串聯式閉環控製結構，以androids嵌入式（shì）平台作為硬件平台、STM32F407作為運動控製芯片，具有硬件（jiàn）選擇性強、功能可（kě）靠穩定、遠程便捷控製（zhì）、成本較低等優點（diǎn）。

1.1 係統總體（tǐ）結構

根據五軸聯動數控係統功能要（yào）求[6]，為了使係統（tǒng）在（zài）結構設計和功能（néng）實現上更加緊湊（còu）靈活，將係統整體劃分為上位機（中（zhōng）央控製係統）和下位機（運動控製係統）兩部（bù）分。基於C/S架構模式，上位機androids終（zhōng）端和下位（wèi）機采用全雙工高速通訊，工作（zuò）時上位機發送運動命（mìng）令；下位機接（jiē）受（shòu）命令，並經過代碼編譯、脈衝發送（sòng）、輸入輸出信號等處理（lǐ）後發出（chū）對應的脈衝數據給伺服電機，並將傳感器接收到的機床工作（zuò）狀態及運動參數反饋給上（shàng）位機模塊。係統總體結構如（rú）圖1所示（shì）。

上位機主要承擔操作麵板、手搖控（kòng）製器、外部（bù）輸入接口、移動存儲設備、觸屏信息、遠程網絡通訊等人機交互功能；下位機（jī）主要（yào）承擔插（chā）補、進給伺服、代碼（mǎ）編譯、誤差補償等強實時性任務（wù），以及電主軸控製（zhì）、機（jī）床開關（guān）量的控製、反饋信號的（de）處理等底層硬（yìng）件控製功能，對接（jiē）收到的（de）信號進行分析處理，發出脈（mò）衝指令（lìng）給伺服驅（qū）動器，由伺服驅動器驅動伺服電機，實（shí）現機床本體的運動控製。伺服驅動器檢測到的伺服（fú）電機電壓電流、負載情況、報警信息反饋給運動控製係統，以監控伺服驅動器工作（zuò）情況。運動控製係統配合中央（yāng）控製（zhì）係統共同對輔助（zhù）輸出係統如刀庫、切削液、潤滑係（xì）統、排屑係統等進行控製。檢測傳感器如編碼器采集（jí）機床位置數據反饋給I/O 輸入係統，再由I/O 輸入係統分別反饋給中央（yāng）控製係統和運動（dòng）控製係統進行位置與速度等補償（cháng），實時（shí）進行誤差跟隨補償，以（yǐ）確（què）保加（jiā）工精度實現全閉環控製。係統工作流程及（jí）其內部運行原理如圖2～圖3所示。

1.2 係統功能要求

係統功能有（yǒu）以下要求：以UG三維軟件建立三維（wéi）模型並經UG自建後處理軟件，生成刀具加工G代碼程序，係（xì）統上（shàng）位機讀取數據（jù）並對其進行處理和插補修改，形成適合運動控製卡的加工信息。由操作界麵（miàn）將加工信（xìn）息通過（guò）網絡通訊發送給下位機，下位機將進行插補計算並加工信息，發送伺服電機驅動器和變頻器。伺服電機驅動器（qì）發出電子脈衝給控製直線運動和旋轉（zhuǎn）運動的伺服電機，控製旋轉速度，變頻器發出電（diàn）子脈衝給電主軸控製刀具運轉速度，從而完成機床（chuáng）的走（zǒu）位（wèi）和（hé）加工。此時（shí），位移傳感器反饋各個軸運動位置信息給上下位機，實現全（quán）閉環控製。通過操作界麵上的（de）相應按（àn）鈕輸入對（duì）工作流程的控製信息（如加工開始、結束、暫停、自動加工、手動加工、回零（líng）處理等），通過上位（wèi）機和（hé）下位機的相互信息協同完成零（líng）件加工和實時監控。

2 、係（xì）統硬件設計

上位機硬件係統主要包括主控芯片（Exynos4412 64位芯（xīn）片）、高清（qīng）觸（chù）屏、通訊（xùn）模塊、控製係統異常報警電路和（hé）GPIO按鍵（jiàn）模塊等。除常（cháng）規性的基礎電路外，下（xià）位機硬件係（xì）統主要包括基STM32F407 的芯片電路、伺服驅動電路、電主軸變頻控製電路（lù）、手輪控製電路、繼電器控製電路及信號反饋電路等，最為關鍵的是伺服驅動脈衝定位電路和電主軸DC0-10V模擬量控製電路。

2.1 脈衝回路硬件電路

采用STM32F407芯片，額定電壓（yā）為（wéi）3.3V，一般伺服驅動器所能識別的脈衝電壓為（wéi）5V左右，綜合考慮穩定性、可靠（kào）性和響應速度，選擇東（dōng）芝公司（sī）生產的TLP115A型5 引腳高速光耦作為脈衝隔離輸出光耦。TLP115A電氣原理及電氣特性如圖4所示。

2.2 電主軸變頻控製模塊

為了提高（gāo）加工零件的表麵精度，主軸係統采用電主（zhǔ）軸控製單元，主要組（zǔ）成部分為變頻器（qì）和主軸電機。采用PWM占空比方式輸出DC0-10V模擬（nǐ）量控製電主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速。STM32F407 芯片中（zhōng）PF8 引腳作為PWM信號（hào）輸出引腳，設置占空比方式，將PF8 引腳采（cǎi）用（yòng）TLP115A高（gāo）速光耦芯片隔離輸出，將（jiāng）PWM波（bō）由3.3V轉換成5V，再采用（yòng）LM358P作為模擬量輸出主芯片，將PWM波轉換成DC0－10V模擬量電壓。其具體硬件（LM358）電路如圖5所示。

3 、係統軟件設計

係統軟（ruǎn）件模塊主要用於管理（lǐ）加工程序，實現對機床各個軸電機的運動控製。係統上位機基於androids 係統，編程語言（yán）為JAVA；下位機開發工具為Keil5，編程語言（yán）為C語言，調用STM32F407運動控製卡提供的庫函數，實現各個軸的（de）運動控製。係統軟件模塊（kuài）主要包括人機交互（hù）模塊、編譯模塊、運動控製模塊等。

3.1 上位機（jī）程序（xù）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麵信息和關鍵參數設置。係統人機交互（hù）主界麵（見圖6）通過一個Activity類（lèi）加以實現，每一個按（àn）鈕、顯示框（kuàng）、編（biān）輯框都在該類中聲明、定（dìng）義、使用消（xiāo）息機製加以實現。該界（jiè）麵主要包括程（chéng）序段顯示區、坐標位置顯示區、進給倍率調（diào）節區、3D圖形顯示（shì）區、功能按鍵區。

3.2 下位機程序設計

下位機主要為編譯模塊和運動控製模塊，包括伺（sì）服（fú）驅動控製、插補計算、速度控製、GPIO 控製、編碼（mǎ）器反饋等（děng）。係統發送各個軸（zhóu）脈（mò）衝序列，實現伺（sì）服電機的驅動控製，控製脈衝之（zhī）間的時間間隔等效於控製伺服（fú）電機的轉動速度。為了保證平穩、快（kuài）速輸出脈衝（chōng）數據，在下位機專門安放一個高速定時器，負責脈衝計算與脈衝輸出。采用全（quán）閉環速度模式PID數據采樣插補法，將插補曲線拆（chāi）分為若幹個細（xì）小直線段進行插補（bǔ）。在插補過程中，采集當前刀具位置、計算當（dāng）前（qián）點矢量、計算插補（bǔ）誤差量（liàng）、綜合矢量與速度等參數，保證各個軸加減速的平（píng）滑穩定性，避免（miǎn）加（jiā）速度的衝擊（jī）；在兩個（gè）軌跡點之間插入密集化點，刀具按軌跡點插（chā）值路徑運行。

4、測試

為了驗證係統的可行性，設計一台五軸微（wēi）型數控雕刻機作為測（cè）試平台。數控雕刻機是一種采用數控技術的專用機床[7]。根據雕刻（kè）機功能（néng）要求，采用Altium Designer Summer09軟（ruǎn）件設計PCB圖並製作控製電路板（見圖7），搭建（jiàn）線路完成一個（gè）零件（jiàn）的雕刻加工。經UGCAM編程得到實際加工刀具（jù）路徑的G代碼文件，利用雕刻機和係統進行實際加工。五軸微（wēi）型數控雕（diāo）刻機樣機如圖8所示。從（cóng）加工結果（guǒ）可知，係統可有效實現五軸數控機床高效、高精度的聯動加工，且可達到預期精度0.005mm。

5 、結論（lùn）

本（běn）文提出一種以（yǐ）“androids係統+STM32F407運動控製芯片”為係統控製核心（xīn），可遠程控製的五軸（zhóu）聯動數控係統。該係統采用（yòng）模塊化設（shè）計，具有（yǒu）豐富友好的人機界（jiè）麵和優良的開放性能，支持多種（zhǒng）操作平台，有（yǒu）較強的可移植性，維修更簡易，質量更可靠，增強了開放式數控係統的市（shì）場競爭力。該係統創新（xīn）點體現在以（yǐ）下幾個方麵：一是模塊化設計。係統各模塊相互獨立，可讓用戶在較大範圍內根據要（yào）求配（pèi）置係統，如機（jī）床軸數、I/O點數等，而當（dāng）係統硬件改變時，隻需簡單修改數控係統（tǒng）軟件，即可滿足（zú）要求，具有更大的靈活性，更能適應市場的動（dòng）態（tài）變化。二是具有豐富友好的人機界麵。

用戶可在係統環境下使用不同的編程語言隨（suí）心（xīn）所欲地開發適合個人用途的（de）人機界麵（miàn），如某些特殊機床的專屬控製功能，而不必（bì）過多地考慮係統控製器（qì）的核心（xīn）部分。三是具有（yǒu）優良的（de）開放性能。係統能方便地掛上第三方應用軟件，如各種CAD/CAM軟（ruǎn）件、測試軟件或管理軟件，以滿足用戶所需，開放式係統可（kě）集眾家之長。四是支持多種操作（zuò）平台。係統結構（gòu）更好地支持windows, androids, win CE,Linux, Unix, RTOS等不同操作平台。測試結（jié）果表明，該係統可有效實現五軸數控機床（chuáng）高效、高精度的聯動加工，且可達到預期精度0.005mm，具有應用可行性與工程價值。

投稿箱：
如（rú）果您有機床（chuáng）行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信（xìn）息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多