五軸微型數（shù）控銑床結構（gòu）設計與控製係統研究-數控機（jī）床（chuáng）市場網

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五（wǔ）軸微型數控銑床結構設計與控製（zhì）係統研究（jiū）

2018-11-30 來源：山（shān）東理工大學機械工程學院作者：宋嚴科，趙玉剛（gāng），趙潤

摘要: 根據高（gāo）等院校學生實踐實（shí）驗要求，設計了教學型五軸聯動微型數控銑床。該銑床采用擺頭轉台式機械（xiè）結構，能夠（gòu）實現三維空間內的移（yí）動以及 A 軸和 B 軸的轉動，實現五軸聯動的設計（jì）理念。並在此基礎上開發了基於 AＲM 的五軸聯動微型數控銑床的運動控製係統（tǒng）。該數控（kòng）係統（tǒng）采用 “PC + AＲM 單片機”模式設計，上位機利用 Delphi 編程軟件實現 NC 文檔編譯、刀具補（bǔ）償計算（suàn）及與下位機的通信功能（néng），下位機是以 STM32 芯片為核心的 AＲM 單片機構（gòu）成，主要實現與上位機的通訊、插補計算及（jí）對電機的位置控製等功能。由於該數控係統穩定性高、安全可靠性強及性價比（bǐ）高，因此非常適合高校學生（shēng）實驗（yàn）。

關鍵詞: 五軸聯動; 嵌入式; 數控係統; Delphi 編程; AＲM 單片機; STM32

0 前言

數（shù）控機床高（gāo）速加工的運動控（kòng）製是提高加工質量和加（jiā）工效率的重要手段。在現如今高校的工程實訓中心中雖已廣泛增加了數控機床的實驗教學，但由於所有設備大都是一些成本高（gāo）的大型機床或加工中心，一般（bān）由（yóu）老師演示操作，學生很難有動手（shǒu）的機會，更（gèng）無法通過實訓來掌握數控技術（shù）的原（yuán）理。基於此，筆者開發了五軸微型數控銑床（chuáng）結構（gòu）和控製係統。該數（shù）控銑床是集教學、實驗（yàn）、科研於一體的（de）綜合實驗項目，內容涵蓋數控（kòng）銑床（chuáng）的結構設計、數控係統硬件的設計、安裝和調試，係統軟件的開發及機床電器控製等相關內容。另外（wài），該數控（kòng）係統操（cāo）作簡單、成本低（dī）、應用範圍廣，不僅給老師授課帶來方便，還能讓學（xué）生更好地培養動手操做能力，在教學領（lǐng）域具有重要意義。

1 、五軸（zhóu）微型數控銑床的結（jié）構設計

五軸聯動微型數控銑（xǐ）床結構上由沿 X 、Y 、Z 軸的平（píng）動和繞 X 、Y 、Z 中（zhōng）任何兩個軸的轉動組成，基本可（kě）分為 3 種形式: 雙擺頭（tóu）式、雙轉台式和擺頭轉台式（shì）。本（běn）文（wén）作者設計的五軸數控銑床采用擺頭轉台式結構如圖 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（zhóu）的擺動( B) 及繞著 X 軸的（de）轉動（dòng） ( A) 。新設計的五軸聯動（dòng）微型數控銑（xǐ）床可以實現複雜曲麵的加工，能夠滿足（zú）高等院校學生的實驗（yàn）要求。

圖 1 五軸微型數控銑（xǐ）床結構圖

1. 1 、直線運動（dòng）模塊

直線（xiàn）運動單元（yuán）主要有: 絲杠螺母副、齒輪齒條副、同步齒型帶等（děng），所設計的教學型五軸微型數控機床具有結構緊湊特點。銑床的 X、Y 軸移動采用滾珠絲杠傳動方式來保（bǎo）證傳動精（jīng）度，Z 軸采用可以自鎖的梯形絲杠來防（fáng）止主軸頭因自身重力作用而下移。由於（yú）Z 軸電機與絲杠不同軸，所以 Z 軸電機軸與絲杠軸采用傳動比為 1∶ 1 的同步帶傳動以保證傳動精度，各軸均采用步進電機（jī）驅動。

1. 2 旋轉運動（dòng）模塊

五軸微型數控銑床常見（jiàn）的旋轉運動單元有錐齒輪傳動（dòng）、蝸輪蝸杆傳動和直齒齒（chǐ）輪傳動等，由於蝸輪蝸杆（gǎn）傳動可以滿足大減速傳動比的要求，提高加工精度。因此所設（shè）計的數控（kòng）銑床的轉動軸及擺動軸均采用蝸輪蝸杆傳動，傳動比（bǐ）為（wéi） 1∶ 30，各轉動軸的行程均為－ 90° ～ 90°。由於步進電機斷電（diàn）之後無法（fǎ）自鎖，因（yīn）此（cǐ）選用展開（kāi）螺旋角小於蝸輪蝸杆接觸摩（mó）擦角的（de）單頭蝸杆，實現轉動軸的自鎖。采用分辨率為 3600 脈衝的旋（xuán）轉（zhuǎn）編碼器對各轉動軸進行角度控製，控製精度（dù）為0. 1°，各轉（zhuǎn）動軸采用步進電機驅動。

2 、數控銑（xǐ）床控製係統總體設計

五（wǔ）軸微型數控銑床控製係統的總體設計如圖 2 所示，係統主要由係統硬件（jiàn）和係（xì）統軟件程序兩部分組成。係統硬件部分的核心是 AＲM 單片機，由單片機的獨立（lì） I/O 口控製各軸步進電機驅動器從而實現各（gè）軸電機（jī）的精確轉（zhuǎn）動，利用 PWM 控製方式實現（xiàn）主軸直流無刷電機的（de）無級變速。AＲM 單片機的獨立 I/O 口可以實（shí）現各限（xiàn）位開關及編碼器的數字量輸入，從而可以避免銑床各軸由於超程（chéng）而（ér）發生的危險及可以保證各轉動軸轉動的（de）精（jīng）確角度。

圖 2 五軸微型（xíng）數控銑床控製（zhì）係統的總體設計

係統軟件程序由上位機程序和下位機程序（xù）組（zǔ）成（chéng）。上位機程序由 Delphi 軟件（jiàn）編寫，主（zhǔ）要完成 NC 文（wén）檔的讀（dú）取、保存，刀具（jù）補償（cháng）及譯碼等（děng）非實時性程序。下位（wèi）機程序主要完成譯碼及插補程序，限位開關（guān）及（jí）編碼器的控製程序等，由中斷服務函數（shù）保證下位（wèi）機程（chéng）序的實時性。在通訊模塊中，通過（guò）設置（zhì）相同的波特率等參數實現上位機與下位機的實時通訊。

3 、數控銑床控製係統硬件設計

目前（qián）數控機床應用最為廣泛的控（kòng）製（zhì）係統主要分為以下兩（liǎng）種: 單片機控製係（xì）統、運（yùn）動控製卡控製（zhì）係統。運動控製卡數據處理方麵雖然可以滿足（zú）微型（xíng）數控銑床的（de）需求，但因其成本高（gāo）、使用不方便 ( 需要在電腦主機中插入特定的板卡（kǎ）) ，與本（běn）項目易操作（zuò）性、性價比（bǐ）高等要求不符，而單（dān）片機控（kòng）製係統擁有（yǒu）較強的數據處理能力，且（qiě）程序編寫簡單，維護方便。因此選用單（dān）片機作為微型數控（kòng）銑床係統硬件的核心。

3. 1 單片機芯片的選型

選用的單片機為 STM32F103ＲET6 為核心芯片的AＲM 係列單片機作為控製係統。該單片機的數據存儲容量大、處理能力（lì）強，引入了嵌入式操（cāo）作係統，增加了單（dān）片（piàn）機的可開發性，能夠滿足微型數控係統的控製要求。STM32F103ＲET6 微處（chù）理器是一款 32 位（wèi）Coretex-M3 內核處理（lǐ）器，內（nèi）置高速存儲器 ( 包括512KB 的（de）閃存和（hé） 64KB

的 SＲAM) ，可（kě）滿足數控係統的程序存儲及緩（huǎn）存運行。

單片機具有 64 個 GPIO 端口，可用於控製的獨立 I/O 口為 51 個，可以滿足微型數控銑床 5 個步進（jìn）電機、1 個無刷直流電機及（jí） 6 個光電限位（wèi）開關及（jí） 2 個數（shù）字編碼器的控製。

單片機的獨（dú）立I / O口的輸出脈（mò）衝頻率為 50 MHz，可以滿足步進電機和無刷直流電機的轉速（sù）要求。

3. 2 數控係統硬件電路設計

針對此數（shù）控係統（tǒng）的功能要求，設計基於STM32F103ＲET6 芯片的數控銑（xǐ）床專用單片機控製（zhì）電路，此單片機電路主要由電源模塊（kuài）、驅動器模塊、限位及編碼器模塊及通訊模塊組成（chéng）。五軸微型數（shù）控銑床的係統硬件（jiàn）電路接線（xiàn）圖如（rú）圖 3 所示。

圖 3 數控係統硬件電路（lù）接線圖

在對單片機設計時，外部 + 5 V 電（diàn）源與 USB 同時為單片機供電（diàn），以（yǐ）保證單片機工作時的電壓與電流需求，單片機與上位機通（tōng）過串口方（fāng）式進行通訊。對（duì）於五軸微型數控銑床設計時（shí），考慮（lǜ）到微型數控銑床的安（ān）全，各直（zhí）線運動軸都（dōu）需（xū）要（yào）用到光電限位開關（guān），轉動軸（zhóu）需用到光電編碼器，以保（bǎo）證微型數（shù）控（kòng）銑床在運動過程中不（bú）會發生碰撞等（děng）危險動作，保護機床（chuáng）和操作者的安全。

單片機通過獨立的 I/O 接口為電機（jī）驅動器提供方向與脈衝信（xìn）號驅動電機轉動。

4 、數控銑床控製（zhì）係統軟件設計

控製（zhì）係統的軟件設計對數控（kòng）銑床的（de）精度和穩定性有著重要影響。根據微型數控銑床控製係統的功能需求及結構分析，其（qí）控製係統軟件（jiàn）主要包（bāo）括以下幾（jǐ）個（gè）功能模塊: 用戶界麵操作（zuò）模塊、刀具半徑（jìng）補償（cháng）計算模塊、上下位機通訊模塊、譯碼插補模塊及其他模塊。五軸微型數控（kòng）銑床的軟件流程圖如圖（tú） 4所示（shì）。

圖 4 銑床的軟件流程圖

用戶界麵操作模塊: 實現用戶輸入數控 G 代碼、參數設置、實時坐標顯示及加（jiā）工程序管理。五軸微型數（shù）控銑床的軟件（jiàn）主界麵如圖（tú） 5 所示。

圖 5 微型（xíng）數控銑床軟件界麵

刀（dāo）具（jù）半徑（jìng）補償（cháng）計算模塊（kuài）: 通過讀（dú）取刀具補償參數進行單據補償計算，生成刀具補償後的 G 代碼，為銑床加工做準備。上下位機通訊模塊: 實現 PC 機與單片機的數據傳遞。一方麵將（jiāng）上位機的 G 代碼程序、開關狀態等數據傳遞給單片機控製銑床電機驅動（dòng）器; 另一方麵，監測單片機數據運行狀態，使 PC 機對（duì）數（shù）控銑床的狀態保持實（shí）時監控。譯碼插補模塊: 對上位（wèi）機（jī）傳遞的程序進行譯碼分析，確定銑床運行方式（shì）、進給（gěi）速度等（děng）參數及（jí）計算交點坐標，進行插（chā）補計算確定銑（xǐ）床的運（yùn）行軌跡。其他模塊: 主（zhǔ）要對收集的光電限位開關、數字編碼器及急停開關信號進行（háng）處理與分析，保證銑床的行程及安全運行。

5 、結論

根據高等學校學生實驗要求（qiú），設計了教學型五軸（zhóu）微型數控銑床。此微型數控銑床功能齊全，可以完全滿足複雜曲（qǔ）麵的加工。並對五（wǔ）軸微型數控銑（xǐ）床各個運動單元進（jìn）行了設計以保證數控銑床的運動精（jīng）度（dù）和穩定性。最後對微（wēi）型數控銑床的控製係統進行了研究，以單片機作為控製係統的核心，通過控（kòng）製 5 個步進電機驅動器（qì）和主軸伺服驅（qū）動完成（chéng）對數控銑床的控製（zhì），並對控製係（xì）統的各個模塊進行了設計。實驗表明，以（yǐ）單片機為控製係統的五軸微型（xíng）數控銑床具有較高的精度和穩定性。

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