教學加工兩用型微型數控銑床的數控（kòng）係（xì）統研究與開發
2020-5-27 來源： 湖北（běi）水利水電職業（yè）技術學院 作（zuò）者：龐璐，戴華，黎楠
摘要：研發（fā）了一種應用於教（jiāo）學加工兩用型微型數控銑床的數控係統，采用 NC 嵌入計算（suàn）機結（jié）構的開放式數控係統，機械結構采用立式數控銑床形式的（de）結（jié）構布局；完成了工作台步（bù）進電機控製線路、銑軸伺服電機（jī）控製（zhì）線路的設（shè）計；模塊化的設計思路，設（shè）計了控（kòng）製係統軟件部分，能夠檢查並編譯 NC 代碼，能夠通過運動控製器來完成自動加（jiā）工、對刀和加工軌跡（jì）仿真（zhēn）等功能；人機界麵友好，易於使用，用戶可（kě）根據自己使用要求添加（jiā）相應模塊（kuài）。應用加（jiā）工實例表明，本教學加工兩用型微型數控銑床的數控係統（tǒng），操作簡單、功能完善（shàn）、安（ān）全係數高、性能優越等係列優點，能夠滿足教學加工兩用型微型數控銑床的控製要求，為數控係統的發展奠定（dìng）了技術基礎。
關鍵詞：教學加工兩（liǎng）用（yòng）型；微型數控銑床；數控係統；模塊（kuài）化設計
計算機數控 （Computerized numerical control，簡稱 CNC）係統是用計算機控製（zhì）加（jiā）工功能（néng），實現數值控製的係統，是數控機床的核心[1]。它的功能是接（jiē）收載體送來的加工信息，經計算和處（chù）理後去控（kòng）製機床的動作。其主要組成部分有：工業控製計算（suàn）機、運動控製器及通用 I/O 控製卡、主軸變頻調（diào）速係統、步進驅動係統（tǒng），交流伺服控製係統、三（sān）軸（XYZ）工作平台、切屑回收係統及尾軸定位鑽孔等輔助（zhù）裝置[2]。本（běn）文采用基於 DSP 的運動控製器（qì） GE-300-SG作為整個控製係統的核心，構建了 NC 嵌入計算（suàn）機結構的開放式數控係統。目前 NC 嵌入計（jì）算（suàn）機結構的（de）開放式數控係統一般采用 PLC 來（lái）控製（zhì）[3]，本文中則采用運動控（kòng）製器和通用 I/O 卡（kǎ），為開放式數控係統的研發（fā）提供了另（lìng）外一種途徑。
1、 係統硬件設計
教學加工兩用型微型數控銑床的控製係統采用工業 PC 機結合固高科技有限（xiàn）公司生產的運動控製器取代目前數控銑床中現有的數控係統。該係統以Windows 2000 作為操作界麵，通過 PC 機輸入的具體加工程（chéng）序經過運動控製（zhì）器的處理，轉換成步進電機（jī）驅動器及伺服驅動器能識別並能執行的電壓信號，然後由各電機驅動器及伺服驅動（dòng）器驅動各軸的電機按給定的要求運動，從而達到控製銑床運動（dòng）的目（mù）的。其硬件係統（tǒng）包（bāo）括工業計算機、運動控製器、通用（yòng）輸入輸出板卡、主軸交流變頻器（qì）及電機、交流伺服驅動器及驅動（dòng）電機、步進電機驅（qū）動器及驅動電（diàn）機、鑽孔電機、位置（zhì）傳（chuán）感器、吸塵（chén）電機等。各部件的選型不僅要滿足功能的要求，也應具有很好的（de）性價比和（hé）可靠性，同時還（hái）應注意（yì）各部件之間的匹配。其結構框圖如圖 1 所示。
圖 1 教學加工兩用型微型數控銑床的結構（gòu）框圖
1.1 機（jī）械結構方案的設計
機械本體是控製係統的控製對象，其（qí）結構作為（wéi）教（jiāo）學加工兩用型微型數控銑床控製係統的載體，具體（tǐ）實現控製係統的運動的目的[4]。教學加工兩用（yòng）型微型數控銑床的主體結構如圖 2 所示，其主體結構包括 X、Y 軸工作台、Z 軸工作台（tái）和立柱結構等部件（jiàn）。
圖 2 教學加（jiā）工兩用型微型（xíng）數控銑床的主體結構
1.2 運動控（kòng）製器的分析設計
教學加工兩用型微型數控銑床選用以 DSP 為主要控製蕊片的數字（zì）式（shì）步進（jìn）/伺服（fú）型運動（dòng）控製器，在（zài）本文中，選用固高科技（jì）（香港） 有（yǒu）限公司基（jī）於 DSP 和（hé）FPGA 技術的三軸PCI運動控製器 ，型號 為（wéi） ：GE-300-SG-PCI-G.
該款運動控製器不僅可（kě）以控製三個軸（伺服（fú）電（diàn）機或步進（jìn）電（diàn）機控製），控製周期 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（lǜ）為 8 MHz；具有通用的數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（xìng）價比[5]。如圖 3 所示。
圖（tú） 3 GE- 300- SG- PCI- G 運（yùn）動控製器
在開發（fā）基於運動控製器的程序之前，必須按照其說明說進行安裝、測試並正確的與其他（tā）硬件設備連接，教學加工兩用型微型數控銑床（chuáng）的 GE 係列運動控製器與工（gōng）業計算機的連接設計，如圖 4 所示。
GE-300-SG-PCI-G 運動控（kòng）製器（qì）中，其專用的輸入包括：驅（qū）動報（bào）警信號、原點信號和限位信號，通過端子板的 CN5（CN6、CN7）將驅動報警信號與驅動器相連[6]。原點和限位通過 CN12 與外（wài）部開關相連，如圖5 所（suǒ）示。專用（yòng）輸出包括：驅動允許，驅動報警複位（wèi）。專用輸（shū）出通過端子板（bǎn） CN5（CN6、CN7）與驅動器連接。CN5 對應 X 軸步（bù）進電機，CN6 對應 Y 軸步進電機，依此類推。
圖 5 專用輸入和輸（shū）出信號的連接
1.3 交流伺服係統
伺服電動（dòng）機也稱為執行電動機，在控製係統中作為（wéi）執行元件，將電信號轉（zhuǎn）換為（wéi）軸上的轉速或轉角，以帶動控製對象。伺服電機（jī）有直流和交流兩種，大功率控製係統常采用直流伺服電動機，交流（liú）伺服電動機則主（zhǔ）要用於小（xiǎo）功率伺服係統，最大的特點就是可控性好[7]。在沒有控製信號輸（shū）入，伺服電機停止轉動；有控製信號輸入時，伺服電機轉動；改變控製電壓的相位（wèi）（極性）和大小就可以改（gǎi）變伺服電動機的轉向和轉速。本文中所采用的（de）是博美德（黃岡）機械有限公司生產的 SM80-024-30LFB 交流伺服電動機。目（mù）前，以 DSP（數字信號處理器）作為（wéi）控製核（hé）心的伺服（fú）控製器得到了廣泛的應用，能夠實現事項數字（zì）化、智能化和網絡化以及較為複（fù）雜的控製運算。伺服驅動器是伺服係（xì）統的核心，它的精度決定了伺服控製係統的整體精度。伺服驅動器的工作目的，主要是根（gēn）據伺服控（kòng）製器送出（chū）的轉矩、速度（dù）、位置（zhì）等指令工作[8]。教學加工兩用型微型數控（kòng）銑床選用博美德（黃（huáng）岡） 機械有限公司生產的 SA1L04C 型伺服驅動器。SA1L04C 型伺服驅動器（qì）連（lián）接圖如圖（tú） 6 所（suǒ）示。
圖 6 SA1L04C 型伺服驅動器連接圖
1.4 銑軸變（biàn）頻係統
近（jìn）幾（jǐ）年來交流變（biàn）頻調速係統得到（dào）了廣泛的發展，其優異的調速性能可以取代傳統的（de）直流調速係統。變頻器靠（kào）內部 IGBT 來調整輸出電源頻率和電壓，根據電機的實際需要電壓來提供所需要的電源電壓，從而達到調速、節能的目的（de）。並且（qiě）隨著電子配（pèi）件的發展，變頻器的價格越來越低（dī），性能越來越好，性價比不斷提高也（yě）使其得到了廣泛的應用[9]。因此在銑軸調速係統中本文采用以變（biàn）頻器為核心的調速係統。本文中銑軸變頻係統使用（yòng）的是三晶牌變（biàn）頻器，其調速方式是使用該變頻器的多功能輸入端子來進行調速（sù）。變頻器的連接分，分為主回路和控製回路。連接時應將外殼的蓋子掀開，此時可看到主回路端子和控製回路（lù）端子（zǐ），應依照圖 7 的配線回路準確連接。
1.5 步進驅動係（xì）統
步進驅（qū）動係統由運動控製器發出的方（fāng）向、脈衝等控製信號，控製步進驅動器，再通過步進驅動器控製步進電動機（jī），步進（jìn）電機與滾珠絲杠相連（lián）接，滾珠絲杠的螺母與機（jī）床的工作台相連接，把（bǎ）電機（jī）的旋轉運動轉變為工作台的直線移動[10]。步進驅動係統包括步進電機與（yǔ）步進驅動器，根據微型數控機床（chuáng）的精度要求（qiú），本文（wén）中選用雷賽（sài）智能（néng）式 863S68H 三相混（hún）合式的步進電機和用雷賽公司（sī）剛研發出（chū）來的一款高細分步進電機驅動器，該驅（qū）動（dòng）器采用（yòng）的（de）是精密電流控製技（jì）術，型號：3ND1183，適用（yòng）於驅（qū）動控製 86-110 型各種（zhǒng）品牌的三相混合式的步進電機。
步進驅動係統中驅動器的接線圖，如圖 8 所示（shì）。
圖 8 步進驅動係統接線圖
2 、係統軟（ruǎn）件設計
目（mù）前在（zài）數控係（xì）統軟件的開（kāi）發中，由於經濟（jì）型（xíng）數控係統軟件采用的是標準開發環境，不僅降低了開發成本，而且能開發（fā）出性能更好的係（xì）統，同（tóng）時還可（kě）以降低維（wéi）修的成本，因此基（jī）於工控機的開放性數控係統將（jiāng）成為控製係統的發展方向[11]。在本文教學加工兩用型微型數控銑床的控製係統軟件的開發中，采用“工控（kòng）機+運動控製器（qì）”作為控製核心，選（xuǎn）用 Win－dowsXP 作為軟件操作平台，Microsoft Visual C++6.0作為軟件的開發工具（jù）。
2.1 軟件（jiàn）係（xì）統構成（chéng）
軟件係統是硬件係（xì）統（tǒng）功能的實現，必（bì）須根據硬件特點、係統設計、用戶要（yào）求來編寫程序。進行係統軟件設計時，首先將整個係統的任務功能分成許多（duō）個模塊，並對每個執行模塊進行定義，之（zhī）後根據（jù）模塊（kuài）需要實（shí）現的（de）功能設計每（měi）個具體模塊的程序，最後組成一個完整的係統，整個係（xì）統的程序不僅結構上具有（yǒu）模塊化的特點，而（ér）且各模塊內部也可細分為小模塊。模塊特（tè）性有利於軟件測試，在功能擴充上也很方便。如要增加新功（gōng）能（néng），隻需增加新模塊（kuài）就能實現。因（yīn）此這樣的模塊程序設計方法思路清（qīng）晰、邏輯性強、柔性很大[12]。
根據（jù）構建的教（jiāo）學加工兩用型微型數控銑床的控（kòng）製（zhì）係統（tǒng）硬件體（tǐ）係的結構和性能特點，本文中係統軟件設計采用模塊程序設計（jì）方法。其控製係統軟件主要劃分了以下幾個模塊：人機交互界麵模塊、語法檢測模（mó）塊、數控加工程序編譯模塊、刀（dāo）補模塊、仿真模塊以及（jí）其他輔助模塊等。整個教學（xué）加工兩用型微型（xíng）數（shù）控銑（xǐ）床控製係統軟件的基本結構（gòu），如圖 9 所示。
微型（xíng）銑（xǐ）床數控係統軟件設計流程圖，如圖 10 所示。
2.2 係統軟件（jiàn）中主要功能的設計
根（gēn）據教（jiāo）學加工兩用型微（wēi）型數控銑床的數控係統實現的（de）功能和特點，可將其（qí）軟（ruǎn）件（jiàn）根據實現功能的不同，可歸納為（wéi）以下幾個功能模塊，分別闡述（shù）如下。
（1）自動加工功能的設計
自動（dòng）加（jiā）工程序重點是要將數控 G 代（dài）碼進行編譯，在程序中編寫了一個結構體來存（cún）儲 G 代碼中的數據。
（2）對刀功能的（de）設計
對刀的目的是將 G 代碼程序中的原點與實際工件加（jiā）工的原點對應起來。在（zài）類 CMillingDlg 中定義成員變量分別用來記錄機床坐（zuò）標和工件坐標。對刀操作就是通過（guò）刀具當前（qián）在機床坐標係中的位置計算出三（sān）個工件零點的值，在後麵的插補指令中，分別將工件（jiàn）零點加到相應的 X，Y，Z 坐標值上，這樣就（jiù）將工件坐標（biāo）（編程坐標）坐（zuò）標（biāo）轉換為了機床坐（zuò）標。
（3）仿真（zhēn）功（gōng）能（néng）的設計
在本文（wén）控製軟（ruǎn）件的設計中，仿真的原理和插補是類似（sì）的，隻是將插補運動換成 GDI 的直線和圓弧的繪製函數。在對話框（kuàng）上放置了（le）一個 STATIC 控件（jiàn），仿真圖形的所有繪製都是（shì）在（zài）該 STATIC 控（kòng）件（jiàn）上進行的。在程序中（zhōng）成員函數中首先繪製了仿真坐標，然後根據結構體數組中的值一項一項（xiàng）的逐次進行繪製。由於 GDI 的繪圖是一（yī）瞬間（jiān）完成的，為繪（huì）製出整個仿真運行（háng）的效果，在繪製完每一項的圖形後程序（xù）暫停0.5 s，這樣就繪製出了仿真的動（dòng）態過程（chéng）。仿真圖（tú）如圖11 所示
圖 11 仿真圖
3 、人機界麵的（de）實現
人機界麵是（shì）計算機和用戶之間進行交互和信息交換（huàn）的媒介，準確描述是用戶通過用戶界麵向計算機發出各種數據（jù）命令，以達到對計算機進行實（shí）時操作（zuò）和控製，而計算機通過用戶界麵將計算機控製情況（kuàng）和處理結果表示出來（lái），直觀地供用戶觀察，並指（zhǐ）導用戶發出下一步命令[13]。除此之外，人機界麵還應該為計算機和（hé）用戶提供幫助、識別以及檢查等功能。所以人機界麵不僅僅為用戶和（hé）計算機提（tí）供信息交（jiāo）換的渠道，而且也充分發揮了計算機的（de）功能。友好的人機界麵能夠（gòu）提高控製係統的使用效率，促進用戶（hù）更好的掌握及創造性發揮，所以其作用（yòng）顯得非常重要。本控製係統運用 Visual C++6.0 語言（yán），設計了程序運行界麵和參數設置界麵的人機界麵。
4、 結（jié）束語
通過數控係統提供機械加工領域的生（shēng）產製造效率（lǜ）是未來的必然（rán）趨勢，本（běn）文對（duì）教學加工兩用型微型數控銑床（chuáng），從硬件和軟件探討了采用 NC 嵌入計算機結構的開放式數控係統，機械結構采用立式數控銑床（chuáng）形式的結構布局；完成（chéng）了（le）工作台（tái）步進電（diàn）機控製線路、銑（xǐ）軸伺服電機控製線路的（de）設計。
采用（yòng）模塊化的設計思路，設計了控製係統軟件部（bù）分。該軟件在工控機上能實現其功能，能夠檢（jiǎn）查並編譯 NC 代碼，能夠通（tōng）過運動控（kòng）製（zhì）器來完成自動加工、對刀和加工軌跡仿（fǎng）真等功能（néng）；人機界麵友好，易於使用；提供了主要功（gōng）能設計的源代碼。該軟件的源代碼開放，由於采用的是模塊化設計思（sī）路，用戶可根據自己使用要求（qiú）添加相應模塊。
應用加工實（shí）例表明，本教學加工兩用型微（wēi）型數控銑床的數控係（xì）統，人（rén）機界麵友（yǒu）好（hǎo）、操作簡（jiǎn）單、功能完善（shàn）、安（ān）全係數高、性能優越等係列優點，能夠滿足教學加工兩用型（xíng）微型數控銑床的控（kòng）製要求，為數（shù）控係統的發展奠定了技術基礎（chǔ）。
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