经济型五轴数控加工硬件系统的设计与应用

孙 杰，金 珊

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 1130014)

经济型五轴数控加工硬件系统的设计与应用

孙 杰，金 珊

(辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺 1130014)

为构建一种精简的低成本经济型五轴联动机床数控系统，采用了基于32位操作系统WindowsXP为软件平台以及通用PC计算机为硬件平台，设计了并行双向多功能接口板作为步进电机驱动控制接口，用UGPost-builder编制了双转台式五轴机床的后置处理程序，并利用MACH3开放式CNC控制软件完成五轴机床的联动控制。实验结果证明该数控系统可有效实现五轴机床联动控制。

数控系统;步进电机;五轴联动

0 引言

目前我国开展的五轴数控加工技术还是只限制在高档、先进的模具加工以及汽车零部件、飞机结构件等精密、复杂零件的加工。相对于高档五轴数控加工中心设备和控制软件的高昂价格，以步进电机驱动为特征的经济型数控系统具有价格便宜、精度中等、功能针对性强等特点。针对我国主要存在的中低档机床，经济型数控系统具有相当大的市场潜力。在研制经济型数控系统过程中，考虑提高系统性能同时，如何尽可能多地减少硬件设计，降低成本，提高可靠性，是始终追求的目标。为实现该目标，本文研究一种基于通用 PC计算机构架，WindowsXP作为软件操作平台以及自行设计的并行双向多功能接口的五轴联动数控应用系统。

1 基于PC机的硬件控制接口设计

控制系统是五轴联动数控机床的关键组成部分之一。机床的控制系统与其结构要相互协调工作，才能完成对复杂结构零件的高效加工。通过通用计算机的并口直接控制和管理整个机床，加工运动轨迹和控制功能都由PC计算机通过控制接口来实现，从而精确地完成五轴加工过程。

采用通用PC计算机控制、并行双向控制接口卡及步进电机驱动器组成的双转台式五轴联动数控硬件系统如图1所示。

图1 双转台式五轴联动数控硬件系统框图

1.1 SJ-122并行双向控制接口卡

本文自行设计了SJ-122并行双向五轴控制接口卡，如图2所示。主要用来完成PC计算机的并行口与五轴数控联动的步进电机驱动控制器之间的数据传输和机床状态信号的检测任务，这是保证机床能否按照工艺加工要求准确和可靠运行的关键。PC机并口共计25个针脚，当并口设置为EPP(Enhanced-ParallelPort)增强模式时，所有的并口针脚都可以双向传输数据。由于每路步进电机驱动器需要2个数字位(脉冲、方向)控制，五轴系统共占用并口10个数字位输出脉冲和方向信号，并通过步进电机驱动器驱动步进电机的运行。另外用2个数字位输出开关信号分别控制冷却液和润滑液的开关。主轴开关及转速通过主轴变频器上的按键控制。并口的其它数据位用来检测回零开关信号、限位开关信号以及急停输入信号。并口数据位资源有限，采用将5个轴电机的限位和回零信号分别并联的连接方法，每个并联位各占用1个并口数字位，共占用2位。电荷泵输出、急停开关输入信号和主轴PWM控制信号各占用1个并口数字位。具体信号针脚安排如表1所示。

图2 SJ-122并行双向五轴控制接口卡

表1 并口信号针脚安排

(续表)

1.2 控制系统的工作原理

在五轴联动数控系统中，CNC控制软件将UG后处理生成的加工G代码程序转换成插补所需的数据格式，同时对这些数据进行插补形成进给数据以及其它开、关数据，然后由并口的寄存器经并行双向控制接口电路和步进电机驱动器输出，从而来控制各轴步进电机的进给和主轴头电机的PWM转速控制。对工作流程的控制(如加工开始、结束、暂停、重新加工等)是通过操作界面上的相应按钮来输入信号的，这些信号通过并口的寄存器输入控制系统。

2 控制软件的技术应用

经济型五轴控制系统的软件结构取决于系统中的软件和硬件分工。在早期的NC装置中，数控系统的全部信息处理工作基本上都是由硬件来完成，设备价格昂贵，故障率较高。随着微机技术的发展和运算速度的提高，逐渐由软件代替硬件完成数控功能，实现机床控制中的运动轨迹控制，这是实现低成本五轴联动控制模式上的一种技术变革。

2.1 全软件控制系统的构成

本文采用软件方式来构造数控系统的大部分功能模块，例如界面模块、解释模块、运动控制模块、插补模块和编辑模块，软件系统结构如图3所示。其中编辑、解释、插补驱动等都是系统功能子模块，它们通过内核的协调来完成具体的任务，如插补模块主要由内核定时启动来完成各种插补任务。至于软硬件的协调工作，是通过驱动模块来实现的。它作为软件和硬件的过渡，负责软件内核同硬件的数据交换。

图3 系统平台软硬件的体系结构

2.2 数控系统软件模块设计

系统采用的MACH3控制软件，是美国Artsoft公司的基于Windows2000/XP操作系统的开放式CNC控制软件，很好地融合了以上的六种功能模块，是比较理想的经济型数控系统的选择。该软件通过PC机并口或USB口(需要专用驱动器)控制步进电机运行，使用方便，设置功能齐全。其主要特点:支持最多6轴联动;直接使用G代码文件;支持DXF、BMP、JPG与HPGL文件直接导入;直观G代码路径显示;可编辑G代码文件;主轴PWM转速控制;即时加工进度显示;手动控制功能。

MACH3是开放式CNC控制软件，用户可以根据具体的机床结构和加工要求，自行定制控制界面和加工策略模块，利用VB和OEM代码建立操作控制台接口，本文对MACH3做了界面的汉化处理，专门编制了五轴加工的中文控制界面，使得控制软件更适合一般的机械加工人员操作，其自建的MACH3控制软件主界面如图4所示，该软件的屏幕显示有6个分界面:①程序运行界面;②手工输入界面;③刀路界面;④偏移量界面;⑤设置界面;⑥诊断界面。在程序界面包含有代码显示区、具体轴向位置显示、刀路轨迹显示、代码执行控制、紧急停止按钮、手动模式选择、主轴控制。通过相应的按钮的控制，可以完成对机床的各项操作任务。

图4 M ACH 3控制软件主界面

2.3 数控系统软件的关键参数设置

MACH3控制软件使用中的参数设置对五轴联动的正确运行是至关重要的，以几项主要参数设置为例加以简要说明。

(1)在端口设置窗口界面中，设置端口地址为0x378，内核速度与电脑处理器的速度和处理器加载的进程有关，一般不要超过75000KHz，否则会造成系统的不稳定，设置界面见图5。

图5 端口参数设置界面

(2)在电机参数调试和安装界面中，分别设置X、Y、Z、A、C 五个轴的速度、加速度，速度设置不要超过步进电机的最大转速，步进脉冲和方向脉冲的设置要根据驱动接口板的输入信号要求来设置，一般设为2微秒即可，过小或过大有可能丢失脉冲，单位脉冲数可按如下公式设置:单位脉冲=每转脉冲×电机单位转数。其中电机单位转数与电机类型和细分设置有关，设置界面见图6。

图6 电机参数调试界面

3 基于UG-NX的双转台五轴机床后处理建立

上面介绍的硬件控制接口和CNC控制软件只是为经济型五轴联动机床提供了一个基本的硬件和软件的体系构架，如果确保五轴联动数控机床能够完成各种复杂的加工过程，还需要建立相应机床结构的后处理程序，UG-NX是目前国内使用很普及的交互式CAD/CAM系统，可以实现各种复杂实体及造型的建构，其中的UG-NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，可以提供各种复杂形状的实体建模，并编制实体模型的加工工艺，直接生成加工程序，利用UG-NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有的2～5轴的铣削加工。

3.1 经济型双转台五轴机床的结构坐标系

双转台机床(如图7所示)，除了X、Y、Z三个方向的直线运动外，机床的两个旋转运动是由工作台分别绕X轴(A轴)和Z轴(C轴)组成。刀轴(工作头)沿Z轴作上下运动。由于双转台机床的刚性好，而且旋转坐标有足够的行程范围，工艺性能好，所以比较适合经济型五轴机床结构。

图7 双转台五轴机床运动简图

后置处理数据坐标转换是围绕机床加工坐标系坐标原点和坐标轴进行的，对于双转台五轴加工结构，机床加工坐标系原点只有设在A、C旋转轴的交点，才能实现数据坐标转换后加工程序的正确性。为保证与机床加工坐标系一致，CAM加工坐标系坐标原点要设置在沿C旋转轴、距工作台端面向下一个旋转轴偏置值处。

3.2 UG-NX后处理的建立

我们改制的双转台机床试验台属于标准形式机床，可直接使用UGPost-builder图形界面后处理生成器处理。通过设定五轴机床参数、程序和刀轨参数、直线和回转精度、行程极限、G代码和M代码格式设置等，完成后处理程序的建立，编辑后可同时产生事件处理(.tel)、定义(.def)和用于生成器(.pui)的 3个文件。最后生成后处理程序并加入UG后置处理配置模版(template_post.dat)。

4 实验结果

在自行改制的一台采用步进电机驱动的双转台式五轴机床试验台上进行实际加工实验，采用UGNX软件建立一个在半球圆柱体上刻有字母和数字的工件，分三次建立粗加工、半精加工和精加工的工艺加工路径，经自建的后处理程序得到的实际加工G代码，利用自行改制的双转台式五轴数控机床和系统进行实际加工，图8所示为实际加工系统和加工的工件。从加工结果可得出，并口驱动的数控系统可有效实现经济型五轴数控机床的联动加工。

图8 经济型双转台五轴联动机床实验台及加工样品

5 结束语

本文利用PC计算机的Windows多任务操作系统作为软件平台以及并行双向多功能控制接口为硬件平台，设计了经济型五轴机床联动控制系统。采用MACH3开放式CNC控制软件通过计算机并口完成对五轴联动机构的轨迹控制。并通过实际加工工件证明该数控系统具有五轴机床联动加工能力。该数控系统可最大程度地利用系统软件资源替代了大多数硬件的运动算法功能，大大的降低了了硬件设计成本。数控系统中通过软件编程的方法实现所有功能，为系统的修改及扩充增加了更大的柔性。

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(编辑 赵蓉)

Design and Application for Econom ical Five-axis Num erical Control Machining’s Hardware System

SUN Jie，JIN Shan
(School of Mechanical Engineering，Liaoning University of Petroleum ＆ chemical Technology，Fushun Liaoning 113001，China)

To build a kind of simpler and low cost economical five-axis CNC system,adoptted 32 bit operating system W indowsXP to be software development platform and used computer for hardware system.Designed multi-service bi-directional parallel interface board for stepping motor’s driver control interface.The post processor for five-axis CNCmachinew ith dual rotary tables was developed in UGPostbuilder,and the five-axis CNCmachine’s linkage control are completed by open CNC software MACH3.The experimental results show that this CNC system can realize five-axis CNCmachine’s linkage control.

CNC System;stepping motor;five-axis simultaneous

TG65;TH165

A

1001－2265(2011)06－0065－04

2010－12－10

孙杰(1957—)，男，山东临沂人，辽宁石油化工大学机械学院教授，学士，主要研究方向为过程装备控制技术、机械工程及自动化技术等，(E －mail)sunjie5701@126.com。