摘要:根據(jù)高等院校學生實踐實驗要求，設計了教學型五軸聯(lián)動微型數(shù)控銑床。該銑床采用擺頭轉臺式機械結構，能夠實現(xiàn)三維空間內的移動以及A軸和B軸的轉動，實現(xiàn)五軸聯(lián)動的設計理念。并在此基礎上開發(fā)了基于AＲM的五軸聯(lián)動微型數(shù)控銑床的運動控制系統(tǒng)。該數(shù)控系統(tǒng)采用“PC+AＲM單片機”模式設計，上位機利用Delphi編程軟件實現(xiàn)NC文檔編譯、刀具補償計算及與下位機的通信功能，下位機是以STM32芯片為核心的AＲM單片機構成，主要實現(xiàn)與上位機的通訊、插補計算及對電機的位置控制等功能。由于該數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定性高、安全可靠性強及性價比高，因此非常適合高校學生實驗。

關鍵詞:五軸聯(lián)動;嵌入式;數(shù)控系統(tǒng);Delphi編程;AＲM單片機;STM32

前言

數(shù)控機床高速加工的運動控制是提高加工質量和加工效率的重要手段。在現(xiàn)如今高校的工程實訓中心中雖已廣泛增加了數(shù)控機床的實驗教學，但由于所有設備大都是一些成本高的大型機床或加工中心，一般由老師演示操作，學生很難有動手的機會，更無法通過實訓來掌握數(shù)控技術的原理?；诖耍P者開發(fā)了五軸微型數(shù)控銑床結構和控制系統(tǒng)。該數(shù)控銑床是集教學、實驗、科研于一體的綜合實驗項目，內容涵蓋數(shù)控銑床的結構設計、數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計、安裝和調試，系統(tǒng)軟件的開發(fā)及機床電器控制等相關內容。另外，該數(shù)控系統(tǒng)操作簡單、成本低、應用范圍廣，不僅給老師授課帶來方便，還能讓學生更好地培養(yǎng)動手操做能力，在教學領域具有重要意義。

1、五軸微型數(shù)控銑床的結構設計

五軸聯(lián)動微型數(shù)控銑床結構上由沿X、Y、Z軸的平動和繞X、Y、Z中任何兩個軸的轉動組成，基本可分為3種形式:雙擺頭式、雙轉臺式和擺頭轉臺式。本文作者設計的五軸數(shù)控銑床采用擺頭轉臺式結構如圖1所示(總體尺寸400mm×300mm×600mm)，即沿X，Y，Z軸的移動、繞著Y軸的擺動(B)及繞著X軸的轉動(A)。新設計的五軸聯(lián)動微型數(shù)控銑床可以實現(xiàn)復雜曲面的加工，能夠滿足高等院校學生的實驗要求。

圖1五軸微型數(shù)控銑床結構圖

1.1、直線運動模塊

直線運動單元主要有:絲杠螺母副、齒輪齒條副、同步齒型帶等，所設計的教學型五軸微型數(shù)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證傳動精度，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驅動。

1.2旋轉運動模塊

五軸微型數(shù)控銑床常見的旋轉運動單元有錐齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動和直齒齒輪傳動等，由于蝸輪蝸桿傳動可以滿足大減速傳動比的要求，提高加工精度。因此所設計的數(shù)控銑床的轉動軸及擺動軸均采用蝸輪蝸桿傳動，傳動比為1∶30，各轉動軸的行程均為－90°～90°。由于步進電機斷電之后無法自鎖，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，實現(xiàn)轉動軸的自鎖。采用分辨率為3600脈沖的旋轉編碼器對各轉動軸進行角度控制，控制精度為0.1°，各轉動軸采用步進電機驅動。

2、數(shù)控銑床控制系統(tǒng)總體設計

五軸微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體設計如圖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，由單片機的獨立I/O口控制各軸步進電機驅動器從而實現(xiàn)各軸電機的精確轉動，利用PWM控制方式實現(xiàn)主軸直流無刷電機的無級變速。AＲM單片機的獨立I/O口可以實現(xiàn)各限位開關及編碼器的數(shù)字量輸入，從而可以避免銑床各軸由于超程而發(fā)生的危險及可以保證各轉動軸轉動的精確角度。

圖2五軸微型數(shù)控銑床控制系統(tǒng)的總體設計

系統(tǒng)軟件程序由上位機程序和下位機程序組成。上位機程序由Delphi軟件編寫，主要完成NC文檔的讀取、保存，刀具補償及譯碼等非實時性程序。下位機程序主要完成譯碼及插補程序，限位開關及編碼器的控制程序等，由中斷服務函數(shù)保證下位機程序的實時性。在通訊模塊中，通過設置相同的波特率等參數(shù)實現(xiàn)上位機與下位機的實時通訊。

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目前數(shù)控機床應用最為廣泛的控制系統(tǒng)主要分為以下兩種:單片機控制系統(tǒng)、運動控制卡控制系統(tǒng)。運動控制卡數(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(需要在電腦主機中插入特定的板卡)，與本項目易操作性、性價比高等要求不符，而單片機控制系統(tǒng)擁有較強的數(shù)據(jù)處理能力，且程序編寫簡單，維護方便。因此選用單片機作為微型數(shù)控銑床系統(tǒng)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系列單片機作為控制系統(tǒng)。該單片機的數(shù)據(jù)存儲容量大、處理能力強，引入了嵌入式操作系統(tǒng)，增加了單片機的可開發(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內核處理器，內置高速存儲器(包括512KB的閃存和64KB

的SＲAM)，可滿足數(shù)控系統(tǒng)的程序存儲及緩存運行。

單片機具有64個GPIO端口，可用于控制的獨立I/O口為51個，可以滿足微型數(shù)控銑床5個步進電機、1個無刷直流電機及6個光電限位開關及2個數(shù)字編碼器的控制。

單片機的獨立I/O口的輸出脈沖頻率為50MHz，可以滿足步進電機和無刷直流電機的轉速要求。

3.2數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計

針對此數(shù)控系統(tǒng)的功能要求，設計基于STM32F103ＲET6芯片的數(shù)控銑床專用單片機控制電路，此單片機電路主要由電源模塊、驅動器模塊、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

在對單片機設計時，外部+5V電源與USB同時為單片機供電，以保證單片機工作時的電壓與電流需求，單片機與上位機通過串口方式進行通訊。對于五軸微型數(shù)控銑床設計時，考慮到微型數(shù)控銑床的安全，各直線運動軸都需要用到光電限位開關，轉動軸需用到光電編碼器，以保證微型數(shù)控銑床在運動過程中不會發(fā)生碰撞等危險動作，保護機床和操作者的安全。

單片機通過獨立的I/O接口為電機驅動器提供方向與脈沖信號驅動電機轉動。

4、數(shù)控銑床控制系統(tǒng)軟件設計

控制系統(tǒng)的軟件設計對數(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)的功能需求及結構分析，其控制系統(tǒng)軟件主要包括以下幾個功能模塊:用戶界面操作模塊、刀具半徑補償計算模塊、上下位機通訊模塊、譯碼插補模塊及其他模塊。五軸微型數(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:實現(xiàn)用戶輸入數(shù)控G代碼、參數(shù)設置、實時坐標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

刀具半徑補償計算模塊:通過讀取刀具補償參數(shù)進行單據(jù)補償計算，生成刀具補償后的G代碼，為銑床加工做準備。上下位機通訊模塊:實現(xiàn)PC機與單片機的數(shù)據(jù)傳遞。一方面將上位機的G代碼程序、開關狀態(tài)等數(shù)據(jù)傳遞給單片機控制銑床電機驅動器;另一方面，監(jiān)測單片機數(shù)據(jù)運行狀態(tài)，使PC機對數(shù)控銑床的狀態(tài)保持實時監(jiān)控。譯碼插補模塊:對上位機傳遞的程序進行譯碼分析，確定銑床運行方式、進給速度等參數(shù)及計算交點坐標，進行插補計算確定銑床的運行軌跡。其他模塊:主要對收集的光電限位開關、數(shù)字編碼器及急停開關信號進行處理與分析，保證銑床的行程及安全運行。

5、結論

根據(jù)高等學校學生實驗要求，設計了教學型五軸微型數(shù)控銑床。此微型數(shù)控銑床功能齊全，可以完全滿足復雜曲面的加工。并對五軸微型數(shù)控銑床各個運動單元進行了設計以保證數(shù)控銑床的運動精度和穩(wěn)定性。最后對微型數(shù)控銑床的控制系統(tǒng)進行了研究，以單片機作為控制系統(tǒng)的核心，通過控制5個步進電機驅動器和主軸伺服驅動完成對數(shù)控銑床的控制，并對控制系統(tǒng)的各個模塊進行了設計。實驗表明，以單片機為控制系統(tǒng)的五軸微型數(shù)控銑床具有較高的精度和穩(wěn)定性。