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五軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床結(jié)構(gòu)與數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計
2018-8-10 來源：華東理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院 作者：林礪宗，顧浩煒，韓帥
摘要: 針對現(xiàn)階段木工雕刻機床結(jié)構(gòu)單一的問題，設(shè)計一種經(jīng)濟型五軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床及其數(shù)控系統(tǒng)。通過建立機床的運動學(xué)模型，研究五軸 BC 型機床的正逆解; 根據(jù)運動學(xué)求解的結(jié)果，采用 NC 系統(tǒng)嵌入 PC 機的開放式數(shù)控系統(tǒng)模式，設(shè)計了數(shù)控系統(tǒng)的硬件。采用 Visual C++6. 0 對數(shù)控系統(tǒng)軟件進行編制，運用線程對運動控制進行監(jiān)管，并對刀軌文件進行仿真加工。通過對維納斯石蠟?zāi)Ｐ偷募庸づc測量，驗證數(shù)控系統(tǒng)加工精度符合加工要求。
關(guān)鍵詞: 五軸加工; 木工雕刻機; 開放式數(shù)控系統(tǒng); 運動控制器
隨著當(dāng)今木工行業(yè)朝著自動化、集成化和智能化方向的發(fā)展，傳統(tǒng)手工雕刻逐漸被數(shù)控雕刻機床所代替。而現(xiàn)階段低端數(shù)控雕刻機呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)單一、加工雕刻種類有限的弊端; 高端數(shù)控雕刻機成本過高。所以，研究一種經(jīng)濟、高效又符合木工雕刻行業(yè)特點的數(shù)控雕刻機床，順應(yīng)市場的需求。文獻［2］中研究了一種五軸龍門 AC 式木工雕刻機，并對關(guān)鍵部件與剛度進行了設(shè)計分析; 文獻［3］中對五軸平面雕刻軌跡規(guī)劃進行了研究; 文獻［4］中提出了基于工業(yè)以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)的木工雕刻機數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)思想。而 BC 型五軸雕刻機國內(nèi)外可查閱的資料較少。文中所研究的經(jīng)濟型五軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床，采用懸臂梁式－擺動－旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，可加工橫向大幅面木工工件，雕刻范圍跨度大、加工效率高、精度高; 能應(yīng)用于復(fù)雜大幅面類木工雕花以及復(fù)雜回轉(zhuǎn)類工藝品的加工; NC 系統(tǒng)嵌入 PC 機的開放式數(shù)控模式，具有低成本、高控制性能的優(yōu)點.
1、 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計
1. 1 主要參數(shù)
五軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床既可運用于大幅面類木工雕花、工藝扇面的加工，也能對復(fù)雜回轉(zhuǎn)工藝品進行雕刻。根據(jù)機床所要雕刻大幅面類工藝品橫向最大尺寸、回轉(zhuǎn)類工藝品最大高度以及經(jīng)濟性等要求，設(shè)計機床主要參數(shù)如表 1所示。
表 1 BC 型木工雕刻機床主要參數(shù)
1. 2 機械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計
根據(jù)該機床雕刻工件的種類，合理采用了 BC 型運動軸配置方案，與傳統(tǒng) AC 型五軸雕刻機相比，該結(jié)構(gòu)下機床有效工作空間大，加工行程長，既能對回裝類工藝品進行加工，同時又能滿足大幅面雕花作品雕刻。機床的主體機械結(jié)構(gòu)由 X 軸移動立柱、Y 軸底座、Z 軸垂直移動臂、B 軸高速旋轉(zhuǎn)主軸、C 軸數(shù)控轉(zhuǎn)臺及軸間移動導(dǎo)軌和滾珠絲杠等部件組成。具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，實物如圖 2 所示。
圖 1 機床機械結(jié)構(gòu)示意圖
圖 2 五軸 BC 型雕刻機床實物圖
1. 3 運動學(xué)建模分析
根據(jù)坐標變換的基本原理，建立了機床坐標系、工件坐標系和刀具坐標系之間的空間幾何關(guān)系。基于五軸機床的通用模型，將刀具坐標系下的刀位點坐標命名為 Pt(齊次坐標為 (0，0，0，1)T)，將刀軸姿態(tài)矢量標記為 Ut(齊次坐標為 (0，0，1，0)T)。通過齊次坐標變換矩陣來表示機床各軸的運動，變換結(jié)果使刀具坐標系下的刀位點與工件坐標系下的刀位點坐標重合; 刀具坐標系下刀軸姿態(tài)矢量與工件坐標系下的刀軸姿態(tài)矢量重合。由此建立等式:
建立如圖 3所示運動學(xué)模型拓撲結(jié)構(gòu)圖.
圖 3 運動學(xué)模型拓撲結(jié)構(gòu)
根據(jù)五軸 BC 型機床運動模式、各軸之間的拓撲結(jié)構(gòu)和各軸運動行程參數(shù)，經(jīng)過 UG/NX 定制此機床的后處理文件，產(chǎn)生用于數(shù)控加工的 G 代碼介質(zhì)。通常 UG 后處理構(gòu)造器產(chǎn)生的 G 代碼為各刀位點運動軌跡的坐標值，即刀具刀尖點在工件坐標系下各點運動的坐標值。在數(shù)控系統(tǒng)加載 G 代碼執(zhí)行加工前，須完成機床運動學(xué)逆解，即將 G 代碼解析成各運動軸在機床坐標系下的運動距離和轉(zhuǎn)動角度。根據(jù)機床各軸坐標系的拓撲關(guān)系，列出的各軸齊次變換矩陣如表 2所示.
表 2 五軸 BC 型雕刻機床齊次坐標變換矩陣
表 2中:Ts表示運動變換，Tp表示位置變換。將 X、Y、Z 3 個移動軸沿各自坐標系的位移量記為sx、sy、sz; B 為 B 軸在 Z 軸坐標系下 Y 軸轉(zhuǎn)動的角度; C 為 C 軸繞機床坐標系 Y 軸旋轉(zhuǎn)的角度。表 2中齊次坐標矩陣代入公式 (1)、 (2)化簡可得如下等式 (3—4):
2、 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計
2. 1 NC 嵌入 PC 數(shù)控結(jié)構(gòu)
采用 NC 嵌入 PC 的控制體系優(yōu)點: (1) 系統(tǒng)開發(fā)成本低; (2) 工控機硬件技術(shù)發(fā)展成熟，可靠性高; (3) 該模式下數(shù)控系統(tǒng)開放性好，兼容多種軟件平臺，有利于軟件的二次開發(fā); (4) 軟件學(xué)習(xí)資料齊全，第三方資源豐富; (5) PC 機具有良好的通信功能［5］。一體式運動控制器是構(gòu)成 NC 嵌入 PC 結(jié)構(gòu)開放式數(shù)控系統(tǒng)的核心部件之一。此數(shù)控系統(tǒng)采用固高GUC-800 系列運動控制器，其整體線路規(guī)劃如圖 4所示。
圖 4 運動控制卡整體線路規(guī)劃圖
2. 2 伺服電機參數(shù)設(shè)定
作為工業(yè)自動化不可或缺的重要部分，交流伺服系統(tǒng)能夠為負載提供最高水平的動態(tài)響應(yīng)和扭矩密度。此五軸 BC 型數(shù)控雕刻機床也采用伺服電機驅(qū)動各軸運動，整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制模式，通過編碼器將伺服電機的實時位置反饋給伺服電機驅(qū)動器.Y 軸通過布置于機床床身的導(dǎo)軌絲杠相對機床做水平運動; X 軸置于 Y 軸導(dǎo)軌之上，沿水平方向移動; Z 軸電機為帶制動器的伺服電機，在電機斷開伺服使能或機床出現(xiàn)故障時，能防止 Z 軸由 于自重下滑。該機床采用滾珠絲杠機構(gòu)來傳動，所以驅(qū)動器電子齒輪比 Pn202 和 Pn203 參數(shù)設(shè)定如表 3 所示。將伺服電機脈沖當(dāng)量設(shè)置為 0. 001 mm/脈沖，B、C 兩軸的脈沖當(dāng)量設(shè)定為 0. 01 (°) /脈沖。
表 3 各軸伺服電機 ( 安川伺服電機) 電子齒輪設(shè)置
3、 五 軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床數(shù)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
3. 1 數(shù)控軟件整體功能分析
數(shù)控系統(tǒng)軟件人機互動界面是操作者與控制機床之間的窗口，此數(shù)控軟件具有一系列人機交互基本操作，如機床點動操作按鈕、啟停急停按鈕、加工代碼分析與顯示框、調(diào)試功能區(qū)等，并加入 G代碼仿真功能，能仿真刀具加工刀軌路徑，及時發(fā)現(xiàn)異常加工。具體功能模塊如圖 5 所示。
圖 5 軟件功能模塊圖
圖 6 軟件與運動控制卡通信
3. 2 基于 VC6. 0 運動線程管控
在應(yīng)用運動控制器來規(guī)劃各軸運動時，此系統(tǒng)采用位置－時間模式，該模式下能實現(xiàn)任意速度規(guī)劃，將實際運動分割成固定段數(shù)，有利于數(shù)控機床運動的連續(xù)性，并減輕運動控制卡與主機的通信壓力。為實現(xiàn)對運動控制器的狀態(tài)、各軸加工運動位置、各軸加工速度以及運動控制器內(nèi)存中運動指令條數(shù)的監(jiān)控，采用運動線程管控。通過為運動控制開辟單獨線程，解決了控制器指令填充時間過長的問題。開辟獨立線程步驟如下:
(1) 開辟一個線程函數(shù)，為線程定義一個句柄，具體代碼如下:
void Thread Func1(); / / 線程 1 子函數(shù)
HANDLE h Thread1; / / 用于線程
DWOＲD Thread ID1;// 用于線程
(2) 編輯線程函數(shù)，確定線程的優(yōu)先級別并開啟線程。線程函數(shù)及其線程開機代碼如下:
h Thread1 = Create Thread ( NULL，0，( LPTHＲEAD _STAＲT_ＲOUTINE)Thread Func1，
NULL，0，＆Thread ID1); / / 開啟線程
1Set Thread Priority( h Thread1，THＲEAD _ PＲIOＲITY _TIME_CＲITICAL); // 設(shè)定線程的優(yōu)先級別。
線程的優(yōu)先級可以分為 6 個等級，優(yōu)先級別越高，線程相應(yīng)速度就越快，可以調(diào)用 Get Thread Priori-ty ( h Thread1)
來獲得線程的優(yōu)先級，其級別由高到低依次為:
THＲEAD_PＲIOＲITY_TIME_CＲITICAL = 15;
THＲEAD_PＲIOＲITY_HIGHEST = 2;
THＲEAD_PＲIOＲITY_ABOVE_NOＲMAL = 1;
THＲEAD_PＲIOＲITY_BELOW_NOＲMAL = －1;
THＲEAD_PＲIOＲITY_LOWEST = －2;
THＲEAD_PＲIOＲITY_IDLE = －15;
線程開啟后一直掃描直到有運動需要處理。
3. 3 數(shù)控加工代碼仿真
NI Measurement Studio 是 NI 公司為 Visual Studio ．NET 和 Visual Studio 6. 0 環(huán)境編制的一個集成式套件，其中集合了各種常用的測量和自動化控件、工具以及編 程 類 庫。NI Measurement Studio 帶 有 的 ActiveX和 .NET控件、面向?qū)ο蟮臏y量硬件接口、高級分析庫、科學(xué)的用戶界面控件、測量數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、向?qū)А⒔换ナ酱a設(shè)計器和高擴展性類庫等功能，極大地減少了 Windows 應(yīng)用程序的開發(fā)時間.
j9-j11
m_Graph3D． Plot3DCurve (xD，y D，z D); / / 繪制三維圖
圖 7 為五軸聯(lián)動精加工維納斯仿真模型及小葉輪仿真模型。
圖 7維納斯與小葉輪模型精加工仿真
3. 4 數(shù)控軟件界面及功能簡介
軟件界面 (圖 8) 分為以下幾個模塊: (1) G 代碼顯示窗口。該區(qū)域顯示待加工的 G 代碼文本。(2)加工刀位點顯示區(qū)。該區(qū)域顯示當(dāng)前加工刀位點在編程坐標系下的坐標值。 (3) 加工刀軌仿真窗口。應(yīng)用 Lab VIEW 控件 Measurement studio，顯示加工刀軌的 3D 仿真圖，同時具有用戶拖拽及縮放命令功能。(4) 手動調(diào)試按鈕。能夠?qū)崿F(xiàn)單軸獨立運動。 (5)加工刀具顯示區(qū)。該區(qū)域顯示當(dāng)前次加工刀具信息。(6) 加工操作區(qū)域。該區(qū)域為此軟件的主要操作區(qū)域，其中包括建立 Access 數(shù)據(jù)表、查看加工數(shù)據(jù)表和開始本次加工等功能。 (7) 五軸各模式選擇。此數(shù)控軟件能兼容控制五軸其他模式，針對不同模式能調(diào)用對應(yīng)軌跡規(guī)劃算法。 (8) 加工進度顯示。開辟獨立線程，對加工過程進行計時。
圖 8 數(shù)控軟件界面及功能簡介
4 、加工驗證
數(shù)控軟件通過對 UG NX 后處理構(gòu)造器產(chǎn)生的斷臂維納斯 G 代碼進行解析，對石蠟試件進行了實際雕刻 (如圖 9 所示)，無過切與撞刀，雕刻過程穩(wěn)定性良好。最終加工試件誤差在±0. 04 mm，達到設(shè)計要求。
圖 9 維納斯模型加工
5、 結(jié)束語
介紹了基于運動控制器的經(jīng)濟型五軸聯(lián)動 BC 型木工雕刻機床機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與數(shù)控系統(tǒng)的研究。根據(jù)雕刻工件的特點，完成了 BC 型木工雕刻機的運動學(xué)模型分析，并搭建了基于 PC+NC 模式的數(shù)控系統(tǒng)硬件，運用 VC++6. 0 對數(shù)控系統(tǒng)軟件進行了編制。通過對維納斯 UG 模型尺寸與實際加工模型的測量尺寸進行比對，對雕刻機床加工精度進行了驗證，精度符合設(shè)計要求。
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