五軸聯動（dòng） BC 型（xíng）木工（gōng）雕刻機床結構（gòu）與數控係（xì）統設計-刀具網-數控機床市場網

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五軸聯動 BC 型木工雕刻機床（chuáng）結構與數控係統設計

2018-8-10 來源：華東理工大學機械與動力工程學（xué）院作者：林礪宗，顧浩（hào）煒，韓帥

摘要: 針對現階段木工雕刻機床結構單一的問題，設計一種（zhǒng）經濟型五軸聯動 BC 型木工雕刻（kè）機床（chuáng）及其數控係統。通過建立機床的運（yùn）動學模型，研究五軸 BC 型機床的（de）正逆解; 根據運動學求解的結果，采用 NC 係統嵌入 PC 機的開放式數控係統模（mó）式，設計了數控（kòng）係統的硬件。采用（yòng） Visual C++6. 0 對數控係統軟（ruǎn）件進行編製，運用線程對運動控製進行（háng）監管（guǎn），並對刀軌文件進（jìn）行仿真加工。通過（guò）對維納斯石蠟模型的加（jiā）工與測量，驗證數控係統加工精度符合加工要求。

關鍵詞: 五軸加工; 木工雕刻機; 開放式數（shù）控係統; 運動控製器

隨著當今（jīn）木工行業朝著自動化、集成化和智能（néng）化方向的發展，傳統（tǒng）手工雕（diāo）刻逐漸被數控雕刻機床所代替。而（ér）現階段（duàn）低端數控（kòng）雕（diāo）刻機呈現結構單一、加工雕刻種類有限的弊端; 高端數控雕刻機成本過高。所以，研究一種（zhǒng）經濟、高效又符（fú）合木（mù）工雕刻行（háng）業特點的數控雕刻機床（chuáng），順應市場（chǎng）的需求。文獻［2］中研究了一種五軸龍門 AC 式木工雕刻機，並對關鍵部件與剛度進行了設計分析; 文獻（xiàn）［3］中對（duì）五（wǔ）軸平麵雕刻軌跡規劃進行了研究; 文獻［4］中提出了基於工業以太網結構（gòu）的木工雕刻機數控係統的開發思想。而 BC 型五軸雕刻機國內外可查閱（yuè）的資料較（jiào）少。文中所研究的經濟型五（wǔ）軸聯動 BC 型木工雕刻機床（chuáng），采用懸臂梁式－擺動－旋（xuán）轉的結構，可加（jiā）工橫向大幅麵木工工件，雕刻範圍跨（kuà）度大、加工效率高、精度高; 能應用於（yú）複雜大幅麵類木工雕花（huā）以及（jí）複雜回轉類工藝品的加工; NC 係統嵌入 PC 機的開放式數（shù）控模式，具有低成本、高控製性能的優點.

1、機械結（jié）構總體設計

1. 1 主要參數

五軸聯動（dòng） BC 型木工雕刻機床既可運用於大幅麵（miàn）類木工雕花（huā）、工藝（yì）扇麵的加工，也（yě）能對複雜回轉工藝品進行雕刻。根據機床所要雕刻（kè）大幅（fú）麵類工藝品橫向最大尺寸、回轉類工藝品最大高度以及經濟性等要求（qiú），設計機床（chuáng）主要參數如表 1所示。

表 1 BC 型木（mù）工雕刻機床主要參數

1. 2 機械結構總體設計

根據該機（jī）床（chuáng）雕刻工件的種類，合理采用了 BC 型運動軸配置（zhì）方案，與傳統 AC 型五軸雕刻機相比，該結構下機床有效工作空間大，加工行程長，既（jì）能對回裝類工藝品進行加工，同時又能滿足大（dà）幅麵雕花作品雕刻。機床的主體機械結構由 X 軸移動立柱、Y 軸底（dǐ）座、Z 軸垂直移動臂、B 軸高速旋轉（zhuǎn）主軸、C 軸數控轉台及（jí）軸間移動（dòng）導軌和滾珠絲杠等（děng）部件組成（chéng）。具體結構如（rú）圖 1 所示，實（shí）物如圖（tú） 2 所示。

圖 1 機床機械（xiè）結構示意（yì）圖

圖 2 五軸 BC 型雕刻機床實物圖

1. 3 運動學建模分析

根據坐標變換的基本原理，建立了機床坐標係、工件坐（zuò）標係和刀具坐標係之間的空間幾何關係。基於五軸（zhóu）機床的通用模型，將刀（dāo）具坐（zuò）標係下的刀位點坐標命名為 Pt(齊次坐標（biāo）為 (0，0，0，1)T)，將刀軸姿態（tài）矢量標記為（wéi） 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（jī）床各軸的運動，變換結果使刀具坐標係下（xià）的刀位點與工件坐標係下的刀位點坐（zuò）標重合（hé）; 刀具坐標係下（xià）刀（dāo）軸姿態矢量與工件坐標係下的刀軸姿態矢量重合。由此建立等式:

建立如圖 3所示運動學模型拓撲（pū）結構圖.

圖 3 運動學模型（xíng）拓撲結構

根據（jù）五（wǔ）軸 BC 型機床運動模式（shì）、各軸之間的拓（tuò）撲結構和各軸運動行程參數，經過 UG/NX 定（dìng）製此機床的後處理文件，產生用於數控加工（gōng）的 G 代碼介質。通常 UG 後處理構造器產生的 G 代碼為各刀（dāo）位點運動軌跡的坐標值，即刀具刀尖點在工件坐標係下（xià）各點運動的坐標值。在（zài）數控係統加載 G 代碼執行（háng）加（jiā）工前，須完成機（jī）床運動學逆解，即將 G 代碼解析成各運動軸在機床坐標係下的運動距離和轉動角度。根據（jù）機床各軸（zhóu）坐標係的拓撲關係（xì），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（zuò）標變換（huàn）矩陣

表 2中:Ts表示運動變換，Tp表示（shì）位置變換。將 X、Y、Z 3 個移動軸沿各自坐標係的位移量記為sx、sy、sz; B 為 B 軸在 Z 軸坐標係下 Y 軸轉動的角度（dù）; C 為 C 軸繞機床坐標係 Y 軸旋轉的角度。表 2中齊次坐標（biāo）矩陣代入公式 (1)、 (2)化簡可得如下等式 (3—4):

2、機床數控係統硬件設計

2. 1 NC 嵌入 PC 數控結構

采用 NC 嵌入 PC 的控製體係優點: (1) 係統開（kāi）發成本低; (2) 工控機硬件技術發展成熟，可靠（kào）性高（gāo）; (3) 該模式下數控係統開放性好，兼容多種軟件平台，有利於軟件的二（èr）次開發; (4) 軟件學習資料（liào）齊全，第三方資源豐富; (5) PC 機具有良好的通信功能［5］。一體式運動控製器是構成 NC 嵌入 PC 結構開放式數控係統的核心部件之一。此數控係統采用固高GUC-800 係列運動控製器，其整體線路規劃如圖 4所示。

圖 4 運動控製（zhì）卡整體線路規劃圖

2. 2 伺服電機參數設定

作為工業自動化不可或缺的重要部分，交流（liú）伺服（fú）係（xì）統能夠為負（fù）載提供最高水平的動態響應和扭矩密（mì）度。此五軸 BC 型（xíng）數控雕刻機床也（yě）采用伺服電機驅（qū）動各軸運動，整個係統采用半閉（bì）環控製模式，通過（guò）編碼器將伺（sì）服電機的實（shí）時位置反饋給伺服電機驅（qū）動器（qì）.Y 軸通過布置（zhì）於機（jī）床床身的導軌絲杠相對機床做水平運動; X 軸置於 Y 軸導軌之上，沿水平方向移動; Z 軸電機為（wéi）帶製動（dòng）器的伺服電機，在電機斷開伺服使能或機床出現故（gù）障時，能防止 Z 軸由於自重下滑。該機床采用滾珠絲杠（gàng）機構來傳動，所以驅（qū）動器電子齒輪比 Pn202 和 Pn203 參數設定如表 3 所示。將伺服電機脈衝當量設置為 0. 001 mm/脈衝，B、C 兩（liǎng）軸的脈衝當量設定為（wéi） 0. 01 (°) /脈衝（chōng）。

表（biǎo） 3 各軸伺服電機 ( 安川伺服（fú）電機) 電子齒輪設置

3、五軸聯動（dòng） BC 型（xíng）木工（gōng）雕刻（kè）機床數（shù）控（kòng）係統軟件設計

3. 1 數控軟件整體功能分析

數控（kòng）係統軟件人機（jī）互動界麵是操作者與控製機床之間的窗口，此數控（kòng）軟件（jiàn）具有（yǒu）一係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（gōng）代碼分析與顯示框、調試功能區等，並加入 G代碼仿（fǎng）真（zhēn）功能，能仿真刀具加工刀軌（guǐ）路徑，及時發現異常加（jiā）工。具（jù）體功能模（mó）塊（kuài）如圖 5 所（suǒ）示。

圖 5 軟件功能模塊圖

圖 6 軟件與運動控製卡通信

3. 2 基於（yú） VC6. 0 運動線（xiàn）程管控

在應用運動控製器來規劃各軸運動時，此係統采用位置－時間模式，該模式下能實現任（rèn）意速度規劃，將實際（jì）運動分割成固定段數（shù），有利於數控機床運動的連續性，並減輕運動控製卡與主機的（de）通信壓力。為（wéi）實現對運動控製器（qì）的狀態、各軸加工運動位置、各軸加工速度以及運動控製器內存（cún）中運動指令條數的監控，采用運動線程管控。通過為運動控製開（kāi）辟單獨線程，解決了控製器（qì）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，為線程定義一個句（jù）柄，具體代碼如下:

void Thread Func1(); / / 線程 1 子函數

HANDLE h Thread1; / / 用於線程

DWOＲD Thread ID1;// 用於線程

(2) 編輯線程函數，確定（dìng）線程的優先級（jí）別並（bìng）開啟線程。線程（chéng）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); // 設定線程的優先級別。

線程的優先級（jí）可以分為 6 個等級，優先級別越高，線程相應速度就越快，可以調用（yòng） Get Thread Priori-ty ( h Thread1)

來獲得線程的優先（xiān）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（chéng）開啟後一直掃描直到有運動需要（yào）處理。

3. 3 數控加工代碼仿真

NI Measurement Studio 是 NI 公司為 Visual Studio ．NET 和 Visual Studio 6. 0 環境編製的一個集成（chéng）式套件，其中集合了各種常（cháng）用的測量和自動化控件、工具以及編程（chéng）類庫。NI Measurement Studio 帶有的 ActiveX和 .NET控件、麵向對象的測量硬件（jiàn）接口、高級分析庫、科（kē）學的用戶（hù）界麵控件、測量數據網（wǎng）絡化、向導、交互式代碼（mǎ）設計（jì）器和高擴展性類庫等功能，極大地減少了 Windows 應用（yòng）程序的開發時間.

j9-j11

m_Graph3D． Plot3DCurve (xD，y D，z D); / / 繪製三維圖

圖（tú） 7 為五軸聯動精加工維納斯仿真（zhēn）模（mó）型及小葉（yè）輪仿真模型。

圖 7維（wéi）納斯與小葉輪模型精加工仿真

3. 4 數控軟件界麵及功能（néng）簡介（jiè）

軟件界麵 (圖 8) 分為以下幾個模塊: (1) G 代碼顯示窗口。該區域（yù）顯示待加工的（de） G 代碼文本。(2)加工刀位點顯示區。該區域顯示當前加工刀位點在編程坐標係下的坐標值。 (3) 加工刀軌（guǐ）仿真窗口。應用 Lab VIEW 控件 Measurement studio，顯示加（jiā）工刀軌的 3D 仿真圖，同時具有（yǒu）用戶拖拽及縮放命令功能。(4) 手動調試按鈕。能夠實現單軸獨立運動。 (5)加工刀具顯示區。該區域顯（xiǎn）示當前次加工刀具信息。(6) 加工操作區域。該區域為此軟件的主要操作區域，其（qí）中包括建立 Access 數（shù）據表、查看加工（gōng）數據表和開始本次加工等功能。 (7) 五軸各模式選擇。此數控軟件能兼（jiān）容控製（zhì）五軸其他模式，針對不同模（mó）式（shì）能調用對應軌跡規劃（huá）算法。 (8) 加（jiā）工進度顯示。開辟獨立線程，對加工過程進行計時。

圖 8 數控軟件界麵及功能簡介

4 、加工（gōng）驗（yàn）證

數控軟件通過對 UG NX 後處理構造器產生的（de）斷臂維納斯 G 代碼進行解析（xī），對石蠟試件（jiàn）進行（háng）了實（shí）際雕刻 (如圖 9 所示（shì）)，無過切與撞刀，雕刻過程穩定性良好。最終加工試（shì）件誤差在±0. 04 mm，達到設計要求。

圖 9 維納斯（sī）模型加工

5、結（jié）束語

介紹了基（jī）於運（yùn）動控製器的經濟型五軸聯動 BC 型木工（gōng）雕刻機床機械結構的設計與（yǔ）數控係統的（de）研究。根據雕刻工件的特點，完成了 BC 型木（mù）工雕刻機的運動學模型分析，並搭建了基（jī）於 PC+NC 模式的數（shù）控係（xì）統硬件，運用 VC++6. 0 對數控係統軟件進行了編製。通過對維納斯 UG 模型尺寸與實際加工模型的測量尺寸進（jìn）行比對，對雕（diāo）刻機床加工精度進（jìn）行了（le）驗證，精（jīng）度符合（hé）設計要求。

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