小型数控木工雕刻机控制系统设计

　　小型数控木工雕刻机采用常见的开环数控系统。开环数控系统通常由步进电动机控制，其原理是通过数控装置发出进给脉冲，经功率放大后，驱动步进电动机转动1个步距角，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠和螺母副传动，使工作台产生相应的位移。开环控制系统的精度较低，速度也较低;但是其结构简单，易于调试，目前在简易型、经济型数控系统中采用。济南木工雕刻机在机械加工工业上有着重要的地位，其相关性研究已成为国内外的热点。

　　数控(CNC)技术是一种采用计算机生成、分析和执行的技术，通常应用于车削、铣削和钻削等方面，目前已被广泛应用于其他领域，如电子元件插入、管道的焊接和切割机器人等。与以往数控控制器开发相比，该技术在集成化和标准化接口方面有很大的改善，但仍然缺乏对生产过程变量的观测。

　　互动式的用户界面是通过LabVIEW提供的，并通过串行通信接口与外界设备连接。IDE的选择取决于编程的难易程度和新添加系统的属性，通过此种方式，使该技术适用于教育和研究领域。在教学领域，其旨在探讨功率效率、过程效率、流程优化、计算机集成制造模拟(CIM)和监控系统的发展，还包括实时三维动画制作，应用人工和计算机智能估计参数等。

　　目前，国外相关机构所做的研究绝大多数都是针对实际加工过程中所遇到的问题而展开的，而我国很多研究都只是局限于实验室，真正能够运用到实际生产当中的研究成果跟国外比相差甚远。绝大多数国外生产的数控机床广泛采用了32位系统，而国内生产采用的是16位系统，与国外相比存在着明显的差距。

　　1、数控系统介绍

　　本小型数控木工雕刻机的传动机构采用丝杠传动，因为丝杠传动具有精度高、分辨力高、空程和回程误差小以及自锁功能等优点，对于精确定位非常有利。丝杠传动是精密机械传动中常见的一种形式，其主要作用是将旋转运动变为直线运动，在济南数控木工雕刻机中主要是实现位移传动。

　　本小型数控木工雕刻机采用常见的开环数控系统。开环数控系统一般采用步进电动机控制，由数控装置发出进给脉冲，经功率放大后，驱动步进电动机转动1个步距角，再经减速齿轮带动丝杠旋转，并通过丝杠和螺母副传动，使工作台产生相应的位移。由于没有位置反馈和校正控制，其位移精度取决于电动机的步距角和传动机构的精度，又由于进给脉冲和方向信号发出后，移动的实际值并没有反馈;所以，称其为开环系统。开环控制系统的精度较低，速度也比较低;但是，其结构简单，易于调试，目前在简易、经济型数控系统中采用。其工作原理如图1所示。

　　图1 控制原理图

　　数控运动控制器是界于计算机与机床驱动器之间的装置。使用计算机的USB接口，无需任何额外的软件。控制卡能够兼容绝大多数电动机驱动器，取代并口驱动板。

　　2、采用USB接口的优点

　　USB接口即通用串行总线，其相对于其他总线有如下优点。

　　1)即插即用，支持热插拔和操作系统自动配置。当USB设备与PC第1次访问时，操作系统可以自动检测插入装置和配置。

　　2)广泛的软件支持。操作系统对于USB接口的支持越来越多，对USB设备的支持越来越完备。

　　3)可选多速模式。USB2.0协议提供3种速度模式：低速(1.5Mbit/s)、全速(12Mbit/s)和高速(480Mbit/s)。

　　4)多种设备类。从音频设备、大容量存储设备到人机接口设备HID等，几乎对于每一台计算机的USB外设，都可以找到相应的支持。

　　5)为了满足不同类型外围设备的要求，提供了4种不同类型的数据传输模式。

　　6)硬件配置标准化。USB协议规定了A型和B型2种标准，其中A型是下行接口，而B型则用于上行接口。这样为不同USB设备之间硬件耦合的统一奠定了实现整个USB拓扑结构的基础。

　　从技术角度来看，USB接口的数控运动控制器具有很大的竞争力，其优点如下：1)即插即用，安装方便，维护简单;2)支持一机多用的方式，1台主机可以同时和多台数控机床进行数据通信;3)高可靠性，USB接口本身具有数据纠错功能，可尽量降低误码率，利用闪存可以使数据在电源故障时得到保护，提高了可靠性;4)价格便宜，生产成本低。

　　从社会经济效益的角度分析，拥有USB接口的济南数控木工雕刻机控制系统具有广阔的应用前景。首先，数控木工雕刻机针对中小型用户，应用范围广泛，具有广阔的市场空间，而且目前USB接口已成为PC机的标准配置，技术发展已经十分成熟，赢得了大多数操作系统的支持，消除了用户的后顾之忧;其次，USB接口的数控控制系统界面简洁，安装简单，使用方便，图形化界面的控制管理程序可以被技能水平不高的用户在短时间内掌握，从而降低了培训成本。

　　3、USB数控系统工作原理

　　如图2所示，USB数控系统主要由3部分组成。按照由上到下的顺序，顶级的PC组件包括PC主机硬件的USB HOST接口、USB驱动程序和USB CNC控制器卡管理系统的PC软件部分;位于中间的USB接口数控卡(下位机)包括18F4550主控单片机芯片、外围接口电路组成的下位机硬件系统和下位机单片机控制软件;最下面的人机接口电路系统包括各种机床的I/O接口驱动系统。

　　从硬件连接上看，系统由2部分组成，即开发板和PC机。当前的PC机至少具有4个USB接口，用于连接开发板和PC机。

　　设备驱动程序是Windows核心的一部分，其与系统中的USB总线驱动程序一起，完成PC对设备的管理。客户应用程序主要完成PC机的监控功能，将各种机床控制命令和文件数据程序输入到下位机，显示当前的工作状态。

　　图2 USB数控系统

　　系统各层次之间的关系如图3所示，从图3可以看出系统工作原理的实现过程。其中，核心的单片机决定着设备的整体性能。

　　图3 系统工作原理图

　　4、控制软件

　　控制部分主要分为控制软件、控制芯片和步进电动机驱动3部分。

　　控制软件是用户与雕刻机进行交流的窗口。目前，国内有很多可以进行G代码生成和编辑的软件，例如文泰雕刻软件和嘉雕雕刻软件等;但是，控制软件往往要与控制芯片配套使用，即不同的控制软件需要对应不同的控制芯片和不同的控制程序。作为一种新兴的软件，随着USB接口的普及，其以具有即插即用、传输速率高等优势，正在逐渐被接受。而传统的串口控制软件，由于受计算机使用条件的限制，难以在便携式计算机上广泛应用。

　　雕刻机的控制软件采用了国外先进的数控控制软件——USB CNC Controller，该软件开源了部分API接口文件，提供了SDK开发包，给软件开发者提供了便利的条件。USB CNC Controller早期出现于2011年国内的部分雕刻机论坛中，经过将近1年时间的测试后，已经能够稳定地执行G代码，完成雕刻任务。

　　USB CNC Controller的控制界面如图4所示，该软件具有2种操作模式，即手动和自动。在手动模式下，用户可以通过光标直接发送离散的命令，这些命令将发送到与控制器每个传动轴连接的步进电动机上，实现快速进给;在自动模式下，用户可以通过加载一个包含数控代码的文件，如G、M代码，或者直接选定图片文件生成程序来完成雕刻。

　　图4 数控控制软件控制界面

　　5、控制线路板及驱动板设计

　　控制线路板如图5所示，控制芯片采用18F4550单片机，单片机程序包含了所有的控制代码，可以利用现有的单片机程序进行修改和完善。

　　图5 控制线路板实物图

　　步进电动机驱动板如图6所示，驱动部分选用TB6560芯片，该芯片的驱动电流可以达到2.5A，并且具备3种不同的细分模式和2种不同的电流模式，从而适应不同类型的步进电动机的传动要求。

　　图6 驱动线路板实物图

　　小型数控木工雕刻机采用控制电源外置的方法，不仅可以将强电和弱电分开，还可以在很大程度上缩小控制箱的体积。在将控制板和步进电动机驱动集成化之后，控制箱的体积更是得到了进一步缩减，外形尺寸从300mm×200mm×150mm(见图7)缩小至200mm×60mm×60 mm，并且可以将控制箱和机架结合在一起，使该小型数控木工雕刻机更加小巧、美观，如图8所示。

　　图7 控制箱实体图

　　图8 控制箱改进后实体图

　　数控木工雕刻机在机械加工业领域具有重要的地位，其相关性研究已成为国内外的热点，随着科技的发展，PC机的性能逐步得到增强，以PC为平台的数控加工机械将成为一个重要的研究方向。

　　在现有雕刻技术的基础上，展开对数控木工雕刻机的设计与研究，针对济南雕刻机产业化中所涉及到的新型结构本体设计、数控技术及驱动控制系统设计等关键技术进行研究。结合数控技术在机电产业中的运用，采用步进电动机及滚珠丝杠等精密传动部件进行驱动传输设计，减少了雕刻机的传动环节，简化了雕刻机的整体结构，提高了系统的精度，降低了维护工作量，简化了生产工艺。此外，在控制系统方面，比较了现有数控木工雕刻机所存在的不足之处，结合现代数控木工雕刻机技术的发展，提出了基于USB接口的雕刻机技术，采用单片机完成人机界面、数控雕刻和识别U盘的设计方案，具有较好的性价比。

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