立体雕刻机数控系统的开发和研制

　　当今，雕刻软件已不为大家所陌生，它能根据操作苕的要求将其输人的文字、图形进行编辑和处理，达到M期的雕刻效果后，计算出其相应的二维或三维雕刻路径传送给雕刻机进行雕刻输出随着计算机数控技术（CNC）U及相关技术（CAD/CAM/CAPP等）的发展，传统的加工方法正在被数控雕刻机CNC系统，并给出了组成该系统的一些关键技术和实现方法1特殊的加工要求和加工方法的程序编制由f本文所指的雕刻不同于传统的雕刻，更确切地说是铣削，利用锥铣刀，球面铣刀或普通铣刀进行的铣削加：。为使读者对数控雕刻机的CNC系统有一个更好的r解，有必要对文字'图案的加工要求作一介绍，文字、图案的加工要求通常有如下4种形式：（1〉按——定的深度刻出线条的边缘；（2）将线条像在石碑上刻碑文-样刻出来，线宽的地方加工得深，窄的地方加工得浅；（U将没有线条的部分按一定的深度刻掉，而保留有线条的地方，像刻章的形式一样；（4）与第三种形式相反，将线条按一定的深度刻掉，而保留其余的地方。

　　针对上面4种形式的要求，作者相应地采取了4种加工方法。4种加工方法的程序编制可以采用计算机图形扫描输人、矢量化处理、AutoCAD编辑，或者直接在AutoCAD上绘制，然后再自动编程形成加工指令；扫描是图案的主要来源。

　　AutoCAD具有很强的图形编辑功能，可进行对称，镜像、旋转、比例缩放和修改等处理=点阵图形文件经过矢量化处理得到DXF文件，先在AutoCAD上面进行编辑，然后通过自动编程软件编制加工指令，这使得该系统具有很强的编程功能；对于可以在AutoCAD上直接设计的图案，则不需要进行扫描输人；对于更为简单的图案，可以通过手工编程直接输人加工指令。

　　2数控雕刻机（CNC）硬件设计2.1CMC系统的基本硬件组成和结构机床数控系统的硬件电路概括起来由以下4部分组成：（I）主控制器：即中央处理器CPU；（2）总线：包括数据总线（DB），地址总线（AB）和控制总线（CB）；（3）存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器；（4）接口：即I/O（输人/输出）接口电路。如所示。

　　——个好的系统不仅要具有完善的控制功能和高的可靠性，而且应该具有易于扩展、易于维护、易于与相应产品化模板相兼容等性能，这就要求尽量选用模块化、初始化标准化的硬件结构。本系统即是按这种思想设计的，其配置如所示。系统机采用486PC总线工业控制机，具有标准16位数据总线和扩展功能灵活的插板式结构，可根据系统具体要求，进行结构最优化配置。采用光电隔离32位并行步进电机接口板来控制三个步进电机的运动和接收限位开关的信号，利用板上的8253计时器作为步进电机中断运行服务程序的中断定时器，时钟频率取2MHz，通过主轴电机接口控制主轴电机的启停。外配一台台式图形扫描仪作为图形输人设备。

　　2.2控制器的硬件设计在一般的数控机床上，雕刻机的运动是由位于Z，hZ三个方向上的步进电机配合驱动来完成的（步进电机由相应的步进电机驱动器驱动），本文所研制的控制器是以AT89C52为控制核心，将经过运算和处理过的控制信号输出到各个方向的步进电机驱动器中，从而实现雕刻机三方向的立x 32KBRAM（62256）中，基于系统地址扩展的需要，实际使用的地址空间为60KB，应用可编程逻辑器件GAL16V8和3-8译码器74HC138对地址进行编码。系统的键盘及显示单元由82C79及相应的外围电路完成，82C79是一种通用的可编程键盘/显示器接口芯片。它能接收和识别来自键盘阵列的输人数据并完成预处理，又能显示数据和对数码显示器进行自动扫描控制，是实现CPU与键盘、LED显示器进行信息交换的一种专用接口芯片。控制器的输出主要针对步进电机驱动器，本文所采用的是BQS-021型步进电机驱动器，它可以驱动两相或四相步进电机，并且可以选择步进电机的驱动方式为半步或整步方式3数控雕刻机（CNC）软件设计3.1系统软件结构系统软件除了包括AutoCAD软件、图形扫描仪驱动软件和矢量化处理软件外，主要还有CNC系统控制软件。CNC系统软件的功能主要有：菜单管理，加工、空运行、点动、手动、模拟仿真等参数设定，由图形文件到加工指令的自动编程，加工指令全屏幕编辑，手动运行，点动运行，刀具运行轨迹相对于工作台的方位尺寸模拟显示，加工过程刀具轨迹及刀具位置的模拟仿真，自动运行、自动运行中刀具轨迹的动态跟踪显示、坐标翻转显示，程序查错，自诊断，热键帮助，初始化，汉字显示等功能模块，如所示。

　　体控制。控制器的硬件设计主要包括通讯单元、存储单元、键盘及显示单元和输出单元等。总体硬件框图如所示。

　　机，其内部有8KB的E2PROM，对于本系统来说无须扩展外部程序存储器，因而使硬件设计和实现得到简化。它将数据存储到存储单元的两片雕刻机系统软件结构菜单界面3.2系统软件的核心技术CMC系统是一个专用的多任务计算机系统，在它的控制软件中，融合了许多软件技术中的先进技术，其中最突出的是多任务并行处理和实时处理。

　　多任务并行处理：CNC装置通常作为一个独立的过程控制单元应用于工业自动化生产过程中，它的软件必须完成管理和控制两大功能。系统的管理部分包括输人、I/O处理、显示、诊断等。系统的控制部分包括译码、刀具补偿、速度处理、插补、位置控制等。在CNC装置的实际运行过程中，多个任务中的若干个任务要同时进行。

　　实时处理：CNC软件在工业自动化的实际应用过程中，为r满足生产的要求，必须具有实时性。为了使数控软件具有并行处理和实时处理的能力，同时具有-定的开放性，采用Windows的多进程、中断、面向对象等技术开发一套基F Windows32位数控软件。

　　3.3系统软件体系开放式控制系统应采用分层的体系。分层使得各层实现隔离，层与层之间通过标准的接U进行通信。只用E换相应层，即可实现软件的可移植性和采用第三方软件。本系统纵向第——层次为界面层，此界面层由界面和各回调函数组成。回调函数的功能是完成界面上控件的事件驱动操作。回调函数的调用操作由操作系统管理。

　　系统纵向第二层次为功能单元层，包括译码类、刀补类、插补动态链接库、运动控制器类。译码类、刀补类分别由多个软件芯片组成。此功能单元层的调用操作放在回调函数中。自动运行线程的开启在回调函数中完成。系统纵向第三层次为支撑层，包括运动控制器卡、运动控制器的设备驱动程序、I/O卡、操作系统、PC机（上接第647页）对数据进行异或校验并把结果与发送过来的校验位进行比较，正确则存人指定存储区，否则放弃数据并要求上位机重发。

　　本文考虑到PC和PLC通信时每次传输的数据较长，因此在PLC接收数据完成以后调用一定时中断，在定时中断里向上位机发送相应的反馈信息，从而较好的解决f上位机和下位机超长数据传输时的冲突问题，通过对此种协议下的串口通信进行监控测试，证明数据传输的错误率极低，完全满足实际应用的要求。其通信程序流程如所示。

　　4安全保护设计监控软件安全保护设计：容错性设计、软件权限设计。

　　PLC安全保护设计：过压及过流保护、手动异常保护。

　　4结束语本文详细介绍r数控雕刻机的加工方式、加工方法、文字图案加工程序生成的方法及其CNC系统的软硬件结构。该系统在硬件上采用开放式结构设计的思想。软件上采用了模块化、结构化设计，中文操作菜单。图形编程，模拟仿真，加工轨迹在线显示和自诊断等先进技术，不仅使得该系统硬件抗干扰能力强，扩展方便，而且使得系统软件可移植性好，操作、编程简单，形象直观，加工指令不易出错。该系统由于采用了图案扫描输人和图形编程，使得复杂图案的编程和加工更加高效。整个系统由于包括了图形输人、矢量化、AutoCAD编辑、设计和自动编程功能，实际上是一个CAD/CAM―体化系统。