开放式数控木工加工中心数控系统研究

1、开放式木工加工中心数控系统研究蔡红健，肖慧（南通纺织职业技术学院，江苏 南通 226007）摘 要：为促进木材加工数控化，根据木材加工特点，采用模块化的设计方法，设计了“CNC嵌入PC”型结构的开放式木工加工中心数控系统的硬件和软件。并将数控装置与伺服系统连接，调试系统各项功能，证明其主要功能可以实现。关键词：木工；数控系统；开放式中国分类号：TS642 文献标识码：A Study on Open CNC System of Woodworking CenterCAI Hong-jian, XIAO Hui(Nantong Textile Vocational Technology Colle

2、ge, Nantong Jiangsu 226007, China)Abstract: In view of the characteristic of processing of timber, using the modularized design method, the hardware and software of the open Computerized Numerical Control (CNC) system of woodworking center, which was the “CNC-embedded PC” structure, was designed to

3、boost woodworking Numerical Control. Various functions were debugged after connecting the NC device and the servo system, which shows that the most functions were realized.Key words: Woodworking; CNC System; Open-architecture随着先进制造技术的发展，计算机数控技术开始广泛应用于木材加工机械行业，极大地改变了传统木制品加工的生产方式。开放式数控系统具有可互换性、可伸缩性、可移

4、植性、可互操作性、可扩展性等基本特征，克服了传统数控系统兼容性差、维护性差等缺点。木制品数控加工技术建立在金属数控加工技术的基础上，木材性质决定了它与金属数控加工技术有所区别：木材各向异性，切削阻力小，动力消耗少，一次切削量较大，切削速度、进给速度较高，动态性能要求高；木材易吸水，不同含水率的木材切削性能差异大，不宜用冷却液冷却；切削中的粉尘和切屑重量小，容易弥漫到空气中。本文针对以上木制品数控加工特点，以PC机和运动控制卡为硬件基础，以Windows操作系统和Visual C+为软件平台，研究了开放式木工加工中心数控系统。1 开放式木工加工中心数控系统的硬件设计开发式木工加工中心数控系统采用

5、CNC嵌入PC型的结构模式，系统硬件主要由PC机、运动控制卡、I/O接口电路、PLC装置、机床操作面板、驱动器、进给电动机、主轴伺服单元、主轴电动机、换刀伺服单元、辅助动作电动机等部分组成，图1为本系统的硬件结构框图。运动控制卡选用南京顺康数码科技有限公司开发的MC6414P运动控制卡，该卡采用日本NOVA公司设计生产的MCX系列运动控制芯片作为运动控制核心，通过PCI总线挂入PC，与PC机构成主从式双处理器结构。PC机负责人机交互界面的管理和控制系统的实时监控；控制卡完成脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测。运动控制卡专用CPU的独立性严格保证了实时响应和连续插补，

6、正好弥补了Windows操作系统实时性的不足，从而满足了开放式木工加工中心数控系统的功能要求。PLC装置接收PC机对数控加工M、S、T功能指令译码后产生的命令，并根据这些命令对木工加工中心机床本体及辅助设备进行控制。另外，PLC也接收机床操作面板输入信息和各种开关、按钮的状态信息，实现顺序逻辑控制。电机及其驱动器采用Panasonic的产品，伺服电机型号为MSMA102P1G，与其匹配的驱动器型号为MDDDT5540。驱动器接收运动控制卡发来的脉冲信号，驱动电机按照预定的方向、速度、转角运动。电机通过联轴器驱动丝杠螺母机构，使工作台和刀具产生相对运动。机床上装有刀库，可根据换刀和选刀指令实现自

7、动换刀。主轴伺服单元控制主轴转速，而主轴的起停和正反转由PLC控制。PC机含有主CPUPCI总线键盘鼠标显示器打印机运动控制卡PLC装置驱动器控制端口电机驱动器Y电机驱动器Z主轴伺服单元X轴电机Y轴电机Z轴电机电机驱动器XI/O接口电路吸尘风冷电机主轴电机换刀伺服单元各种开关夹具动作电机强电控制电路机床操作面板图1 开放式木工加工中心数控系统的硬件结构由于木材切削阻力小，切削速度高，每分钟达到上万转，主轴电机采用高速木工电主轴。切削中的粉尘和切屑重量小，容易弥漫到空气中，电主轴中的迷宫环结构能很好地解决防尘问题，而电主轴中的冷却装置也能解决高速切削带来的高温问题。为了及时排除切屑及粉尘，采用气

8、力吸尘装置，同时进行风冷。木制品强度较低，不宜用机械夹具，应采用真空吸附装置装夹工件。2 开放式木工加工中心数控系统的软件设计控制软件主界面数据状态显示区图形显示区程序显示区参数设置CNC编程自动加工CNC代码编辑与编译模块加工模块参数设置模块手动调整模块结构体运动控制库PCIDK1.DLL生 成读 取读取图形仿真模块手动调整调 用调 用图2 开放式木工加工中心数控系统的软件结构本系统是基于PC机和Windows操作系统的开放式数控系统，利用Visual C+ 6.0开发平台和Windows消息处理机制，运用MFC、API及与MC6414P运动控制卡匹配的动态链接库PCIDK1.DLL，开发出

9、适合木制品加工特点的控制软件。考虑到软件的可扩展性、开放性及开发的复杂性，在软件设计的过程中必须利用软件工程的设计思想，采用模块化的设计方法和自顶向下的设计理念，通过面向对象编程、多线程编程等编程技术，开发出具有良好的人机界面的多窗口、多任务的应用软件。开放式木工加工中心数控系统的软件结构框图如图2所示。由图可知，本系统的控制软件主界面分成图形显示区、程序显示区、数据状态显示区三个区域，功能模块包括以下几个：(1) CNC代码编辑与编译模块编辑模块实现CNC代码的手动输入、修改、保存和打开；编译模块检测CNC代码的词法错误、语法错误和语义错误，对各程序段进行数据处理，包括插补指令、刀具补偿指令

10、、辅助功能指令、木工固定循环指令等，生成结构体数据，为加工模块与图形仿真模块提供数据支持。(2) 加工模块顺序读取结构体各个结点，仿真加工时根据结点数据进行图形仿真、CNC程序运行、加工状态数据动态显示，同步加工时还要调用动态链接库文件PCIDK1.DLL中的运动函数，控制机床运动。由于木材切削进给速度较高，动态性能要求高，加工精度要求较低，加工轮廓线型多，加工时的插补算法必须考虑到这些因素。采用改进的时间分割法进行等步距角插补，避免了迭代计算，终点判别容易，插补算法简单，容易实现，可用于圆弧及椭圆弧、抛物线、螺旋线等非圆弧曲线的插补。在保证快速插补的同时，精度也能达到所需要求，符合数控木工加

11、工中心对高速切削的要求。此外，根据木制品加工特点，本系统为用户提供了圆眼固定循环G71、椭圆眼固定循环G72、双圆柱凸榫固定循环G73、双立方柱凸榫固定循环G74、双椭圆柱凸榫固定循环G75、圆柱面固定循环G76、圆锥台面固定循环G77、球台面固定循环G78等榫、眼固定循环，丰富多样的固定循环为木制品加工提供了方便，大大减轻了操作者的编程工作量，提高了加工效率。(3) 手动调整模块通过设置加工控制模式，调用动态链接库运动函数，进行机床回零调整和各运动轴手动调整，同时进行对刀、转速和进给速度倍率调整等。(4) 参数设置模块为了增加系统的柔性，更好地体现木工加工中心数控系统的开放性，通过对系统的参

12、数设置来适应不同的硬件设备，其主要参数有：系统最大进给速度、脉冲当量、系统加速度、机床各伺服轴的极限位置等。图3 数控木工加工中心控制软件主界面(5) 图形仿真模块根据设置木制品工件的尺寸，在图形显示区中仿真出工件大小。根据加工结构体数据仿真出刀具运动轨迹和加工过程，以验证CNC代码的准确性。本软件设计成基于单文档界面(Single Document Interface, SDI)的应用程序，为了便于主界面中控件的添加，视图类选择基于CFormView类。为了简化用户操作，减少重复编译时间，将编译CNC文件产生的加工结构体数据保存成文档形式，后缀名命名为*.CNC，以便下次打开文档，进行必要的

13、初始化操作后就可直接加工。图3是数控木工加工中心控制软件的主界面，图形区仿真木制品工件的大小，刀具的轨迹与加工情况；程序区显示CNC文件的路径及名称，高亮显示当前加工的程序段；状态数据区显示当前功能状态，错误提示，工件坐标和机床坐标，当前刀具号、主轴转速和进给速度等。从主界面中可直接进入CNC代码的编辑与编译界面和参数设置界面。3 数控装置与伺服系统连接调试本系统采用三轴联动的运动控制，其中单轴伺服控制原理图如图4所示。PC机MC6414P运动控制卡MDDDT5540交流伺服驱动器驱动信号反馈信号工作台螺母齿轮丝杠伺服电机编码器图4 单轴伺服控制原理图驱动器采用位置控制模式，用户操作人机界面，

14、创建加工线程，使MC6414P运动控制卡发出指令脉冲, MDDDT5540伺服驱动器接收该指令,驱动MSMA102P1G伺服电机，电机后端部安装有旋转编码器，将电机实际旋转所产生的脉冲信号反馈给驱动器，两信号进行比较，从而构成了位置半闭环控制。同时，运动控制卡读取来自驱动器的实际编码器信号，经过数据处理，显示该轴实际位置。为了验证数控系统程序的正确性，设计了一个单轴伺服进给系统的实验装置，将伺服电机与丝杠螺母机构用弹性联轴器相连，并将运动控制卡MC6414P的X轴输出通过四路差动线路驱动器AM26LS31CN与伺服驱动器MDDDT5540进行连接，再将伺服驱动器和实验装置上的伺服电机MSMA1

15、02P1G进行连接，图5是连接的实物图。图5 单轴进给伺服系统实物图启动数控系统，进行回零操作。先进行手动调整验证，将工作方式选择为手动，选择步长和进给速度，点动“X+”或“X-”按钮，实测X轴伺服系统丝杠螺母运动位移和运动时间，结果正确。再进行自动运行的验证，输入下列程序：O001N10 G90 G0 X0 Y10 Z0N20 G91 G1 X10 Y-18 F300N30 X-10 Y8 Z-12 F200N40 M2编译成功后选择“同步加工”，点击“循环启动”按钮，X轴能正向运动10mm，又反向运动10mm，重合于运动起点。在实际加工的同时，计算机屏幕上高亮显示出正在加工的程序段，同步仿

16、真出刀具运动轨迹。4 小 结开放式木工加工中心数控系统采用CNC嵌入PC型模式，主从式CPU结构，既充分利用了PC机丰富的资源，又解决了数控系统实时性问题。顺应木制品加工特点，在硬件上采用了高速木工电主轴、吸尘风冷装置、真空吸附装夹装置等不同与金属加工数控机床的硬件结构。软件中的插补算法采用了改进的时间分割法进行等步距角插补运算，并且增加了木制品加工特有的榫、眼固定循环，软件人机界面友好，易操作，可移植，功能模块易扩充。伺服系统采用半闭环位置控制，实验结果表明，本数控系统软件的主要功能可以实现。参考文献：1 蔡红健，等. 数控木工加工中心插补运算研究J. 林业机械与木工设备，2009, 37(5):36-38.2 袁成荣，等. 数控木工加工中心伺服进给系统设计与仿真J.林业机械与木工设备，2008, 36(