基于Android的五軸聯動數控系統設計
2020-5-22 來源：溫州職業技術學院機械工程系 作者：張亮
摘要： 以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運動控制芯片，開發一種五軸聯動數控系統，可實現遠程控制、自動加工、手動加工，加工中刀具轉速可調、暫停、繼續,以及沿原軌跡返回及支持G代碼等功能。測試結果表明，該系統可有效實現五軸數控機床高效、高精度的聯動加工，且達到預期精度0.005mm，具有應用可行性與工程價值，可為多軸聯動數控機床的開發提供參考。
關鍵詞: 五軸聯動；數控系統；Android；雕刻機
0 引 言
數控技術在醫療器械、軍事工業、航空航天等諸多領域已凸顯優越的性能。五軸聯動數控技術是數控技術的核心，具有高速、高精度、環保、智能、復合化等優點。相較于國外，國內數控系統及產品的研究水平還較低，現階段國內使用的高端五軸數控機床大多依賴于進口，價格相當昂貴[1-3]。
目前，國內工業機床的控制主要還是基于特定的工業PC 機，功能比較有限，且系統更新升級較慢，無法滿足制造生產中日益變化的控制需求。因此，將Android智能設備作為移動控制終端應用于數控控制領域，實現低成本、高精度、穩定、智能化控制是時代發展的潮流[4]。本文以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運動控制芯片[5]，開發一種五軸聯動數控系統。Android系統具有豐富的功能接口，基于Android的五軸聯動數控系統減少了硬件設計，降低了成本，且可遠程控制，提高控制系統的靈活度。同時，為驗證系統的可行性，設計一臺五軸微型數控雕刻機作為測試平臺，通過實際加工具有復雜表面結構的零件，檢驗系統的性能、應用可行性及工程價值。
1、系統整體設計方案
目前，常見的數控系統主要為基于PC的開放式數控系統和基于微處理器的嵌入式數控系統。本文設計的數控系統采用“嵌入式平臺+可編程運動控制芯片”串聯式閉環控制結構，以Android嵌入式平臺作為硬件平臺、STM32F407作為運動控制芯片，具有硬件選擇性強、功能可靠穩定、遠程便捷控制、成本較低等優點。
1.1 系統總體結構
根據五軸聯動數控系統功能要求[6]，為了使系統在結構設計和功能實現上更加緊湊靈活，將系統整體劃分為上位機（中央控制系統）和下位機（運動控制系統）兩部分。基于C/S架構模式，上位機Android終端和下位機采用全雙工高速通訊，工作時上位機發送運動命令；下位機接受命令，并經過代碼編譯、脈沖發送、輸入輸出信號等處理后發出對應的脈沖數據給伺服電機，并將傳感器接收到的機床工作狀態及運動參數反饋給上位機模塊。系統總體結構如圖1所示。
上位機主要承擔操作面板、手搖控制器、外部輸入接口、移動存儲設備、觸屏信息、遠程網絡通訊等人機交互功能 ；下位機主要承擔插補、進給伺服、代碼編譯、誤差補償等強實時性任務，以及電主軸控制、機床開關量的控制、反饋信號的處理等底層硬件控制功能，對接收到的信號進行分析處理，發出脈沖指令給伺服驅動器，由伺服驅動器驅動伺服電機，實現機床本體的運動控制。伺服驅動器檢測到的伺服電機電壓電流、負載情況、報警信息反饋給運動控制系統，以監控伺服驅動器工作情況。運動控制系統配合中央控制系統共同對輔助輸出 系統如刀庫、切削液、潤滑系統、排屑系統等進行控制。檢測傳感器如編碼器采集機床位置數據反饋給I/O 輸入系統，再由I/O 輸入系統分別反饋給中央控制系統和運動控制系統進行位置與速度等補償，實時進行誤差跟隨補償，以確保加工精度實現全閉環控制。系統工作流程及其內部運行原理如圖2～圖3所示。
1.2 系統功能要求
系統功能有以下要求：以UG三維軟件建立三維模型并經UG自建后處理軟件，生成刀具加工G代碼程序，系統上位機讀取數據并對其進行處理和插補修改，形成適合運動控制卡的加工信息。由操作界面將加工信息通過網絡通訊發送給下位機，下位機將進行插補計算并加工信息，發送伺服電機驅動器和變頻器。伺服電機驅動器發出電子脈沖給控制直線運動和旋轉運動的伺服電機，控制旋轉速度，變頻器發出電子脈沖給電主軸控制刀具運轉速度，從而完成機床的走位和加工。此時，位移傳感器反饋各個軸運動位置信息給上下位機，實現全閉環控制。通過操作界面上的相應按鈕輸入對工作流程的控制信息（如加工開始、結束、暫停、自動加工、手動加工、回零處理等），通過上位機和下位機的相互信息協同完成零件加工和實時監控。
2 、系統硬件設計
上位機硬件系統主要包括主控芯片（Exynos4412 64位芯片）、高清觸屏、通訊模塊、控制系統異常報警電路和GPIO按鍵模塊等。除常規性的基礎電路外，下位機硬件系統主要包括基STM32F407 的芯片電路、伺服驅動電路、電主軸變頻控制電路、手輪控制電路、繼電器控制電路及信號反饋電路等，最為關鍵的是伺服驅動脈沖定位電路和電主軸DC0-10V模擬量控制電路。
2.1 脈沖回路硬件電路
采用STM32F407芯片，額定電壓為3.3V，一般伺服驅動器所能識別的脈沖電壓為5V左右，綜合考慮穩定性、可靠性和響應速度，選擇東芝公司生產的TLP115A型5 引腳高速光耦作為脈沖隔離輸出光耦。TLP115A電氣原理及電氣特性如圖4所示。
2.2 電主軸變頻控制模塊
為了提高加工零件的表面精度，主軸系統采用電主軸控制單元，主要組成部分為變頻器和主軸電機。采用PWM占空比方式輸出DC0-10V模擬量控制電主軸轉速。STM32F407 芯片中PF8 引腳作為PWM信號輸出引腳，設置占空比方式，將PF8 引腳采用TLP115A高速光耦芯片隔離輸出，將PWM波由3.3V轉換成5V，再采用LM358P作為模擬量輸出主芯片，將PWM波轉換成DC0－10V模擬量電壓。其具體硬件（LM358）電路如圖5所示。
3 、系統軟件設計
系統軟件模塊主要用于管理加工程序，實現對機床各個軸電機的運動控制。系統上位機基于Android 系統，編程語言為JAVA；下位機開發工具為Keil5，編程語言為C語言，調用STM32F407運動控制卡提供的庫函數，實現各個軸的運動控制。系統軟件模塊主要包括人機交互模塊、編譯模塊、運動控制模塊等。
3.1 上位機程序設計
上位機程序主要為人機交互模塊，其功能是顯示人機交互界面信息和關鍵參數設置。系統人機交互主界面（見圖6）通過一個Activity類加以實現，每一個按鈕、顯示框、編輯框都在該類中聲明、定義、使用消息機制加以實現。該界面主要包括程序段顯示區、坐標位置顯示區、進給倍率調節區、3D圖形顯示區、功能按鍵區。
3.2 下位機程序設計
下位機主要為編譯模塊和運動控制模塊，包括伺服驅動控制、插補計算、速度控制、GPIO 控制、編碼器反饋等。系統發送各個軸脈沖序列，實現伺服電機的驅動控制，控制脈沖之間的時間間隔等效于控制伺服電機的轉動速度。為了保證平穩、快速輸出脈沖數據，在下位機專門安放一個高速定時器，負責脈沖計算與脈沖輸出。采用全閉環速度模式PID數據采樣插補法，將插補曲線拆分為若干個細小直線段進行插補。在插補過程中，采集當前刀具位置、計算當前點矢量、計算插補誤差量、綜合矢量與速度等參數，保證各個軸加減速的平滑穩定性，避免加速度的沖擊 ；在兩個軌跡點之間插入密集化點，刀具按軌跡點插值路徑運行。
4、測 試
為了驗證系統的可行性，設計一臺五軸微型數控雕刻機作為測試平臺。數控雕刻機是一種采用數控技術的專用機床[7]。根據雕刻機功能要求，采用Altium Designer Summer09軟件設計PCB圖并制作控制電路板（見圖7），搭建線路完成一個零件的雕刻加工。經UGCAM編程得到實際加工刀具路徑的G代碼文件，利用雕刻機和系統進行實際加工。五軸微型數控雕刻機樣機如圖8所示。從加工結果可知，系統可有效實現五軸數控機床高效、高精度的聯動加工，且可達到預期精度0.005mm。
5 、 結 論
本文提出一種以“Android系統+STM32F407運動控制芯片”為系統控制核心，可遠程控制的五軸聯動數控系統。該系統采用模塊化設計，具有豐富友好的人機界面和優良的開放性能，支持多種操作平臺，有較強的可移植性，維修更簡易，質量更可靠，增強了開放式數控系統的市場競爭力。該系統創新點體現在以下幾個方面 ：一是模塊化設計。系統各模塊相互獨立，可讓用戶在較大范圍內根據要求配置系統，如機床軸數、I/O點數等，而當系統硬件改變時，只需簡單修改數控系統軟件，即可滿足要求，具有更大的靈活性，更能適應市場的動態變化。二是具有豐富友好的人機界面。
用戶可在系統環境下使用不同的編程語言隨心所欲地開發適合個人用途的人機界面，如某些特殊機床的專屬控制功能，而不必過多地考慮系統控制器的核心部分。三是具有優良的開放性能。系統能方便地掛上第三方應用軟件，如各種CAD/CAM軟件、測試軟件或管理軟件，以滿足用戶所需，開放式系統可集眾家之長。四是支持多種操作平臺。系統結構更好地支持windows, android, win CE,Linux, Unix, RTOS等不同操作平臺。測試結果表明，該系統可有效實現五軸數控機床高效、高精度的聯動加工，且可達到預期精度0.005mm，具有應用可行性與工程價值。
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