１数控系统介绍
本小型数控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，在小型数控雕刻机中主要是实现位移传动［４］。本小型数控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［５］。
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［６］。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接口的数控雕刻机控制系统具有广阔的应用前景。首先，数控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。
３ＵＳＢ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ＵＳＢＨＯＳＴ接口、ＵＳＢ驱动程序和ＵＳＢＣＮＣ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［７］。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。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［８－９］。
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［１０］。雕刻机的控制软件采用了国外先进的数控控制软件———ＵＳＢＣＮＣＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，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。ＵＳＢＣＮＣＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ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。ＵＳＢＣＮＣＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ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。
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。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。小型数控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×６０ｍｍ，并且可以将控制箱和机架结合在一起，使该小型数控雕刻机更加小巧、美观，如图８所示。
６结论
数控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，展开对数控雕刻机的设计与研究，针对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，比较了现有数控雕刻机所存在的不足之处，结合现代数控雕刻机技术的发展，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。７发展展望数控雕刻机是一门集机械加工及数控技术于一体的综合技术，不仅需要科学合理的机械结构，还需要先进的计算机软件技术做支持。随着计算机技术、网络技术和微电子技术的不断发展，应使雕刻数控系统不断地吸收新的科技成果。本小型数控雕刻机课题的研究虽然取得了初步的成功，但由于时间和试验条件的限制，尚有如下几个方面有待提高和完善。１）在本机整体结构上，可以考虑选择铸造工作台，以增强整机刚度。２）本系统尚未涉及位置反馈，目前只采用开环控制系统，没有形成闭环控制。为进一步提高系统的控制精度，后续工作可以对此进行完善。３）本系统采用的是一个单片机的控制系统，这样就会使得加工速度受到限制，故在以后的课题研究中，可以采用双单片机或者多单片机的主从式控制。４）本系统中缺少对刀的程序，在后续的工作中可以自制１个自动对刀仪。总而言之，小型数控雕刻机的研究具有广阔视觉艺术论文的前景，这项研究成果不仅仅可以应用在加工领域，还可以广泛应用到其他领域。
作者：张铎 蔡晓君 周士达 单位：北京石油化工学院 机械工程学院
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