导轨铣磨专用机床数控系统的设计与实现

　　1.2 下位机软硬件设计

　　硬件电路控制系统主要包括电源管理、限位开关信号输 入、串口通讯、电机控制和外部存储器。STC12C5A60 单片机是控制系统的核心，单片机通过I/O 口控制三个铣刀和三个磨刀的转动和移动，接收限位开关信号输入，并控制平台的移动。如表 1 所示。

表 1 系统 IO 清单

　　硬件电路中 IO 口众多，其中伺服电机的控制是关键部分。伺服电机控制加工轴的进给运动。一般伺服电机有三种控制方式: 速度控制方式，转矩控制方式，位置控制方式。本系统中，伺服电机带动相应刀具移动到特定的位置，选择位置控制方式，通过输入脉冲的方向来确定转动的方向，通过脉冲的个数确定移动的距离。

　　下位机的软件主要包含两个子系统。一是实现基本的 IO 功能，获取传感器信号，控制输出口输出，实现对伺服电机的控制。二是实现通讯协议逻辑，解析上位机通过串口发送过来的命令，根据命令执行控制功能，反馈结果给上位机。

　　1.3 上位机软件设计

　　上位机软件通过人机界面获取用户的输入，通过串口与下位机通讯，利用下位机控制机床实现相关功能，实时获取下位机上传的信息，在界面上显示，并进行相应处理。

　　上位机软件功能包括参数设置、手动加工、单独铣、单独磨、自动铣磨等几个子系统。参数设置中对进退刀量等几十个参数进行设置，参数设置后可以备份与恢复。手动加工主要通过每个轴的单轴运动和每个

　　磨刀的单独走刀过程来实现对导轨的手动加工，适合机床的调试和在加工完成不满足要求时的补充加工。单独铣可完成铣削加工。单独磨可完成磨削加工。自动铣磨可以一次性完成铣磨加工。

　　上位机软件采用面向对象设计技术，利用模块化方式，将系统设计为多个开发模块，图 2 为系统的UML 组件图。界面开发利用 MFC 类库。串口通讯基于 MSComm 组件开发。

图 2 系统组件图

　　铣磨工艺组件是上位机软件的核心部分，实现自动铣削与自动磨削的加工逻辑，通过下位机控制设备完成加工。

　　铣削通过三把铣刀完成。立铣刀是一个双层铣刀，上层铣刀用来铣导轨的上表面，下层铣刀用来铣齿条槽。左右卧铣刀分别用来铣削导轨的左右侧面。三个铣刀都是一刀铣完整个平面，并且只铣削一次。铣削加工程序流程如图 3 所示。

图 3 铣削程序基本流程

　　磨削通过三把磨刀完成。卧磨刀用来磨削导轨上表面，左右立磨刀用来磨削导轨左右两侧面。磨刀每一次的进刀量比较小，需要多次进刀，才能完成磨削加工。磨削加工程序流程如图 4 所示。

图 4 磨削程序基本流程

　　由于砂轮在磨削过程中存在损耗，系统内置补偿算法，由用户调节补偿系数，每一次走刀，系统自动进行微小进刀，补偿磨损量。

　　1.4 通讯协议设计

　　上位机与下位机之间必须定义严格的无二义性的通讯协议，才能协同工作。面向机床铣刀，定义出系统中主要的刀具名称，分别为上铣刀、左铣刀、右铣刀、卧磨刀、左立磨刀、右立磨刀，平台朝前移动为前进，朝后移动为后退。每条命令，第一个字节为命令字，命令字大于 A0。如果带有参数，则附加两个 BCD 码字节。移动数据以 mm 为单位，进刀量和补偿量以 μm为单位，均为绝对坐标。起始点为绝对坐标零点。协议中设计了 62 个命令字，通过这些命令，上位机可以通过下位机实现各种控制功能，并可以从下位机获得反馈信息以及限位开关状态信息等。