鐘 山，張 威,陳炳忠,李國偉 ,吳家杰

(1.桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006；2.梧州學院 機械與材料工程學院，廣西 梧州 543002)

?

基于CAD/CAM的寶石加工設備控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)*

鐘 山1,2，張 威1,陳炳忠2,李國偉2,吳家杰2

(1.桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541006；2.梧州學院 機械與材料工程學院，廣西 梧州 543002)

該設備基于CAD/CAM 集成理論，采用上位機與下位機結合的人機交互方法，實現(xiàn)寶石的設計、圍型、刻磨和拋光一體化加工。首先分析了實現(xiàn)設備的各部位運動功能的控制原理，然后用加工數(shù)據(jù)與控制程序分離的方案分別對上位機和下位機控制系統(tǒng)進行開發(fā)。上位機控制軟件的開發(fā)在VC++環(huán)境中完成，通過構建加工數(shù)據(jù)結構，把圖形文件信息轉換成下位機能夠識別運行的數(shù)據(jù)。下位機以STM32F10X系列MCU為控制核心，輔以專用的電機，配合傳感器和光柵尺，接收上位機信號后采用閉環(huán)控制算法。系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理后，在專用電機的驅動下自動執(zhí)行寶石的加工工序。測試表明，該系統(tǒng)提高了寶石加工的精度和效率。

CAD/CAM；寶石加工；數(shù)據(jù)處理 ；閉環(huán)控制

0 引言

目前大部分企業(yè)和個人作坊仍然使用傳統(tǒng)的八角手或機械手加工寶石，特別是寶石的刻磨拋光是一個技術含量高且較難掌握的手工技術，包括材料選購、設計切割、圍型、刻磨拋光五個工序，剛接觸寶石行業(yè)的加工人員需要大量的時間去適應和學習。近年來，許多專家學者提出了比較先進的寶石加工方法，如計算機輔助加工和超聲波加工[1]，但是目前市場上的計算機輔助加工由于技術的限制和天然寶石內部結構的復雜性，只能加工廉價的合成寶石，精度和效率都不高；超聲波加工由于靠磨料液顆粒撞擊原理進行加工,所以只能加工硬而脆的材料,不太適合寶石的加工。

本文所述的寶石加工設備采用上位機與下位機結合的方式來完成寶石的加工，以VC++為開發(fā)平臺，建立了寶石各種形狀及加工特性的數(shù)據(jù)庫，并開發(fā)了相應控制算法。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了寶石設計、圍型、研磨和拋光一體化加工的方法，提高了寶石加工的精度和效率[2]。

1 寶石加工設備的機械結構和驅動方式

該寶石加工設備機構主要由三平移兩旋轉五個關節(jié)依次串聯(lián)而成，分別由5個不同的步進電機和伺服電機控制運動。如圖1～圖3所示，步進電機M1、M2可通過滾珠直線導軌使寶石做X、Y軸方向的往復運動，步進電機M3通過滾珠絲桿使寶石做Z軸方向的升降運動，伺服電機M4控制寶石的傾角運動，步進電機M5控制寶石的360度旋轉運動。J1 ～ J5分別對應M1 ～ M5帶動寶石桿和磨盤的動作。加工設備的工藝流程是：下料切割、圍型、石坯拋光、粘石、刻磨拋光冠部、反石、刻磨拋光亭部[3-4]。研磨時M5旋轉機構帶動寶石切換到需要研磨的切面(J5)，同時M4根據(jù)需要打磨的刻面控制傾角將寶石擺動到刻面與磨盤平行的位置(J4)，M1和M2根據(jù)具體情況做直線或者曲線運動帶動寶石到研磨盤中心上方(J1和J2)，然后M3做下降動作與磨盤接觸準備打磨(J3)。當一個切面完成后M3帶動寶石離開磨盤(J3)同時M5將寶石切換到另一個圓周切面(J5)研磨。完成所有規(guī)定切面的研磨后，由M1帶動寶石做X軸方向的平移(J1)到達拋光盤，拋光、圈石與研磨的動作類似。每次動作各個部位電機的運動參數(shù)都可以預先在上位機CAD系統(tǒng)設置好再通過下位機實現(xiàn)寶石的自動加工。

圖1 寶石加工設備正視圖 圖2 寶石加工設備右視圖

圖3 寶石加工設備俯視圖

2 機械運動控制系統(tǒng)原理

由機械的運動方式可以設計出寶石加工設備的控制系統(tǒng)，包括升降系統(tǒng)，旋轉機構，傾角系統(tǒng)以及X、Y軸運動系統(tǒng)。如圖4是寶石加工設備控制系統(tǒng)的組成框圖。

圖4 寶石加工設備控制系統(tǒng)的組成框圖

2.1 升降系統(tǒng)的控制

升降系統(tǒng)由步進電機[5]作為動力執(zhí)行部件，基準位置傳感器和位移光柵傳感器作為高度距離標準反饋元件，基準位置傳感器采用光電開關。升降系統(tǒng)總成的控制原理是:在機器復位時，MCU發(fā)出指令，升降步進電機按一定的方向轉動使得機械手上升到光電開關位置，再找到光柵零點位置后停止；在上位機發(fā)出研磨工作指令后，升降電機根據(jù)MCU給定的指令執(zhí)行相應的動作，并由光柵實時反饋位移量給MCU進行實時分析補償防止丟步和間隙所帶來的移動誤差。由于光電開關存在0.02mm左右的重復誤差，所以加入高精度的電子光柵尺作為位移傳感反饋和基準反饋，光電開關為粗基準位置，而光柵的Z線輸出則作為精基準位置，重復誤差不超過0.01mm。另外絲桿的螺紋間隙也存在誤差，將步進電機進行25細分，絲桿導程為5mm，理論上，步進電機走1步，絲桿傳動距離為0.001mm，提高了加工精度。

2.2 寶石刻磨旋轉機構總成控制

寶石刻磨旋轉機構總成由旋轉步進電機作為控制執(zhí)行部件，由基準位置傳感器作為反饋元件，并配合軟件的檢測算法，保證圓周分度基準位置準確性。步進電機通過16細分驅動，使得步進電機由原來的1.8°/步的步距精度提高0.1125°/步的精度，這樣，整個圓周可以分成了3200份，可以實現(xiàn)任意形狀寶石研磨的圓周分度。在機器復位時，MCU發(fā)出指令，旋轉步進電機轉動，尋找圓周分度基準位置作為零位，然后執(zhí)行給定的分度步數(shù)做精準定位旋轉達到換面刻磨的動作效果，并且能讓電機鎖定停止不轉動，使得在刻磨過程中寶石不會發(fā)生轉動現(xiàn)象；旋轉步進電機的動作嚴格根據(jù)擺動系統(tǒng)和升降系統(tǒng)的動作而交替先后執(zhí)行動作，保證換面動作完成后才進行著盤動作，避免寶石突然著盤時造成傷盤或者傷石的事故從而影響寶石的刻磨和拋光質量。

2.3 傾角系統(tǒng)的控制

傾角系統(tǒng)由伺服電機[6]通過蝸輪蝸桿傳動組成，寶石刻磨換面旋轉機構總成安裝在蝸輪轉軸上。傾角擺動原理是通過上位機發(fā)送到下位機的擺角數(shù)據(jù)和命令，控制傾角伺服電機上的蝸桿轉動固定的角度步數(shù)從而帶動蝸輪轉動到需要的傾角，而這個傾角的精度則是伺服電機精度再經(jīng)過蝸輪蝸桿傳動比[7]得出的最終精度，比如伺服電機編碼器是1000線，則把電機旋轉一圈分成了1000步，而每一步則是0.36°，而蝸輪蝸桿傳動比是40，則傾角精度為0.009°/步。傾角系統(tǒng)配合軟件的檢測算法，實現(xiàn)寶石研磨工作中寶石與磨盤之間的精準傾角，保證刻磨出來的角度與所設計出來的一致。

2.4 X軸滑動系統(tǒng)的控制

X軸滑動系統(tǒng)由步進電機作為動力執(zhí)行部件，刻磨機械手(即擺角總成、旋轉總成、升降總成)安裝在X軸上可以整套移動，光電開關作為基準位置傳感器反饋元件，定此位置為X軸原點，配合軟件檢測和算法，實現(xiàn)寶石在刻磨盤或拋光盤上X軸方向的任意點著盤停留或者滑動一定距離，以實現(xiàn)對小刻面寶石的點動磨削工作方式和對大刻面寶石滑動磨削工作方式。在系統(tǒng)復位時MCU發(fā)出復位指令，通過X軸滑塊帶動機械手快速在X軸方向返回復位到光電開關位置。進行研磨工作前，用戶可以通過寶石大小類型等自行選定磨點、和擺速，這些參數(shù)最終都由X軸擺動系統(tǒng)執(zhí)行實現(xiàn)，不同的寶石工藝要求不同點著盤和不同的滑動長度(即擺長)。

2.5 Y軸滑動系統(tǒng)控制

Y軸滑動系統(tǒng)可以控制整套刻磨機械手在Y軸方向前進和后退一定距離，以保證刻磨過程中，寶石能保證始終在磨盤的中心線上運動，提高刻磨效率和充分利用磨盤，還能保證在任意點著盤刻磨以實現(xiàn)0～90°的加工角度不受限制。Y軸滑動系統(tǒng)與X軸滑動系統(tǒng)控制原理幾乎一致，僅區(qū)別于功能上和運動方向上，故此處不再加以詳細描述。

3 設備自動控制系統(tǒng)的人機操作界面原理

3.1 設備自動控制系統(tǒng)下位機組成

設備下位機以STM32F10X系列MCU為控制核心，其特點是高性能、低功耗、抗干擾以及豐富的片內資源，用其做為下位機核心方便且適用[8]。如圖5是STM32控制板硬件的資源分配圖，5軸電機共需要一個外部中斷I/O口作為總使能端XINT1/IOPC2，電機使能但又沒有脈沖輸入時，就會進入鎖死狀態(tài)，鎖死是步進電機轉子禁止自由走步的狀態(tài)，可以避免外界振動和研磨時摩擦力導致的電機無脈沖輸入時自由走步現(xiàn)象[4]。下位機絕對性接收上位機指令和數(shù)據(jù)并自動執(zhí)行不同的指令動作，同時下位機還負責每個傳感器的信號接收和對電機、繼電器的控制。

圖5 控制板資源分配框圖

3.2 設備自動控制系統(tǒng)上位機

設備自動控制系統(tǒng)上位機操作界面軟件基于VC++自主研發(fā)[9]，系統(tǒng)的控制軟件流程圖如圖6所示。上位機配合寶石設計軟件GEMCAD使用，用戶可以在GEMCAD[10]上設計自己所需的寶石式樣，并建立自己的寶石式樣數(shù)據(jù)庫，也可以導入設備本身配備的各種寶石模型庫進行修改，設計出自己所需的式樣，按需加工出實物樣品或產(chǎn)品。自主研發(fā)的上位機通過打開GEMCAD設計出的寶石圖形文件，讀取其中內容進行分析計算，最終變成刻磨加工寶石的角度、高度、和分度數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)最終轉換成電機的步數(shù)，控制每個電機需要運動的角度和距離實現(xiàn)精確刻磨加工過程。除了寶石固有的角度、分度等數(shù)據(jù)，還需根據(jù)寶石加工工藝需要對角度高度壓力擺速等數(shù)據(jù)的補償和調節(jié)[11]，這些數(shù)據(jù)全在上位機軟件上輸入和設置。圍型時其采用分段插值控制算法如下：

for(j=Yao_Fendu[0]+1,i=1;j<3200+Yao_Fendu[0];j++)//角度電機轉一圈，每次轉一步，然后計算插值中心距離

{

if(j>Yao_Fendu[i])

{

if(i

i++;

}

Height=Yao_Hight[i-1]+((float)Yao_Hight[i]-Yao_Hight[i-1])*(j-Yao_Fendu[i-1])/(Yao_Fendu[i]-Yao_Fendu[i-1]);//計算插值中心距離

if(Height>PreHeight)

{ MoveMotor(Up,Height-PreHeight,100);//電機返回YTH+ MoveMotor(Zhuanban,1,sudu);//角度電機走一步

}

else if(Height==PreHeight)

{ MoveMotor(Zhuanban,1,10000);//角度電機走一步

}

else

{ MoveMotor(Zhuanban,1,sudu);//角度電機走一步

MoveMotor(Down,PreHeight-Height,100);//下電機開始磨

}

PreHeight=Height;//保存高度值

}

圖6 寶石加工設備控制軟件流程圖

4 實驗驗證

以上對數(shù)控寶石機器人控制部分實現(xiàn)作了詳細的介紹，經(jīng)過反復調整機械結構，并且對軟件的算法程序也經(jīng)過大量調試和實際測試，證實該控制算法和軟件實現(xiàn)是可行的，設備也在控制軟件的指示下完成相應的操作。以材料為立方氧化鋯的橢圓形寶石加工為例，在GEMCAD中設計好寶石形狀如圖7，得到寶石形狀參數(shù)后在自主開發(fā)的軟件中打開如圖8，設置好加工參數(shù)和設備參數(shù)便可自動加工或手動加工，加工后的寶石如圖9。

圖7 GEMCAD設計的橢圓寶石三視圖加工試樣

圖8 橢圓形寶石加工控制面板底面

圖9 氧化鋯材料的橢圓形寶石頂面

5 結束語

本文介紹的基于CAD/CAM的寶石加工設備控制系統(tǒng)實現(xiàn)了寶石的設計、圍型、刻磨和拋光一體化加工。經(jīng)設備調試和實驗驗證后該套設備可以提高寶石加工的精度和效率，另外初學寶石加工的人員通過使用這套設備可以很快入門并掌握寶石加工的基礎知識，便于后續(xù)學習，因此該設備具有很好的應用前景。

[1] 周樹禮. 寶石加工方法的演變和發(fā)展[J]. 寶石和寶石學雜志,2003(4):28-29.

[2] 郭美斌. 梧州人造寶石產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展存在的問題與對策[J]. 企業(yè)經(jīng)濟,2007(9):99-101.

[3] 陳炳忠. 寶石琢型設計及加工設備[M]. 武漢: 中國地質大學出版社, 2014.

[4] 呂新彪. 寶石款式設計與加工工藝[M]. 武漢：中國地質大學出版社,2006.

[5] 劉寶志. 步進電機的精確控制方法研究[D].濟南:山東大學,2010.

[6] 王軍鋒,唐宏. 伺服電機選型的原則和注意事項[J]. 裝備制造技術,2009(11):129-131,133.

[7] 柴群. 蝸輪蝸桿傳動強度精細分析[D].大連:大連交通大學,2007.

[8] 庫少平,劉晶. 基于STM32F10x和MDK的步進電機控制系統(tǒng)設計[J]. 武漢理工大學學報,2009,03:107-110.

[9] 鄭阿奇. Visual C++實用教程[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005.

[10] 周漢利.寶石琢型電腦設計[J]. 寶石和寶石學雜志,2001,03:39-45.

[11] 熊毅,玉振明,陳炳忠. 基于DSP寶石加工機械手控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 組合機床與自動化加工技術,2011(8):56-59,63.

(編輯 李秀敏)

Design and Realization of Gemstone Processing Equipment Control System Based on CAD/CAM

ZHONG Shan1,2, ZHANG Wei1,CHEN Bing-zhong2, LI Guo-wei2, WU Jia-jie2

(1.School of Mechanical and Control Engineering,Guilin University of Technology, Guilin Guangxi 541006, China; 2. School of Mechanical and Control Engineering, Wuzhou University, Wuzhou Guangxi 543002,China)

The equipment realizes the integration of design, rounding of type, grinding and polishing of gemstone carved grinding method, and it is based on CAD/CAM integration theory by the way of human-computer interaction with combination of upper computer and lower computer. Firstly, the control principle of the movement function of each part of equipment is analyzed and upper computer and lower computer control systems are developed by using the separation way of control program and processing data. The exploiting works of upper computer control software are finished by using the VC++ software, and the graphics file information is converted to data which under computer can identify it by building processing data structure. Lower computer adopts STM32F10X series MCU as the core processor with sensors technology and grating ruler, and uses closed-loop control algorithm after receiving upper computer signals. The equipment performs gemstone processing automatically under the special motor driver after data processing. Finally, test results demonstrate that the equipment improves precision and efficiency of gemstone processing.

CAD/CAM; gemstone processing; data processing; closed-loop control

1001-2265(2016)10-0000-00

10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.10.000

2015-11-27；

2015-12-24

2012年廣西教育廳高?？蒲许椖?201202ZD087)；廣西高等學校優(yōu)秀人才資助計劃、梧州學院重點科研項目(2012B006，2012B007)；大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目(201411354008，201511354021，201511354055)

鐘山(1967—)，男，廣西梧州人，梧州學院教授，博士，桂林理工大學碩士生導師，研究方向為增材制造，寶石加工，(E-mail)jonsonzhong@163.com。

TH166;TG659

A