摘 要

随着机械行业发展对于生产零件表面加工质量与生产效率要求的逐步提高，具有着高加工精度与高生产效率优点的数控雕铣机床近些年在国内有了较大的发展。由于数控雕铣机床对于数控系统快速响应、开放式结构的要求通过传统的封闭式硬件数控系统难以充分满足。因此借助开放式数控系统，通过基于PC的软件数控的形式对雕铣机床进行控制可以更好地发挥出数控雕铣机床的优势。

本文在上述背景下结合数控雕铣机床的功能需求，开发了基于倍福的数控雕铣软件系统，完成了数控系统硬件的选型、机床运动控制功能的实现、软件系统的通讯以及数控雕铣软件的设计开发，最后在此基础上进行实验验证了软件的功能以及设计方案的可靠性与实用性，其具体内容如下：

（1）对数控雕铣机床的工作原理、功能特点及其对数控系统的要求进行分析，完成了数控雕铣机床数控系统硬件的选型；

（2）结合数控雕铣机床的功能需求在倍福twinCAT软件中进行了数控雕铣软件的控制功能开发，通过PLC程序实现了对机床轴的点对点控制与插补控制，在twinCAT软件中实现了初步的可视化界面对控制功能进行了仿真测试；

（3）实现了数控雕铣软件与twinCAT之间的通讯，将在twinCAT中实现的控制功能以及倍福提供的变量监控与报警信息的接口集成到软件当中，完成了软件的模块化与整体界面的设计开发；

（4）设计了相应的实验在硬件平台上对数控雕铣软件的功能进行了验证，对MasterCAM进行了后处理开发，实现了针对倍福数控体系的代码生成。

关键词： 数控雕铣机床；开放式数控系统；运动控制；软件设计开发

Abstract

With the development of the machinery industry, the requirements for surface processing quality and production efficiency of machined parts have been gradually improved. The CNC engraving and milling machine with high processing precision and high production efficiency have made great progress in China in recent years. Due to the requirements of the CNC engraving and milling machine for the rapid response of the CNC system, the open structure and the high information sharing degree, it is difficult to fully satisfy the traditional enclosed hardware CNC system. Therefore, with the help of the open CNC system, the control of the engraving and milling machine in the form of PC-based software numerical control can better realize the advantages of the CNC engraving and milling machine in the processing.

This paper combines the functional requirements of CNC engraving and milling machine under the above background, develops and designs the CNC engraving and milling software system based on Beckhoff, completes the selection of CNC system hardware, machine tool motion control and auxiliary function realization and simulation,. The communication between the software system and the CNC engraving and milling software development. On the basis of this, the reliability and practicability of the software function and related design schemes were verified. The specific contents are as follows:

(1)The working principle, function characteristics and requirements of the numerical control system of the CNC engraving and milling machine are analyzed, and the hardware selection of the CNC system of the CNC engraving and milling machine is completed.

(2)Combined with the function requirements of the CNC engraving and milling machine, the control function of the CNC engraving and milling software was developed in the twinCAT software under the Beckhoff controller. The point-to-point control and interpolation control of the machine axis were realized by the PLC program. The preliminary visual interface is implemented in twinCAT software to simulate the control function.

(3)The communication between the CNC engraving and milling software and twinCAT is realized, and the control functions realized in twinCAT and the interface of variable monitoring and alarm information provided by Beckhoff are integrated into the software, and the modularization of the software and the design and development of the overall interface are completed. ;

(4)The corresponding experiment was designed to verify the function of CNC engraving and milling software on the hardware platform. The post processing of MasterCAM was developed. The code generation for Beckhoff CNC system was realized and Integrated.

Key words: CNC engraving and milling machine;open CNC system; motion control; software design and development

目录

中文摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的研究内容及其意义 1

1.2 数控雕铣机软件系统国内外研究现状研究 1

1.2.1 数控雕铣机的特点及发展趋势 1

1.2.2 开放式数控系统的特点及发展趋势 3

1.3 本文主要工作及结构 4

第二章 数控雕铣机床的硬件系统介绍 6

2.1 数控雕铣机的控制原理 6

2.2 雕铣加工对数控系统的要求 7

2.3 雕铣机数控系统硬件选型 8

2.3.1 控制器选型 8

2.3.2 伺服驱动器及电机 8

2.3.3 检测装置 9

2.4 小结 9

第三章 基于倍福的雕铣机床控制软件设计 10

3.1 TwinCAT简介 10

3.1.1 TwinCAT PLC特点介绍 10

3.1.2 TwinCAT NC特点介绍 11

3.1.3 TwinCAT开发环境介绍 12

3.2 雕铣机床轴的倍福PLC控制研究 14

3.2.1 倍福 PLC PTP控制 14

3.2.2 倍福 PLC NCI控制 16

3.3 数控雕铣软件功能设计开发 17

3.3.1 数控雕铣机床功能需求分析 17

3.3.2 雕铣功能的控制实现 18

3.3.3 雕铣机床轴的控制仿真 20

3.4 小结 20

第四章 数控雕铣软件系统开发 22

4.1 软件系统总体设计 22

4.1.1 软件功能需求分析 22

4.1.2 软件模块化设计 22

4.2 用户界面模块化设计与实现 23

4.2.1 软件模块界面设计 23

4.2.2 界面程序实现算法设计 27

4.3 数控雕铣系统的软件实现 31

4.3.1 软件通讯实现 31

4.3.2 软件整体实现 32

4.4 小结 34

第五章 数控雕铣软件系统实验验证 35

5.1 实验方案 35

5.2 数控雕铣控制实验 35

5.2.1 实验硬件介绍 35

5.2.2 数控雕铣PTP控制实验 36

5.2.3 数控雕铣NCI控制实验 37

5.3 数控雕铣代码生成与加工仿真实验 38

5.3.1 MasterCAM后处理二次开发 38

5.3.2代码生成加工仿真验证 39

5.4 小结 40

第六章 总结与展望 41

参考文献 43

致谢 44

第一章 绪论

1.1 课题的研究内容及其意义

本文基于倍福软件架构对数控雕铣软件系统进行开发，主要是将当前比较前沿的雕铣加工方式与开放式相数控系统结合起来，以便捷而高效的方式通过基于Windows平台的倍福软件实现对雕铣机床的控制。其中的主要研究内容包括基于倍福软件的开放式数控的实现与雕铣机床功能特点的了解与需求分析以及相关的软硬件通讯方式。

通过倍福软件体系对数控雕铣系统进行开发，主要是以个人电脑上的倍福软件为介质，通过软件实现对机床的控制，同时对软件系统进行开发，将常用的机床控制功能集成到软件中去并且创建更加便于交互的用户界面，使得其相对于传统数控体系更加便于用户学习与操作，完成基本的开发操作之后再将雕铣机床的常用控制功能集成到软件当中去，实现专门针对于数控雕铣机床的软件系统。

上述开发的过程主要可以分为三个部分：对倍福软件体系的熟悉与掌握，对Windows平台软件开发的学习与研究，对雕铣机床工作原理与控制体系及常用功能的了解。最后的工作就是将这三个部分结合到一起，通过三者之间的软件接口通讯将其集成到一个一体化的软件当中，在软件中通过友好的交互界面使得用户能够方便地通过该软件实现对雕铣机床的数字控制，这就是本毕业设计最后完成的目标。

为了解决现存数控系统价格昂贵，结构封闭，难以学习的不足，进行一款成熟软件系统的开发是有着十足意义的。传统的数控机床控制方式对外部设备的要求较高，并且具有较差的开放性与兼容性，用户难以对其进行二次开发，并且对于初学者而言研究学习成本也很高，同时经济应用成本也很高。通过软件系统的开发实现雕铣机床的开放式控制，在PC上实现机床的逻辑控制与数字控制，大大降低了加工的成本以及设备的笨重与繁琐性，提高了加工的效率与对工艺信息的利用，更加人性化的软件交互界面也使得系统对操作者更加友好，使其能够更快速地通过软件实现机床的控制。

1.2 数控雕铣机软件系统国内外研究现状研究

1.2.1 数控雕铣机的特点及发展趋势

数控雕铣机使用高速的主轴电机、小刀具和大功率的数控铣床，具有着很高的加工精度与效率。相对于传统机械加工机床，数控雕铣机的主要特点在于可以实现强力铣削与高度高精度雕刻的转换，即在一台机床上实现粗加工与精加工的集成。并且具有多样化的功能应用模块，可以实现铣削、雕铣、切割、钻孔等加工手段。也因此数控雕铣机床既可以用于不同形状的工件小批量生产，也可以用于大批量的工件加工，并且可以保证相当的加工精度^[1]。

综上，数控雕铣机的主要特点可以概括为以下几点：

1）智能化，能够根据实时的加工情况对机床加工的相关工艺参数进行动态地调整，提升零件的加工效果；

2）自动化程度高，可以通过数控代码实现全自动的控制手段；

3）尺寸精度高，由于其自身结构和控制特性达到；应用领域广泛，可以进行多样化的零件加工并且加工效果较好；

4）柔性化程度高，由于功能多样并且精度很高，在实际生产中可以实现多种加工功能，可以大大提高生产线的效率；

截至当前国外的数控雕铣机已经有了很多年的发展，技术体系已经比较成熟，也成功地应用到了多样化工业生产当中，但是相对而言国内的数控雕铣机起步较晚，一直到最近几年国内的一些公司开始尝试将其应用到工业生产线当中，也有几个厂家正在对其进行研发试制。

除了雕铣机的硬件系统之外，国内企业对于雕铣机的控制系统的掌控也较少，目前主要使用的都是国外的传统通用数控系统，以及一些专门应用于雕铣机的控制器或者国内的一些企业基于工控机开发出的标准控制器。通用的控制系统并不是针对雕铣机床专门进行设计的，因此雕铣机的许多功能难以在其中充分高效地发挥作用，并且这类控制器价格很高，应用起来需要较高的成本。国内的控制器由于起步较晚，发展较慢，目前主要应用于对精度要求不高的非金属的雕刻行业，对于精度要求较高的其他加工场合，国内的控制器难以满足其精度要求。

随着当前数控技术的发展以及国内企业对于数控雕铣机应用以及研发的投入越来越大，数控雕铣机在国内的发展趋势呈现高速地发展趋势：

1）精度越来越高，随着国内专用控制器开始投入研发，针对数控雕铣机专门开发的控制器的精度越来越高，功能越来越全面。

2）集成化，柔性化程度越来越高，通过开发利用数控雕铣机实现多样化的功能，使得数控雕铣机在加工过程中能够完成多样化的加工工艺。

3）应用成本越来越低，随着国内厂家开始对其开投入研发，国内机械行业逐渐具备单独开发雕铣机控制器的能力，不再需要通过高昂的经济成本从国外进口，使用的成本越来越低。

4）节能化，环保化程度越来越高，与大多数机械加工设备相同，雕铣机在加工的时候会产生大量的飞溅和外漏，造成环境污染，随着数控雕铣机的应用逐渐广泛，其环保化的研发也是未来发展的一个重要趋势。

1.2.2 开放式数控系统的特点及发展趋势

随着信息技术的发展，传统的生产模式很难满足现代制造行业对于中小批量多种类的零件的加工要求，行业发展的客观趋势要求一个模块化、可重构、可扩充、多功能、柔性化程度高的开放式的数控系统^[2][3]。在传统数控系统中，系统的硬件根据自身特点专门设计，厂家的硬件不具有互换性，软件接口也难以通用，这就使得数控系统具有着各自独立的加工标准与规范体系，导致其结构固定化，行为单一，难以满足机械产品快速转型和短期中小批量生产的需求，系统的统一化、大规模升级与维护困难^[4][5]。

开放式数控系统致力于解决频繁变换的工业生产需求与封闭性的数控系统之间的矛盾，其具有的主要特点如下：

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