引言

銑床是一種用途廣泛的機(jī)床，在數(shù)控銑床上可以加工平面（水平面、垂直面）、溝槽（鍵槽、t形槽、燕尾槽等）、分齒零件（齒輪、花鍵軸、鏈輪乖、螺旋形表面：螺紋和螺旋槽）及各種曲面。此外，還可用于對回轉(zhuǎn)體表面、內(nèi)孔加工及進(jìn)行切斷工作等。銑床在工作時，工件裝在工作臺上或分度頭等附件上，銑刀旋轉(zhuǎn)為主運(yùn)動，輔以工作臺或銑頭的進(jìn)給運(yùn)動，工件即可獲得所需的加工表面。由于是多刀斷續(xù)切削，因而銑床的生產(chǎn)率較高。

中國需要自己的銑床產(chǎn)品，而且需要自己的品牌數(shù)控銑床產(chǎn)品。CNC4840，CNC4342，CNC4340等銑床控制器就是眾為興自主研發(fā)的產(chǎn)品。眾為興的一系列產(chǎn)品在國產(chǎn)數(shù)控銑床產(chǎn)品中占有一席之地。

本文著重以CNC4340控制器為例，介紹整個數(shù)控銑床系統(tǒng)，CNC4340控制的整個數(shù)控銑床系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖1所示。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)成

此控制系統(tǒng)的控制部分和執(zhí)行部分主要由三大元器件構(gòu)成：CNC4340控制器、Q2BYG2245AM驅(qū)動器和86mm步進(jìn)電機(jī)。

整個系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成原理圖見上圖4.1.1。

（1）整個系統(tǒng)采用分辨率為320*240的5.7英寸點(diǎn)陣式液晶+按鍵屏幕顯示。它是基于光標(biāo)定位，與觸摸屏相比，它便于熟悉計算機(jī)鍵盤操作的人使用。

（2）本文采用CNC4340四軸運(yùn)動控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，此運(yùn)動控制器是四軸運(yùn)動控制器，具有：1.它采用ARM7處理器及FPGA控制技術(shù)，適用于各種高精度、高速度控制場合；2.它是全光耦隔離，抗干擾性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定；3. 它有32M超大的程序存儲空間；4.它還有讀取U盤功能，USB通訊功能；5.在運(yùn)動過程中可以隨時更改它的程序。

（3）步進(jìn)驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，它負(fù)責(zé)將驅(qū)動脈沖信號進(jìn)行處理，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動相應(yīng)的圈數(shù)。它的性能優(yōu)劣對于整個系統(tǒng)性能的優(yōu)劣至關(guān)重要。這里采用的是眾為興自主研發(fā)的Q2BYG2245AM。

（4）步進(jìn)電機(jī)采用86mm的二相混合式步進(jìn)電機(jī)。

CNC4340運(yùn)動控制器技術(shù)參數(shù)如表4.1—a所示。

它適用于各類銑床及其他四軸聯(lián)動機(jī)床的數(shù)控配套和改造。

CNC4340實(shí)物圖為4.1.2。

圖4.1.3是控制器CNC4340的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖。由上圖知道，該控制器主要是在工控主板上集成有一片ARM主芯片，四軸運(yùn)動控制芯片ADT-MC814，一片8M的集成SDRAM，一片2M的NOR FLASH和一片32M的NAND FLASH。

ARM系列CPU處理器包括：ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10E系列，SecurCore系列，Intel的Xscale，Intel的StrongARM。

ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器，最適合用于對價位和功耗要求較高的消費(fèi)類應(yīng)用。

ARM7系列微處理器包括如下幾種類型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最廣泛的32位嵌入式RISC處理器，屬低端ARM處理器核。CNC4340控制器采用的就是AM7TDMI內(nèi)核。

TDMI的基本含義為：

T：支持16為壓縮指令集Thumb；
D：支持片上Debug；
M：內(nèi)嵌硬件乘法器（Multiplier）
I：嵌入式ICE，支持片上斷點(diǎn)和調(diào)試點(diǎn)；

ARM7微處理器系列具有如下特點(diǎn)：

－具有嵌入式ICE－RT邏輯，調(diào)試開發(fā)方便。
－極低的功耗，適合對功耗要求較高的應(yīng)用，如便攜式產(chǎn)品。
－能夠提供0.9MIPS/MHz的三級流水線結(jié)構(gòu)。
－代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集。
－對操作系統(tǒng)的支持廣泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
－指令系統(tǒng)與ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用戶的產(chǎn)品升級換代。
－主頻最高可達(dá)130MIPS，高速的運(yùn)算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復(fù)雜應(yīng)用。

ARM7系列微處理器的主要應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)椋汗I(yè)控制、Internet設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和調(diào)制解調(diào)器設(shè)備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應(yīng)用。

該四軸運(yùn)動控制芯片ADT-MC814是眾為興公司研制的ADT-MC814運(yùn)動控制專用芯片,性能優(yōu)良,接口簡單,編程方便,工作可靠,可廣泛用于數(shù)控機(jī)床及機(jī)器人等領(lǐng)域的運(yùn)動控制。芯片能與8位或16位數(shù)據(jù)總線接口,通過命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)等寄存器實(shí)現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運(yùn)動控制和實(shí)時監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補(bǔ),輸出脈沖頻率最高達(dá)4MHz。它適合該數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計，主要因?yàn)?①主控制CPU通過接口對ADT-MC814進(jìn)行相應(yīng)的工作方式、速度和加速度的設(shè)置,然后將運(yùn)動的起點(diǎn)和終點(diǎn)傳送給ADT-MC814,之后，不再需要主控制CPU的干預(yù)就能自動完成從起點(diǎn)到終點(diǎn)的插補(bǔ)運(yùn)動控制,;②片上集成有專用于運(yùn)動控制的I/O接口,如硬件限位、急停等,可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計,提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

這個控制系統(tǒng)X，Y，Z三軸都是用步進(jìn)驅(qū)動器Q2BYG2245AM驅(qū)動的，其特點(diǎn)如下：

1 輸入、輸出信號采用光電隔離
2 采用IPM為輸出級的高效斬波器
3 PWM（脈寬調(diào)制）恒流斬波，三相標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出
4 自動半電流鎖定
5 斷電保護(hù)功能（斷電自動相位記憶功能）
6 故障診斷功能。
7 電流控制靈活可選（2.0A-5.5A），適配110、130座號系列的三相電機(jī)
8 細(xì)分?jǐn)?shù)可選功能、使能功能。

它與CNC4340的接線

步進(jìn)電機(jī)使用的是86mm系列的二相步進(jìn)電機(jī)，其技術(shù)規(guī)格如表4.1—c所示。

表4.1—c 86mm系列的二相步進(jìn)電機(jī)技術(shù)規(guī)格

接線圖如圖4.1.4所示。

4.2 技術(shù)構(gòu)成

圖4.2.1為整個系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成圖，可見系統(tǒng)主要由運(yùn)動控制技術(shù)：插補(bǔ)技術(shù)，加/減速和恒速技術(shù)，位置控制技術(shù)構(gòu)成。下面我們將一一闡述。

步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器的主要構(gòu)成如圖4.1.5所示，一般由環(huán)形分配器、信號處理級、推動級、驅(qū)動級等各部分組成，用于功率步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器還要有多種保護(hù)線路。

環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進(jìn)電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導(dǎo)通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升速或降速、起動或停止都完全取決于CP脈沖的有無或頻率。同時，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號，從而決定其輸出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是按正序或者按反序轉(zhuǎn)換，于是就決定了步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)向。接受CP脈沖和方向電平是環(huán)形分配器的最基本功能，從環(huán)形分配器輸出的各相導(dǎo)通或截止的信號送入信號放大與處理級。信號放大的作用是將環(huán)分輸出信號加以放大，變成足夠大的信號送入推動級，這蹭一般既需電壓放大，也需電流放大。信號處理是實(shí)現(xiàn)信號的某些轉(zhuǎn)換、合成等功能，產(chǎn)生斬波、抑制等特殊功能的信號，從而產(chǎn)生特殊功能的驅(qū)動。本級還經(jīng)常與各種保護(hù)電路、各種控制電路組合在一丐，形成較高性能的驅(qū)動輸出。

推動級的作用是將較小的信號加以放大，變成足以推動驅(qū)動級輸入的較大信號。有時，推動級還承擔(dān)電平轉(zhuǎn)換的作用。
保護(hù)級的作用是保護(hù)驅(qū)動級的安全。一般可根據(jù)需要設(shè)置過電流保護(hù)、過熱保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)等。有時還需要對輸入信號進(jìn)行監(jiān)護(hù)，發(fā)現(xiàn)輸入異常也是提供保護(hù)動作。信號處理級、推動級、保護(hù)級，不同的線路差別很大。

這個控制系統(tǒng)有三大核心技術(shù)：1、加減速控制技術(shù)；2、插補(bǔ)性能；3、多軸聯(lián)動技術(shù)。其中自動加減速控制作用于各軸運(yùn)動的起動和停止的過程中，以減小沖擊并使得起動和停止的過程平穩(wěn)，為了同樣的目的自動加減速控制也作用于進(jìn)給速度變換的過程中。自動加減速控制原理如下圖4.2.2所示。

這里的銑床控制系統(tǒng)支持快速定位，直線與圓弧插補(bǔ)。CNC4340可以控制四個軸（X、Y、Z、A），支持3軸直線插補(bǔ)，2軸圓弧插補(bǔ)。

快速定位的格式：G00 IP?，G00這條指令所作的就是使刀具以快速的速率移動到IP?指定的位置，被指令的各軸之間的運(yùn)動是互不相關(guān)的，也就是說刀具移動的軌跡不一定是一條直線。G00指令下，快速倍率為100％時，各軸運(yùn)動的速度：X、Y、Z軸按參數(shù)設(shè)定的速度運(yùn)動，該速度不受當(dāng)前F值的控制。當(dāng)各運(yùn)動軸到達(dá)運(yùn)動終點(diǎn)后，CNC認(rèn)為該程序段已經(jīng)結(jié)束，并轉(zhuǎn)向執(zhí)行下一程序段。

常見的插補(bǔ)方法有脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)字增量插補(bǔ)，脈沖增量插補(bǔ)即每次插補(bǔ)增量僅一個方向且一個脈沖。因?yàn)橛嬎銠C(jī)在某個瞬時只能發(fā)出一個指令。這種方法比較適用于步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的系統(tǒng)。

1．?dāng)?shù)字脈沖乘法器
2．逐點(diǎn)比較方法
3．?dāng)?shù)字積分方法
4．比較積分方法
5．最小偏差方法
6．直接函數(shù)方法

為其中較為常見的幾種。

數(shù)字增量插補(bǔ)有以下幾種常見的。

1. 直線函數(shù)法
2. 擴(kuò)展數(shù)字積分法
3. 二階遞歸擴(kuò)展數(shù)字積分法
4. 雙數(shù)字積分插補(bǔ)法
5. ITM法

這種方法比較適用于伺服電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)的系統(tǒng)。

我們這里使用的是是脈沖增量式插補(bǔ)算法。

逐點(diǎn)比較法是脈沖增量式插補(bǔ)算法中比較典型的一種。逐點(diǎn)比較法的基本思想是刀具在按要求的軌跡運(yùn)動時，每走一步都要和規(guī)定的軌跡比較一下，由比較結(jié)果決定下一步的移動方向。逐點(diǎn)比較法既可進(jìn)行直線插補(bǔ)又可以進(jìn)行圓弧插補(bǔ)。目前國內(nèi)普遍采用的逼近輪廓的方法為逐點(diǎn)比較法，下面以逐點(diǎn)比較法來介紹加工直線和圓弧的插補(bǔ)原理。

直線插補(bǔ)：直線的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)差較大的的坐標(biāo)軸取為基本坐標(biāo)進(jìn)行位置檢測，直線的斜率取為被累積的數(shù)值。假設(shè)為第一象限平面直線，起點(diǎn)取在原點(diǎn)（0，0），終點(diǎn)為（xe,ye）.在直線上任意一點(diǎn)（x,y），有下述關(guān)系成立：

要在XOY平面中加工斜直線OA，刀具（或工件）并不是從O點(diǎn)沿OA走到A點(diǎn)，而是沿O→1→2→3→……→的順序逼近OA。即先沿X坐標(biāo)走一步到1點(diǎn)，再沿Y坐標(biāo)走一步到2點(diǎn)……沿階梯形折線走完全程（用折線來代替直線）。只要折線與直線的最大偏差不超過加工精度允許的范圍，就可將該折線近似視是OA直線。顯然折線線段越長的加工誤差越大；反之，則逼近程度好，加工誤差小。用加密折線來插補(bǔ)所要加工的直線（縮短“步距”，密化數(shù)據(jù)點(diǎn)的方法稱為插補(bǔ)），可提高加工精度。同理，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量越小，加工精度越高。圖4.2.3為直線插補(bǔ)算法示意圖。

數(shù)控裝置具有偏差判別等系列邏輯功能，其作用是：當(dāng)加工點(diǎn)在直線下方，即偏差值F＞0時（F為該點(diǎn)與O點(diǎn)連線的的斜率與OA線斜率之差值），就控制溜板向+Y方向前進(jìn)一步；當(dāng)加工點(diǎn)在直線上或直線上方是（F＞0），沿+X方向進(jìn)給一步。每走一步都與OA線進(jìn)行比較（判別加工點(diǎn)對規(guī)定輪廓的偏離位置），并對其偏差值進(jìn)行計算以決定溜板走向，直到終點(diǎn)。

圓弧插補(bǔ)：圓弧插補(bǔ)如圖4.2.4所示，與直線插補(bǔ)原理相同。當(dāng)加工點(diǎn)在AB圓弧上或圓弧外側(cè)時（F＞0），控制工作臺沿—X方向送給一步；當(dāng)F＜0時，沿+Y方向進(jìn)給一步，直到走到終點(diǎn)為止。

其指令如表4.2—a所示。

圓弧插補(bǔ)指令表

由上述可知，此系統(tǒng)支持四軸聯(lián)動，但這里只用到了三軸即X、Y、Z軸。X軸代表主軸的左右移動距離，Y軸代表工作臺的前后移動距離，Z軸代表主軸的上下移動距離，三者結(jié)合在一起完成整個銑床控制系統(tǒng)的加工工作。其中，X，Y，Z軸方向圖如圖4.2.5所示。

從圖中可以知道，X軸代表連同Z軸步進(jìn)電機(jī)和主軸在內(nèi)的整個執(zhí)行部分的左右方向的移動。Y軸代表工作臺的前后方向的移動，Z軸代表主軸的上下方向的移動。

4.3 指令功能與實(shí)現(xiàn)

此銑床控制系統(tǒng)有諸多加工工序，由不同的指令來實(shí)現(xiàn)。

4.3.1 指令功能

G指令用于加工準(zhǔn)備指令，如表4.3—a所示。準(zhǔn)備功能由G代碼及后接2位數(shù)表示，規(guī)定其所在的程序段的意義。G代碼有以下兩種類型。

從表4.3—a中我們可以看到，G代碼被分為了不同的組，這是由于大多數(shù)的G代碼是模態(tài)的，所謂模態(tài)G代碼，是指這些G代碼不只在當(dāng)前的程序段中起作用，而且在以后的程序段中一直起作用，直到程序中出現(xiàn)另一個同組的G代碼為止，同組的模態(tài)G代碼控制同一個目標(biāo)但起不同的作用，它們之間是不相容的。00組的G代碼是非模態(tài)的，這些G代碼只在它們所在的程序段中起作用。標(biāo)有*號的G代碼是上電時的初始狀態(tài)。如果程序中出現(xiàn)了未列在上表中的G代碼，CNC會顯示10號報警。同一程序段中可以有幾個G代碼出現(xiàn)，但當(dāng)兩個或兩個以上的同組G代碼出現(xiàn)時，最后出現(xiàn)的一個（同組的）G代碼有效。

用S指令對主軸轉(zhuǎn)速進(jìn)行編程控制，T指令進(jìn)行選刀編程控制，M指令用于編程輔助控制，M指令如表4.3—b所示。

4.3.2 案例

偏置號11的值為200.0，偏置號15的值為190.0，偏置號31的值為150.0 作為偏移量分別 設(shè)定。程序如下:

N001 G92 X0 Y0 Z0 ； 坐標(biāo)系設(shè)定在參考點(diǎn)。
N002 G90 G00 Z250.0 T11 M；換刀。
N003 G43 Z0 H11；在初始點(diǎn)進(jìn)行平面刀具長度補(bǔ)償。
N004 S30 M3 ； 主軸啟動。
N005 G99 G81 X400.0 Y-350.0 ；
Z-153.0 R-97.0 F120.0 定位后加工#1孔。
N006 Y-550.0 ；定位后加工#2孔, 返回R點(diǎn)平面。
N007 G98 Y-750.0 ；定位后加工#3孔, 返回初始點(diǎn)平面。
N008 G99 X1200.0 定位后加工#4孔, 返回R點(diǎn)平面。
N009 Y-550.0 ； 定位后加工#5孔, 返回R點(diǎn)平面。
N010 G98 Y-350.0 ； 定位后加工#6孔, 返回初始點(diǎn)平面。
N011 G00 X0 Y0 M5 ； 返回參考點(diǎn), 主軸停。
N012 G49 Z250.0 T15 M6 ；取消刀具長度補(bǔ)償, 換刀。
N013 G43 Z0 H15 ；初始點(diǎn)平面, 刀長補(bǔ)償。
N014 S20 M3 ；主軸起動。
N015 G99 G82 X550.0 Y-450.0 ；Z-130.0 R-97.0 P30 F70；定位后加工#7孔, 返回R點(diǎn)平面。
N016 G98 Y-650.0 ；定位后加工#8孔, 返回初始點(diǎn)平面。
N017 G99 X1050.0 ；定位后加工#9孔, 返回R點(diǎn)平面。
N018 G98 Y-450.0 ；定位后加工#10孔, 返回初始點(diǎn)平面。
N019 G00 X0 Y0 M5 ；返回參考點(diǎn), 主軸停。
N020 G49 Z250.0 T31 M6 ；取消刀具長度補(bǔ)償, 換刀。
N021 G43 Z0 H31 ；初始點(diǎn)平面刀長補(bǔ)償。
N022 S10 M3；主軸起動。
N023 G85 G99 X800.0 Y-350.0 ；
Z-153.0 R47.0 F50 ；定位后加工#11孔, 返回R點(diǎn)平面。
N024 G91 Y-200.0 ； 定位后加工#12,#13孔,返回R點(diǎn)平面。
Y-200.0 ;
N025 G00 G90 X0 Y0 M5 ；返回參考點(diǎn), 主軸停。
N026 G49 Z0 ； 取消刀具長度補(bǔ)償。
N027 M30 ；程序停。

4.5 結(jié)論

控制器組成的控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，譬如：靈活，容量大。實(shí)踐證明，使用四軸運(yùn)動控制器構(gòu)成的銑床控制系統(tǒng)成倍提高了生產(chǎn)效率，使得原本需要人為操作的危險性較高的工作變的簡單化，智能化?？刂破鞯募?減速和插補(bǔ)等技術(shù)的使用使得加工美觀但是復(fù)雜的藝術(shù)化的產(chǎn)品成為可能，并且操作簡單明了，是以后銑床加工的必然趨勢。