1.引言

　　數(shù)控車(chē)床是數(shù)字程序控制車(chē)床的簡(jiǎn)稱(chēng)，它集通用性好的萬(wàn)能型車(chē)床、加工精度高的精密型車(chē)床和加工效率高的專(zhuān)用型車(chē)床的特點(diǎn)于一身，是國(guó)內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機(jī)床。要學(xué)好數(shù)控車(chē)床理論和操作，就必須勤學(xué)苦練，從平面幾何，三角函數(shù)，機(jī)械制圖，普通車(chē)床的工藝和操作等方面打好基礎(chǔ)。

　　眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司是一家研發(fā)與應(yīng)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)產(chǎn)品的公司，自主研發(fā)了國(guó)內(nèi)首款嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器及配套系統(tǒng)軟件，形成了以運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器等為主的全系列的數(shù)控產(chǎn)品線(xiàn)，這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研、教學(xué)和工業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。

　　CNC4320控制系統(tǒng)是眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司自主研發(fā)的CNC（Computer Numerical Controller）系列的一款。

　　整個(gè)CNC4320數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1.1

圖1.1 CNC4320數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)實(shí)物圖
1—車(chē)床控制面板 2—主軸 3—刀架臺(tái) 4—車(chē)床車(chē)身 5—兩臺(tái)CNC4320控制器 6—刀架電機(jī) 7—導(dǎo)軌

　　隨著電子信息自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，為了提高生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了數(shù)控車(chē)床的自動(dòng)進(jìn)給[3]即自動(dòng)換料，自動(dòng)送料技術(shù)，過(guò)去依靠人工換料、送料的時(shí)代已一去不復(fù)返?，F(xiàn)在，主要依靠自動(dòng)化傳送料，原料傳送的自動(dòng)化減少了人為操作的失誤，降低了危險(xiǎn)性，使得生產(chǎn)過(guò)程更加簡(jiǎn)單方便，更加符合流水線(xiàn)式生產(chǎn)的現(xiàn)代化要求。

圖1.2 控制器硬件平臺(tái)

　　整個(gè)CNC4320車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)，從廣義的控制層次上來(lái)說(shuō)可分為四大部分，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)、刀架控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng),它們都是以運(yùn)動(dòng)控制器CNC4320為核心部件組成的控制系統(tǒng)，互相聯(lián)系又獨(dú)立工作，組成了一個(gè)整體，即車(chē)床控制系統(tǒng)，兩軸運(yùn)動(dòng)控制器硬件平臺(tái)見(jiàn)圖1.2所示。

　?。?）CNC4320兩軸運(yùn)動(dòng)控制器采用嵌入式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部集成有ARM主CPU芯片。此ARM芯片的內(nèi)核是ARM7TDMI內(nèi)核，具有代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集，支持很多操作系統(tǒng)，包括Windows CE、Linux、Palm OS等特點(diǎn)。

　　（2）因?yàn)橄到y(tǒng)的運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生大量的變量，堆棧。ARM芯片內(nèi)部集成有16K的SARAM，但是不能滿(mǎn)足如此大容量的運(yùn)行。所以在外部擴(kuò)展了8M的 SDRAM，用于程序運(yùn)行，另外集成256M NANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的數(shù)據(jù)，程序的存儲(chǔ)，還有一些易斷電的，需要長(zhǎng)期保存的系統(tǒng)參數(shù)刀具參數(shù)，補(bǔ)償參數(shù)，機(jī)床參數(shù)以及數(shù)控加工程序。

　　（3）控制器內(nèi)部集成有兩軸運(yùn)動(dòng)控制芯片，內(nèi)部集成有X，Y軸的插補(bǔ)控制模塊，指令/解釋/處理模塊。當(dāng)它接到主ARM芯片傳來(lái)的控制指令后，會(huì)自動(dòng)運(yùn)行其指令，無(wú)須占用CPU。是一款能夠同時(shí)控制2個(gè)伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。它以脈沖串形式輸出，能對(duì)伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行位置控制、插補(bǔ)驅(qū)動(dòng)、速度控制等。在對(duì)第一個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)行插補(bǔ)時(shí), 可對(duì)第二節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中插補(bǔ)動(dòng)作是連續(xù)運(yùn)行, 而不需要中間作任何停頓。CPU 數(shù)據(jù)總線(xiàn)長(zhǎng)度可選8位/16位，補(bǔ)范圍 各個(gè)軸-8388607～+8388607，補(bǔ)速度1～4MPPS。

　　（4）CPLD主要用于對(duì)圖像，速度，位置等信息的采集、控制、存儲(chǔ)。

　　該控制器采用320＊240點(diǎn)陣式液晶+按鍵屏，32位嵌入式CPU，超大規(guī)模FPGA編程，運(yùn)用實(shí)時(shí)多任務(wù)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)μm級(jí)精度運(yùn)動(dòng)控制。X、Z二軸聯(lián)動(dòng)、USB和RS232通訊方式，支持CNC與PC，系統(tǒng)軟件可通訊升級(jí)。

　　其技術(shù)規(guī)格如表1-a所示:
　　表1-a 技術(shù)規(guī)格參數(shù)
 

系統(tǒng)的原理示意如圖1.2所示：

圖1.2 車(chē)床控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理輪廓圖

　　下面我們將著重介紹這四大控制系統(tǒng)的組成、電路連接與原理、指令控制等部分。

　　1.1主軸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　主軸是車(chē)床最主要的部件之一，整個(gè)機(jī)器的性能很大程度上決定于主軸的性能，主軸直接承受切屑力，轉(zhuǎn)速的范圍很大。所以我們引入主軸控制系統(tǒng),利用 CNC4320控制器監(jiān)控主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和方向來(lái)完成對(duì)工件的精確加工。主軸控制系統(tǒng)由五個(gè)部分組成：控制器CNC4320、變頻器、編碼器、主軸電機(jī)、主軸。

　　主軸控制系統(tǒng)原理圖如圖1.1.1所示

圖1.1.1 主軸控制系統(tǒng)原理圖

　　變頻器實(shí)物圖如圖1.1.2所示

圖1.1.2 變頻器實(shí)物圖

　　其變頻原理是利用電力半導(dǎo)體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現(xiàn)在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過(guò)整流器轉(zhuǎn)換成直流電源，然后再把直流電源轉(zhuǎn)換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動(dòng)機(jī)。變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個(gè)部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環(huán)節(jié)為濾波、直流儲(chǔ)能和緩沖無(wú)功功率。

　　編碼器實(shí)物圖如圖1.1.3所示

圖1.1.3 編碼器實(shí)物圖

　　編碼器分為絕對(duì)脈沖編碼器：APC ,增量脈沖編碼器：SPC ,兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件。旋轉(zhuǎn)編碼器是用來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術(shù)參數(shù)主要有每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（幾十個(gè)到幾千個(gè)都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 信號(hào)輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、 HTL）,集電極開(kāi)路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線(xiàn)差分驅(qū)動(dòng)（對(duì)稱(chēng)A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱(chēng)推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。 信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)算機(jī)連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開(kāi)關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接，用于單方向計(jì)數(shù)，單方向測(cè)速。 A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計(jì)數(shù)、判斷正反向和測(cè)速。

　　這里的編碼器同樣是用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測(cè)元件。它將檢測(cè)到的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和方向的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖反饋給CNC4320控制器，滿(mǎn)足控制器對(duì)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的監(jiān)控的需求。此編碼器采用增量式脈沖編碼器，這樣可以節(jié)省用于編碼的導(dǎo)線(xiàn)個(gè)數(shù)，從而可以節(jié)省成本。一般情況下，增量編碼器性能要優(yōu)于絕對(duì)式編碼器。所以，大多數(shù)時(shí)候，車(chē)床控制系統(tǒng)都采用增量式編碼器。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　主軸電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的裝置，又稱(chēng)為主軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其實(shí)物圖如圖1.1.4所示。

圖1.1.4 主軸電機(jī)實(shí)物圖

　　1—便于編碼器測(cè)速的被動(dòng)轉(zhuǎn)軸 2—履帶 3—由主軸電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)軸 4—帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸

　　為了便于編碼器測(cè)速和反饋給控制器CNC4320，主動(dòng)和被動(dòng)轉(zhuǎn)軸的齒輪比例都是按照1：1來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣編碼器的測(cè)速就是主軸馬達(dá)的轉(zhuǎn)速也是主軸的轉(zhuǎn)速，不用考慮倍率的問(wèn)題。

　　主軸是用來(lái)固定工件，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)以便于加工的器件，其實(shí)物圖如下圖1.1.5所示。

圖1.1.5 主軸實(shí)物圖
1—主軸孔 2—主軸擋板 3—夾具

　　主軸孔是可以用主軸扳手手動(dòng)夾緊工件的內(nèi)螺紋。因?yàn)槲覀兘榻B的是眾為興公司用于試驗(yàn)檢測(cè)的車(chē)床，所以在主軸擋板位置沒(méi)有實(shí)際擋板，這樣便于觀(guān)察主軸運(yùn)行。夾具，顧名思義，用來(lái)夾緊工件的機(jī)械裝置。為了防止刀架工作臺(tái)過(guò)渡右移以至脫離導(dǎo)軌[4]，在導(dǎo)軌上還有一個(gè)裝置叫尾座。這里的車(chē)床因?yàn)槭窃囼?yàn)檢測(cè)用喲，所以沒(méi)有裝尾座。

　　主軸轉(zhuǎn)速控制方式：開(kāi)關(guān)量控制、模擬電壓控制，主軸轉(zhuǎn)速開(kāi)關(guān)量控制。執(zhí)行 S1～S4，S 信號(hào) 2 檔（S1～S2）/4 檔（S1～S4）開(kāi)關(guān)量輸出。主軸轉(zhuǎn)速模擬電壓控制：執(zhí)行 S0～S9999，輸出 0～10V 電壓控制主軸轉(zhuǎn)速支持四檔主軸自動(dòng)換檔（M41～M44）主軸轉(zhuǎn)速倍率：50%～120%八級(jí)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)G96 恒線(xiàn)速控制（S 給定切削線(xiàn)速度值，單位：米/分）G97 取消恒線(xiàn)速控制（S 給定主軸轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分）

　　主軸控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的控制指令有： M03、M04、M05

　　指令格式：

　　M03或M3

　　M04或M4;

　　M05或 M5。

　　指令功能：

　　M03：主軸正轉(zhuǎn);

　　M04：主軸反轉(zhuǎn);

　　M05：主軸停止。

　　系統(tǒng)上電后，M05輸出有效。在M05輸出有效時(shí)，執(zhí)行M03或M04，M03或M04輸出有效并保持，同時(shí)取消M05的輸出（輸出無(wú)效）;M03或M04輸出有效時(shí)，執(zhí)行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效并保持。

　　當(dāng)診斷參數(shù)DGN.089、DGN.090（主軸制動(dòng)輸出時(shí)間）不為0時(shí)，執(zhí)行M05，輸出主軸制動(dòng)SPZD脈沖信號(hào)（非保持輸出）;主軸制動(dòng)輸出時(shí)間設(shè)置為0時(shí)，執(zhí)行M05，不輸出主軸制動(dòng)SPZD脈沖信號(hào)。M03（或M04）輸出有效時(shí)，執(zhí)行M04（或M03）將產(chǎn)生報(bào)警。

　　1.2刀架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　數(shù)控刀架是數(shù)控車(chē)床的關(guān)鍵配套件，為數(shù)控車(chē)床三大功能部件之一。通過(guò)它來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控車(chē)床刀具的自動(dòng)切換。任何系列，各種型號(hào)的數(shù)控刀架均采用端齒盤(pán)作為刀架定位元件。通過(guò)電機(jī)或活塞驅(qū)動(dòng)各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變換刀具位置，由傳感器將刀架工位號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)來(lái)完成刀具的正確切換。

　　刀架控制系統(tǒng)由九大原件組成：控制器、變壓器、整流板、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠、刀架電機(jī)、刀架臺(tái)、繼電器。其中驅(qū)動(dòng)器我們將有下一章節(jié)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)著重介紹，繼電器將在輔助控制系統(tǒng)中介紹，這一章我們著重介紹步進(jìn)電機(jī)、絲杠整流板在刀架控制系統(tǒng)中的作用。

　　刀架控制原理圖如圖1.2.1所示：

圖1.2.1 刀架控制原理圖

　　步進(jìn)電機(jī)又稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī)或階躍電動(dòng)機(jī)，國(guó)外一般稱(chēng)為Step motor或Stepping motor、Stepper，等等。就傳統(tǒng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可以簡(jiǎn)單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度（或長(zhǎng)度），若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī)。從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動(dòng)機(jī)。

　　這里使用的是二相混合式步進(jìn)電機(jī)，利用位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累的特點(diǎn)，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又具有一定精度的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，即刀架控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的執(zhí)行部分。實(shí)物圖如圖1.2.2所示

圖1.2.2 步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖

　　整流板是用來(lái)將交流電進(jìn)行整流，變成直流電以提供給驅(qū)動(dòng)器使用，其原理為橋式整流電路原理，原理圖如圖1.2.3所示：

圖1.2.3 橋式整流電路原理圖

　　橋式整流電路的工作原理如下：e2 為正半周時(shí)，對(duì)D1 、D3 和方向電壓，Dl，D3 導(dǎo)通;對(duì)D2 、D4 加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構(gòu)成e2 、Dl、Rfz 、D3 通電回路，在Rfz ，上形成上正下負(fù)的半波整洗電壓，e2 為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2 、D4 加正向電壓，D2 、D4 導(dǎo)通;對(duì)D1 、D3 加反向電壓，D1 、D3 截止。電路中構(gòu)成e2 、D2 Rfz 、D4 通電回路，同樣在Rfz 上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。

　　其工作時(shí)的電流流向，實(shí)物圖如圖1.2.4所示：

圖1.2.4 橋式整流電路工作時(shí)的電流流向，實(shí)物圖

　　滾珠絲杠是相對(duì)于原來(lái)的T形螺紋絲杠而言的。其原理就是轉(zhuǎn)動(dòng)變平動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋帶動(dòng)滾珠軸承在桿上滑動(dòng)。跟絲杠的原理差不多，只是加上滾珠而已。原來(lái)絲杠螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)摩擦比較劇烈，在內(nèi)螺紋與外螺紋之間加上滾珠后，就變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，改善摩擦條件，從而使摩擦阻力減小為原來(lái)的1/50。從而也可使其達(dá)到高速運(yùn)轉(zhuǎn).筆者看到一份資料顯示現(xiàn)在最高的絲杠允許速度達(dá)到了200m/min.直追直線(xiàn)電機(jī)，，是由日本生產(chǎn)，其原理大致是在螺帽和絲杠之間放入滾珠，然后在螺帽上加入返向器,使?jié)L珠在里循環(huán)滾動(dòng)。

　　其實(shí)物圖如圖所示：

圖1.2.5 滾珠絲杠實(shí)物圖

　　這里步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，對(duì)刀架臺(tái)X，Z相位置進(jìn)行精確定位，實(shí)現(xiàn)工件的精確加工?？刂破髦杏嘘P(guān)刀架控制系統(tǒng)的指令主要有T指令，其指令格式如下：

　　指令功能：自動(dòng)刀架換刀到目標(biāo)刀具號(hào)刀位，并按指令的刀具偏置號(hào)對(duì)應(yīng)的刀具偏置執(zhí)行刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。 刀具偏置號(hào)可以和刀具號(hào)相同，也可以不同，即一把刀具可以對(duì)應(yīng)多個(gè)偏置號(hào)。對(duì)應(yīng)刀具偏 置號(hào)為 00 的刀具偏置為 X=0、Z=0，系統(tǒng)為無(wú)刀具補(bǔ)償狀態(tài)，即：系統(tǒng)的坐標(biāo)偏移為 0（未 進(jìn)行坐標(biāo)偏移）。在執(zhí)行了刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償后，執(zhí)行 T□□00，系統(tǒng)將按當(dāng)前的刀具偏置反向 偏移系統(tǒng)坐標(biāo)，系統(tǒng)由已執(zhí)行刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償狀態(tài)改變?yōu)槲囱a(bǔ)償狀態(tài)，顯示的刀具偏置號(hào)為 00 這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為取消刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱(chēng)：取消刀補(bǔ)。如：T0101表示選擇1號(hào)刀并執(zhí)行1號(hào)刀偏;T0102表示選擇1號(hào)刀并執(zhí)行2號(hào)刀偏;T0301表示選擇3號(hào)刀并執(zhí)行1號(hào)刀偏。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　1.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　相信大家在看了上一章節(jié)的刀架控制系統(tǒng)后一定會(huì)注意到這樣的一個(gè)器件：驅(qū)動(dòng)器。這就是我們這一章節(jié)重點(diǎn)介紹的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)主要元器件。驅(qū)動(dòng)器可以將控制器輸入的低電壓轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)需要的高電壓輸出，它的作用是接收控制器CNC4320的控制指令即脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角）。

　　驅(qū)動(dòng)器Q2BYG2245AM的實(shí)物圖如圖1.3.1所示。
 

圖1.3.1 驅(qū)動(dòng)器的正視和俯視實(shí)物圖

　　驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖如圖1.3.2所示。
 

圖1.3.2 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖

　　CNC4320控制器有關(guān)驅(qū)動(dòng)器的指令有很多部分如下表1.3-a。

　　表1.3-a
 

　　其實(shí)大部分指令都與驅(qū)動(dòng)器有關(guān)，因?yàn)槭撬?qū)動(dòng)刀架臺(tái)在X，Z 軸的前后左右的運(yùn)動(dòng)。