引言
銑床是一種用途廣泛的機床，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)為主運動，輔以工作臺或銑頭的進給運動，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步進電機。
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英寸點陣式液晶+按鍵屏幕顯示。它是基于光標定位，與觸摸屏相比，它便于熟悉計算機鍵盤操作的人使用。
（2）本文采用CNC4340四軸運動控制器實現(xiàn)系統(tǒng)的控制，此運動控制器是四軸運動控制器，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，運行穩(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.在運動過程中可以隨時更改它的程序。
（3）步進驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的中樞環(huán)節(jié)，它負責將驅(qū)動脈沖信號進行處理，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動相應的圈數(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）步進電機采用86mm的二相混合式步進電機。
CNC4340運動控制器技術(shù)參數(shù)如表4.1—a所示。
功能 | 名稱 | 規(guī)格 |
控制軸 | 控制軸數(shù) | 4軸（X、Y、Z、A） |
同時控制軸數(shù) | 3軸直線插補，2軸圓弧插補 |
輸入指令 | 最小設定單位 | 0.001毫米 |
最小移動單位 | 0.001毫米 |
最大指令值 | ±9999.999毫米 |
進給 | 快速進給速度 | 9999毫米/分（最大值） |
進給速度范圍 | 每分進給 | 1～9999毫米/分 |
每轉(zhuǎn)進給 | 0.0001～50.0000毫米/轉(zhuǎn) |
自動加減速 | 有 |
進給速度倍率 | 10～150％ |
手動 | 手動連續(xù)進給，手動返回參考點，單步進給 | 同時一軸 ， ×1，×10，×100 |
手輪機能 | 有 |
插補 | 定位，直線插補，圓弧插補 | G00， G01，G02/G03 |
調(diào)試機能 | 試運行,單程序段 | 有 |
坐標系及暫停 | 暫停(秒) | G04 |
坐標系設定 | G92 |
自動坐標系設定 | 有 |
運轉(zhuǎn)方式 | MDI,自動,手動,單步,編輯 | 有 |
安全機能 | 軟件限位檢查 | 有 |
緊急停 | 有 |
程序存儲及編輯 | 程序存儲容量, 存儲程序個數(shù) | 總?cè)萘?2M字節(jié),512個工作區(qū)，每個工作區(qū)4M字節(jié)，可存儲10000個程序 |
程序編輯 | 插入，修改，刪除，查找 |
程序號，順序號，地址，字檢索 | 有 |
小數(shù)點編程 | 有 |
顯示 | 320×240點陣 5.7英寸液晶顯示屏 | |
位置,程序,刀補,報警,調(diào)試,診斷,參數(shù) | 有 |
M，S，T 機能 | 輔助功能 | M2 位數(shù) |
主軸功能 | S2 位數(shù)(檔位)S3-5位數(shù)(模擬 |
刀具功能 | T01~32 |
補償機能 | 刀具補償存儲器 | ±7位 32組 |
反向間隙補償 | 有 |
其他機能 | 圓弧半徑R指定 | 有 |
電子齒輪比 | 有 |
任意位置啟動程序機能 | 有 |
它適用于各類銑床及其他四軸聯(lián)動機床的數(shù)控配套和改造。
CNC4340實物圖為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類應用。
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，支持片上斷點和調(diào)試點；
ARM7微處理器系列具有如下特點：
－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130MIPS，高速的運算處理能力能勝任絕大多數(shù)的復雜應用。
ARM7系列微處理器的主要應用領(lǐng)域為：工業(yè)控制、Internet設備、網(wǎng)絡和調(diào)制解調(diào)器設備、移動電話等多種多媒體和嵌入式應用。
該四軸運動控制芯片ADT-MC814是眾為興公司研制的ADT-MC814運動控制專用芯片,性能優(yōu)良,接口簡單,編程方便,工作可靠,可廣泛用于數(shù)控機床及機器人等領(lǐng)域的運動控制。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)等寄存器實現(xiàn)4軸3聯(lián)動的位置、速度、加速度等的運動控制和實時監(jiān)控,實現(xiàn)直線、圓弧和位元3種模式的軌跡插補,輸出脈沖頻率最高達4MHz。它適合該數(shù)控系統(tǒng)的設計，主要因為:①主控制CPU通過接口對ADT-MC814進行相應的工作方式、速度和加速度的設置,然后將運動的起點和終點傳送給ADT-MC814,之后，不再需要主控制CPU的干預就能自動完成從起點到終點的插補運動控制,;②片上集成有專用于運動控制的I/O接口,如硬件限位、急停等,可簡化數(shù)控系統(tǒng)的硬件設計,提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。
這個控制系統(tǒng)X，Y，Z三軸都是用步進驅(qū)動器Q2BYG2245AM驅(qū)動的，其特點如下：
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，三相標準正弦波輸出
4 自動半電流鎖定
5 斷電保護功能（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
8 細分數(shù)可選功能、使能功能。
它與CNC4340的接線
步進電機使用的是86mm系列的二相步進電機，其技術(shù)規(guī)格如表4.1—c所示。
表4.1—c 86mm系列的二相步進電機技術(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)主要由運動控制技術(shù)：插補技術(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。
步進電動機驅(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，用于功率步進電動機的驅(qū)動器還要有多種保護線路。
環(huán)形分配器用來接受來自控制器的CP脈沖，并按步進電動機狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求的狀態(tài)順序產(chǎn)生各相導通或截止的信號。每來一個CP脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進電動機轉(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，于是就決定了步進電動機的轉(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，推動級還承擔電平轉(zhuǎn)換的作用。
保護級的作用是保護驅(qū)動級的安全。一般可根據(jù)需要設置過電流保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護等。有時還需要對輸入信號進行監(jiān)護，發(fā)現(xiàn)輸入異常也是提供保護動作。信號處理級、推動級、保護級，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。CNC4340可以控制四個軸（X、Y、Z、A），支持3軸直線插補，2軸圓弧插補。
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，各軸運動的速度：X、Y、Z軸按參數(shù)設定的速度運動，該速度不受當前F值的控制。當各運動軸到達運動終點后，CNC認為該程序段已經(jīng)結(jié)束，并轉(zhuǎn)向執(zhí)行下一程序段。
常見的插補方法有脈沖增量插補和數(shù)字增量插補，脈沖增量插補即每次插補增量僅一個方向且一個脈沖。因為計算機在某個瞬時只能發(fā)出一個指令。這種方法比較適用于步進電機作為驅(qū)動電機的系統(tǒng)。
1．數(shù)字脈沖乘法器
2．逐點比較方法
3．數(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)字增量插補有以下幾種常見的。
1. 直線函數(shù)法
2. 擴展數(shù)字積分法
3. 二階遞歸擴展數(shù)字積分法
4. 雙數(shù)字積分插補法
5. ITM法
這種方法比較適用于伺服電機作為驅(qū)動電機的系統(tǒng)。
我們這里使用的是是脈沖增量式插補算法。
逐點比較法是脈沖增量式插補算法中比較典型的一種。逐點比較法的基本思想是刀具在按要求的軌跡運動時，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。逐點比較法既可進行直線插補又可以進行圓弧插補。目前國內(nèi)普遍采用的逼近輪廓的方法為逐點比較法，下面以逐點比較法來介紹加工直線和圓弧的插補原理。
直線插補：直線的起點和終點坐標差較大的的坐標軸取為基本坐標進行位置檢測，直線的斜率取為被累積的數(shù)值。假設為第一象限平面直線，起點取在原點（0，0），終點為（xe,ye）.在直線上任意一點（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點沿OA走到A點，而是沿O→1→2→3→……→的順序逼近OA。即先沿X坐標走一步到1點，再沿Y坐標走一步到2點……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。用加密折線來插補所要加工的直線（縮短“步距”，密化數(shù)據(jù)點的方法稱為插補），可提高加工精度。同理，數(shù)控機床的脈沖當量越小，加工精度越高。圖4.2.3為直線插補算法示意圖。
數(shù)控裝置具有偏差判別等系列邏輯功能，其作用是：當加工點在直線下方，即偏差值F＞0時（F為該點與O點連線的的斜率與OA線斜率之差值），就控制溜板向+Y方向前進一步；當加工點在直線上或直線上方是（F＞0），沿+X方向進給一步。每走一步都與OA線進行比較（判別加工點對規(guī)定輪廓的偏離位置），并對其偏差值進行計算以決定溜板走向，直到終點。
圓弧插補：圓弧插補如圖4.2.4所示，與直線插補原理相同。當加工點在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F＜0時，沿+Y方向進給一步，直到走到終點為止。
其指令如表4.2—a所示。
圓弧插補指令表
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軸步進電機和主軸在內(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，由不同的指令來實現(xiàn)。
4.3.1 指令功能
G指令用于加工準備指令，如表4.3—a所示。準備功能由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。
種 類 | 意 義 |
一次性代碼 | 只在被指令的程序段有效 |
模態(tài)G代碼 | 在同組其它G代碼指令前一直有效 |
G代碼 | 分組 | 功能 |
G00 | 01 | 定位（快速移動） |
G01 | 01 | 直線插補（進給速度） |
G02 | 01 | 順時針圓弧插補 |
G03 | 01 | 逆時針圓弧插補 |
G04 | 00 | 暫停，精確停止 |
G17 | 02 | 選擇X Y平面 |
G18 | 02 | 選擇Z X平面 |
G19 | 02 | 選擇Y Z平面 |
G27 | 00 | 返回并檢查參考點 |
G28 | 00 | 返回參考點 |
G29 | 00 | 從參考點返回 |
G40 | 07 | 取消刀具半徑補償 |
G41 | 07 | 左側(cè)刀具半徑補償 |
G42 | 07 | 右側(cè)刀具半徑補償 |
G43 | 08 | 刀具長度補償＋ |
G44 | 08 | 刀具長度補償－ |
G49 | 08 | 取消刀具長度補償 |
G52 | 00 | 設置局部坐標系 |
G53 | 00 | 選擇機床坐標系 |
G54 | 05 | 選用1號工件坐標系 |
G55 | 05 | 選用2號工件坐標系 |
G56 | 05 | 選用3號工件坐標系 |
G57 | 05 | 選用4號工件坐標系 |
G58 | 05 | 選用5號工件坐標系 |
G59 | 05 | 選用6號工件坐標系 |
G73 | 09 | 深孔鉆削固定循環(huán) |
G74 | 09 | 反螺紋攻絲固定循環(huán) |
G76 | 09 | 精鏜固定循環(huán) |
G80 | 09 | 取消固定循環(huán) |
G81 | 09 | 鉆削固定循環(huán) |
G82 | 09 | 鉆削固定循環(huán) |
G83 | 09 | 深孔鉆削固定循環(huán) |
G84 | 09 | 攻絲固定循環(huán) |
G85 | 09 | 鏜削固定循環(huán) |
G86 | 09 | 鏜削固定循環(huán) |
G87 | 09 | 反鏜固定循環(huán) |
G88 | 09 | 鏜削固定循環(huán) |
G89 | 09 | 鏜削固定循環(huán) |
G90 | 03 | 絕對值指令方式 |
G91 | 03 | 增量值指令方式 |
G92 | 00 | 工件零點設定 |
G98 | 10 | 固定循環(huán)返回初始點 |
G99 | 10 | 固定循環(huán)返回R點 |
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)速進行編程控制，T指令進行選刀編程控制，M指令用于編程輔助控制，M指令如表4.3—b所示。
M代碼 | 功 能 |
M00 | 程序停止 |
M03 | 主軸正轉(zhuǎn) |
M04 | 主軸反轉(zhuǎn) |
M05 | 主軸停止 |
M08 | 冷卻開 |
M09 | 冷卻關(guān) |
M32 | 潤滑開 |
M33 | 潤滑關(guān) |
M30 | 程序結(jié)束并返回程序頭 |
M98 | 調(diào)用子程序 |
M99 | 子程序結(jié)束返回／重復執(zhí)行 |
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 設定。程序如下:
N001 G92 X0 Y0 Z0 ； 坐標系設定在參考點。
N002 G90 G00 Z250.0 T11 M；換刀。
N003 G43 Z0 H11；在初始點進行平面刀具長度補償。
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點平面。
N007 G98 Y-750.0 ；定位后加工#3孔, 返回初始點平面。
N008 G99 X1200.0 定位后加工#4孔, 返回R點平面。
N009 Y-550.0 ； 定位后加工#5孔, 返回R點平面。
N010 G98 Y-350.0 ； 定位后加工#6孔, 返回初始點平面。
N011 G00 X0 Y0 M5 ； 返回參考點, 主軸停。
N012 G49 Z250.0 T15 M6 ；取消刀具長度補償, 換刀。
N013 G43 Z0 H15 ；初始點平面, 刀長補償。
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點平面。
N016 G98 Y-650.0 ；定位后加工#8孔, 返回初始點平面。
N017 G99 X1050.0 ；定位后加工#9孔, 返回R點平面。
N018 G98 Y-450.0 ；定位后加工#10孔, 返回初始點平面。
N019 G00 X0 Y0 M5 ；返回參考點, 主軸停。
N020 G49 Z250.0 T31 M6 ；取消刀具長度補償, 換刀。
N021 G43 Z0 H31 ；初始點平面刀長補償。
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點平面。
N024 G91 Y-200.0 ； 定位后加工#12,#13孔,返回R點平面。
Y-200.0 ;
N025 G00 G90 X0 Y0 M5 ；返回參考點, 主軸停。
N026 G49 Z0 ； 取消刀具長度補償。
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)控機構(gòu)成的數(shù)控系統(tǒng)有很多優(yōu)勢，譬如：靈活，容量大。實踐證明，使用四軸運動控制器構(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。控制器的加/減速和插補等技術(shù)的使用使得加工美觀但是復雜的藝術(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。
