摘要：本文研究了運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用于銑床數(shù)控改造的應(yīng)用方法。首先介紹了數(shù)控系統(tǒng)的工作過程，然后重點(diǎn)分析了其硬件組成與軟件設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控代碼的預(yù)期功能，表明該通用嵌入式的運(yùn)動(dòng)控制器應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造是可行的，具有廣闊的前景。
關(guān)鍵字：銑床；運(yùn)動(dòng)控制器；嵌入式；數(shù)控

1 引言

數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，比傳統(tǒng)機(jī)床提高了生產(chǎn)效率，而且加工零件的精度高，尺寸分散度小。我國有廣闊的機(jī)床數(shù)控化改造的市場。本文將通用嵌入式運(yùn)動(dòng)控制器用于一臺(tái)立式銑床X8126 的數(shù)控改造試驗(yàn)。改造中保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)對(duì)銑床進(jìn)行X、Y、Z 三軸數(shù)控改造。此次改造后步進(jìn)距離是0.001mm/脈沖。

2 數(shù)控基本原理

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的工作過程

(1) 把零件加工程序、控制參數(shù)和補(bǔ)償數(shù)據(jù)等輸入給數(shù)控系統(tǒng)。

(2) 加工程序譯碼與數(shù)據(jù)處理。

(3) 插補(bǔ)。運(yùn)動(dòng)軌跡是多軸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，為了實(shí)現(xiàn)期望的軌跡，必須控制相關(guān)軸的運(yùn)動(dòng)。直接的方法是把各軸的每一步運(yùn)動(dòng)情況事先確定好，存入計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器，再現(xiàn)軌跡時(shí)，根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來控制各軸。但是這意味著要存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，在實(shí)際應(yīng)用中不現(xiàn)實(shí)。實(shí)際上，輪廓或運(yùn)動(dòng)軌跡一般由直線、圓弧組成，對(duì)于一些非圓曲線輪廓?jiǎng)t用直線或圓弧去逼近。可以根據(jù)一些少量的基本數(shù)據(jù)(起點(diǎn)和終點(diǎn)即可唯一確定一條直線，圓弧只需要給定起點(diǎn)、終點(diǎn)、半徑及方向即可確定)，通過計(jì)算，將工件的輪廓或運(yùn)動(dòng)軌跡描述出來，邊計(jì)算邊根據(jù)計(jì)算結(jié)果向各坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。這就是插補(bǔ)(Interpolating)的基本思想，即插補(bǔ)計(jì)算就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)給定的曲線類型(如直線、圓弧或高次曲線)、起點(diǎn)、終點(diǎn)以及速度，在起點(diǎn)和終點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化。當(dāng)然，單軸運(yùn)動(dòng)就不存在插補(bǔ)問題。

數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能主要由軟件來實(shí)現(xiàn)，主要有兩類插補(bǔ)算法。一種是脈沖增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給脈沖;另一種是數(shù)字增量插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是插補(bǔ)運(yùn)算在每個(gè)插補(bǔ)周期進(jìn)行一次，根據(jù)指令進(jìn)給速度計(jì)算出一個(gè)微小的直線數(shù)據(jù)段。MCX314A 芯片內(nèi)部含有高速高精度的直線和圓弧插補(bǔ)功能。

(4) 伺服控制。將計(jì)算機(jī)送出的位置進(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機(jī)(步進(jìn)電機(jī)或交、直流伺服電機(jī))的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。

(5) 刀具補(bǔ)償。在輪廓加工中，當(dāng)采用不同尺寸的刀具加工同一輪廓工件，或同一名義的刀具因磨損而因此尺寸變化時(shí)，為了保證控制精度和編程方便，數(shù)控系統(tǒng)通常應(yīng)有刀具補(bǔ)償功能。

2.2 數(shù)控加工程序

符合 ISO－840 國際標(biāo)準(zhǔn)的NC 指令代碼編程是一種較通用的數(shù)控編程方法。常用的指令有準(zhǔn)備功能G 代碼、輔助功能M 代碼、主軸速度S 代碼、刀具T 代碼等。數(shù)控程序就是由這些功能代碼和數(shù)據(jù)構(gòu)成。如N0666 G01X20 Y20 F 300 表示直線插補(bǔ)，XY 同時(shí)進(jìn)給到目標(biāo)點(diǎn)(20，20)，速度300mm/min。

Pro/Engineer、北航海爾CAXA 等CAD/CAM 軟件能夠依據(jù)零件CAD 輪廓生成相應(yīng)的加工軌跡，生成數(shù)控代碼程序。

3 硬件組成

如圖 1 所示，基于ARM 和MCX314A 的運(yùn)動(dòng)控制器是系統(tǒng)的控制核心。圖2 是接口板和驅(qū)動(dòng)器的接口圖。MCX314A 輸出的脈沖/方向信號(hào)經(jīng)接口板(26AMLS31 變成差動(dòng)信號(hào))與驅(qū)動(dòng)器對(duì)應(yīng)的脈沖/方向端子相連。各軸限位開關(guān)信號(hào)和原點(diǎn)信號(hào)、急停信號(hào)經(jīng)接口板光電隔離后連接MCX314A 的nLMTP、nLMTM、Xin0 和EMGN 引腳。

圖 1 改造后的銑床數(shù)控結(jié)構(gòu)圖

圖 2 轉(zhuǎn)接板和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的連接圖
PC 機(jī)通過串口與LPC2214 相連，作為數(shù)控加工程序的編程人機(jī)界面;在數(shù)控加工時(shí)，LPC2214 將MCX314A 各軸的邏輯位置和狀態(tài)反饋給PC。不過，PC 將數(shù)控加工程序下載給運(yùn)動(dòng)控制器后，可以脫開，運(yùn)動(dòng)控制器具備獨(dú)立運(yùn)行能力。

4 軟件設(shè)計(jì)

利用PC 的良好人機(jī)界面和數(shù)據(jù)處理能力，PC 用作數(shù)控編程的人機(jī)界面，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行語法檢查，對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)處理。PC 預(yù)處理后，將數(shù)控程序下載給運(yùn)動(dòng)控制器，LPC2214 將數(shù)控加工程序存入Flash 中。數(shù)控加工時(shí)，LPC2214 從Flash 中讀出加工代碼，進(jìn)行數(shù)控加工程序的譯碼，譯碼完成后調(diào)用API 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能。

上位 PC 作為數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)交互界面，完成數(shù)控代碼編輯(或接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序)、語法檢查、代碼預(yù)處理功能，并能和運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行通信，將處理后的數(shù)控代碼參數(shù)上載到控制器，并能接收到控制器的(邏輯)位置反饋和驅(qū)動(dòng)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控。上位PC 的程序用Visual Basic 開發(fā)完成。

在已經(jīng)奠定了運(yùn)動(dòng)控制器的軟、硬件基礎(chǔ)平臺(tái)后，實(shí)現(xiàn)數(shù)控應(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)在于把數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成對(duì)API 函數(shù)的調(diào)用，核心內(nèi)容是進(jìn)行數(shù)控加工程序的譯碼。

圖 3 數(shù)控加工程序譯碼流程
(1) 數(shù)控加工程序的譯碼。

定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 CNCcodeBuf，將一個(gè)數(shù)控代碼行的譯碼結(jié)果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA～GF、MX～MY 組別，以節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高譯碼效率。譯碼流程見圖3。

struct CNCcodeBuf
{
short N;//存儲(chǔ)數(shù)控代碼N 后的編號(hào)
int X,Y,Z;//存儲(chǔ)X、Y、Z 代碼后的數(shù)值
int I,J,K;//存儲(chǔ)I、J、K 代碼后的數(shù)值
int F;//存儲(chǔ)F 代碼后的數(shù)值
int S;//存儲(chǔ)S 代碼后的數(shù)值
short T;//存儲(chǔ)T 代碼后的數(shù)值
unsigned char GA,GB,GC,GD,GE,GF;//存儲(chǔ)分組后G 代碼的序號(hào)
unsigned char MX,MY,MZ;//存儲(chǔ)分組后M 代碼的序號(hào)
}CNCBuf;

一行代碼譯碼完成后，代碼數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于變量CNCBuf 中，然后需要作的事是將其變換為對(duì)API 函數(shù)的調(diào)用。方法是從變量CNCBuf 的成員中讀取G、M 代碼功能號(hào)，根據(jù)功能號(hào)對(duì)應(yīng)的API 函數(shù)要求逐一完成API 調(diào)用的入口參數(shù)設(shè)置。

(2) 通信。上位PC 將預(yù)處理后的數(shù)控代碼程序加幀頭“0xAA55AA”和幀尾“0x55AA55”后以RS232 方式下載到運(yùn)動(dòng)控制器中。通信格式設(shè)為:“38400,E,8,1”。

5 試驗(yàn)實(shí)例

為了試驗(yàn)數(shù)控代碼的運(yùn)行效果，用北航海爾的CAXA 軟件設(shè)計(jì)一個(gè)“TEST”字符串的加工輪廓(CAXA 軟件自動(dòng)刀具補(bǔ)償)，生成數(shù)控G 代碼PC 對(duì)G 代碼預(yù)處理后下載到運(yùn)動(dòng)控制器中運(yùn)行。記錄筆記錄的加工軌跡符合設(shè)計(jì)的預(yù)期輪廓。