1.引言

　　數(shù)控車床是數(shù)字程序控制車床的簡稱，它集通用性好的萬能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型車床的特點于一身，是國內(nèi)使用量最大，覆蓋面最廣的一種數(shù)控機床。要學(xué)好數(shù)控車床理論和操作，就必須勤學(xué)苦練，從平面幾何，三角函數(shù)，機械制圖，普通車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)用運動控制技術(shù)產(chǎn)品的公司，自主研發(fā)了國內(nèi)首款嵌入式運動控制器及配套系統(tǒng)軟件，形成了以運動控制卡、運動控制器、步進電機和驅(qū)動器等為主的全系列的數(shù)控產(chǎn)品線，這些產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于國防、科研、教學(xué)和工業(yè)等各個領(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CNC4320數(shù)控車床系統(tǒng)實物圖如圖1.1

圖1.1 CNC4320數(shù)控車床系統(tǒng)實物圖
1—車床控制面板 2—主軸 3—刀架臺 4—車床車身 5—兩臺CNC4320控制器 6—刀架電機 7—導(dǎo)軌

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

圖1.2 控制器硬件平臺

　　整個CNC4320車床數(shù)控系統(tǒng)，從廣義的控制層次上來說可分為四大部分，驅(qū)動控制系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)、刀架控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng),它們都是以運動控制器CNC4320為核心部件組成的控制系統(tǒng)，互相聯(lián)系又獨立工作，組成了一個整體，即車床控制系統(tǒng)，兩軸運動控制器硬件平臺見圖1.2所示。

　?。?）CNC4320兩軸運動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。

　?。?）因為系統(tǒng)的運行會產(chǎn)生大量的變量，堆棧。ARM芯片內(nèi)部集成有16K的SARAM，但是不能滿足如此大容量的運行。所以在外部擴展了8M的 SDRAM，用于程序運行，另外集成256M NANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的數(shù)據(jù)，程序的存儲，還有一些易斷電的，需要長期保存的系統(tǒng)參數(shù)刀具參數(shù)，補償參數(shù)，機床參數(shù)以及數(shù)控加工程序。

　?。?）控制器內(nèi)部集成有兩軸運動控制芯片，內(nèi)部集成有X，Y軸的插補控制模塊，指令/解釋/處理模塊。當它接到主ARM芯片傳來的控制指令后，會自動運行其指令，無須占用CPU。是一款能夠同時控制2個伺服馬達或步進馬達的運動控制芯片。它以脈沖串形式輸出，能對伺服馬達或步進馬達進行位置控制、插補驅(qū)動、速度控制等。在對第一個節(jié)點運動實行插補時, 可對第二節(jié)點運動連續(xù)寫入數(shù)據(jù)。在這個過程中插補動作是連續(xù)運行, 而不需要中間作任何停頓。CPU 數(shù)據(jù)總線長度可選8位/16位，補范圍 各個軸-8388607～+8388607，補速度1～4MPPS。

　?。?）CPLD主要用于對圖像，速度，位置等信息的采集、控制、存儲。

　　該控制器采用320＊240點陣式液晶+按鍵屏，32位嵌入式CPU，超大規(guī)模FPGA編程，運用實時多任務(wù)控制技術(shù)實現(xiàn)μm級精度運動控制。X、Z二軸聯(lián)動、USB和RS232通訊方式，支持CNC與PC，系統(tǒng)軟件可通訊升級。

　　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

　　主軸是車床最主要的部件之一，整個機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)動速度和方向來完成對工件的精確加工。主軸控制系統(tǒng)由五個部分組成：控制器CNC4320、變頻器、編碼器、主軸電機、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

　　變頻器實物圖如圖1.1.2所示

圖1.1.2 變頻器實物圖

　　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機。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、直流儲能和緩沖無功功率。

　　編碼器實物圖如圖1.1.3所示

圖1.1.3 編碼器實物圖

　　編碼器分為絕對脈沖編碼器：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)的檢測元件。旋轉(zhuǎn)編碼器是用來測量轉(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)（幾十個到幾千個都有），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，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。 信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、 HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。 信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。 如單相聯(lián)接，用于單方向計數(shù)，單方向測速。 A.B兩相聯(lián)接，用于正反向計數(shù)、判斷正反向和測速。

　　這里的編碼器同樣是用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。它將檢測到的主軸轉(zhuǎn)動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，滿足控制器對主軸轉(zhuǎn)動的監(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)線個數(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)于絕對式編碼器。所以，大多數(shù)時候，車床控制系統(tǒng)都采用增量式編碼器。#p#分頁標題#e#

　　主軸電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，使機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動的裝置，又稱為主軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。其實物圖如圖1.1.4所示。

圖1.1.4 主軸電機實物圖

　　1—便于編碼器測速的被動轉(zhuǎn)軸 2—履帶 3—由主軸電機帶動的主動轉(zhuǎn)軸 4—帶動主軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸

　　為了便于編碼器測速和反饋給控制器CNC4320，主動和被動轉(zhuǎn)軸的齒輪比例都是按照1：1來設(shè)計的，這樣編碼器的測速就是主軸馬達的轉(zhuǎn)速也是主軸的轉(zhuǎn)速，不用考慮倍率的問題。

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

圖1.1.5 主軸實物圖
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夾緊工件的內(nèi)螺紋。因為我們介紹的是眾為興公司用于試驗檢測的車床，所以在主軸擋板位置沒有實際擋板，這樣便于觀察主軸運行。夾具，顧名思義，用來夾緊工件的機械裝置。為了防止刀架工作臺過渡右移以至脫離導(dǎo)軌[4]，在導(dǎo)軌上還有一個裝置叫尾座。這里的車床因為是試驗檢測用喲，所以沒有裝尾座。

　　主軸轉(zhuǎn)速控制方式：開關(guān)量控制、模擬電壓控制，主軸轉(zhuǎn)速開關(guān)量控制。執(zhí)行 S1～S4，S 信號 2 檔（S1～S2）/4 檔（S1～S4）開關(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換檔（M41～M44）主軸轉(zhuǎn)速倍率：50%～120%八級實時調(diào)節(jié)G96 恒線速控制（S 給定切削線速度值，單位：米/分）G97 取消恒線速控制（S 給定主軸轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分）

　　主軸控制系統(tǒng)對應(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，執(zhí)行M03或M04，M03或M04輸出有效并保持，同時取消M05的輸出（輸出無效）;M03或M04輸出有效時，執(zhí)行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效并保持。

　　當診斷參數(shù)DGN.089、DGN.090（主軸制動輸出時間）不為0時，執(zhí)行M05，輸出主軸制動SPZD脈沖信號（非保持輸出）;主軸制動輸出時間設(shè)置為0時，執(zhí)行M05，不輸出主軸制動SPZD脈沖信號。M03（或M04）輸出有效時，執(zhí)行M04（或M03）將產(chǎn)生報警。

　　1.2刀架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理

　　數(shù)控刀架是數(shù)控車床的關(guān)鍵配套件，為數(shù)控車床三大功能部件之一。通過它來實現(xiàn)數(shù)控車床刀具的自動切換。任何系列，各種型號的數(shù)控刀架均采用端齒盤作為刀架定位元件。通過電機或活塞驅(qū)動各種傳動機構(gòu)變換刀具位置，由傳感器將刀架工位號反饋給數(shù)控系統(tǒng)來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)動器、步進電機、絲杠、刀架電機、刀架臺、繼電器。其中驅(qū)動器我們將有下一章節(jié)驅(qū)動控制系統(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電機、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

　　步進電機又稱脈沖電動機或階躍電動機，國外一般稱為Step motor或Stepping motor、Stepper，等等。就傳統(tǒng)的步進電動機來說，步進電動機可以簡單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度（或長度），若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，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機。

　　這里使用的是二相混合式步進電機，利用位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累的特點，組成結(jié)構(gòu)簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，即刀架控制系統(tǒng)驅(qū)動的執(zhí)行部分。實物圖如圖1.2.2所示

圖1.2.2 步進電機實物圖

　　整流板是用來將交流電進行整流，變成直流電以提供給驅(qū)動器使用，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，對D1 、D3 和方向電壓，Dl，D3 導(dǎo)通;對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 ，上形成上正下負的半波整洗電壓，e2 為負半周時，對D2 、D4 加正向電壓，D2 、D4 導(dǎo)通;對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 上形成上正下負的另外半波的整流電壓。

　　其工作時的電流流向，實物圖如圖1.2.4所示：

圖1.2.4 橋式整流電路工作時的電流流向，實物圖

　　滾珠絲杠是相對于原來的T形螺紋絲杠而言的。其原理就是轉(zhuǎn)動變平動，絲杠轉(zhuǎn)動。螺紋帶動滾珠軸承在桿上滑動。跟絲杠的原理差不多，只是加上滾珠而已。原來絲杠螺紋副轉(zhuǎn)動時摩擦比較劇烈，在內(nèi)螺紋與外螺紋之間加上滾珠后，就變?yōu)闈L動摩擦，改善摩擦條件，從而使摩擦阻力減小為原來的1/50。從而也可使其達到高速運轉(zhuǎn).筆者看到一份資料顯示現(xiàn)在最高的絲杠允許速度達到了200m/min.直追直線電機，，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。

　　其實物圖如圖所示：

圖1.2.5 滾珠絲杠實物圖

　　這里步進電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，對刀架臺X，Z相位置進行精確定位，實現(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：自動刀架換刀到目標刀具號刀位，并按指令的刀具偏置號對應(yīng)的刀具偏置執(zhí)行刀具長度補償。 刀具偏置號可以和刀具號相同，也可以不同，即一把刀具可以對應(yīng)多個偏置號。對應(yīng)刀具偏 置號為 00 的刀具偏置為 X=0、Z=0，系統(tǒng)為無刀具補償狀態(tài)，即：系統(tǒng)的坐標偏移為 0（未 進行坐標偏移）。在執(zhí)行了刀具長度補償后，執(zhí)行 T□□00，系統(tǒng)將按當前的刀具偏置反向 偏移系統(tǒng)坐標，系統(tǒng)由已執(zhí)行刀具長度補償狀態(tài)改變?yōu)槲囱a償狀態(tài)，顯示的刀具偏置號為 00 這個過程稱為取消刀具長度補償，簡稱：取消刀補。如：T0101表示選擇1號刀并執(zhí)行1號刀偏;T0102表示選擇1號刀并執(zhí)行2號刀偏;T0301表示選擇3號刀并執(zhí)行1號刀偏。#p#分頁標題#e#

　　1.3 驅(qū)動控制系統(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)后一定會注意到這樣的一個器件：驅(qū)動器。這就是我們這一章節(jié)重點介紹的驅(qū)動控制系統(tǒng)的一個主要元器件。驅(qū)動器可以將控制器輸入的低電壓轉(zhuǎn)化為步進電機需要的高電壓輸出，它的作用是接收控制器CNC4320的控制指令即脈沖信號驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角）。

　　驅(qū)動器Q2BYG2245AM的實物圖如圖1.3.1所示。
 

圖1.3.1 驅(qū)動器的正視和俯視實物圖

　　驅(qū)動控制系統(tǒng)的原理圖如圖1.3.2所示。
 

圖1.3.2 驅(qū)動控制系統(tǒng)的原理圖

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

　　表1.3-a
 

　　其實大部分指令都與驅(qū)動器有關(guān)，因為是它驅(qū)動刀架臺在X，Z 軸的前后左右的運動。