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(jī)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(jī)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(yùn)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(yùn)動控制器及配套系統(tǒng)軟件，形成了以運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制器、步進(jìn)電機(jī)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(jī) 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(jìn)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(yùn)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(yùn)動控制器硬件平臺見圖1.2所示。
（1）CNC4320兩軸運(yùn)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。
（2）因為系統(tǒng)的運(yùn)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(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，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(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芯片傳來的控制指令后，會自動運(yùn)行其指令，無須占用CPU。是一款能夠同時控制2個伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動控制芯片。它以脈沖串形式輸出，能對伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)進(jìn)行位置控制、插補(bǔ)驅(qū)動、速度控制等。在對第一個節(jié)點運(yùn)動實行插補(bǔ)時, 可對第二節(jié)點運(yùn)動連續(xù)寫入數(shù)據(jù)。在這個過程中插補(bǔ)動作是連續(xù)運(yùn)行, 而不需要中間作任何停頓。CPU數(shù)據(jù)總線長度可選8位/16位，補(bǔ)范圍 各個軸-8388607~+8388607，補(bǔ)速度1~4MPPS。
（4）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(yùn)用實時多任務(wù)控制技術(shù)實現(xiàn)μm級精度運(yùn)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:
| 控制軸 |
X、Z 兩軸 |
| 聯(lián)動軸 |
X、Z 兩軸 |
| 坐標(biāo)值范圍 |
±9999.999mm |
| 最小指令單位 |
0.001mm |
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(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(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(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(jī)，PLC和計算機(jī)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。
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)動的裝置，又稱為主軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其實物圖如圖1.1.4所示。
圖1.1.4 主軸電機(jī)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(jī)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(dá)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(yùn)行。夾具，顧名思義，用來夾緊工件的機(jī)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<
