基于嵌入式運動控制器的數控銑床研究_嵌入式運動控制器_數控銑床

基于嵌入式運動控制器的數控銑床研究

2010/8/23 11:23:00

1 引言

　　數控機床可以實現加工的自動化，比傳統機床提高了生產效率，而且加工零件的精度高，尺寸分散度小。我國有廣闊的機床數控化改造的市場。本文將通用嵌入式運動控制器用于一臺立式銑床X8126 的數控改造試驗。改造中保留了原有的主軸系統和冷卻系統，用步進電機驅動系統對銑床進行X、Y、Z 三軸數控改造。此次改造后步進距離是0.001mm/脈沖。

2 數控基本原理

2.1 數控系統的工作過程

（1）把零件加工程序、控制參數和補償數據等輸入給數控系統。

（2）加工程序譯碼與數據處理。

（3）插補。運動軌跡是多軸協調運動的結果，為了實現期望的軌跡，必須控制相關軸的運動。直接的方法是把各軸的每一步運動情況事先確定好，存入計算機的存儲器，再現軌跡時，根據存儲的數據來控制各軸。但是這意味著要存儲大量數據，在實際應用中不現實。實際上，輪廓或運動軌跡一般由直線、圓弧組成，對于一些非圓曲線輪廓則用直線或圓弧去逼近。可以根據一些少量的基本數據（起點和終點即可唯一確定一條直線，圓弧只需要給定起點、終點、半徑及方向即可確定），通過計算，將工件的輪廓或運動軌跡描述出來，邊計算邊根據計算結果向各坐標發出進給指令。這就是插補（Interpolating）的基本思想，即插補計算就是數控系統根據給定的曲線類型（如直線、圓弧或高次曲線）、起點、終點以及速度，在起點和終點之間進行數據點的密化。當然，單軸運動就不存在插補問題。

　　數控系統的插補功能主要由軟件來實現，主要有兩類插補算法。一種是脈沖增量插補，它的特點是每次插補運算結束產生一個進給脈沖;另一種是數字增量插補，它的特點是插補運算在每個插補周期進行一次，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。MCX314A 芯片內部含有高速高精度的直線和圓弧插補功能。

（4）伺服控制。將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令，經變換和放大后轉化為伺服電機（步進電機或交、直流伺服電機）的轉動，從而帶動工作臺移動。

（5）刀具補償。在輪廓加工中，當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，為了保證控制精度和編程方便，數控系統通常應有刀具補償功能。

2.2 數控加工程序

　　符合 ISO－840 國際標準的NC 指令代碼編程是一種較通用的數控編程方法。常用的指令有準備功能G 代碼、輔助功能M 代碼、主軸速度S 代碼、刀具T 代碼等。數控程序就是由這些功能代碼和數據構成。如N0666 G01X20 Y20 F 300 表示直線插補，XY 同時進給到目標點（20，20），速度300mm/min。

　　Pro/Engineer、北航海爾CAXA 等CAD/CAM 軟件能夠依據零件CAD 輪廓生成相應的加工軌跡，生成數控代碼程序。

3 硬件組成

　如圖 1 所示，基于ARM 和MCX314A 的運動控制器是系統的控制核心。圖2 是接口板和驅動器的接口圖。MCX314A 輸出的脈沖/方向信號經接口板（26AMLS31 變成差動信號）與驅動器對應的脈沖/方向端子相連。各軸限位開關信號和原點信號、急停信號經接口板光電隔離后連接MCX314A 的nLMTP、nLMTM、Xin0 和EMGN 引腳。

圖 1 改造后的銑床數控結構圖

圖 2 轉接板和步進驅動器的連接圖

PC 機通過串口與LPC2214 相連，作為數控加工程序的編程人機界面;在數控加工時，LPC2214 將MCX314A 各軸的邏輯位置和狀態反饋給PC。不過，PC 將數控加工程序下載給運動控制器后，可以脫開，運動控制器具備獨立運行能力。

4 軟件設計

　　利用PC 的良好人機界面和數據處理能力，PC 用作數控編程的人機界面，對數控程序進行語法檢查，對數控程序進行預處理。PC 預處理后，將數控程序下載給運動控制器，LPC2214 將數控加工程序存入Flash 中。數控加工時，LPC2214 從Flash 中讀出加工代碼，進行數控加工程序的譯碼，譯碼完成后調用API 函數，實現數控功能。

　　上位 PC 作為數控系統的人機交互界面，完成數控代碼編輯（或接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序）、語法檢查、代碼預處理功能，并能和運動控制器進行通信，將處理后的數控代碼參數上載到控制器，并能接收到控制器的（邏輯）位置反饋和驅動狀態信息，實現對整個系統的監控。上位PC 的程序用Visual Basic 開發完成。

　　在已經奠定了運動控制器的軟、硬件基礎平臺后，實現數控應用的關鍵點在于把數控代碼轉換成對API 函數的調用，核心內容是進行數控加工程序的譯碼。

圖 3 數控加工程序譯碼流程

（1）數控加工程序的譯碼。

定義一個數據結構體 CNCcode Buf，將一個數控代碼行的譯碼結果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA～GF、MX～MY 組別，以節省存儲空間，提高譯碼效率。譯碼流程見圖3。
　　struct CNCcodeBuf
　　｛
　　short N;//存儲數控代碼N 后的編號
　　int X,Y,Z;//存儲X、Y、Z 代碼后的數值
　　int I,J,K;//存儲I、J、K 代碼后的數值
　　int F;//存儲F 代碼后的數值
　　int S;//存儲S 代碼后的數值
　　short T;//存儲T 代碼后的數值
　　unsigned ch ar GA,GB,GC,GD,GE,GF;//存儲分組后G 代碼的序號
　　unsigned ch ar MX,MY,MZ;//存儲分組后M 代碼的序號
　　｝CNCBuf;

　　一行代碼譯碼完成后，代碼數據存儲于變量CNCBuf 中，然后需要作的事是將其變換為對API 函數的調用。方法是從變量CNCBuf 的成員中讀取G、M 代碼功能號，根據功能號對應的API 函數要求逐一完成API 調用的入口參數設置。

（2）通信。上位PC 將預處理后的數控代碼程序加幀頭“0xAA55
AA”和幀尾“0x55AA55”后以RS232 方式下載到運動控制器中。通信格式設為:“38400,E,8,1”。

5 試驗實例

　　為了試驗數控代碼的運行效果，用北航海爾的CAXA 軟件設計一個“TEST”字符串的加工輪廓（CAXA 軟件自動刀具補償），生成數控G 代碼PC 對G 代碼預處理后下載到運動控制器中運行。記錄筆記錄的加工軌跡符合設計的預期輪廓。
　　N10G90G54G00Z60.000
　　N12S1000M03
　　N14X-24.992Y-8.481Z60.000
　　N16Z50.000
　　N18Z10.000
　　N20G01Z0.000F100
　　N22X-24.588Y-8.455F800
　　N24X-24.342Y-8.402
　　N26X-24.188Y-8.335
　　N28X-24.092Y-8.264
　　......
　　N890G02X21.410Y-8.481I0.927J-0.376
　　N892G01Z50.000F800
　　N894G00Z60.000
　　N896M05
　　N898M30