精品文檔-下載后可編輯基于ADT-CNC4320運(yùn)動(dòng)控制器在車床系統(tǒng)中的實(shí)例解析1.引言數(shù)控車床又稱為CNC車床，即計(jì)算機(jī)數(shù)字控制車床，是目前國(guó)內(nèi)使用量，覆蓋面廣的一種數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%，是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床。它具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)各種補(bǔ)償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟(jì)效果。

深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司成立于2022年，成功通過(guò)成為ISO-9001企業(yè)、深圳市高新技術(shù)企業(yè)，深圳首批高科技企業(yè)；公司總部位于深圳市南山區(qū)高新科技產(chǎn)業(yè)基地。眾為興公司集技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體，歷經(jīng)十年的開拓與技術(shù)革新，已初步形成運(yùn)動(dòng)控制卡、運(yùn)動(dòng)控制器、步進(jìn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、新型數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)與設(shè)備，機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人等全系列產(chǎn)品線。

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系列的一款。

整個(gè)CNC4320數(shù)控車床系統(tǒng)實(shí)物圖如圖1.1

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

圖1.2控制器硬件平臺(tái)

整個(gè)CNC4320車床數(shù)控系統(tǒng)，從廣義的控制層次上來(lái)說(shuō)可分為四大部分，驅(qū)動(dòng)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(dòng)控制器CNC4320為部件組成的控制系統(tǒng)，互相聯(lián)系又獨(dú)立工作，組成了一個(gè)整體，見(jiàn)圖1.2所示。

（1）CNC4320兩軸運(yùn)動(dòng)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WindowsCE、Linux、PalmOS等特點(diǎn)。（2）因?yàn)橄到y(tǒng)的運(yùn)行會(huì)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256MNANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的數(shù)據(jù)，程序的存儲(chǔ)，還有一些易斷電的，需要長(zhǎng)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(dòng)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(lái)的控制指令后，會(huì)自動(dòng)運(yùn)行其指令，無(wú)須占用CPU。是一款能夠同時(shí)控制2個(gè)伺服馬達(dá)或步進(jìn)馬達(dá)的運(yùn)動(dòng)控制芯片。它以脈沖串形式輸出，能對(duì)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(dòng)、速度控制等。在對(duì)個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)行插補(bǔ)時(shí),可對(duì)第二節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)連續(xù)寫入數(shù)據(jù)。在這個(gè)過(guò)程中插補(bǔ)動(dòng)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(zhǎng)度可選8位/16位，補(bǔ)范圍各個(gè)軸-8388607~+8388607，補(bǔ)速度1~4MPPS。（4）CPLD主要用于對(duì)圖像，速度，位置等信息的采集、控制、存儲(chǔ)。

其技術(shù)規(guī)格如表1-a所示:

控制軸X、Z兩軸聯(lián)動(dòng)軸X、Z兩軸坐標(biāo)值范圍±9999.999mm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)和原理主軸是車床主要的部件之一，整個(gè)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(dòng)速度和方向來(lái)完成對(duì)工件的加工。主軸控制系統(tǒng)由五個(gè)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(shí)物圖如圖1.1.2所示圖1.1.2變頻器實(shí)物圖

編碼器實(shí)物圖如圖1.1.3所示

圖1.1.3編碼器實(shí)物圖

編碼器分為脈沖編碼器：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(cè)元件。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(guò)這兩組脈沖不僅可以測(cè)量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。信號(hào)輸出有正弦波，方波，集電極開路，推拉式多種形式，其中TTL為長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)，HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號(hào)接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對(duì)應(yīng)。信號(hào)連接—編碼器的脈沖信號(hào)一般連接計(jì)數(shù)器、PLC、計(jì)算機(jī)，PLC和計(jì)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。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(cè)元件。它將檢測(cè)到的主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)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(dòng)的裝置，又稱為主軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其實(shí)物圖如圖1.1.4所示。

圖1.1.4主軸電機(jī)實(shí)物圖1—便于編碼器測(cè)速的被動(dòng)轉(zhuǎn)軸2—履帶3—由主軸電機(jī)帶動(dòng)的主動(dòng)轉(zhuǎn)軸4—帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸

為了便于編碼器測(cè)速和反饋給控制器CNC4320，主動(dòng)和被動(dòng)轉(zhuǎn)軸的齒輪比例都是按照1：1來(lái)設(shè)計(jì)的，這樣編碼器的測(cè)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(wèn)題。主軸是用來(lái)固定工件，帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)以便于加工的器件，其實(shí)物圖如下圖1.1.5所示。

圖1.1.5主軸實(shí)物圖1—主軸孔2—主軸擋板3—夾具

因?yàn)槲覀兘榻B的是眾為興公司用于試驗(yàn)檢測(cè)的車床，所以在主軸擋板位置沒(méi)有實(shí)際擋板，這樣便于觀察主軸運(yùn)行。夾具，顧名思義，用來(lái)夾緊工件的機(jī)械裝置。為了防止刀架工作臺(tái)過(guò)渡右移以至脫離導(dǎo)軌[4]，在導(dǎo)軌上還有一個(gè)裝置叫尾座。這里的車床因?yàn)槭窃囼?yàn)檢測(cè)用喲，所以沒(méi)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(hào)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(dòng)換檔（M41～M44）主軸轉(zhuǎn)速倍率：50％～120％八級(jí)實(shí)時(shí)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(duì)應(yīng)的控制指令有：M03、M04、M05指令格式：M03或M3M04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(shí)，執(zhí)行M03或M04，M03或M04輸出有效并保持，同時(shí)取消M05的輸出（輸出無(wú)效）；M03或M04輸出有效時(shí)，執(zhí)行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效并保持。當(dāng)診斷參數(shù)DGN.089、DGN.090（主軸制動(dòng)輸出時(shí)間）不為0時(shí)，執(zhí)行M05，輸出主軸制動(dòng)SPZD脈沖信號(hào)（非保持輸出）；主軸制動(dòng)輸出時(shí)間設(shè)置為0時(shí)，執(zhí)行M05，不輸出主軸制動(dòng)SPZD脈沖信號(hào)。M03（或M04）輸出有效時(shí)，執(zhí)行M04（或M03）將產(chǎn)生報(bào)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。任何系列，各種型號(hào)的數(shù)控刀架均采用端齒盤作為刀架定位元件。通過(guò)電機(jī)或活塞驅(qū)動(dòng)各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)變換刀具位置，由傳感器將刀架工位號(hào)反饋給數(shù)控系統(tǒng)來(lái)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(dòng)器、步進(jìn)電機(jī)、絲杠、刀架電機(jī)、刀架臺(tái)、繼電器。其中驅(qū)動(dòng)器我們將有下一章節(jié)驅(qū)動(dòng)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(jìn)電機(jī)、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(jìn)電動(dòng)機(jī)有兩種定義：可以簡(jiǎn)單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度（或長(zhǎng)度），若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動(dòng)機(jī)。從廣義上講，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)。這里使用的是二相混合式步進(jìn)電機(jī)，利用位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累的特點(diǎn)，組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(dòng)的執(zhí)行部分。實(shí)物圖如圖1.2.2所示

圖1.2.2步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖

整流板是用來(lái)將交流電進(jìn)行整流，變成直流電以提供給驅(qū)動(dòng)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(shí)，對(duì)D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對(duì)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(fù)的半波整洗電壓，e2為負(fù)半周時(shí)，對(duì)D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對(duì)D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負(fù)的另外半波的整流電壓。其工作時(shí)的電流流向，實(shí)物圖如圖1.2.4所示：

圖1.2.4橋式整流電路工作時(shí)的電流流向，實(shí)物圖

滾珠絲杠是相對(duì)于原來(lái)的T形螺紋絲杠而言的。其原理就是轉(zhuǎn)動(dòng)變平動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋帶動(dòng)滾珠軸承在桿上滑動(dòng)。跟絲杠的原理差不多，只是加上滾珠而已。原來(lái)絲杠螺紋副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)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(dòng)摩擦，改善摩擦條件，從而使摩擦阻力減小為原來(lái)的1/50。從而也可使其達(dá)到高速運(yùn)轉(zhuǎn).筆者看到一份資料顯示現(xiàn)在的絲杠允許速度達(dá)到了200m/min.直追直線電機(jī)，，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(dòng)。其實(shí)物圖如圖所示：圖1.2.5滾珠絲杠實(shí)物圖這里步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，對(duì)刀架臺(tái)X，Z相位置進(jìn)行定位，實(shí)現(xiàn)工件的加工?？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(dòng)刀架換刀到目標(biāo)刀具號(hào)刀位，并按指令的刀具偏置號(hào)對(duì)應(yīng)的刀具偏置執(zhí)行刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償。刀具偏置號(hào)可以和刀具號(hào)相同，也可以不同，即一把刀具可以對(duì)應(yīng)多個(gè)偏置號(hào)。對(duì)應(yīng)刀具偏置號(hào)為00的刀具偏置為X=0、Z=0，系統(tǒng)為無(wú)刀具補(bǔ)償狀態(tài)，即：系統(tǒng)的坐標(biāo)偏移為0（未進(jìn)行坐標(biāo)偏移）。在執(zhí)行了刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償后，執(zhí)行T□□00，系統(tǒng)將按當(dāng)前的刀具偏置反向偏移系統(tǒng)坐標(biāo)，系統(tǒng)由已執(zhí)行刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償狀態(tài)改變?yōu)槲囱a(bǔ)償狀態(tài)，顯示的刀具偏置號(hào)為00這個(gè)過(guò)程稱為取消刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償，簡(jiǎn)稱：取消刀補(bǔ)。如：T0101表示選擇1號(hào)刀并執(zhí)行1號(hào)刀偏；T0102表示選擇1號(hào)刀并執(zhí)行2號(hào)刀偏；T0301表示選擇3號(hào)刀并執(zhí)行1號(hào)刀偏。1.3驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理驅(qū)動(dòng)器可以將控制器輸入的低電壓轉(zhuǎn)化為步進(jìn)電機(jī)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(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（及步進(jìn)角），也是一個(gè)較為重要的的器件！驅(qū)動(dòng)器Q2BYG2245AM的實(shí)物圖如圖1.3.1所示。

圖1.3.1驅(qū)動(dòng)器的正視和俯視實(shí)物圖

驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖如圖1.3.2所示。圖1.3.2驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的原理圖CNC4320控制器有關(guān)驅(qū)動(dòng)器的指令有很多部分如下表1.3-a。表1.3-a1.4輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理整個(gè)車床控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上所述，但是任何的機(jī)器都會(huì)有過(guò)熱，過(guò)渡磨損的情況，車床一旦過(guò)渡磨損就會(huì)降低其加工精度，甚至提前報(bào)廢，同樣車床一旦過(guò)熱，就會(huì)燒壞元器件，降低其加工精度，嚴(yán)重的，也會(huì)導(dǎo)致其提前退役。為了保證車床的正常運(yùn)轉(zhuǎn),減少磨損,延長(zhǎng)使用壽命,提高加工精度，普遍的做法是當(dāng)其過(guò)熱時(shí)，給它噴灑上冷卻機(jī)油，當(dāng)它過(guò)渡磨損時(shí)，給它注入潤(rùn)滑油。這些在車床控制系統(tǒng)中都是由控制器自動(dòng)控制的，這就是這章的重點(diǎn)：輔助控制系統(tǒng)。輔助控制系統(tǒng)原理圖如下圖1.4.1所示：圖1.4.1輔助控制系統(tǒng)原理圖輔助控制系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：控制器CNC4320，冷卻液噴頭，針閥滴油油杯，繼電器。繼電器是這一章中著重介紹的輔助控制系統(tǒng)的重要元器件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。其實(shí)物圖如圖1.4.2所示。圖1.4.2繼電器前視與后視圖1—常閉觸電2—接入點(diǎn)3—常開觸電4—電磁鐵電源接線柱此種電磁式繼電器原理是：它一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點(diǎn)簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)（常開觸點(diǎn)）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)（常閉觸點(diǎn)）吸合。這樣吸合、釋放，從而達(dá)到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。CNC4320通過(guò)繼電器控制冷卻液噴頭/針閥滴油油杯的開與關(guān)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的冷卻與潤(rùn)滑?？刂破髦杏嘘P(guān)輔助控制系統(tǒng)的指令有1.7冷卻液控制M08、M09指令格式：M08或M8；M09或M9；指令功能：M08：冷卻泵開；M09：冷卻泵關(guān)。系統(tǒng)上電后，M09有效，即M08輸出無(wú)效。執(zhí)行M08，M08輸出有效，冷卻泵開；執(zhí)行M09，取消M08輸出，冷卻泵關(guān)。1.10潤(rùn)滑液控制M32、M33指令格式：M32；M33；指令功能：M32：潤(rùn)滑泵開；M33：潤(rùn)滑泵關(guān)。系統(tǒng)上電后，M33有效，即M32輸出無(wú)效。執(zhí)行M32，M32輸出有效，潤(rùn)滑泵開；執(zhí)行M33，取消M32輸出，潤(rùn)滑泵關(guān)。車床控制系統(tǒng)的整個(gè)控制系統(tǒng)的電路原理圖如圖1.4.3所示：圖1.4.3控制系統(tǒng)的電路原理圖1.5指令與功能實(shí)現(xiàn)車床控制系統(tǒng)中的控制器CNC4320的界面如下圖1.5.1所示：圖1.5.1CNC4320的界面1—鍵盤2—菜單3—控制面板其機(jī)床面板上面的按鍵的含義如表1.5-a所示：表1.5-a機(jī)床面板上面