1.引言

　　數控車床是數字程序控製車床的簡稱，它集通用性好的萬(wan) 能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專(zhuan) 用型車床的特點於(yu) 一身，是國內(nei) 使用量最大，覆蓋麵最廣的一種數控機床。要學好數控車床理論和操作，就必須勤學苦練，從(cong) 平麵幾何，三角函數，機械製圖，普通車床的工藝和操作等方麵打好基礎。

　　眾(zhong) 為(wei) 興(xing) 數控技術有限公司是一家研發與(yu) 應用運動控製技術產(chan) 品的公司，自主研發了國內(nei) 首款嵌入式運動控製器及配套係統軟件，形成了以運動控製卡、運動控製器、步進電機和驅動器等為(wei) 主的全係列的數控產(chan) 品線，這些產(chan) 品廣泛應用於(yu) 國防、科研、教學和工業(ye) 等各個(ge) 領域。

　　CNC4320控製係統是眾(zhong) 為(wei) 興(xing) 數控技術有限公司自主研發的CNC（Computer Numerical Controller）係列的一款。

　　整個(ge) CNC4320數控車床係統實物圖如圖1.1

圖1.1 CNC4320數控車床係統實物圖
1—車床控製麵板 2—主軸 3—刀架台 4—車床車身 5—兩(liang) 台CNC4320控製器 6—刀架電機 7—導軌

　　隨著電子信息自動化技術的發展，為(wei) 了提高生產(chan) 效率，出現了數控車床的自動進給[3]即自動換料，自動送料技術，過去依靠人工換料、送料的時代已一去不複返。現在，主要依靠自動化傳(chuan) 送料，原料傳(chuan) 送的自動化減少了人為(wei) 操作的失誤，降低了危險性，使得生產(chan) 過程更加簡單方便，更加符合流水線式生產(chan) 的現代化要求。

圖1.2 控製器硬件平台

　　整個(ge) CNC4320車床數控係統，從(cong) 廣義(yi) 的控製層次上來說可分為(wei) 四大部分，驅動控製係統、主軸控製係統、刀架控製係統、輔助控製係統,它們(men) 都是以運動控製器CNC4320為(wei) 核心部件組成的控製係統，互相聯係又獨立工作，組成了一個(ge) 整體(ti) ，即車床控製係統，兩(liang) 軸運動控製器硬件平台見圖1.2所示。

　　（1）CNC4320兩(liang) 軸運動控製器采用嵌入式結構，其內(nei) 部集成有ARM主CPU芯片。此ARM芯片的內(nei) 核是ARM7TDMI內(nei) 核，具有代碼密度高並兼容16位的Thumb指令集，支持很多操作係統，包括windows ces、Linux、Palm OS等特點。

　　（2）因為(wei) 係統的運行會(hui) 產(chan) 生大量的變量，堆棧。ARM芯片內(nei) 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，用於(yu) 程序運行，另外集成256M NANDFLASH，2MNORFLASH，用於(yu) 重要的數據，程序的存儲(chu) ，還有一些易斷電的，需要長期保存的係統參數刀具參數，補償(chang) 參數，機床參數以及數控加工程序。

　　（3）控製器內(nei) 部集成有兩(liang) 軸運動控製芯片，內(nei) 部集成有X，Y軸的插補控製模塊，指令/解釋/處理模塊。當它接到主ARM芯片傳(chuan) 來的控製指令後，會(hui) 自動運行其指令，無須占用CPU。是一款能夠同時控製2個(ge) 伺服馬達或步進馬達的運動控製芯片。它以脈衝(chong) 串形式輸出，能對伺服馬達或步進馬達進行位置控製、插補驅動、速度控製等。在對第一個(ge) 節點運動實行插補時, 可對第二節點運動連續寫(xie) 入數據。在這個(ge) 過程中插補動作是連續運行, 而不需要中間作任何停頓。CPU 數據總線長度可選8位/16位，補範圍 各個(ge) 軸-8388607～+8388607，補速度1～4MPPS。

　　（4）CPLD主要用於(yu) 對圖像，速度，位置等信息的采集、控製、存儲(chu) 。

　　該控製器采用320＊240點陣式液晶+按鍵屏，32位嵌入式CPU，超大規模FPGA編程，運用實時多任務控製技術實現μm級精度運動控製。X、Z二軸聯動、USB和RS232通訊方式，支持CNC與(yu) PC，係統軟件可通訊升級。

　　其技術規格如表1-a所示:
　　表1-a 技術規格參數
 

係統的原理示意如圖1.2所示：

圖1.2 車床控製係統係統原理輪廓圖

　　下麵我們(men) 將著重介紹這四大控製係統的組成、電路連接與(yu) 原理、指令控製等部分。

　　1.1主軸控製係統結構和原理

　　主軸是車床最主要的部件之一，整個(ge) 機器的性能很大程度上決(jue) 定於(yu) 主軸的性能，主軸直接承受切屑力，轉速的範圍很大。所以我們(men) 引入主軸控製係統,利用 CNC4320控製器監控主軸的轉動速度和方向來完成對工件的精確加工。主軸控製係統由五個(ge) 部分組成：控製器CNC4320、變頻器、編碼器、主軸電機、主軸。

　　主軸控製係統原理圖如圖1.1.1所示

圖1.1.1 主軸控製係統原理圖

　　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體(ti) 器件的通斷作用將工頻電源變換為(wei) 另一頻率的電能控製裝置。我們(men) 現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控製變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然後再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控製的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控製4個(ge) 部分組成。整流部分為(wei) 三相橋式不可控整流器，逆變部分為(wei) IGBT三相橋式逆變器，且輸出為(wei) PWM波形，中間直流環節為(wei) 濾波、直流儲(chu) 能和緩衝(chong) 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(wei) 絕對脈衝(chong) 編碼器：APC ,增量脈衝(chong) 編碼器：SPC ,兩(liang) 者一般都應用於(yu) 速度控製或位置控製係統的檢測元件。旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置。它分為(wei) 單路輸出和雙路輸出兩(liang) 種。技術參數主要有每轉脈衝(chong) 數（幾十個(ge) 到幾千個(ge) 都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈衝(chong) ，而雙路輸出的旋轉編碼器輸出兩(liang) 組相位差90度的脈衝(chong) ，通過這兩(liang) 組脈衝(chong) 不僅(jin) 可以測量轉速，還可以判斷旋轉的方向。 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(wei) 長線差分驅動（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備接口應與(yu) 編碼器對應。 信號連接—編碼器的脈衝(chong) 信號一般連接計數器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與(yu) 高速模塊之分，開關(guan) 頻率有低有高。 如單相聯接，用於(yu) 單方向計數，單方向測速。 A.B兩(liang) 相聯接，用於(yu) 正反向計數、判斷正反向和測速。

　　這裏的編碼器同樣是用於(yu) 速度控製或位置控製係統的檢測元件。它將檢測到的主軸轉動的速度和方向的模擬量轉化為(wei) 數字脈衝(chong) 反饋給CNC4320控製器，滿足控製器對主軸轉動的監控的需求。此編碼器采用增量式脈衝(chong) 編碼器，這樣可以節省用於(yu) 編碼的導線個(ge) 數，從(cong) 而可以節省成本。一般情況下，增量編碼器性能要優(you) 於(yu) 絕對式編碼器。所以，大多數時候，車床控製係統都采用增量式編碼器。#p#分頁標題#e#

　　主軸電機是將電能轉化為(wei) 機械能，使機構旋轉運動的裝置，又稱為(wei) 主軸控製係統的執行機構。其實物圖如圖1.1.4所示。

圖1.1.4 主軸電機實物圖

　　1—便於(yu) 編碼器測速的被動轉軸 2—履帶 3—由主軸電機帶動的主動轉軸 4—帶動主軸轉動的轉軸

　　為(wei) 了便於(yu) 編碼器測速和反饋給控製器CNC4320，主動和被動轉軸的齒輪比例都是按照1：1來設計的，這樣編碼器的測速就是主軸馬達的轉速也是主軸的轉速，不用考慮倍率的問題。

　　主軸是用來固定工件，帶動其旋轉以便於(yu) 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(nei) 螺紋。因為(wei) 我們(men) 介紹的是眾(zhong) 為(wei) 興(xing) 公司用於(yu) 試驗檢測的車床，所以在主軸擋板位置沒有實際擋板，這樣便於(yu) 觀察主軸運行。夾具，顧名思義(yi) ，用來夾緊工件的機械裝置。為(wei) 了防止刀架工作台過渡右移以至脫離導軌[4]，在導軌上還有一個(ge) 裝置叫尾座。這裏的車床因為(wei) 是試驗檢測用喲，所以沒有裝尾座。

　　主軸轉速控製方式：開關(guan) 量控製、模擬電壓控製，主軸轉速開關(guan) 量控製。執行 S1～S4，S 信號 2 檔（S1～S2）/4 檔（S1～S4）開關(guan) 量輸出。主軸轉速模擬電壓控製：執行 S0～S9999，輸出 0～10V 電壓控製主軸轉速支持四檔主軸自動換檔（M41～M44）主軸轉速倍率：50%～120%八級實時調節G96 恒線速控製（S 給定切削線速度值，單位：米/分）G97 取消恒線速控製（S 給定主軸轉速，單位：轉/分）

　　主軸控製係統對應的控製指令有： 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;

　　M04：主軸反轉;

　　M05：主軸停止。

　　係統上電後，M05輸出有效。在M05輸出有效時，執行M03或M04，M03或M04輸出有效並保持，同時取消M05的輸出（輸出無效）;M03或M04輸出有效時，執行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效並保持。

　　當診斷參數DGN.089、DGN.090（主軸製動輸出時間）不為(wei) 0時，執行M05，輸出主軸製動SPZD脈衝(chong) 信號（非保持輸出）;主軸製動輸出時間設置為(wei) 0時，執行M05，不輸出主軸製動SPZD脈衝(chong) 信號。M03（或M04）輸出有效時，執行M04（或M03）將產(chan) 生報警。

　　1.2刀架控製係統結構和原理

　　數控刀架是數控車床的關(guan) 鍵配套件，為(wei) 數控車床三大功能部件之一。通過它來實現數控車床刀具的自動切換。任何係列，各種型號的數控刀架均采用端齒盤作為(wei) 刀架定位元件。通過電機或活塞驅動各種傳(chuan) 動機構變換刀具位置，由傳(chuan) 感器將刀架工位號反饋給數控係統來完成刀具的正確切換。

　　刀架控製係統由九大原件組成：控製器、變壓器、整流板、驅動器、步進電機、絲(si) 杠、刀架電機、刀架台、繼電器。其中驅動器我們(men) 將有下一章節驅動控製係統著重介紹，繼電器將在輔助控製係統中介紹，這一章我們(men) 著重介紹步進電機、絲(si) 杠整流板在刀架控製係統中的作用。

　　刀架控製原理圖如圖1.2.1所示：

圖1.2.1 刀架控製原理圖

　　步進電機又稱脈衝(chong) 電動機或階躍電動機，國外一般稱為(wei) Step motor或Stepping motor、Stepper，等等。就傳(chuan) 統的步進電動機來說，步進電動機可以簡單地定義(yi) 為(wei) ，根據輸入的脈衝(chong) 信號，每改變一次勵磁狀態就前進一定角度（或長度），若不改變勵磁狀態則保持一定位置而靜止的電動機。從(cong) 廣義(yi) 上講，步進電動機是一種受電脈衝(chong) 信號控製的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率範圍內(nei) 轉速與(yu) 控製脈衝(chong) 頻率同步的同步電動機。

　　這裏使用的是二相混合式步進電機，利用位移與(yu) 輸入脈衝(chong) 信號數相對應，步距誤差不長期積累的特點，組成結構簡單又具有一定精度的開環控製係統，即刀架控製係統驅動的執行部分。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動器使用，其原理為(wei) 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(wei) 正半周時，對D1 、D3 和方向電壓，Dl，D3 導通;對D2 、D4 加反向電壓，D2 、D4 截止。電路中構成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(wei) 負半周時，對D2 、D4 加正向電壓，D2 、D4 導通;對D1 、D3 加反向電壓，D1 、D3 截止。電路中構成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(si) 杠是相對於(yu) 原來的T形螺紋絲(si) 杠而言的。其原理就是轉動變平動，絲(si) 杠轉動。螺紋帶動滾珠軸承在杆上滑動。跟絲(si) 杠的原理差不多，隻是加上滾珠而已。原來絲(si) 杠螺紋副轉動時摩擦比較劇烈，在內(nei) 螺紋與(yu) 外螺紋之間加上滾珠後，就變為(wei) 滾動摩擦，改善摩擦條件，從(cong) 而使摩擦阻力減小為(wei) 原來的1/50。從(cong) 而也可使其達到高速運轉.筆者看到一份資料顯示現在最高的絲(si) 杠允許速度達到了200m/min.直追直線電機，，是由日本生產(chan) ，其原理大致是在螺帽和絲(si) 杠之間放入滾珠，然後在螺帽上加入返向器,使滾珠在裏循環滾動。

　　其實物圖如圖所示：

圖1.2.5 滾珠絲(si) 杠實物圖

　　這裏步進電機帶動滾珠絲(si) 杠旋轉，對刀架台X，Z相位置進行精確定位，實現工件的精確加工。控製器中有關(guan) 刀架控製係統的指令主要有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，並按指令的刀具偏置號對應的刀具偏置執行刀具長度補償(chang) 。 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多個(ge) 偏置號。對應刀具偏 置號為(wei) 00 的刀具偏置為(wei) X=0、Z=0，係統為(wei) 無刀具補償(chang) 狀態，即：係統的坐標偏移為(wei) 0（未 進行坐標偏移）。在執行了刀具長度補償(chang) 後，執行 T□□00，係統將按當前的刀具偏置反向 偏移係統坐標，係統由已執行刀具長度補償(chang) 狀態改變為(wei) 未補償(chang) 狀態，顯示的刀具偏置號為(wei) 00 這個(ge) 過程稱為(wei) 取消刀具長度補償(chang) ，簡稱：取消刀補。如：T0101表示選擇1號刀並執行1號刀偏;T0102表示選擇1號刀並執行2號刀偏;T0301表示選擇3號刀並執行1號刀偏。#p#分頁標題#e#

　　1.3 驅動控製係統結構和原理

　　相信大家在看了上一章節的刀架控製係統後一定會(hui) 注意到這樣的一個(ge) 器件：驅動器。這就是我們(men) 這一章節重點介紹的驅動控製係統的一個(ge) 主要元器件。驅動器可以將控製器輸入的低電壓轉化為(wei) 步進電機需要的高電壓輸出，它的作用是接收控製器CNC4320的控製指令即脈衝(chong) 信號驅動步進電機按設定的方向轉動一個(ge) 固定的角度（及步進角）。

　　驅動器Q2BYG2245AM的實物圖如圖1.3.1所示。
 

圖1.3.1 驅動器的正視和俯視實物圖

　　驅動控製係統的原理圖如圖1.3.2所示。
 

圖1.3.2 驅動控製係統的原理圖

　　CNC4320控製器有關(guan) 驅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(yu) 驅動器有關(guan) ，因為(wei) 是它驅動刀架台在X，Z 軸的前後左右的運動。