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:
 

控製軸	X、Z 兩(liang) 軸
聯動軸	X、Z 兩(liang) 軸
坐標值範圍	±9999.999mm
最小指令單位	0.001mm

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。 #p#分頁標題#e#

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。

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。