基于嵌入式运动控制器的数控铣床研究

1 引言

　　数控机床可以实现加工的自动化，比传统机床提高了生产效率，而且加工零件的精度高，尺寸分散度小。我国有广阔的机床数控化改造的市场。本文将通用嵌入式运动控制器用于一台立式铣床X8126 的数控改造试验。改造中保留了原有的主轴系统和冷却系统，用步进电机驱动系统对铣床进行X、Y、Z 三轴数控改造。此次改造后步进距离是0.001mm/脉冲。

2 数控基本原理

2.1 数控系统的工作过程

（1） 把零件加工程序、控制参数和补偿数据等输入给数控系统。
 
（2） 加工程序译码与数据处理。

（3） 插补。

      运动轨迹是多轴协调运动的结果，为了实现期望的轨迹，必须控制相关轴的运动。直接的方法是把各轴的每一步运动情况事先确定好，存入计算机的存储器，再现轨迹时，根据存储的数据来控制各轴。但是这意味着要存储大量数据，在实际应用中不现实。实际上，轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些非圆曲线轮廓则用直线或圆弧去逼近。可以根据一些少量的基本数据（起点和终点即可唯一确定一条直线，圆弧只需要给定起点、终点、半径及方向即可确定），通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。这就是插补（Interpolating）的基本思想，即插补计算就是数控系统根据给定的曲线类型（如直线、圆弧或高次曲线）、起点、终点以及速度，在起点和终点之间进行数据点的密化。当然，单轴运动就不存在插补问题。
 
　　数控系统的插补功能主要由软件来实现，主要有两类插补算法。一种是脉冲增量插补，它的特点是每次插补运算结束产生一个进给脉冲;另一种是数字增量插补，它的特点是插补运算在每个插补周期进行一次，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。MCX314A 芯片内部含有高速高精度的直线和圆弧插补功能。

（4） 伺服控制。将计算机送出的位置进给脉冲或进给速度指令，经变换和放大后转化为伺服电机（步进电机或交、直流伺服电机）的转动，从而带动工作台移动。

（5） 刀具补偿。在轮廓加工中，当采用不同尺寸的刀具加工同一轮廓工件，或同一名义的刀具因磨损而因此尺寸变化时，为了保证控制精度和编程方便，数控系统通常应有刀具补偿功能。

2.2 数控加工程序
 
　　符合 ISO－840 国际标准的NC 指令代码编程是一种较通用的数控编程方法。常用的指令有准备功能G 代码、辅助功能M 代码、主轴速度S 代码、刀具T 代码等。数控程序就是由这些功能代码和数据构成。如N0666 G01X20 Y20 F 300 表示直线插补，XY 同时进给到目标点（20，20），速度300mm/min。

　　Pro/Engineer、北航海尔CAXA 等CAD/CAM 软件能够依据零件CAD 轮廓生成相应的加工轨迹，生成数控代码程序。

3 硬件组成

　　如图 1 所示，基于ARM 和MCX314A 的运动控制器是系统的控制核心。图2 是接口板和驱动器的接口图。MCX314A 输出的脉冲/方向信号经接口板（26AMLS31 变成差动信号）与驱动器对应的脉冲/方向端子相连。各轴限位开关信号和原点信号、急停信号经接口板光电隔离后连接MCX314A 的nLMTP、nLMTM、Xin0 和EMGN 引脚。

图 1 改造后的铣床数控结构图

图 2 转接板和步进驱动器的连接图

      PC 机通过串口与LPC2214 相连，作为数控加工程序的编程人机界面;在数控加工时，LPC2214 将MCX314A 各轴的逻辑位置和状态反馈给PC。不过，PC 将数控加工程序下载给运动控制器后，可以脱开，运动控制器具备独立运行能力。

4 软件设计

　　利用PC 的良好人机界面和数据处理能力，PC 用作数控编程的人机界面，对数控程序进行语法检查，对数控程序进行预处理。PC 预处理后，将数控程序下载给运动控制器，LPC2214 将数控加工程序存入Flash 中。数控加工时，LPC2214 从Flash 中读出加工代码，进行数控加工程序的译码，译码完成后调用API 函数，实现数控功能。

　　上位 PC 作为数控系统的人机交互界面，完成数控代码编辑（或接收CAD/CAM 软件生成的加工程序）、语法检查、代码预处理功能，并能和运动控制器进行通信，将处理后的数控代码参数上载到控制器，并能接收到控制器的（逻辑）位置反馈和驱动状态信息，实现对整个系统的监控。上位PC 的程序用Visual Basic 开发完成。

　　在已经奠定了运动控制器的软、硬件基础平台后，实现数控应用的关键点在于把数控代码转换成对API 函数的调用，核心内容是进行数控加工程序的译码。

图 3 数控加工程序译码流程

（1） 数控加工程序的译码。

　　定义一个数据结构体 CNCcode Buf，将一个数控代码行的译码结果存入其中。将G 代码和M 代码分为GA～GF、MX～MY 组别，以节省存储空间，提高译码效率。译码流程见图3。

　　struct CNCcodeBuf
　　｛
　　short N;//存储数控代码N 后的编号
　　int X,Y,Z;//存储X、Y、Z 代码后的数值
　　int I,J,K;//存储I、J、K 代码后的数值
　　int F;//存储F 代码后的数值
　　int S;//存储S 代码后的数值
　　short T;//存储T 代码后的数值
　　unsigned char GA,GB,GC,GD,GE,GF;//存储分组后G 代码的序号
　　unsigned char MX,MY,MZ;//存储分组后M 代码的序号
　　｝CNCBuf;

　　一行代码译码完成后，代码数据存储于变量CNCBuf 中，然后需要作的事是将其变换为对API 函数的调用。方法是从变量CNCBuf 的成员中读取G、M 代码功能号，根据功能号对应的API 函数要求逐一完成API 调用的入口参数设置。

（2） 通信。

      上位PC 将预处理后的数控代码程序加帧头“0xAA55
AA”和帧尾“0x55AA55”后以RS232 方式下载到运动控制器中。通信格式设为:“38400,E,8,1”。

5 试验实例

　　为了试验数控代码的运行效果，用北航海尔的CAXA 软件设计一个“TEST”字符串的加工轮廓（CAXA 软件自动刀具补偿），生成数控G 代码PC 对G 代码预处理后下载到运动控制器中运行。记录笔记录的加工轨迹符合设计的预期轮廓。

　　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

本文作者创新点：

　　本文将所设计出的运动控制器应用于经济型数控铣床的改造中，研究了应用方法，关键在于将数控代码转换成对MCX314A 的命令封装了的API 函数，充分利用MCX314A 自带的插补功能。