铣床是一种用途广泛的机床，在数控铣床上可以加工平面（水平面、垂直面）、沟槽（键槽、t形槽、燕尾槽等）、分齿零件（齿轮、花键轴、链轮乖、螺旋形表面：螺纹和螺旋槽）及各种曲面。此外，还可用于对回转体表面、内孔加工及进行切断工作等。铣床在工作时，工件装在工作台上或分度头等附件上，铣刀旋转为主运动，辅以工作台或铣头的进给运动，工件即可获得所需的加工表面。由于是多刀断续切削，因而铣床的生产率较高。
中国需要自己的铣床产品，而且需要自己的品牌数控铣床产品。CNC4840，CNC4342，CNC4340等铣床控制器就是众为兴自主研发的产品。众为兴的一系列产品在国产数控铣床产品中占有一席之地。
本文着重以CNC4340控制器为例，介绍整个数控铣床系统，CNC4340控制的整个数控铣床系统的实物图如图4.1所示。
4.1 系统构成
此控制系统的控制部分和执行部分主要由三大元器件构成：CNC4340控制器、Q2BYG2245AM驱动器和86mm步进电机。
整个系统的系统构成原理图见上图4.1.1。
（1）整个系统采用分辨率为320*240的5.7英寸点阵式液晶+按键屏幕显示。它是基于光标定位，与触摸屏相比，它便于熟悉计算机键盘操作的人使用。
（2）本文采用CNC4340四轴运动控制器实现系统的控制，此运动控制器是四轴运动控制器，具有：1.它采用ARM7处理器及FPGA控制技术，适用于各种高精度、高速度控制场合；2.它是全光耦隔离，抗干扰性强，运行稳定；3. 它有32M超大的程序存储空间；4.它还有读取U盘功能，USB通讯功能；5.在运动过程中可以随时更改它的程序。
（3）步进驱动器是整个系统的中枢环节，它负责将驱动脉冲信号进行处理，驱动电机转动相应的圈数。它的性能优劣对于整个系统性能的优劣至关重要。这里采用的是众为兴自主研发的Q2BYG2245AM。
（4）步进电机采用86mm的二相混合式步进电机。
CNC4340运动控制器技术参数如表4.1—a所示。
|
功能 |
名称 |
规格 |
|
控制轴 |
控制轴数 |
4轴（X、Y、Z、A） |
|
同时控制轴数 |
3轴直线插补，2轴圆弧插补 |
|
输入指令 |
最小设定单位 |
0.001毫米 |
|
最小移动单位 |
0.001毫米 |
|
最大指令值 |
±9999.999毫米 |
|
进给 |
快速进给速度 |
9999毫米/分（最大值） |
|
进给速度范围 |
每分进给 |
1～9999毫米/分 |
|
每转进给 |
0.0001～50.0000毫米/转 |
|
自动加减速 |
有 |
|
进给速度倍率 |
10～150％ |
|
手动 |
手动连续进给，手动返回参考点，单步进给 |
同时一轴 ， ×1，×10，×100 |
|
手轮机能 |
有 |
|
插补 |
定位，直线插补，圆弧插补 |
G00， G01，G02/G03 |
|
调试机能 |
试运行,单程序段 |
有 |
|
坐标系及暂停 |
暂停(秒) |
G04 |
|
坐标系设定 |
G92 |
|
自动坐标系设定 |
有 |
|
运转方式 |
MDI,自动,手动,单步,编辑 |
有 |
|
安全机能 |
软件限位检查 |
有 |
|
紧急停 |
有 |
|
程序存储及编辑 |
程序存储容量, 存储程序个数 |
总容量32M字节,512个工作区，每个工作区4M字节，可存储10000个程序 |
|
程序编辑 |
插入，修改，删除，查找 |
|
程序号，顺序号，地址，字检索 |
有 |
|
小数点编程 |
有 |
|
显示 |
320×240点阵 5.7英寸液晶显示屏 |
|
|
位置,程序,刀补,报警,调试,诊断,参数 |
有 |
|
M，S，T 机能 |
辅助功能 |
M2 位数 |
|
主轴功能 |
S2 位数(档位) S3-5位数(模拟 |
|
刀具功能 |
T01~32 |
|
补偿机能 |
刀具补偿存储器 |
±7位 32组 |
|
反向间隙补偿 |
有 |
|
其他机能 |
圆弧半径R指定 |
有 |
|
电子齿轮比 |
有 |
|
任意位置启动程序机能 |
有 |
表4.1—a 技术规格
它适用于各类铣床及其他四轴联动机床的数控配套和改造。
CNC4340实物图为4.1.2。
图4.1.3是控制器CNC4340的内部结构原理图。由上图知道，该控制器主要是在工控主板上集成有一片ARM主芯片，四轴运动控制芯片ADT-MC814，一片8M的集成SDRAM，一片2M的NOR FLASH和一片32M的NAND FLASH。
ARM系列CPU处理器包括：ARM7系列，ARM9系列，ARM9E系列，ARM10E系列，SecurCore系列，Intel的Xscale，Intel的StrongARM。
ARM7系列微处理器为低功耗的32位RISC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。
ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核：ARM7TDMI、ARM7TDMI-S、ARM720T、ARM7EJ。其中，ARM7TMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式RISC处理器，属低端ARM处理器核。CNC4340控制器采用的就是AM7TDMI内核。
TDMI的基本含义为：
T：支持16为压缩指令集Thumb；
D：支持片上Debug；
M：内嵌硬件乘法器（Multiplier）
I：嵌入式ICE，支持片上断点和调试点；
ARM7微处理器系列具有如下特点：
－具有嵌入式ICE－RT逻辑，调试开发方便。
－极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。
－能够提供0.9MIPS/MHz的三级流水线结构。
－代码密度高并兼容16位的Thumb指令集。
－对操作系统的支持广泛，包括Windows CE、Linux、Palm OS等。
－指令系统与ARM9系列、ARM9E系列和ARM10E系列兼容，便于用户的产品升级换代。
－主频最高可达130MIPS，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂应用。
ARM7系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、Internet设备、网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。
该四轴运动控制芯片ADT-MC814是众为兴公司研制的ADT-MC814运动控制专用芯片,性能优良,接口简单,编程方便,工作可靠,可广泛用于数控机床及机器人等领域的运动控制。芯片能与8位或16位数据总线接口,通过命令、数据和状态等寄存器实现4轴3联动的位置、速度、加速度等的运动控制和实时监控,实现直线、圆弧和位元3种模式的轨迹插补,输出脉冲频率最高达4MHz。它适合该数控系统的设计，主要因为:①主控制CPU通过接口对ADT-MC814进行相应的工作方式、速度和加速度的设置,然后将运动的起点和终点传送给ADT-MC814,之后，不再需要主控制CPU的干预就能自动完成从起点到终点的插补运动控制,;②片上集成有专用于运动控制的I/O接口,如硬件限位、急停等,可简化数控系统的硬件设计,提高系统运行的稳定性。
这个控制系统X，Y，Z三轴都是用步进驱动器Q2BYG2245AM驱动的，其特点如下：
1 输入、输出信号采用光电隔离
2 采用IPM为输出级的高效斩波器
3 PWM（脉宽调制）恒流斩波，三相标准正弦波输出
4 自动半电流锁定
5 断电保护功能（断电自动相位记忆功能）
6 故障诊断功能。
7 电流控制灵活可选（2.0A-5.5A），适配110、130座号系列的三相电机
8 细分数可选功能、使能功能。
它与CNC4340的接线
步进电机使用的是86mm系列的二相步进电机，其技术规格如表4.1—c所示。
|
型 号 |
步距角 |
机身长 |
静力矩 |
引线数 |
电流 |
电阻 |
电感 |
重量 |
|
。 |
mm |
N.m |
No. |
A |
Ω |
mH |
kg |
|
86BYGH836A |
1.8 |
64 |
1.4 |
8 |
3.6 |
0.45 |
2.0 |
1.6 |
|
86BYGH840B |
1.8 |
92 |
2.8 |
8 |
4.0 |
3.2 |
16 |
3.6 |
|
86BYGH840C |
1.8 |
129 |
5.0 |
8 |
4.0 |
1.0 |
6.0 |
3.8 |
表4.1—c 86mm系列的二相步进电机技术规格
接线图如图4.1.4所示。
4.2 技术构成
图4.2.1为整个系统的技术构成图，可见系统主要由运动控制技术：插补技术，加/减速和恒速技术，位置控制技术构成。下面我们将一一阐述。
步进电动机驱动器的主要构成如图4.1.5所示，一般由环形分配器、信号处理级、推动级、驱动级等各部分组成，用于功率步进电动机的驱动器还要有多种保护线路。
环形分配器用来接受来自控制器的CP脉冲，并按步进电动机状态转换表要求的状态顺序产生各相导通或截止的信号。每来一个CP脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电动机转速的高低、升速或降速、起动或停止都完全取决于CP脉冲的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定其输出的状态转换是按正序或者按反序转换，于是就决定了步进电动机的转向。接受CP脉冲和方向电平是环形分配器的最基本功能，
从环形分配器输出的各相导通或截止的信号送入信号放大与处理级。信号放大的作用是将环分输出信号加以放大，变成足够大的信号送入推动级，这蹭一般既需电压放大，也需电流放大。信号处理是实现信号的某些转换、合成等功能，产生斩波、抑制等特殊功能的信号，从而产生特殊功能的驱动。本级还经常与各种保护电路、各种控制电路组合在一丐，形成较高性能的驱动输出。
推动级的作用是将较小的信号加以放大，变成足以推动驱动级输入的较大信号。有时，推动级还承担电平转换的作用。
保护级的作用是保护驱动级的安全。一般可根据需要设置过电流保护、过热保护、过压保护、欠压保护等。有时还需要对输入信号进行监护，发现输入异常也是提供保护动作。信号处理级、推动级、保护级，不同的线路差别很大。
这个控制系统有三大核心技术：1、加减速控制技术；2、插补性能；3、多轴联动技术。其中自动加减速控制作用于各轴运动的起动和停止的过程中，以减小冲击并使得起动和停止的过程平稳，为了同样的目的自动加减速控制也作用于进给速度变换的过程中。自动加减速控制原理如下图4.2.2所示。
这里的铣床控制系统支持快速定位，直线与圆弧插补。CNC4340可以控制四个轴（X、Y、Z、A），支持3轴直线插补，2轴圆弧插补。
快速定位的格式：G00 IP?，G00这条指令所作的就是使刀具以快速的速率移动到IP?指定的位置，被指令的各轴之间的运动是互不相关的，也就是说刀具移动的轨迹不一定是一条直线。G00指令下，快速倍率为100％时，各轴运动的速度：X、Y、Z轴按参数设定的速度运动，该速度不受当前F值的控制。当各运动轴到达运动终点后，CNC认为该程序段已经结束，并转向执行下一程序段。
常见的插补方法有脉冲增量插补和数字增量插补，脉冲增量插补即每次插补增量仅一个方向且一个脉冲。因为计算机在某个瞬时只能发出一个指令。这种方法比较适用于步进电机作为驱动电机的系统。
1．数字脉冲乘法器
2．逐点比较方法
3．数字积分方法
4．比较积分方法
5．最小偏差方法
6．直接函数方法
为其中较为常见的几种。
数字增量插补有以下几种常见的。
1. 直线函数法
2. 扩展数字积分法
3. 二阶递归扩展数字积分法
4. 双数字积分插补法
5. ITM法
这种方法比较适用于伺服电机作为驱动电机的系统。
我们这里使用的是是脉冲增量式插补算法。
逐点比较法是脉冲增量式插补算法中比较典型的一种。逐点比较法的基本思想是刀具在按要求的轨迹运动时，每走一步都要和规定的轨迹比较一下，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法既可进行直线插补又可以进行圆弧插补。目前国内普遍采用的逼近轮廓的方法为逐点比较法，下面以逐点比较法来介绍加工直线和圆弧的插补原理。
直线插补：直线的起点和终点坐标差较大的的坐标轴取为基本坐标进行位置检测，直线的斜率取为被累积的数值。假设为第一象限平面直线，起点取在原点（0，0），终点为（xe,ye）.在直线上任意一点（x,y），有下述关系成立：
要在XOY平面中加工斜直线OA，刀具（或工件）并不是从O点沿OA走到A点，而是沿O→1→2→3→……→的顺序逼近OA。即先沿X坐标走一步到1点，再沿Y坐标走一步到2点……沿阶梯形折线走完全程（用折线来代替直线）。只要折线与直线的最大偏差不超过加工精度允许的范围，就可将该折线近似视是OA直线。显然折线线段越长的加工误差越大；反之，则逼近程度好，加工误差小。用加密折线来插补所要加工的直线（缩短“步距”，密化数据点的方法称为插补），可提高加工精度。同理，数控机床的脉冲当量越小，加工精度越高。图4.2.3为直线插补算法示意图。
数控装置具有偏差判别等系列逻辑功能，其作用是：当加工点在直线下方，即偏差值F＞0时（F为该点与O点连线的的斜率与OA线斜率之差值），就控制溜板向+Y方向前进一步；当加工点在直线上或直线上方是（F＞0），沿+X方向进给一步。每走一步都与OA线进行比较（判别加工点对规定轮廓的偏离位置），并对其偏差值进行计算以决定溜板走向，直到终点。
圆弧插补：圆弧插补如图4.2.4所示，与直线插补原理相同。当加工点在AB圆弧上或圆弧外侧时（F＞0），控制工作台沿—X方向送给一步；当F＜0时，沿+Y方向进给一步，直到走到终点为止。
其指令如表4.2—a所示。
|
序号 |
数据内容 |
指 令 |
含 义 |
|
1 |
平面选择 |
G17 |
指定X--Y平面上的圆弧插补 |
|
G18 |
指定Z--X平面上的圆弧插补 |
|
G19 |
指定Y--Z平面上的圆弧插补 |
|
2
|
圆弧方向 |
G02 |
顺时针方向的圆弧插补 |
|
G03 |
逆时针方向的圆弧插补 |
|
3 |
终点位置 |
G90 模态 |
X、Y、Z中的两轴指令 |
当前工件坐标系中终点位置的坐标值 |
|
G91 模态 |
X、Y、Z中的两轴指令 |
从起点到终点的距离(有方向的) |
|
4
|
起点到圆心的距离 |
I、J、K中的两 轴指令 |
从起点到圆心的距离(有方向的) |
|
圆弧半径 |
R |
圆弧半径 |
|
5 |
进给率 |
F |
沿圆弧运动的速度 |
表4.2—a 圆弧插补指令表
由上述可知，此系统支持四轴联动，但这里只用到了三轴即X、Y、Z轴。X轴代表主轴的左右移动距离，Y轴代表工作台的前后移动距离，Z轴代表主轴的上下移动距离，三者结合在一起完成整个铣床控制系统的加工工作。其中，X，Y，Z轴方向图如图4.2.5所示。
从图中可以知道，X轴代表连同Z轴步进电机和主轴在内的整个执行部分的左右方向的移动。Y轴代表工作台的前后方向的移动，Z轴代表主轴的上下方向的移动。
4.3 指令功能与实现
此铣床控制系统有诸多加工工序，由不同的指令来实现。
4.3.1 指令功能
G指令用于加工准备指令，如表4.3—a所示。准备功能由G代码及后接2位数表示，规定其所在的程序段的意义。G代码有以下两种类型。
|
种 类 |
意 义 |
|
一次性代码 |
只在被指令的程序段有效 |
|
模态G代码 |
在同组其它G代码指令前一直有效 |
|
G代码 |
分组 |
功能 |
|
G00 |
01 |
定位（快速移动） |
|
G01 |
01 |
直线插补（进给速度） |
|
G02 |
01 |
顺时针圆弧插补 |
|
G03 |
01 |
逆时针圆弧插补 |
|
G04 |
00 |
暂停，精确停止 |
|
G17 |
02 |
选择X Y平面 |
|
G18 |
02 |
选择Z X平面 |
|
G19 |
02 |
选择Y Z平面 |
|
G27 |
00 |
返回并检查参考点 |
|
G28 |
00 |
返回参考点 |
|
G29 |
00 |
从参考点返回 |
|
G40 |
07 |
取消刀具半径补偿 |
|
G41 |
07 |
左侧刀具半径补偿 |
|
G42 |
07 |
右侧刀具半径补偿 |
|
G43 |
08 |
刀具长度补偿＋ |
|
G44 |
08 |
刀具长度补偿－ |
|
G49 |
08 |
取消刀具长度补偿 |
|
G52 |
00 |
设置局部坐标系 |
|
G53 |
00 |
选择机床坐标系 |
|
G54 |
05 |
选用1号工件坐标系 |
|
G55 |
05 |
选用2号工件坐标系 |
|
G56 |
05 |
选用3号工件坐标系 |
|
G57 |
05 |
选用4号工件坐标系 |
|
G58 |
05 |
选用5号工件坐标系 |
|
G59 |
05 |
选用6号工件坐标系 |
|
G73 |
09 |
深孔钻削固定循环 |
|
G74 |
09 |
反螺纹攻丝固定循环 |
|
G76 |
09 |
精镗固定循环 |
|
G80 |
09 |
取消固定循环 |
|
G81 |
09 |
钻削固定循环 |
|
G82 |
09 |
钻削固定循环 |
|
G83 |
09 |
深孔钻削固定循环 |
|
G84 |
09 |
攻丝固定循环 |
|
G85 |
09 |
镗削固定循环 |
|
G86 |
09 |
镗削固定循环 |
|
G87 |
09 |
反镗固定循环 |
|
G88 |
09 |
镗削固定循环 |
|
G89 |
09 |
镗削固定循环 |
|
G90 |
03 |
绝对值指令方式 |
|
G91 |
03 |
增量值指令方式 |
|
G92 |
00 |
工件零点设定 |
|
G98 |
10 |
固定循环返回初始点 |
|
G99 |
10 |
固定循环返回R点 |
表4.3—a G代码一览表
从表4.3—a中我们可以看到，G代码被分为了不同的组，这是由于大多数的G代码是模态的，所谓模态G代码，是指这些G代码不只在当前的程序段中起作用，而且在以后的程序段中一直起作用，直到程序中出现另一个同组的G代码为止，同组的模态G代码控制同一个目标但起不同的作用，它们之间是不相容的。00组的G代码是非模态的，这些G代码只在它们所在的程序段中起作用。标有*号的G代码是上电时的初始状态。如果程序中出现了未列在上表中的G代码，CNC会显示10号报警。同一程序段中可以有几个G代码出现，但当两个或两个以上的同组G代码出现时，最后出现的一个（同组的）G代码有效。
用S指令对主轴转速进行编程控制，T指令进行选刀编程控制，M指令用于编程辅助控制，M指令如表4.3—b所示。
|
M代码 |
功 能 |
|
M00 |
程序停止 |
|
M03 |
主轴正转 |
|
M04 |
主轴反转 |
|
M05 |
主轴停止 |
|
M08 |
冷却开 |
|
M09 |
冷却关 |
|
M32 |
润滑开 |
|
M33 |
润滑关 |
|
M30 |
程序结束并返回程序头 |
|
M98 |
调用子程序 |
|
M99 |
子程序结束返回／重复执行 |
表4.3—b M指令一览表
4.3.2 案例
偏置号11的值为200.0，偏置号15的值为190.0，偏置号31的值为150.0 作为偏移量分别 设定。程序如下:
N001 G92 X0 Y0 Z0 ； 坐标系设定在参考点。
N002 G90 G00 Z250.0 T11 M；换刀。
N003 G43 Z0 H11；在初始点进行平面刀具长度补偿。
N004 S30 M3 ； 主轴启动。
N005 G99 G81 X400.0 Y-350.0 ；
Z-153.0 R-97.0 F120.0 定位后加工#1孔。
N006 Y-550.0 ；定位后加工#2孔, 返回R点平面。
N007 G98 Y-750.0 ；定位后加工#3孔, 返回初始点平面。
N008 G99 X1200.0 定位后加工#4孔, 返回R点平面。
N009 Y-550.0 ； 定位后加工#5孔, 返回R点平面。
N010 G98 Y-350.0 ； 定位后加工#6孔, 返回初始点平面。
N011 G00 X0 Y0 M5 ； 返回参考点, 主轴停。
N012 G49 Z250.0 T15 M6 ；取消刀具长度补偿, 换刀。
N013 G43 Z0 H15 ；初始点平面, 刀长补偿。
N014 S20 M3 ；主轴起动。
N015 G99 G82 X550.0 Y-450.0 ；Z-130.0 R-97.0 P30 F70；定位后加工#7孔, 返回R点平面。
N016 G98 Y-650.0 ；定位后加工#8孔, 返回初始点平面。
N017 G99 X1050.0 ；定位后加工#9孔, 返回R点平面。
N018 G98 Y-450.0 ；定位后加工#10孔, 返回初始点平面。
N019 G00 X0 Y0 M5 ；返回参考点, 主轴停。
N020 G49 Z250.0 T31 M6 ；取消刀具长度补偿, 换刀。
N021 G43 Z0 H31 ；初始点平面刀长补偿。
N022 S10 M3；主轴起动。
N023 G85 G99 X800.0 Y-350.0 ；
Z-153.0 R47.0 F50 ；定位后加工#11孔, 返回R点平面。
N024 G91 Y-200.0 ； 定位后加工#12,#13孔,返回R点平面。
Y-200.0 ;
N025 G00 G90 X0 Y0 M5 ；返回参考点, 主轴停。
N026 G49 Z0 ； 取消刀具长度补偿。
N027 M30 ；程序停。
4.5 结论
控制器组成的控制系统比传统的数控机构成的数控系统有很多优势，譬如：灵活，容量大。实践证明，使用四轴运动控制器构成的铣床控制系统成倍提高了生产效率，使得原本需要人为操作的危险性较高的工作变的简单化，智能化。控制器的加/减速和插补等技术的使用使得加工美观但是复杂的艺术化的产品成为可能，并且操作简单明了，是以后铣床加工的必然趋势。
