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技術(shù)頻道

基于嵌入式運動控制器的數(shù)控銑床研究

1 引言

  數(shù)控機床可以實現(xiàn)加工的自動化,比傳統(tǒng)機床提高了生產(chǎn)效率,而且加工零件的精度高,尺寸分散度小。我國有廣闊的機床數(shù)控化改造的市場。本文將通用嵌入式運動控制器用于一臺立式銑床X8126 的數(shù)控改造試驗。改造中保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng),用步進電機驅(qū)動系統(tǒng)對銑床進行X、Y、Z 三軸數(shù)控改造。此次改造后步進距離是0.001mm/脈沖。

2 數(shù)控基本原理

2.1 數(shù)控系統(tǒng)的工作過程

(1) 把零件加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)等輸入給數(shù)控系統(tǒng)。

(2) 加工程序譯碼與數(shù)據(jù)處理。

(3) 插補。運動軌跡是多軸協(xié)調(diào)運動的結(jié)果,為了實現(xiàn)期望的軌跡,必須控制相關(guān)軸的運動。直接的方法是把各軸的每一步運動情況事先確定好,存入計算機的存儲器,再現(xiàn)軌跡時,根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)來控制各軸。但是這意味著要存儲大量數(shù)據(jù),在實際應用中不現(xiàn)實。實際上,輪廓或運動軌跡一般由直線、圓弧組成,對于一些非圓曲線輪廓則用直線或圓弧去逼近。可以根據(jù)一些少量的基本數(shù)據(jù)(起點和終點即可唯一確定一條直線,圓弧只需要給定起點、終點、半徑及方向即可確定),通過計算,將工件的輪廓或運動軌跡描述出來,邊計算邊根據(jù)計算結(jié)果向各坐標發(fā)出進給指令。這就是插補(Interpolating)的基本思想,即插補計算就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)給定的曲線類型(如直線、圓弧或高次曲線)、起點、終點以及速度,在起點和終點之間進行數(shù)據(jù)點的密化。當然,單軸運動就不存在插補問題。

  數(shù)控系統(tǒng)的插補功能主要由軟件來實現(xiàn),主要有兩類插補算法。一種是脈沖增量插補,它的特點是每次插補運算結(jié)束產(chǎn)生一個進給脈沖;另一種是數(shù)字增量插補,它的特點是插補運算在每個插補周期進行一次,根據(jù)指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。MCX314A 芯片內(nèi)部含有高速高精度的直線和圓弧插補功能。

(4) 伺服控制。將計算機送出的位置進給脈沖或進給速度指令,經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機(步進電機或交、直流伺服電機)的轉(zhuǎn)動,從而帶動工作臺移動。

(5) 刀具補償。在輪廓加工中,當采用不同尺寸的刀具加工同一輪廓工件,或同一名義的刀具因磨損而因此尺寸變化時,為了保證控制精度和編程方便,數(shù)控系統(tǒng)通常應有刀具補償功能。

2.2 數(shù)控加工程序

  符合 ISO-840 國際標準的NC 指令代碼編程是一種較通用的數(shù)控編程方法。常用的指令有準備功能G 代碼、輔助功能M 代碼、主軸速度S 代碼、刀具T 代碼等。數(shù)控程序就是由這些功能代碼和數(shù)據(jù)構(gòu)成。如N0666 G01X20 Y20 F 300 表示直線插補,XY 同時進給到目標點(20,20),速度300mm/min。

  Pro/Engineer、北航海爾CAXA 等CAD/CAM 軟件能夠依據(jù)零件CAD 輪廓生成相應的加工軌跡,生成數(shù)控代碼程序。

3 硬件組成

  如圖 1 所示,基于ARM 和MCX314A 的運動控制器是系統(tǒng)的控制核心。圖2 是接口板和驅(qū)動器的接口圖。MCX314A 輸出的脈沖/方向信號經(jīng)接口板(26AMLS31 變成差動信號)與驅(qū)動器對應的脈沖/方向端子相連。各軸限位開關(guān)信號和原點信號、急停信號經(jīng)接口板光電隔離后連接MCX314A 的nLMTP、nLMTM、Xin0 和EMGN 引腳。


圖 1 改造后的銑床數(shù)控結(jié)構(gòu)圖


圖 2 轉(zhuǎn)接板和步進驅(qū)動器的連接圖

PC 機通過串口與LPC2214 相連,作為數(shù)控加工程序的編程人機界面;在數(shù)控加工時,LPC2214 將MCX314A 各軸的邏輯位置和狀態(tài)反饋給PC。不過,PC 將數(shù)控加工程序下載給運動控制器后,可以脫開,運動控制器具備獨立運行能力。

4 軟件設(shè)計

  利用PC 的良好人機界面和數(shù)據(jù)處理能力,PC 用作數(shù)控編程的人機界面,對數(shù)控程序進行語法檢查,對數(shù)控程序進行預處理。PC 預處理后,將數(shù)控程序下載給運動控制器,LPC2214 將數(shù)控加工程序存入Flash 中。數(shù)控加工時,LPC2214 從Flash 中讀出加工代碼,進行數(shù)控加工程序的譯碼,譯碼完成后調(diào)用API 函數(shù),實現(xiàn)數(shù)控功能。

  上位 PC 作為數(shù)控系統(tǒng)的人機交互界面,完成數(shù)控代碼編輯(或接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序)、語法檢查、代碼預處理功能,并能和運動控制器進行通信,將處理后的數(shù)控代碼參數(shù)上載到控制器,并能接收到控制器的(邏輯)位置反饋和驅(qū)動狀態(tài)信息,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。上位PC 的程序用Visual Basic 開發(fā)完成。

  在已經(jīng)奠定了運動控制器的軟、硬件基礎(chǔ)平臺后,實現(xiàn)數(shù)控應用的關(guān)鍵點在于把數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成對API 函數(shù)的調(diào)用,核心內(nèi)容是進行數(shù)控加工程序的譯碼。


圖 3 數(shù)控加工程序譯碼流程

(1) 數(shù)控加工程序的譯碼。

  定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 CNCcode Buf,將一個數(shù)控代碼行的譯碼結(jié)果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA~GF、MX~MY 組別,以節(jié)省存儲空間,提高譯碼效率。譯碼流程見圖3。
  struct CNCcodeBuf
  {
  short N;//存儲數(shù)控代碼N 后的編號
  int X,Y,Z;//存儲X、Y、Z 代碼后的數(shù)值
  int I,J,K;//存儲I、J、K 代碼后的數(shù)值
  int F;//存儲F 代碼后的數(shù)值
  int S;//存儲S 代碼后的數(shù)值
  short T;//存儲T 代碼后的數(shù)值
  unsigned char GA,GB,GC,GD,GE,GF;//存儲分組后G 代碼的序號
  unsigned char MX,MY,MZ;//存儲分組后M 代碼的序號
  }CNCBuf;

  一行代碼譯碼完成后,代碼數(shù)據(jù)存儲于變量CNCBuf 中,然后需要作的事是將其變換為對API 函數(shù)的調(diào)用。方法是從變量CNCBuf 的成員中讀取G、M 代碼功能號,根據(jù)功能號對應的API 函數(shù)要求逐一完成API 調(diào)用的入口參數(shù)設(shè)置。

(2) 通信。上位PC 將預處理后的數(shù)控代碼程序加幀頭“0xAA55
AA”和幀尾“0x55AA55”后以RS232 方式下載到運動控制器中。通信格式設(shè)為:“38400,E,8,1”。

5 試驗實例

  為了試驗數(shù)控代碼的運行效果,用北航海爾的CAXA 軟件設(shè)計一個“TEST”字符串的加工輪廓(CAXA 軟件自動刀具補償),生成數(shù)控G 代碼PC 對G 代碼預處理后下載到運動控制器中運行。記錄筆記錄的加工軌跡符合設(shè)計的預期輪廓。
  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

本文作者創(chuàng)新點:

  本文將所設(shè)計出的運動控制器應用于經(jīng)濟型數(shù)控銑床的改造中,研究了應用方法,關(guān)鍵在于將數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成對MCX314A 的命令封裝了的API 函數(shù),充分利用MCX314A 自帶的插補功能。

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作者簡介:
  仝瑞陽: (1965-),男,漢族,河南平頂山人,本科,副教授,研究方向: 計算機應用技術(shù)
  邵國金(1959-),男,漢族,河南項城人,副教授,研究方向為計算機應用技術(shù)

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