1.引言

　　数控车床是数字程序控制车床的简称，它集通用性好的万能型车床、加工精度高的精密型车床和加工效率高的专用型车床的特点于一身，是国内使用量最大，覆盖面最广的一种数控机床。要学好数控车床理论和操作，就必须勤学苦练，从平面几何，三角函数，机械制图，普通车床的工艺和操作等方面打好基础。

　　众为兴数控技术有限公司是一家研发与应用运动控制技术产品的公司，自主研发了国内首款嵌入式运动控制器及配套系统软件，形成了以运动控制卡、运动控制器、步进电机和驱动器等为主的全系列的数控产品线，这些产品广泛应用于国防、科研、教学和工业等各个领域。

　　CNC4320控制系统是众为兴数控技术有限公司自主研发的CNC（Computer Numerical Controller）系列的一款。

　　整个CNC4320数控车床系统实物图如图1.1

图1.1 CNC4320数控车床系统实物图
1—车床控制面板 2—主轴 3—刀架台 4—车床车身 5—两台CNC4320控制器 6—刀架电机 7—导轨

　　随着电子信息自动化技术的发展，为了提高生产效率，出现了数控车床的自动进给[3]即自动换料，自动送料技术，过去依靠人工换料、送料的时代已一去不复返。现在，主要依靠自动化传送料，原料传送的自动化减少了人为操作的失误，降低了危险性，使得生产过程更加简单方便，更加符合流水线式生产的现代化要求。

图1.2 控制器硬件平台

　　整个CNC4320车床数控系统，从广义的控制层次上来说可分为四大部分，驱动控制系统、主轴控制系统、刀架控制系统、辅助控制系统,它们都是以运动控制器CNC4320为核心部件组成的控制系统，互相联系又独立工作，组成了一个整体，即车床控制系统，两轴运动控制器硬件平台见图1.2所示。

　　（1）CNC4320两轴运动控制器采用嵌入式结构，其内部集成有ARM主CPU芯片。此ARM芯片的内核是ARM7TDMI内核，具有代码密度高并兼容16位的Thumb指令集，支持很多操作系统，包括Windows CE、Linux、Palm OS等特点。

　　（2）因为系统的运行会产生大量的变量，堆栈。ARM芯片内部集成有16K的SARAM，但是不能满足如此大容量的运行。所以在外部扩展了8M的 SDRAM，用于程序运行，另外集成256M NANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的数据，程序的存储，还有一些易断电的，需要长期保存的系统参数刀具参数，补偿参数，机床参数以及数控加工程序。

　　（3）控制器内部集成有两轴运动控制芯片，内部集成有X，Y轴的插补控制模块，指令/解释/处理模块。当它接到主ARM芯片传来的控制指令后，会自动运行其指令，无须占用CPU。是一款能够同时控制2个伺服马达或步进马达的运动控制芯片。它以脉冲串形式输出，能对伺服马达或步进马达进行位置控制、插补驱动、速度控制等。在对第一个节点运动实行插补时, 可对第二节点运动连续写入数据。在这个过程中插补动作是连续运行, 而不需要中间作任何停顿。CPU 数据总线长度可选8位/16位，补范围 各个轴-8388607～+8388607，补速度1～4MPPS。

　　（4）CPLD主要用于对图像，速度，位置等信息的采集、控制、存储。

　　该控制器采用320＊240点阵式液晶+按键屏，32位嵌入式CPU，超大规模FPGA编程，运用实时多任务控制技术实现μm级精度运动控制。X、Z二轴联动、USB和RS232通讯方式，支持CNC与PC，系统软件可通讯升级。

　　其技术规格如表1-a所示:
　　表1-a 技术规格参数
 

系统的原理示意如图1.2所示：

图1.2 车床控制系统系统原理轮廓图

　　下面我们将着重介绍这四大控制系统的组成、电路连接与原理、指令控制等部分。

　　1.1主轴控制系统结构和原理

　　主轴是车床最主要的部件之一，整个机器的性能很大程度上决定于主轴的性能，主轴直接承受切屑力，转速的范围很大。所以我们引入主轴控制系统,利用 CNC4320控制器监控主轴的转动速度和方向来完成对工件的精确加工。主轴控制系统由五个部分组成：控制器CNC4320、变频器、编码器、主轴电机、主轴。

　　主轴控制系统原理图如图1.1.1所示

图1.1.1 主轴控制系统原理图

　　变频器实物图如图1.1.2所示

图1.1.2 变频器实物图

　　其变频原理是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。我们现在使用的变频器主要采用交—直—交方式（VVVF变频或矢量控制变频），先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源，然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。变频器的电路一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。整流部分为三相桥式不可控整流器，逆变部分为IGBT三相桥式逆变器，且输出为PWM波形，中间直流环节为滤波、直流储能和缓冲无功功率。

　　编码器实物图如图1.1.3所示

图1.1.3 编码器实物图

　　编码器分为绝对脉冲编码器：APC ,增量脉冲编码器：SPC ,两者一般都应用于速度控制或位置控制系统的检测元件。旋转编码器是用来测量转速的装置。它分为单路输出和双路输出两种。技术参数主要有每转脉冲数（几十个到几千个都有），和供电电压等。单路输出是指旋转编码器的输出是一组脉冲，而双路输出的旋转编码器输出两组相位差90度的脉冲，通过这两组脉冲不仅可以测量转速，还可以判断旋转的方向。 信号输出有正弦波（电流或电压）,方波（TTL、 HTL）,集电极开路（PNP、NPN）,推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动（对称A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也称推拉式、推挽式输出，编码器的信号接收设备接口应与编码器对应。 信号连接—编码器的脉冲信号一般连接计数器、PLC、计算机，PLC和计算机连接的模块有低速模块与高速模块之分，开关频率有低有高。 如单相联接，用于单方向计数，单方向测速。 A.B两相联接，用于正反向计数、判断正反向和测速。

　　这里的编码器同样是用于速度控制或位置控制系统的检测元件。它将检测到的主轴转动的速度和方向的模拟量转化为数字脉冲反馈给CNC4320控制器，满足控制器对主轴转动的监控的需求。此编码器采用增量式脉冲编码器，这样可以节省用于编码的导线个数，从而可以节省成本。一般情况下，增量编码器性能要优于绝对式编码器。所以，大多数时候，车床控制系统都采用增量式编码器。#p#分页标题#e#

　　主轴电机是将电能转化为机械能，使机构旋转运动的装置，又称为主轴控制系统的执行机构。其实物图如图1.1.4所示。

图1.1.4 主轴电机实物图

　　1—便于编码器测速的被动转轴 2—履带 3—由主轴电机带动的主动转轴 4—带动主轴转动的转轴

　　为了便于编码器测速和反馈给控制器CNC4320，主动和被动转轴的齿轮比例都是按照1：1来设计的，这样编码器的测速就是主轴马达的转速也是主轴的转速，不用考虑倍率的问题。

　　主轴是用来固定工件，带动其旋转以便于加工的器件，其实物图如下图1.1.5所示。

图1.1.5 主轴实物图
1—主轴孔 2—主轴挡板 3—夹具

　　主轴孔是可以用主轴扳手手动夹紧工件的内螺纹。因为我们介绍的是众为兴公司用于试验检测的车床，所以在主轴挡板位置没有实际挡板，这样便于观察主轴运行。夹具，顾名思义，用来夹紧工件的机械装置。为了防止刀架工作台过渡右移以至脱离导轨[4]，在导轨上还有一个装置叫尾座。这里的车床因为是试验检测用哟，所以没有装尾座。

　　主轴转速控制方式：开关量控制、模拟电压控制，主轴转速开关量控制。执行 S1～S4，S 信号 2 档（S1～S2）/4 档（S1～S4）开关量输出。主轴转速模拟电压控制：执行 S0～S9999，输出 0～10V 电压控制主轴转速支持四档主轴自动换档（M41～M44）主轴转速倍率：50%～120%八级实时调节G96 恒线速控制（S 给定切削线速度值，单位：米/分）G97 取消恒线速控制（S 给定主轴转速，单位：转/分）

　　主轴控制系统对应的控制指令有： M03、M04、M05

　　指令格式：

　　M03或M3

　　M04或M4;

　　M05或 M5。

　　指令功能：

　　M03：主轴正转;

　　M04：主轴反转;

　　M05：主轴停止。

　　系统上电后，M05输出有效。在M05输出有效时，执行M03或M04，M03或M04输出有效并保持，同时取消M05的输出（输出无效）;M03或M04输出有效时，执行M05，取消M03或M04的输出，M05输出有效并保持。

　　当诊断参数DGN.089、DGN.090（主轴制动输出时间）不为0时，执行M05，输出主轴制动SPZD脉冲信号（非保持输出）;主轴制动输出时间设置为0时，执行M05，不输出主轴制动SPZD脉冲信号。M03（或M04）输出有效时，执行M04（或M03）将产生报警。

　　1.2刀架控制系统结构和原理

　　数控刀架是数控车床的关键配套件，为数控车床三大功能部件之一。通过它来实现数控车床刀具的自动切换。任何系列，各种型号的数控刀架均采用端齿盘作为刀架定位元件。通过电机或活塞驱动各种传动机构变换刀具位置，由传感器将刀架工位号反馈给数控系统来完成刀具的正确切换。

　　刀架控制系统由九大原件组成：控制器、变压器、整流板、驱动器、步进电机、丝杠、刀架电机、刀架台、继电器。其中驱动器我们将有下一章节驱动控制系统着重介绍，继电器将在辅助控制系统中介绍，这一章我们着重介绍步进电机、丝杠整流板在刀架控制系统中的作用。

　　刀架控制原理图如图1.2.1所示：

图1.2.1 刀架控制原理图

　　步进电机又称脉冲电动机或阶跃电动机，国外一般称为Step motor或Stepping motor、Stepper，等等。就传统的步进电动机来说，步进电动机可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度（或长度），若不改变励磁状态则保持一定位置而静止的电动机。从广义上讲，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的同步电动机。

　　这里使用的是二相混合式步进电机，利用位移与输入脉冲信号数相对应，步距误差不长期积累的特点，组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，即刀架控制系统驱动的执行部分。实物图如图1.2.2所示

图1.2.2 步进电机实物图

　　整流板是用来将交流电进行整流，变成直流电以提供给驱动器使用，其原理为桥式整流电路原理，原理图如图1.2.3所示：

图1.2.3 桥式整流电路原理图

　　桥式整流电路的工作原理如下：e2 为正半周时，对D1 、D3 和方向电压，Dl，D3 导通;对D2 、D4 加反向电压，D2 、D4 截止。电路中构成e2 、Dl、Rfz 、D3 通电回路，在Rfz ，上形成上正下负的半波整洗电压，e2 为负半周时，对D2 、D4 加正向电压，D2 、D4 导通;对D1 、D3 加反向电压，D1 、D3 截止。电路中构成e2 、D2 Rfz 、D4 通电回路，同样在Rfz 上形成上正下负的另外半波的整流电压。

　　其工作时的电流流向，实物图如图1.2.4所示：

图1.2.4 桥式整流电路工作时的电流流向，实物图

　　滚珠丝杠是相对于原来的T形螺纹丝杠而言的。其原理就是转动变平动，丝杠转动。螺纹带动滚珠轴承在杆上滑动。跟丝杠的原理差不多，只是加上滚珠而已。原来丝杠螺纹副转动时摩擦比较剧烈，在内螺纹与外螺纹之间加上滚珠后，就变为滚动摩擦，改善摩擦条件，从而使摩擦阻力减小为原来的1/50。从而也可使其达到高速运转.笔者看到一份资料显示现在最高的丝杠允许速度达到了200m/min.直追直线电机，，是由日本生产，其原理大致是在螺帽和丝杠之间放入滚珠，然后在螺帽上加入返向器,使滚珠在里循环滚动。

　　其实物图如图所示：

图1.2.5 滚珠丝杠实物图

　　这里步进电机带动滚珠丝杠旋转，对刀架台X，Z相位置进行精确定位，实现工件的精确加工。控制器中有关刀架控制系统的指令主要有T指令，其指令格式如下：

　　指令功能：自动刀架换刀到目标刀具号刀位，并按指令的刀具偏置号对应的刀具偏置执行刀具长度补偿。 刀具偏置号可以和刀具号相同，也可以不同，即一把刀具可以对应多个偏置号。对应刀具偏 置号为 00 的刀具偏置为 X=0、Z=0，系统为无刀具补偿状态，即：系统的坐标偏移为 0（未 进行坐标偏移）。在执行了刀具长度补偿后，执行 T□□00，系统将按当前的刀具偏置反向 偏移系统坐标，系统由已执行刀具长度补偿状态改变为未补偿状态，显示的刀具偏置号为 00 这个过程称为取消刀具长度补偿，简称：取消刀补。如：T0101表示选择1号刀并执行1号刀偏;T0102表示选择1号刀并执行2号刀偏;T0301表示选择3号刀并执行1号刀偏。#p#分页标题#e#

　　1.3 驱动控制系统结构和原理

　　相信大家在看了上一章节的刀架控制系统后一定会注意到这样的一个器件：驱动器。这就是我们这一章节重点介绍的驱动控制系统的一个主要元器件。驱动器可以将控制器输入的低电压转化为步进电机需要的高电压输出，它的作用是接收控制器CNC4320的控制指令即脉冲信号驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。

　　驱动器Q2BYG2245AM的实物图如图1.3.1所示。
 

图1.3.1 驱动器的正视和俯视实物图

　　驱动控制系统的原理图如图1.3.2所示。
 

图1.3.2 驱动控制系统的原理图

　　CNC4320控制器有关驱动器的指令有很多部分如下表1.3-a。

　　表1.3-a
 

　　其实大部分指令都与驱动器有关，因为是它驱动刀架台在X，Z 轴的前后左右的运动。