基于ADT-CNC4320運動控制器在車床系統(tǒng)中的實例解析

精品文檔-下載后可編輯基于ADT-CNC4320運動控制器在車床系統(tǒng)中的實例解析1.引言數(shù)控車床又稱為CNC車床，即計算機數(shù)字控制車床，是目前國內(nèi)使用量，覆蓋面廣的一種數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%，是一種高精度、高效率的自動化機床。它具有廣泛的加工藝性能，可加工直線圓柱、斜線圓柱、圓弧和各種螺紋。具有直線插補、圓弧插補各種補償功能，并在復(fù)雜零件的批量生產(chǎn)中發(fā)揮了良好的經(jīng)濟效果。

深圳市眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司成立于2022年，成功通過成為ISO-9001企業(yè)、深圳市高新技術(shù)企業(yè)，深圳首批高科技企業(yè)；公司總部位于深圳市南山區(qū)高新科技產(chǎn)業(yè)基地。眾為興公司集技術(shù)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售為一體，歷經(jīng)十年的開拓與技術(shù)革新，已初步形成運動控制卡、運動控制器、步進伺服電機驅(qū)動器、新型數(shù)控應(yīng)用系統(tǒng)與設(shè)備，機器視覺、機器人等全系列產(chǎn)品線。

CNC4320控制系統(tǒng)是眾為興數(shù)控技術(shù)有限公司自主研發(fā)的CNC系列的一款。

整個CNC4320數(shù)控車床系統(tǒng)實物圖如圖1.1

圖1.1CNC4320數(shù)控車床系統(tǒng)實物圖1—車床控制面板2—主軸3—刀架臺4—車床車身5—兩臺CNC4320控制器6—刀架電機7—導(dǎo)軌

圖1.2控制器硬件平臺

整個CNC4320車床數(shù)控系統(tǒng)，從廣義的控制層次上來說可分為四大部分，驅(qū)動控制系統(tǒng)、主軸控制系統(tǒng)、刀架控制系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng),它們都是以運動控制器CNC4320為部件組成的控制系統(tǒng)，互相聯(lián)系又獨立工作，組成了一個整體，見圖1.2所示。

（1）CNC4320兩軸運動控制器采用嵌入式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部集成有ARM主CPU芯片。此ARM芯片的內(nèi)核是ARM7TDMI內(nèi)核，具有代碼密度高并兼容16位的Thumb指令集，支持很多操作系統(tǒng)，包括WindowsCE、Linux、PalmOS等特點。（2）因為系統(tǒng)的運行會產(chǎn)生大量的變量，堆棧。ARM芯片內(nèi)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，用于程序運行，另外集成256MNANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的數(shù)據(jù)，程序的存儲，還有一些易斷電的，需要長期保存的系統(tǒng)參數(shù)刀具參數(shù)，補償參數(shù)，機床參數(shù)以及數(shù)控加工程序。（3）控制器內(nèi)部集成有兩軸運動控制芯片，內(nèi)部集成有X，Y軸的插補控制模塊，指令/解釋/處理模塊。當(dāng)它接到主ARM芯片傳來的控制指令后，會自動運行其指令，無須占用CPU。是一款能夠同時控制2個伺服馬達或步進馬達的運動控制芯片。它以脈沖串形式輸出，能對伺服馬達或步進馬達進行位置控制、插補驅(qū)動、速度控制等。在對個節(jié)點運動實行插補時,可對第二節(jié)點運動連續(xù)寫入數(shù)據(jù)。在這個過程中插補動作是連續(xù)運行,而不需要中間作任何停頓。CPU數(shù)據(jù)總線長度可選8位/16位，補范圍各個軸-8388607~+8388607，補速度1~4MPPS。（4）CPLD主要用于對圖像，速度，位置等信息的采集、控制、存儲。

其技術(shù)規(guī)格如表1-a所示:

控制軸X、Z兩軸聯(lián)動軸X、Z兩軸坐標(biāo)值范圍±9999.999mm指令單位0.001mm表1-a技術(shù)規(guī)格參數(shù)系統(tǒng)的原理示意如圖1.2所示：圖1.2車床控制系統(tǒng)系統(tǒng)原理輪廓圖

下面我們將著重介紹這四大控制系統(tǒng)的組成、電路連接與原理、指令控制等部分。1.1主軸控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理主軸是車床主要的部件之一，整個機器的性能很大程度上決定于主軸的性能，主軸直接承受切屑力，轉(zhuǎn)速的范圍很大。所以我們引入主軸控制系統(tǒng),利用CNC4320控制器監(jiān)控主軸的轉(zhuǎn)動速度和方向來完成對工件的加工。主軸控制系統(tǒng)由五個部分組成：控制器CNC4320、變頻器、編碼器、主軸電機、主軸。主軸控制系統(tǒng)原理圖如圖1.1.1所示

圖1.1.1主軸控制系統(tǒng)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

編碼器實物圖如圖1.1.3所示

圖1.1.3編碼器實物圖

編碼器分為脈沖編碼器：APC,增量脈沖編碼器：SPC,兩者一般都應(yīng)用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。單路輸出是指旋轉(zhuǎn)編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉(zhuǎn)編碼器輸出兩組相位差90度的脈沖，通過這兩組脈沖不僅可以測量轉(zhuǎn)速，還可以判斷旋轉(zhuǎn)的方向。信號輸出有正弦波，方波，集電極開路，推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅(qū)動，HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設(shè)備接口應(yīng)與編碼器對應(yīng)。信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數(shù)器、PLC、計算機，PLC和計算機連接的模塊有低速模塊與高速模塊之分，開關(guān)頻率有低有高。這里的編碼器同樣是用于速度控制或位置控制系統(tǒng)的檢測元件。它將檢測到的主軸轉(zhuǎn)動的速度和方向的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖反饋給CNC4320控制器，滿足控制器對主軸轉(zhuǎn)動的監(jiān)控的需求。此編碼器采用增量式脈沖編碼器，這樣可以節(jié)省用于編碼的導(dǎo)線個數(shù)，從而可以節(jié)省成本。一般情況下，增量編碼器性能要優(yōu)于式編碼器。

主軸電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能，使機構(gòu)旋轉(zhuǎn)運動的裝置，又稱為主軸控制系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)。其實物圖如圖1.1.4所示。

圖1.1.4主軸電機實物圖1—便于編碼器測速的被動轉(zhuǎn)軸2—履帶3—由主軸電機帶動的主動轉(zhuǎn)軸4—帶動主軸轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)軸

為了便于編碼器測速和反饋給控制器CNC4320，主動和被動轉(zhuǎn)軸的齒輪比例都是按照1：1來設(shè)計的，這樣編碼器的測速就是主軸馬達的轉(zhuǎn)速也是主軸的轉(zhuǎn)速，不用考慮倍率的問題。主軸是用來固定工件，帶動其旋轉(zhuǎn)以便于加工的器件，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

因為我們介紹的是眾為興公司用于試驗檢測的車床，所以在主軸擋板位置沒有實際擋板，這樣便于觀察主軸運行。夾具，顧名思義，用來夾緊工件的機械裝置。為了防止刀架工作臺過渡右移以至脫離導(dǎo)軌[4]，在導(dǎo)軌上還有一個裝置叫尾座。這里的車床因為是試驗檢測用喲，所以沒有裝尾座。主軸轉(zhuǎn)速控制方式：開關(guān)量控制、模擬電壓控制，主軸轉(zhuǎn)速開關(guān)量控制。執(zhí)行S1～S4，S信號2檔（S1～S2）/4檔（S1～S4）開關(guān)量輸出。主軸轉(zhuǎn)速模擬電壓控制：執(zhí)行S0～S9999，輸出0～10V電壓控制主軸轉(zhuǎn)速支持四檔主軸自動換檔（M41～M44）主軸轉(zhuǎn)速倍率：50％～120％八級實時調(diào)節(jié)G96恒線速控制（S給定切削線速度值，單位：米/分）G97取消恒線速控制（S給定主軸轉(zhuǎn)速，單位：轉(zhuǎn)/分）主軸控制系統(tǒng)對應(yīng)的控制指令有：M03、M04、M05指令格式：M03或M3M04或M4；M05或M5。指令功能：M03：主軸正轉(zhuǎn)；M04：主軸反轉(zhuǎn)；M05：主軸停止。系統(tǒng)上電后，M05輸出有效。在M05輸出有效時，執(zhí)行M03或M04，M03或M04輸出有效并保持，同時取消M05的輸出（輸出無效）；M03或M04輸出有效時，執(zhí)行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效并保持。當(dāng)診斷參數(shù)DGN.089、DGN.090（主軸制動輸出時間）不為0時，執(zhí)行M05，輸出主軸制動SPZD脈沖信號（非保持輸出）；主軸制動輸出時間設(shè)置為0時，執(zhí)行M05，不輸出主軸制動SPZD脈沖信號。M03（或M04）輸出有效時，執(zhí)行M04（或M03）將產(chǎn)生報警。1.2刀架控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理數(shù)控刀架是數(shù)控車床的關(guān)鍵配套件，為數(shù)控車床三大功能部件之一。任何系列，各種型號的數(shù)控刀架均采用端齒盤作為刀架定位元件。通過電機或活塞驅(qū)動各種傳動機構(gòu)變換刀具位置，由傳感器將刀架工位號反饋給數(shù)控系統(tǒng)來完成刀具的正確切換。刀架控制系統(tǒng)由九大原件組成：控制器、變壓器、整流板、驅(qū)動器、步進電機、絲杠、刀架電機、刀架臺、繼電器。其中驅(qū)動器我們將有下一章節(jié)驅(qū)動控制系統(tǒng)著重介紹，繼電器將在輔助控制系統(tǒng)中介紹，這一章我們著重介紹步進電機、絲杠整流板在刀架控制系統(tǒng)中的作用。刀架控制原理圖如圖1.2.1所示：圖1.2.1刀架控制原理圖步進電動機有兩種定義：可以簡單地定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變勵磁狀態(tài)就前進一定角度（或長度），若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定位置而靜止的電動機。從廣義上講，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的同步電動機。這里使用的是二相混合式步進電機，利用位移與輸入脈沖信號數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累的特點，組成結(jié)構(gòu)簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，即刀架控制系統(tǒng)驅(qū)動的執(zhí)行部分。實物圖如圖1.2.2所示

圖1.2.2步進電機實物圖

整流板是用來將交流電進行整流，變成直流電以提供給驅(qū)動器使用，其原理為橋式整流電路原理，原理圖如圖1.2.3所示：

圖1.2.3橋式整流電路原理圖

橋式整流電路的工作原理如下：e2為正半周時，對D1、D3和方向電壓，Dl，D3導(dǎo)通；對D2、D4加反向電壓，D2、D4截止。電路中構(gòu)成e2、Dl、Rfz、D3通電回路，在Rfz，上形成上正下負的半波整洗電壓，e2為負半周時，對D2、D4加正向電壓，D2、D4導(dǎo)通；對D1、D3加反向電壓，D1、D3截止。電路中構(gòu)成e2、D2Rfz、D4通電回路，同樣在Rfz上形成上正下負的另外半波的整流電壓。其工作時的電流流向，實物圖如圖1.2.4所示：

圖1.2.4橋式整流電路工作時的電流流向，實物圖

滾珠絲杠是相對于原來的T形螺紋絲杠而言的。其原理就是轉(zhuǎn)動變平動，絲杠轉(zhuǎn)動。螺紋帶動滾珠軸承在桿上滑動。跟絲杠的原理差不多，只是加上滾珠而已。原來絲杠螺紋副轉(zhuǎn)動時摩擦比較劇烈，在內(nèi)螺紋與外螺紋之間加上滾珠后，就變?yōu)闈L動摩擦，改善摩擦條件，從而使摩擦阻力減小為原來的1/50。從而也可使其達到高速運轉(zhuǎn).筆者看到一份資料顯示現(xiàn)在的絲杠允許速度達到了200m/min.直追直線電機，，是由日本生產(chǎn)，其原理大致是在螺帽和絲杠之間放入滾珠，然后在螺帽上加入返向器,使?jié)L珠在里循環(huán)滾動。其實物圖如圖所示：圖1.2.5滾珠絲杠實物圖這里步進電機帶動滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，對刀架臺X，Z相位置進行定位，實現(xiàn)工件的加工。控制器中有關(guān)刀架控制系統(tǒng)的指令主要有T指令，其指令格式如下：指令功能：自動刀架換刀到目標(biāo)刀具號刀位，并按指令的刀具偏置號對應(yīng)的刀具偏置執(zhí)行刀具長度補償。刀具偏置號可以和刀具號相同，也可以不同，即一把刀具可以對應(yīng)多個偏置號。對應(yīng)刀具偏置號為00的刀具偏置為X=0、Z=0，系統(tǒng)為無刀具補償狀態(tài)，即：系統(tǒng)的坐標(biāo)偏移為0（未進行坐標(biāo)偏移）。在執(zhí)行了刀具長度補償后，執(zhí)行T□□00，系統(tǒng)將按當(dāng)前的刀具偏置反向偏移系統(tǒng)坐標(biāo)，系統(tǒng)由已執(zhí)行刀具長度補償狀態(tài)改變?yōu)槲囱a償狀態(tài)，顯示的刀具偏置號為00這個過程稱為取消刀具長度補償，簡稱：取消刀補。如：T0101表示選擇1號刀并執(zhí)行1號刀偏；T0102表示選擇1號刀并執(zhí)行2號刀偏；T0301表示選擇3號刀并執(zhí)行1號刀偏。1.3驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理驅(qū)動器可以將控制器輸入的低電壓轉(zhuǎn)化為步進電機需要的高電壓輸出，它的作用是接收控制器CNC4320的控制指令即脈沖信號驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（及步進角），也是一個較為重要的的器件！驅(qū)動器Q2BYG2245AM的實物圖如圖1.3.1所示。

圖1.3.1驅(qū)動器的正視和俯視實物圖

驅(qū)動控制系統(tǒng)的原理圖如圖1.3.2所示。圖1.3.2驅(qū)動控制系統(tǒng)的原理圖CNC4320控制器有關(guān)驅(qū)動器的指令有很多部分如下表1.3-a。表1.3-a1.4輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理整個車床控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如上所述，但是任何的機器都會有過熱，過渡磨損的情況，車床一旦過渡磨損就會降低其加工精度，甚至提前報廢，同樣車床一旦過熱，就會燒壞元器件，降低其加工精度，嚴(yán)重的，也會導(dǎo)致其提前退役。為了保證車床的正常運轉(zhuǎn),減少磨損,延長使用壽命,提高加工精度，普遍的做法是當(dāng)其過熱時，給它噴灑上冷卻機油，當(dāng)它過渡磨損時，給它注入潤滑油。這些在車床控制系統(tǒng)中都是由控制器自動控制的，這就是這章的重點：輔助控制系統(tǒng)。輔助控制系統(tǒng)原理圖如下圖1.4.1所示：圖1.4.1輔助控制系統(tǒng)原理圖輔助控制系統(tǒng)由4個部分組成：控制器CNC4320，冷卻液噴頭，針閥滴油油杯，繼電器。繼電器是這一章中著重介紹的輔助控制系統(tǒng)的重要元器件。繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)和被控制系統(tǒng)，通常應(yīng)用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用。其實物圖如圖1.4.2所示。圖1.4.2繼電器前視與后視圖1—常閉觸電2—接入點3—常開觸電4—電磁鐵電源接線柱此種電磁式繼電器原理是：它一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點與靜觸點（常開觸點）吸合。當(dāng)線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點與原來的靜觸點（常閉觸點）吸合。這樣吸合、釋放，從而達到了在電路中的導(dǎo)通、切斷的目的。CNC4320通過繼電器控制冷卻液噴頭/針閥滴油油杯的開與關(guān)自動實現(xiàn)電機的冷卻與潤滑?？刂破髦杏嘘P(guān)輔助控制系統(tǒng)的指令有1.7冷卻液控制M08、M09指令格式：M08或M8；M09或M9；指令功能：M08：冷卻泵開；M09：冷卻泵關(guān)。系統(tǒng)上電后，M09有效，即M08輸出無效。執(zhí)行M08，M08輸出有效，冷卻泵開；執(zhí)行M09，取消M08輸出，冷卻泵關(guān)。1.10潤滑液控制M32、M33指令格式：M32；M33；指令功能：M32：潤滑泵開；M33：潤滑泵關(guān)。系統(tǒng)上電后，M33有效，即M32輸出無效。執(zhí)行M32，M32輸出有效，潤滑泵開；執(zhí)行M33，取消M32輸出，潤滑泵關(guān)。車床控制系統(tǒng)的整個控制系統(tǒng)的電路原理圖如圖1.4.3所示：圖1.4.3控制系統(tǒng)的電路原理圖1.5指令與功能實現(xiàn)車床控制系統(tǒng)中的控制器CNC4320的界面如下圖1.5.1所示：圖1.5.1CNC4320的界面1—鍵盤2—菜單3—控制面板其機床面板上面的按鍵的含義如表1.5-a所示：表1.5-a機床面板上面