摘要：本文研究了運動控制器應用于銑床數控改造的應用方法。首先介紹了數控系統的工作過程，然后重點分析了其硬件組成與軟件設計，并通過試驗實現了數控代碼的預期功能，表明該通用嵌入式的運動控制器應用于經濟型數控機床改造是可行的，具有廣闊的前景。
關鍵字：銑床；運動控制器；嵌入式；數控

1 引言

數控機床可以實現加工的自動化，比傳統機床提高了生產效率，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 的數控改造試驗。改造中保留了原有的主軸系統和冷卻系統，用步進電機驅動系統對銑床進行X、Y、Z 三軸數控改造。此次改造后步進距離是0.001mm/脈沖。

2 數控基本原理

2.1 數控系統的工作過程

(1) 把零件加工程序、控制參數和補償數據等輸入給數控系統。

(2) 加工程序譯碼與數據處理。

(3) 插補。運動軌跡是多軸協調運動的結果，為了實現期望的軌跡，必須控制相關軸的運動。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，再現軌跡時，根據存儲的數據來控制各軸。但是這意味著要存儲大量數據，在實際應用中不現實。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。可以根據一些少量的基本數據(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，邊計算邊根據計算結果向各坐標發出進給指令。這就是插補(Interpolating)的基本思想，即插補計算就是數控系統根據給定的曲線類型(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據點的密化。當然，單軸運動就不存在插補問題。

數控系統的插補功能主要由軟件來實現，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束產生一個進給脈沖;另一種是數字增量插補，它的特點是插補運算在每個插補周期進行一次，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。MCX314A 芯片內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，經變換和放大后轉化為伺服電機(步進電機或交、直流伺服電機)的轉動，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，數控系統通常應有刀具補償功能。

2.2 數控加工程序

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。數控程序就是由這些功能代碼和數據構成。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 軟件能夠依據零件CAD 輪廓生成相應的加工軌跡，生成數控代碼程序。

3 硬件組成

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

圖 1 改造后的銑床數控結構圖

圖 2 轉接板和步進驅動器的連接圖
PC 機通過串口與LPC2214 相連，作為數控加工程序的編程人機界面;在數控加工時，LPC2214 將MCX314A 各軸的邏輯位置和狀態反饋給PC。不過，PC 將數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 軟件設計

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

上位 PC 作為數控系統的人機交互界面，完成數控代碼編輯(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，將處理后的數控代碼參數上載到控制器，并能接收到控制器的(邏輯)位置反饋和驅動狀態信息，實現對整個系統的監控。上位PC 的程序用Visual Basic 開發完成。

在已經奠定了運動控制器的軟、硬件基礎平臺后，實現數控應用的關鍵點在于把數控代碼轉換成對API 函數的調用，核心內容是進行數控加工程序的譯碼。

圖 3 數控加工程序譯碼流程
(1) 數控加工程序的譯碼。

定義一個數據結構體 CNCcodeBuf，將一個數控代碼行的譯碼結果存入其中。將G 代碼和M 代碼分為GA～GF、MX～MY 組別，以節省存儲空間，提高譯碼效率。譯碼流程見圖3。

struct CNCcodeBuf
{
short N;//存儲數控代碼N 后的編號
int X,Y,Z;//存儲X、Y、Z 代碼后的數值
int I,J,K;//存儲I、J、K 代碼后的數值
int F;//存儲F 代碼后的數值
int S;//存儲S 代碼后的數值
short T;//存儲T 代碼后的數值
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，代碼數據存儲于變量CNCBuf 中，然后需要作的事是將其變換為對API 函數的調用。方法是從變量CNCBuf 的成員中讀取G、M 代碼功能號，根據功能號對應的API 函數要求逐一完成API 調用的入口參數設置。

(2) 通信。上位PC 將預處理后的數控代碼程序加幀頭“0xAA55AA”和幀尾“0x55AA55”后以RS232 方式下載到運動控制器中。通信格式設為:“38400,E,8,1”。

5 試驗實例

為了試驗數控代碼的運行效果，用北航海爾的CAXA 軟件設計一個“TEST”字符串的加工輪廓(CAXA 軟件自動刀具補償)，生成數控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計的預期輪廓。