1.引言
数控车床又称为 CNC车床，即计算机数字控制车床，是目前国内使用量，覆盖面广的一种数控机床，约占数控机床总数的25%，是一种高、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥 了良好的经济效果。
深圳市众为兴数控技术有限公司成立于2002年，成功通过成为ISO-9001企业、深圳市高新技术企业，深圳首批高科技企业；公司总部位于深圳市南山区高新科技产业基地。众为兴公司集技术研发、生产和销售为一体，历经十年的开拓与技术革新，已初步形成运动控制卡、运动控制器、步进伺服电机驱动器、新型数控应用系统与设备，机器视觉、机器人等全系列产品线。
CNC4320控制系统是众为兴数控技术有限公司自主研发的CNC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
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，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。
| 控制轴 | X、Z 两轴 |
| 联动轴 | X、Z 两轴 |
| 坐标值范围 | ±9999.999mm |
| 指令单位 | 0.001mm |
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
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。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，方波，集电极开路，推拉式多种形式，其中TTL为长线差分驱动，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。
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式编码器。
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
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。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
步进电动机有两种定义：可以简单地定义为，根据输入的脉冲信号，每改变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相位置进行定位，实现工件的加工。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。
1.3 驱动控制系统结构和原理
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），也是一个较为重要的的器件！
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
1.4辅助控制系统结构和原理
整个车床控制系统的内部结构如上所述，但是任何的机器都会有过热，过渡磨损的情况，车床一旦过渡磨损就会降低其加工，甚至提前报废，同样车床一旦过热，就会烧坏元器件，降低其加工，严重的，也会导致其提前退役。为了保证车床的正常运转,减少磨损,延长使用寿命,提高加工，普遍的做法是当其过热时，给它喷洒上冷却机油，当它过渡磨损时，给它注入润滑油。这些在车床控制系统中都是由控制器自动控制的，这就是这章的重点：辅助控制系统。
辅助控制系统原理图如下图1.4.1所示：
图1.4.1 辅助控制系统原理图
辅助控制系统由4个部分组成：控制器CNC4320，冷却液喷头，针阀滴油油杯，继电器。
继电器是这一章中着重介绍的辅助控制系统的重要元器件。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统和被控制系统，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
其实物图如图1.4.2所示。
图1.4.2 继电器前视与后视图
1—常闭触电 2—接入点 3—常开触电 4 —电磁铁电源接线柱
此种电磁式继电器原理是：它一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。
CNC4320通过继电器控制冷却液喷头/针阀滴油油杯的开与关自动实现电机的冷却与润滑。
控制器中有关辅助控制系统的指令有1.7 冷却液控制 M08、M09
指令格式：
M08 或 M8；
M09 或 M9；
指令功能：
M08：冷却泵开；
M09：冷却泵关。
系统上电后，M09 有效，即 M08 输出无效。执行 M08，M08 输出有效，冷却泵开；执行 M09，取消M08 输出，冷却泵关。
1.10 润滑液控制 M32、M33
指令格式：
M32；M33；
指令功能：
M32：润滑泵开；
M33：润滑泵关。
系统上电后，M33有效，即 M32 输出无效。执行 M32，M32 输出有效，润滑泵开；执行M33，取消M32输出，润滑泵关。
车床控制系统的整个控制系统的电路原理图如图1.4.3所示：
图1.4.3 控制系统的电路原理图
1.5 指令与功能实现
车床控制系统中的控制器CNC4320的界面如下图1.5.1所示：
图1.5.1 CNC4320的界面
1—键盘 2—菜单 3—控制面板
其机床面板上面的按键的含义如表1.5-a所示：
表1.5-a 机床面板上面的按键的含义
下面是加工举例如下：
加工下图1.5.2所示工件，棒料尺寸为Φ135×178 mm 。
图1.5.1.1 工件坐标系
用 4 把刀加工，具体如下
1.5.1
根据机械加工工艺及本说明书的指令解释，建立图1.5.1.1 所示的工件坐标系，编辑程序如下：
1.6 结论
控制器当然对于这个车床控制系统来说是为重要的，它是系统的，稳定性和较高的控制器才能满足现代化生产的需要。ADT-CNC4320两轴运动控制器成功的实现了对于车床的高控制，性能良好的控制器+性能良好的步进驱动器+性能良好的步进电机使得整个系统性能优良，所以每一个部分对于系统性能同样重要。通过USB接口可以传输文件，程序给CNC4320，这样使得我们可以在PC机上利用专门的CAM或者CAD软件事先编号程序，并且转化为NC代码，然后再传输到控制器上运行，也可以在控制器上即兴编程，比传统的数控设备方便的多。
[1]. ARM7TDMI datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ARM7TDMI_139812.html.
[2]. CPLD datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CPLD_1136600.html.
[3]. TTL datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/TTL_1174409.html.
[4]. PLC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/PLC_1248813.html.
[5]. D1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/D1+_2060593.html.
[6]. M08 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/M08_1977631.html.
免责声明: 凡注明来源本网的所有作品，均为本网合法拥有版权或有权使用的作品，欢迎转载，注明出处。非本网作品均来自互联网，转载目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。
