1.引言
數控車床是數字程序控制車床的簡稱，它集通用性好的萬能型車床、加工精度高的精密型車床和加工效率高的專用型車床的特點于一身，是國內使用量最大，覆蓋面最廣的一種數控機床。要學好數控車床理論和操作，就必須勤學苦練，從平面幾何，三角函數，機械制圖，普通車床的工藝和操作等方面打好基礎。

眾為興數控技術有限公司是一家研發與應用運動控制技術產品的公司，自主研發了國內首款嵌入式運動控制器及配套系統軟件，形成了以運動控制卡、運動控制器、步進電機和驅動器等為主的全系列的數控產品線，這些產品廣泛應用于國防、科研、教學和工業等各個領域。

CNC4320控制系統是眾為興數控技術有限公司自主研發的CNC（Computer Numerical Controller）系列的一款。

整個CNC4320數控車床系統實物圖如圖1.1

圖1.1 CNC4320數控車床系統實物圖
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—導軌

隨著電子信息自動化技術的發展，為了提高生產效率，出現了數控車床的自動進給[3]即自動換料，自動送料技術，過去依靠人工換料、送料的時代已一去不復返。現在，主要依靠自動化傳送料，原料傳送的自動化減少了人為操作的失誤，降低了危險性，使得生產過程更加簡單方便，更加符合流水線式生產的現代化要求。

圖1.2 控制器硬件平臺

整個CNC4320車床數控系統，從廣義的控制層次上來說可分為四大部分，驅動控制系統、主軸控制系統、刀架控制系統、輔助控制系統,它們都是以運動控制器CNC4320為核心部件組成的控制系統，互相聯系又獨立工作，組成了一個整體，即車床控制系統，兩軸運動控制器硬件平臺見圖1.2所示。

（1）CNC4320兩軸運動控制器采用嵌入式結構，其內部集成有ARM主CPU芯片。此ARM芯片的內核是ARM7TDMI內核，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，包括Windows CE、Linux、Palm OS等特點。

（2）因為系統的運行會產生大量的變量，堆棧。ARM芯片內部集成有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256M NANDFLASH，2MNORFLASH，用于重要的數據，程序的存儲，還有一些易斷電的，需要長期保存的系統參數刀具參數，補償參數，機床參數以及數控加工程序。

（3）控制器內部集成有兩軸運動控制芯片，內部集成有X，Y軸的插補控制模塊，指令/解釋/處理模塊。當它接到主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、插補驅動、速度控制等。在對第一個節點運動實行插補時, 可對第二節點運動連續寫入數據。在這個過程中插補動作是連續運行, 而不需要中間作任何停頓。CPU數據總線長度可選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。
該控制器采用320*240點陣式液晶+按鍵屏，32位嵌入式CPU，超大規模FPGA編程，運用實時多任務控制技術實現μm級精度運動控制。X、Z二軸聯動、USB和RS232通訊方式，支持CNC與PC，系統軟件可通訊升級。
其技術規格如表1-a所示:
 

控制軸	X、Z 兩軸
聯動軸	X、Z 兩軸
坐標值范圍	±9999.999mm
最小指令單位	0.001mm

表1-a 技術規格參數

系統的原理示意如圖1.2所示：

圖1.2 車床控制系統系統原理輪廓圖

下面我們將著重介紹這四大控制系統的組成、電路連接與原理、指令控制等部分。

1.1主軸控制系統結構和原理

主軸是車床最主要的部件之一，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，轉速的范圍很大。所以我們引入主軸控制系統,利用CNC4320控制器監控主軸的轉動速度和方向來完成對工件的精確加工。主軸控制系統由五個部分組成：控制器CNC4320、變頻器、編碼器、主軸電機、主軸。

主軸控制系統原理圖如圖1.1.1所示

圖1.1.1 主軸控制系統原理圖

變頻器實物圖如圖1.1.2所示

圖1.1.2 變頻器實物圖

其變頻原理是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。我們現在使用的變頻器主要采用交—直—交方式（VVVF變頻或矢量控制變頻），先把工頻交流電源通過整流器轉換成直流電源，然后再把直流電源轉換成頻率、電壓均可控制的交流電源以供給電動機。變頻器的電路一般由整流、中間直流環節、逆變和控制4個部分組成。整流部分為三相橋式不可控整流器，逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率。

編碼器實物圖如圖1.1.3所示

圖1.1.3 編碼器實物圖

編碼器分為絕對脈沖編碼器：APC ,增量脈沖編碼器：SPC ,兩者一般都應用于速度控制或位置控制系統的檢測元件。旋轉編碼器是用來測量轉速的裝置。它分為單路輸出和雙路輸出兩種。技術參數主要有每轉脈沖數（幾十個到幾千個都有），和供電電壓等。單路輸出是指旋轉編碼器的輸出是一組脈沖，而雙路輸出的旋轉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速，還可以判斷旋轉的方向。 信號輸出有正弦波（電流或電壓）,方波（TTL、HTL）,集電極開路（PNP、NPN）,推拉式多種形式，其中TTL為長線差分驅動（對稱A,A-;B,B-;Z,Z-）,HTL也稱推拉式、推挽式輸出，編碼器的信號接收設備接口應與編碼器對應。 信號連接—編碼器的脈沖信號一般連接計數器、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，開關頻率有低有高。 如單相聯接，用于單方向計數，單方向測速。 A.B兩相聯接，用于正反向計數、判斷正反向和測速。 #p#分頁標題#e#

這里的編碼器同樣是用于速度控制或位置控制系統的檢測元件。它將檢測到的主軸轉動的速度和方向的模擬量轉化為數字脈沖反饋給CNC4320控制器，滿足控制器對主軸轉動的監控的需求。此編碼器采用增量式脈沖編碼器，這樣可以節省用于編碼的導線個數，從而可以節省成本。一般情況下，增量編碼器性能要優于絕對式編碼器。所以，大多數時候，車床控制系統都采用增量式編碼器。

主軸電機是將電能轉化為機械能，使機構旋轉運動的裝置，又稱為主軸控制系統的執行機構。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軸 2—履帶 3—由主軸電機帶動的主動轉軸 4—帶動主軸轉動的轉軸


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

主軸孔是可以用主軸扳手手動夾緊工件的內螺紋。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軌[4]，在導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。

主軸轉速控制方式：開關量控制、模擬電壓控制，主軸轉速開關量控制。執行 S1～S4，S 信號 2 檔（S1～S2）/4 檔（S1～S4）開關量輸出。主軸轉速模擬電壓控制：執行 S0～S9999，輸出 0～10V 電壓控制主軸轉速支持四檔主軸自動換檔（M41～M44）主軸轉速倍率：50％～120％八級實時調節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 給定主軸轉速，單位：轉/分）

主軸控制系統對應的控制指令有： M03、M04、M05
指令格式：
M03或M3
M04或M4；
M05或 M5。

指令功能：
M03：主軸正轉；
M04：主軸反轉；
M05：主軸停止。

系統上電后，M05輸出有效。在M05輸出有效時，執行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，執行M05，取消M03或M04的輸出，M05輸出有效并保持。

當診斷參數DGN.089、DGN.090（主軸制動輸出時間）不為0時，執行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置為0時，執行M05，不輸出主軸制動SPZD脈沖信號。M03（或M04）輸出有效時，執行M04（或M03）將產生報警。