引言

當今數控技術的發展，提出了網絡化、智能化、開放式的發展趨勢[1]，使簡易數控系統難進新起的教育市場，職業技術教育事業迫切需求高性價比的數控系統。同時，由于要大力推進農村勞動力轉移培訓，促進就業和再就業必須依靠職業教育和培訓。調查表明，我國要成為“世界工廠”，需要培訓和造就數十萬數控技術應用領域的操作人員、編程人員和維修人員。這也進一步強化了教育事業高性價比的數控系統的迫切需求。經濟型數控系統突出體現在它的高性價比上，既緊跟數控技術的發展趨勢，又能充分滿足中國市場的需求。目前，由于中國很多企業存在資金嚴重不足的狀況，所以經濟型數控系統將有大量的需求[2]。

1 運動控制器構成方案

基于 PC 總線的控制器以DSP 作為核心處理器，以PC 機作為信息處理、人機交互和聯網通信平臺，運動控制器以插卡形式嵌入PC 機，即“PC+運動控制器”的模式[3]。將PC 的高效數據處理能力、友好的人機交互、強大的聯網通信功能和開放式的特點與DSP 的高速數據處理功能有機地融合在一起，可以實現更加高級的控制算法、運動規劃、實時插補算法、伺服濾波控制、誤差補償和更復雜的運動學、動力學計算，使控制系統更加高速、平穩、高精度和智能化。采用功能強大的專用ASIC 可以充分利用前人的研究成果，縮短在應用層面的差距，而且可以縮短開發、調試周期、節省人力成本，在客觀上也提高了系統的可靠性。這點非常類似硬件組態和軟件組態的特點和優勢。因此，筆者選用專用運動控制DSP 集成電路來構建運動控制器，它既結合DSP 高速數據處理特性，又發揮了專用ASIC 電路的技術優勢。由于在功能類似的集成電路中MCX314AS 具備使用方便

和性能價格比高的優勢，故選用MCX314AS 作為運動控制器的核心IC。

1.1 運動控制器的設計與實現

運動控制器結構原理如圖1所示。

圖1多軸運動控制器結構框圖

1.2 專用DSP 的功能簡介

專用 DSP 運動控制芯片MCX314AS 是日本NOVA 公司推出的高集成度工業級4 軸（X、Y、Z、U 軸）3 聯運動控制專用DSP 集成電路（144QFPQFP 封裝），能用于步進電機或伺服電機系統的位置、速度和插補控制，可以進行各軸(X 軸、Y 軸、Z 軸、U 軸)獨立的定位控制、速度控制，也可在4 軸中選擇任意的2 軸作圓弧插補、2/3 軸作直線插補，插補精度是±0.5LSB。其還有伺服電機反饋輸入（編碼器信號、在位信號和報警信號）、加/減速驅動、軟硬件限位、自動原點搜索、同步動作、輸入信號濾波等功能[4][5]。

1.3 運動控制器硬件設計

多軸運動控制器的核心是PC 機和兩片高集成度的專用運動控制集成電路MCX314AS。MCX314AS 通過PCI 總線與PC 機相連，通過讀寫MCX314A 內部的寄存器（命令寄存器、數據寄存器、狀態寄存器和模式寄存器）而實現相應的運動控制的功能。

1.3.1 運動控制器的外圍接口電路設計

運動控制器與驅動器、反饋編碼器、限位開關、急停輸入等現場輸入輸出信號的接口電路形式有以下5 種類型。

(1)編碼器信號輸入接口

編碼器反饋的ECA/ECB/ECZ 信號經差動線驅動輸出驅動運動控制器側的高速光耦，輸入給MCX314AS。通過差動傳輸方式有力地抑制編碼傳輸過程中受到的干擾。

(2)限位開關、減速、急停等開關量輸入信號接口

限位開關、減速、在位、報警、急停等開關量輸入信號經過光電耦合隔離后，輸入給MCX314AS引腳。MCX314AS 內部含施密特輸入和積分濾波電路，外部無需再接常規的抗干擾電路。

(3)驅動脈沖輸出接口

MCX314AS 的驅動脈沖輸出信號經差動線驅動器AM26LS31 轉換成差動信號傳輸給電機驅動器。系統復位后nPP 和nPPM 輸出低電平。為適應輸入信號為單端方式的驅動器，設置了跳線，取AM26LS31 的正邏輯輸出端與驅動器連接。通過設置各軸的WR2 寄存器的D6 位將驅動脈沖的輸出模式設置為CW/CCW（正/方向脈沖方式）或PULSE/DIR 方式，以滿足驅動器對輸入信號的要求。

(4)開關量輸出接口

為了提高帶負載能力，將MCX314AS 的各軸開關量輸出信號OUT4 ~7，經過達林頓晶體管陣列電路ULN2803 放大，驅動負載。

(5)模擬量輸出接口

為了與以模擬信號為輸入給定的驅動器接口，將 MCX314AS 的脈沖（含脈沖信號和方向信號）經F/V 轉換模塊轉換成模擬電壓信號-10V～+10V。

1.4 控制器軟件設計

項目軟件系統采用具有良好可重用性與可擴展性特點的組件式設計思想。在主控系統之下將系統劃分為數據管理類、交互信息管理類、預處理類、核心控制類組件等主要組件。根據結構化、模塊化的要求，在WINDOWS 操作系統下，利用VC++編寫API 函數。

1.4.1 COM 組件設計

（1）數據管理類組件包括用戶數據管理、加工數據、知識庫等組件。

（2）交互信息管理類組件包括人機交互、輸入代碼編輯、加工過程實時仿真、實時監控等組件。

（3）預處理類組件包含代碼解釋、刀具補償、位置計算等組件。

（4）核心控制類組件包括插補計算、伺服控制、輸入/輸出等組件。

1.4.2 API 函數設計

以API 函數調用形式，將微控器對MCX314AS 的操作細節進行封裝，使得程序更加結構化、便于移植和維護。API 函數包括運動控制器初始化、單軸驅動、兩軸平面直線插補、3 軸空間直線插補、平面圓弧插補、位置反饋、通用開關量I/O 等。下面列出主要的API 函數的原型。

void InterpXY(int acc0,int startv0,int speed0,long pulseX,long pulseY); //兩軸直線插補

void InterpXYZ(int acc0,int startv0,int speed0,long pulseX,long pulseY,long pulseZ);//3 軸直線插補

void InterpCW(int speed0, long centerX,long centerY,long pluseX, long pusleY); //平面順圓弧插補

void InterpCCW(int speed0, long centerX, long centerY, long pluseX, long pusleY); //平面逆圓插補

void GPIOOUT(unsigned int out); //通用開關量輸出

unsigned int GPIOIN(int axis); //通用開關量輸入

2 經濟型銑床的數控改造

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[6]。將所設計的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，用交流伺服電機驅動系統對銑床進行X、Y、Z 三軸數控改造。

2.1 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。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。這些代碼通過網絡發送給機床進行加工。

2.2 硬件組成

如圖2所示，基于PC 和MCX314AS 的運動控制器是系統的控制核心。MCX314AS 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MCX314AS 的nLMTP、nLMTM、Xin0和EMGN 引腳。

圖2 改造后的銑床數控結構圖

2.3 軟件設計

PC 作為數控系統的人機交互界面，完成數控代碼編輯（或通過網絡接收CAD/CAM 軟件生成的加工程序）、語法檢查、代碼預處理功能，能和運動控制卡進行通信，并能接收到控制卡的（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 C++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進行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。

一行代碼譯碼完成后，代碼數據存儲于變量CNCBuf 中，然后將其變換為對API 函數的調用。

2.4 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效果。

新型數控系統主要技術經濟指標：可靠性高，MTBF 達到10000 小時；性價比高，預計研制的新型數控系統的價格將比現行數控系統的價格低30%以上；數控性能好，（基本數控系統達到）：可控坐標軸：X、Y、Z、A 四軸；聯動軸：直線為X、Y、Z、A 四軸，圓弧為XY、ZX、YZ 任選兩聯軸；脈沖當量：X=0.001mm、Y=0.001mm、Z=0.001mm；最高速度：X、Y、Z=6000mm/min；切削速度：1-3000mm/min；最小輸入單位：0.001mm。

3 結束語

為促進我國數控技術的進一步提高，加速數控技術人才培養的進程，瞄準國際數控技術發展的前沿，首先抓住教育市場，以研制出具有自主知識產權，具有新型、高性價比、經濟實用、高可靠性的數控系統產品為切入點，起點高，速度快，能夠滿足中國市場的需求。