本文將通用嵌入式運動控制器用于一臺立式銑床x8126 的數(shù)控改造試驗。改造中保留了原有的主軸系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，用步進(jìn)電機驅(qū)動系統(tǒng)對銑床進(jìn)行x、y、z 三軸數(shù)控改造。此次改造后步進(jìn)距離是0.001mm/脈沖。
2 數(shù)控基本原理
2.1 數(shù)控系統(tǒng)的工作過程
（1） 把零件加工程序、控制參數(shù)和補償數(shù)據(jù)等輸入給數(shù)控系統(tǒng)。
（2） 加工程序譯碼與數(shù)據(jù)處理。
（3） 插補。運動軌跡是多軸協(xié)調(diào)運動的結(jié)果，為了實現(xiàn)期望的軌跡，必須控制相關(guān)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(xiàn)軌跡時，根據(jù)存儲的數(shù)據(jù)來控制各軸。但是這意味著要存儲大量數(shù)據(jù)，在實際應(yīng)用中不現(xiàn)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?？梢愿鶕?jù)一些少量的基本數(shù)據(jù)（起點和終點即可*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(jù)計算結(jié)果向各坐標(biāo)發(fā)出進(jìn)給指令。這就是插補（interpolating）的基本思想，即插補計算就是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)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(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化。當(dāng)然，單軸運動就不存在插補問題。
數(shù)控系統(tǒng)的插補功能主要由軟件來實現(xiàn)，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(jié)束產(chǎn)生一個進(jìn)給脈沖;另一種是數(shù)字增量插補，它的特點是插補運算在每個插補周期進(jìn)行一次，根據(jù)指令進(jìn)給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。mcx314a 芯片內(nèi)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(jìn)給脈沖或進(jìn)給速度指令，經(jīng)變換和放大后轉(zhuǎn)化為伺服電機（步進(jìn)電機或交、直流伺服電機）的轉(zhuǎn)動，從而帶動工作臺移動。
（5） 刀具補償。在輪廓加工中，當(dāng)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(shù)控系統(tǒng)通常應(yīng)有刀具補償功能。
2.2 數(shù)控加工程序
符合 iso－840 標(biāo)準(zhǔn)的nc 指令代碼編程是一種較通用的數(shù)控編程方法。常用的指令有準(zhǔn)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(shù)控程序就是由這些功能代碼和數(shù)據(jù)構(gòu)成。如n0666 g01x20 y20 f 300 表示直線插補，xy 同時進(jìn)給到目標(biāo)點（20，20），速度300mm/min。
pro/engineer、北航海爾caxa 等cad/cam 軟件能夠依據(jù)零件cad 輪廓生成相應(yīng)的加工軌跡，生成數(shù)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(tǒng)的控制核心。圖2 是接口板和驅(qū)動器的接口圖。mcx314a 輸出的脈沖/方向信號經(jīng)接口板（26amls31 變成差動信號）與驅(qū)動器對應(yīng)的脈沖/方向端子相連。各軸限位開關(guān)信號和原點信號、急停信號經(jīng)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(shù)控結(jié)構(gòu)圖
圖 2 轉(zhuǎn)接板和步進(jìn)驅(qū)動器的連接圖
pc 機通過串口與lpc2214 相連，作為數(shù)控加工程序的編程人機界面;在數(shù)控加工時，lpc2214 將mcx314a 各軸的邏輯位置和狀態(tài)反饋給pc。不過，pc 將數(shù)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(shè)計
利用pc 的良好人機界面和數(shù)據(jù)處理能力，pc 用作數(shù)控編程的人機界面，對數(shù)控程序進(jìn)行語法檢查，對數(shù)控程序進(jìn)行預(yù)處理。pc 預(yù)處理后，將數(shù)控程序下載給運動控制器，lpc2214 將數(shù)控加工程序存入flash 中。數(shù)控加工時，lpc2214 從flash 中讀出加工代碼，進(jìn)行數(shù)控加工程序的譯碼，譯碼完成后調(diào)用api 函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)控功能。
上位 pc 作為數(shù)控系統(tǒng)的人機交互界面，完成數(shù)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(yù)處理功能，并能和運動控制器進(jìn)行通信，將處理后的數(shù)控代碼參數(shù)上載到控制器，并能接收到控制器的（邏輯）位置反饋和驅(qū)動狀態(tài)信息，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)控。上位pc 的程序用visual basic 開發(fā)完成。
在已經(jīng)奠定了運動控制器的軟、硬件基礎(chǔ)平臺后，實現(xiàn)數(shù)控應(yīng)用的關(guān)鍵點在于把數(shù)控代碼轉(zhuǎn)換成對api 函數(shù)的調(diào)用，核心內(nèi)容是進(jìn)行數(shù)控加工程序的譯碼。
圖 3 數(shù)控加工程序譯碼流程
（1） 數(shù)控加工程序的譯碼。
定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體 cnccodebuf，將一個數(shù)控代碼行的譯碼結(jié)果存入其中。將g 代碼和m 代碼分為ga～gf、mx～my 組別，以節(jié)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(shù)控代碼n 后的編號
int x,y,z;//存儲x、y、z 代碼后的數(shù)值
int i,j,k;//存儲i、j、k 代碼后的數(shù)值
int f;//存儲f 代碼后的數(shù)值
int s;//存儲s 代碼后的數(shù)值
short t;//存儲t 代碼后的數(shù)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(shù)據(jù)存儲于變量cncbuf 中，然后需要作的事是將其變換為對api 函數(shù)的調(diào)用。方法是從變量cncbuf 的成員中讀取g、m 代碼功能號，根據(jù)功能號對應(yīng)的api 函數(shù)要求逐一完成api 調(diào)用的入口參數(shù)設(shè)置。
（2） 通信。上位pc 將預(yù)處理后的數(shù)控代碼程序加幀頭“0xaa”和幀尾“0x55”后以rs232 方式下載到運動控制器中。通信格式設(shè)為:“38400,e,8,1”。