基于運(yùn)動(dòng)控制芯片AFDX05的開放式五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)的應(yīng)用
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AFDX05 FPGA SOC 五軸五聯(lián)動(dòng) G代碼 運(yùn)動(dòng)控制器
摘要：
運(yùn)動(dòng)控制芯片AFD-X05是基FPGA實(shí)現(xiàn)的芯片，能夠完成高速高精度的數(shù)控加工。其運(yùn)動(dòng)控制的穩(wěn)定性和可靠性要比DSP系統(tǒng)或基于DSP技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制芯片如MCX314等要高一個(gè)等級(jí)。五軸五聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器支持大部分的G代碼、M代碼和宏指令，也具有可組配、模塊化和開放式等特點(diǎn)。特別是它支持五軸直線插補(bǔ)，可以用計(jì)算機(jī)編寫大型的五軸聯(lián)動(dòng)復(fù)雜軟件，通過五軸五聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器控制數(shù)控機(jī)床完成加工，促進(jìn)國(guó)產(chǎn)中高檔數(shù)控系統(tǒng)軟件水平的提高。本文介紹用它來快速開發(fā)一套五軸銑床數(shù)控系統(tǒng)。
一、引言
當(dāng)前，各種運(yùn)動(dòng)控制卡的二次開發(fā)的比較復(fù)雜。目前國(guó)內(nèi)比較多的工程師都熟悉數(shù)控系統(tǒng)的G代碼，在ARM 32位單片機(jī)和國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制芯片AFD-X05的基礎(chǔ)上，研制成的可執(zhí)行G代碼的五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器，使得二次開發(fā)變簡(jiǎn)單了。應(yīng)用這種支持五軸直線插補(bǔ)的高速高精度的運(yùn)動(dòng)控制器，再開發(fā)各種專用的數(shù)控系統(tǒng)， 工程師們只需將精力放在大型的復(fù)雜的軟件開發(fā)上面，完全不需要去了解硬件。
二、G代碼五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器的硬件系統(tǒng)
2.1 AFDX05運(yùn)動(dòng)控制芯片
云山數(shù)控研發(fā)的AFDX05運(yùn)動(dòng)控制芯片，支持任意2~5軸直線插補(bǔ)，任意2軸圓弧插補(bǔ)，多達(dá)6級(jí)的運(yùn)動(dòng)指令緩沖區(qū)，特別適合高速多線段或圓弧連續(xù)插補(bǔ)的運(yùn)動(dòng)控制，另外，還有反向間隙補(bǔ)償，速度控制，加減速控制，位置控制，通用輸入輸出口，8/16 位數(shù)據(jù)總線，中斷發(fā)生，硬件限位，軟件限位，緊急停止，暫停，編碼器信號(hào)輸入等功能，驅(qū)動(dòng)脈沖頻率高達(dá)8MPPS、插補(bǔ)精度±5LSB。用于控制以脈沖序列方式輸入的伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。
“中國(guó)芯”AFDX05，更加符合中國(guó)人的使用習(xí)慣。可以控制最多5軸的點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、連續(xù)軌跡運(yùn)動(dòng)、同步運(yùn)動(dòng)等應(yīng)用。
2.2 ARM 32位單片機(jī)
CPU為 S3C44B0X。32M Flash。 脈沖方向差動(dòng)輸出驅(qū)動(dòng)。60路光耦隔離輸入42路集電極開路光耦隔離輸出 或 36路光耦隔離輸入20路集電極開路光耦隔離輸出 。 5路步進(jìn)/伺服電機(jī)脈沖光耦隔離輸出，最高頻率4MHz。32位邏輯位置和實(shí)際位置計(jì)數(shù)器。RS232通訊。硬件部分已模塊化，無需任何硬件知識(shí)即可開發(fā)。
三、G代碼五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)
3.1 支持的G代碼
G代碼 分組 功能
*G00 1 定位（快速移動(dòng)）
*G01 1 直線插補(bǔ)（進(jìn)給速度）
G02 1 順時(shí)針圓弧插補(bǔ)
G03 1 逆時(shí)針圓弧插補(bǔ)
G04 0 暫停，精確停止
*G17 2 選擇X平面
G18 2 選擇Z平面
G19 2 選擇Y平面
G27 0 返回并檢查參考點(diǎn)
G28 0 返回參考點(diǎn)
G29 0 從參考點(diǎn)返回
G30 0 返回第二參考點(diǎn)
*G40 7 取消刀具半徑補(bǔ)償
G41 7 左側(cè)刀具半徑補(bǔ)償
G42 7 右側(cè)刀具半徑補(bǔ)償
G43 8 刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償＋
G44 8 刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償－
*G49 8 取消刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償
G52 0 設(shè)置局部坐標(biāo)系
G53 0 選擇機(jī)床坐標(biāo)系
*G54 14 選用1號(hào)工件坐標(biāo)系
G55 14 選用2號(hào)工件坐標(biāo)系
G56 14 選用3號(hào)工件坐標(biāo)系
G57 14 選用4號(hào)工件坐標(biāo)系
G58 14 選用5號(hào)工件坐標(biāo)系
G59 14 選用6號(hào)工件坐標(biāo)系
G60 0 單一方向定位
*G64 15 切削方式
G65 0 宏程序調(diào)用
G66 12 模態(tài)宏程序調(diào)用
*G67 12 模態(tài)宏程序調(diào)用取消
*G90 3 絕對(duì)值指令方式
*G91 3 增量值指令方式
G92 0 工件零點(diǎn)設(shè)定
*G98 10 固定循環(huán)返回初始點(diǎn)
G99 10 固定循環(huán)返回R點(diǎn)
3.2 支持的M代碼
M代碼 功能
M00 程序停止
M01 條件程序停止
M02 程序結(jié)束
M03 主軸正轉(zhuǎn)
M04 主軸反轉(zhuǎn)
M05 主軸停止
M06 刀具交換
M08 冷卻開
M09 冷卻關(guān)
M18 主軸定向解除
M19 主軸定向
M30 程序結(jié)束并返回程序頭
M50 備用輸出1開
M51 備用輸出1關(guān)
M52 備用輸出2開
M53 備用輸出2開
M54 備用輸出3開
M55 備用輸出3開
M56 備用輸出4開
M57 備用輸出4開
… …
M98 調(diào)用子程序
M99 子程序結(jié)束返回／重復(fù)執(zhí)行
3.3 宏指令編程
變量號(hào) 變量類型 功能
#0 “空” 這個(gè)變量總是空的,不能賦值。
#1~#33 地方變量 地方變量只能在宏中使用，以保持操作的結(jié)果，關(guān)閉電
源時(shí)，地方變量被初始化成“空”。宏調(diào)用時(shí)，自變量分
配給地方變量。
#100~#149
#500~#531 公共變量 公共變量可在不同的宏程序間共享。關(guān)閉電源時(shí)變量
#100~#149被初始化成“空”，而變量#500~#531保持?jǐn)?shù)
據(jù)。公共變量#150~#199和#532~#999可以選用，但是當(dāng)
這些變量被使用時(shí)，紙帶長(zhǎng)度減少了8.5米。
#1000~ 系統(tǒng)變量 系統(tǒng)變量用于讀寫各種NC數(shù)據(jù)項(xiàng)，如當(dāng)前位置、刀具補(bǔ)償值
#2000~#2059 IO輸入 60路光耦隔離輸入信號(hào)
四、三軸銑床數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例
4.1 參數(shù)初始化。
以下參數(shù)，五個(gè)軸，每個(gè)軸的都有。
參數(shù)名稱 參數(shù)設(shè)置 參數(shù)單位
脈沖當(dāng)量 P01=XXX.XXXXXX 毫米
G00指令速度 P02=XXXX 毫米/分鐘
G01指令速度 P03=XXXX 毫米/分鐘
G02指令速度 P04=XXXX 毫米/分鐘
G03指令速度 P05=XXXX 毫米/分鐘
起始速度 P06=XXXX 毫米/分鐘
加速時(shí)間 P07=XXXX 毫秒
正向軟限位 P08=XXXX 毫米
負(fù)向軟限位 P09=XXXX 毫米
反向間隙補(bǔ)償 P10=XXXX 毫米
回零速度 P11=XXXX 毫米/分鐘
手動(dòng)速度 P12=XXXX 毫米/分鐘
最大進(jìn)給速度 P13=XXXX 毫米/分鐘
系統(tǒng)總刀數(shù) P14=XX
M代碼等待時(shí)間 P15=XXXX 毫秒
回參考點(diǎn)坐標(biāo) P16=XXX.XXXXXX 毫米
主軸編碼器線數(shù) P17=XXXX (/R)
歸零方向 P18=X
換刀基準(zhǔn)位 P19=XXX.XXXXXX 毫米
換刀安全高度 P20=XXX.XXXXXX 毫米
換刀間隔 P21=XXX.XXXXXX 毫米
換刀速度 P22=XXX.XXXXXX 毫米/分鐘
最大行程 P23=XXX.XXXXXX 毫米
設(shè)置工件坐標(biāo)系 P25=XXX.XXXXXX 毫米
4.2 發(fā)送G代碼，控制機(jī)床工作。如：
G54
M03 X8
G0 G90 G17
G28
G00X-2.046Y59.111Z10.000
Z4.000
G01Z-1.000F300
G17
G02X1.245Y54.864I-54.422J-45.566K0.000F800
X2.203Y53.318I-15.407J-10.613K0.000
G00Z10.000
G91 G28 M09
五、小結(jié)。
基于該開放式五軸五聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)做開發(fā)，只需要將G代碼傳送到這個(gè)平臺(tái)，可以快速開發(fā)出一套基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)G代碼加工的專用數(shù)控系統(tǒng)。應(yīng)用開發(fā)工程師在完全不需要了解硬件的情況下，集中精力做好特定的行業(yè)專用數(shù)控系統(tǒng)。降低數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成本，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用。
