眾為興MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器在平板切割機(jī)上的應(yīng)用———MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器

［摘要］：本文介紹的是眾為興公司研制的由MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器控制的全自動(dòng)平板切割機(jī)控制系統(tǒng)，其中樣機(jī)為奧科公司生產(chǎn)的平板切割機(jī)，控制器為眾為興公司MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器。它實(shí)現(xiàn)了平板切割機(jī)的自動(dòng)控制，適應(yīng)了材料切割的自動(dòng)控制的需要。［關(guān)鍵詞］：MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器 平板切割機(jī)．引言
在機(jī)械加工過(guò)程中，板材切割常用方式有手工切割、半自動(dòng)切割機(jī)切割及數(shù)控切割機(jī)切割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費(fèi)大、后續(xù)加工工作量大，同時(shí)勞動(dòng)條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動(dòng)切割機(jī)中仿形切割機(jī)，切割工件的質(zhì)量較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件切割。其它類型半自動(dòng)切割機(jī)雖然降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，但其功能簡(jiǎn)單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控全自動(dòng)切割相對(duì)手動(dòng)和半自動(dòng)切割方式來(lái)說(shuō)，可有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動(dòng)強(qiáng)度。
本文介紹的是眾為興公司研制的由MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器控制的全自動(dòng)平板切割機(jī)控制系統(tǒng)，其中樣機(jī)為奧科公司生產(chǎn)的平板切割機(jī)，控制器為眾為興公司MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器。它實(shí)現(xiàn)了平板切割機(jī)的自動(dòng)控制，適應(yīng)了材料切割的自動(dòng)控制的需要。整個(gè)控制系統(tǒng)的實(shí)物圖如圖5.1所示。


1 系統(tǒng)構(gòu)成
整個(gè)系統(tǒng)的框架原理圖見(jiàn)5.1.1。


對(duì)于控制精度要求不大的平板切割機(jī)，系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。利用MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)時(shí)，控制系統(tǒng)構(gòu)成： MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器,步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器Q2-BYG403M，56BYGHM611A二相混合式步進(jìn)電機(jī)。
（1）控制器采用的四MC4140CUT，液晶+按鍵屏，128X64點(diǎn)陣圖形液晶顯示屏
256M超大容量存儲(chǔ)空間；該控制器是整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，加工精度，靈活與敏捷程度都取決于控制器輸出的脈沖頻率與周期等模擬量，而這些模擬量最終取決于控制器本身。所以，它是控制系統(tǒng)的核心。
（2）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器是整個(gè)系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器的好壞是系統(tǒng)性能好壞的決定性因素之一。文中討論了采用眾為興生產(chǎn)的Q2BYG403步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)。
（3）步進(jìn)電機(jī)也可以采用眾為興的實(shí)現(xiàn),文中采用56BYGHM611A實(shí)現(xiàn)。
控制器內(nèi)部是由四塊集成芯片組成，電源控制集成芯片，ARM工控主板，運(yùn)動(dòng)控制集成芯片和顯示器集成芯片，前三者的關(guān)系是：ARM工控主板為核心板，相當(dāng)于“大腦”它控制運(yùn)動(dòng)控制集成芯片，而這里的電源控制芯片是為它們提供電源的，。
（1）輸入輸出板是提供控制器與外界設(shè)備的接口的集成電路系統(tǒng)。這里集成了輸入/輸出接口，USB接口，串行接口等等。
（2）電源板用于將220V交流電轉(zhuǎn)化為控制器可以接受的電源范圍，一般為5—12V。
（3）顯示器集成電路板用于集成包括顯示器驅(qū)動(dòng)器在內(nèi)的顯示器驅(qū)動(dòng)電路。
（4）主控板，自不必說(shuō)，是整個(gè)控制器的核心主板，它上面集成有很多芯片，包括ARM主控CPU，兩片擴(kuò)展的FLASH，CPLD，一片SDRAM等等。正是這些電子IC器件，構(gòu)成了控制系統(tǒng)的控制部分，即整個(gè)人工智能系統(tǒng)的“大腦”。
系統(tǒng)構(gòu)成與控制原理圖如圖5.1.3所示。


（1）顯示器，這里采用按鍵屏，控制器內(nèi)部顯示器板集成電路板上集成了按鍵屏驅(qū)動(dòng)電路和驅(qū)動(dòng)器。
（2）嵌入式CPU，MC4140CUT四軸運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)部集成了ARM主CPU芯片，采用ARM7TDMI為內(nèi)核的ARM主CPU，其內(nèi)部資源很豐富 ，包括有UART，DMA，BDMA，看門狗定時(shí)器，ADC，JATG接口，LCD控制器，中斷控制器，ⅡC總線，ⅡS總線，SIO總線。RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘，通用I/O等資源。
（3）DSP專用運(yùn)動(dòng)控制芯片ADT-MC814，控制器采用四軸運(yùn)動(dòng)控制專用芯片，此運(yùn)動(dòng)控制芯片ADT-MC814中集成有中斷/指令/處理模塊和線性，圓弧，位模式三大插補(bǔ)控制模塊。運(yùn)動(dòng)控制的指令經(jīng)過(guò)ARM主CPU發(fā)出后，由此模塊經(jīng)過(guò)處理發(fā)送相應(yīng)的脈沖給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
（4）RAM，ARM主CPU集成有8/16KHZ的RAM，但是它不能滿足系統(tǒng)運(yùn)行大型程序，存儲(chǔ)特別是由于運(yùn)算和RTOS的多任務(wù)調(diào)度以及文件系統(tǒng)的運(yùn)行都將產(chǎn)生大量的堆棧、全局變量和局部變量,而且由于系統(tǒng)內(nèi)置軟PLC的運(yùn)行也將占用一部分RAM空間,所以必須擴(kuò)展一個(gè)RAM，此芯片外部擴(kuò)展了一個(gè)8M的SDRAM。
（5）CPLD，該控制器外部集成了CPLD用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，該CPLD內(nèi)部集成了32個(gè)通用邏輯單元。用于存儲(chǔ)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)等信息。
（6）FLASH，控制器主控板上集成了兩片F(xiàn)LASH，一片2M的NOR FLASH，一片256M的NAND FLASH，主要用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行所需的程序代碼，語(yǔ)言字庫(kù)，需要斷電和長(zhǎng)期保存的系統(tǒng)參數(shù)，軟/硬件限位參數(shù)等等。
（7）DOM全名DISK ON MODULE，泛指IDE電子硬盤,由控制單元（Controller）和存儲(chǔ)單元（FashIC）組成，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用固態(tài)電子存儲(chǔ)芯片陣列而制成的硬盤，可以使用PC機(jī)直接輸入程序，數(shù)據(jù)，也可以通過(guò)控制器輸入程序，數(shù)據(jù)。
（8）RS232通信，RS-232C（Recommended Standard-RS）串行接口是計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間以及計(jì)算機(jī)與測(cè)試系統(tǒng)之間最簡(jiǎn)單、最普遍的連接方法，采用25線連接器。其最高的單向數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，此時(shí)的最大傳輸距離為15米。適當(dāng)降低速率，其最大傳輸距離可達(dá)60米。但它只是一對(duì)一的傳輸，僅用于簡(jiǎn)單或低速的系統(tǒng)，這里用于PC機(jī)和控制器之間的串行接口。
其中ARM工程主板采用嵌入式結(jié)構(gòu)，是ARM7系列嵌入式CPU，內(nèi)核為ARM7TDMI。
ARM處理器的三大特點(diǎn)是：耗電少功能強(qiáng)、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。ARM商品模式的強(qiáng)大之處在于它在世界范圍有超過(guò)100個(gè)的合作伙伴。ARM是設(shè)計(jì)公司，本身不生產(chǎn)芯片。采用轉(zhuǎn)讓許可證制度，由合作伙伴生產(chǎn)芯片。
當(dāng)前ARM體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充包括： 為了改善代碼密度，采用Thumb 16位指令集； DSP應(yīng)用的算術(shù)運(yùn)算指令集；Jazeller允許直接執(zhí)行Java字節(jié)碼。
ARM處理器系列提供的解決方案有：無(wú)線、消費(fèi)類電子和圖像應(yīng)用的開(kāi)放平臺(tái)；存儲(chǔ)、自動(dòng)化、工業(yè)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)；智能卡和SIM卡的安全應(yīng)用。
ARM處理器本身是32位設(shè)計(jì)，但也配備16位指令集。當(dāng)前有5個(gè)產(chǎn)品系列——ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10和SecurCore。
ARM7系列是優(yōu)化了用于對(duì)價(jià)位和功耗敏感的消費(fèi)應(yīng)用的低功耗的32位核，具有：
1. 嵌入式ICE-RT邏輯；
2. 非常低的功耗；
3. 三段流水線和馮•諾依曼結(jié)構(gòu)，提供0.9MIPS/MHz。
樣機(jī)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)器為奧科公司的M542系列驅(qū)動(dòng)器，使用40VDC系列中的Q2BYG403可以進(jìn)行代替，5.1.4為它的實(shí)物圖。


具有特點(diǎn)：可驅(qū)動(dòng)兩相四、六、八輸出線混合式步進(jìn)電機(jī)；雙極恒流斬波方式，斬波頻率20KHZ；光電隔離信號(hào)輸入，輸入信號(hào)與TLL兼容；靜止時(shí)自動(dòng)減流，最大驅(qū)動(dòng)相電流3.5A；電流方便可調(diào)，細(xì)分精度可任意選擇；運(yùn)行平穩(wěn)，高加速特性；高速大力矩輸出；過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)溫保護(hù)；單脈沖/雙脈沖控制模式選擇。
可以用于封切機(jī)、剪板機(jī)、切管機(jī)、玻璃切割機(jī)、切帶機(jī)、商標(biāo)印刷機(jī)、數(shù)控鉆銑機(jī)、鉆孔植毛機(jī)、雕刻機(jī)、彈簧機(jī)、繞線機(jī)等需要精確定位的控制系統(tǒng)。
Q2BYG403細(xì)分可根據(jù)SW1的1、2開(kāi)關(guān)設(shè)定，如表5.1—a所示：


設(shè)置相應(yīng)的細(xì)分后，根據(jù)步進(jìn)角可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，眾為興公司電機(jī)的步距角為1.8°，也就是說(shuō)如果細(xì)分設(shè)定為A，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為（360/1.8）*A，就是200A分/轉(zhuǎn)，例如，當(dāng)細(xì)分設(shè)計(jì)為2時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速即為400分/轉(zhuǎn)。
此步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器采用差分式接線，其接線圖如圖5.1.5所示。


輸入信號(hào)波形與時(shí)序如圖5.1.6所示。


樣機(jī)中步進(jìn)電機(jī)為奧科公司產(chǎn)品M542系列步進(jìn)電機(jī)，可以用眾為興公司的56mm系列步進(jìn)電機(jī)56BYGHM611A替代，56BYGHM611A是眾為興生產(chǎn)的56MM系列步進(jìn)電機(jī)的一種，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表5.1—b。


2 技術(shù)構(gòu)成
我們所關(guān)注的核心技術(shù)主要是系統(tǒng)控制部分的核心技術(shù)，此系統(tǒng)的控制部分包括MC4140CUT運(yùn)動(dòng)控制器，Q2-BYG403M驅(qū)動(dòng)器。核心技術(shù)構(gòu)成：自動(dòng)加減速定量驅(qū)動(dòng)技術(shù)，直線和圓弧插補(bǔ)技術(shù)，多軸驅(qū)動(dòng)技術(shù)。圖5.2.1是技術(shù)構(gòu)成圖。


恒速驅(qū)動(dòng)，即定速驅(qū)動(dòng)，就是以不變的速度輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。如果設(shè)定驅(qū)動(dòng)速度小于初始速度，就沒(méi)有加/減速驅(qū)動(dòng)，而是定速驅(qū)動(dòng)。當(dāng)搜尋原點(diǎn)、編碼器Z相等信號(hào)后如果立即停止的話，不必進(jìn)行加/減速驅(qū)動(dòng)，而是一開(kāi)始就運(yùn)行低速的定速驅(qū)動(dòng)。做到定速驅(qū)動(dòng)，下列參數(shù)應(yīng)預(yù)先設(shè)定：范圍，初始速度，驅(qū)動(dòng)速度。定速驅(qū)動(dòng)的示意圖如圖5.2.2所示。


直線加/減速驅(qū)動(dòng)是線性地從驅(qū)動(dòng)的初始速度加速到指定速度。定量驅(qū)動(dòng)時(shí)，加速的計(jì)數(shù)器記錄加速所累計(jì)的脈沖數(shù)。當(dāng)剩余輸出脈沖數(shù)少于加速脈沖后，就開(kāi)始自動(dòng)減速。減速時(shí)將用指定的加速度線性地減速至初始速度。
為了直線加/減速驅(qū)動(dòng)，下列參數(shù)需預(yù)先設(shè)定：范圍R，以加速度A加速或者減速，減速度D加/減速度個(gè)別設(shè)定時(shí)的減速度，初始速度SV，驅(qū)動(dòng)速度V。其示意圖如圖5.2.3所示。


MC4140CUT不僅支持對(duì)稱直線加/減速驅(qū)動(dòng)，而且它還支持非對(duì)稱直線加/減速<