1 引言

　　旋壓是先進制造技術的重要組成部分，具有變形條件好、制晶性能高、范圍廣、尺寸公差小，以及可制成整體無縫空心零件等優點。數控技術應用了自動控制、計算機技術及精密檢測技術等方面的最新成果，在提高生產效率、降低生產成本、保證加工質量及減輕操作人員的勞動強度方面具有突出優點[21。因此，將數控技術引入旋壓機床，研制新一代開放式數字化、智能化的旋壓機床數控系統越來越受到人們的重視。

　　原則上講，用于金屬切削機床的商業數控系統都可以用做旋壓機床的數控系統。但金屬切削機床一般是電機驅動，與旋壓機床的液壓驅動存在一定差別，如液壓油的可壓縮性會使系統剛性變差，電一液控制閥的非線性、液壓元件的響應頻率低都會對系統的動一靜特性帶來～定影響。西門子公司的840D數控系統是近年來推出的一種專為電一液伺服研制的液壓驅動模塊刪。目前，國內外比較著名的旋壓機床生產廠家，多采用840D數控系統，如西班牙的DENN公司ZENN—100型數控旋壓機床、北京航空制造工程研究所的SY-8型數控旋壓機床，等等。

　　關于嵌入式的定義有很多種，普遍認同的定義為：以應用為中心、以計算機技術為基礎、數控軟件硬件可裁剪，適合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統。每一套嵌入式系統的開發設計都有其特殊的應用場合與特定功能，’這也是嵌入式系統與通用計算機系統最主要的區別。另外，由于嵌入式系統是為特定目的而設計的，因此，它可以最大限度地在硬件和軟件上“量身定做”以提高其效率，這樣的結果最終導致了實時性的增強。

　　我國的旋壓技術發展已接近國際先進水平，許多自行設計制造的新型、高精度數控旋壓設備不斷涌現。但其數控系統還停留在引進國外高檔專用數控系統或者用工控機，嵌入式系統在數控旋壓機床上的應用還屬空白。

2 基于ARM嵌入式系統應用層數控軟件概要設計

　　2.1 數控系統要求

　　為適應國情，并使所研究的成果能面向廣大中、小型企業，本文采用基于ARM(Advanced Reduced instruction set computing Machines)嵌入式的經濟型數控系統，在旋壓機中對液壓彈頂裝置的軸向進給(A軸)、旋輪座的橫向進給(x軸)及縱向進給(z軸)、旋輪的徑向進給(通過B軸的轉動來實現)實行四軸兩聯動控制。

　　2.2 嵌入式系統開發流程

　　旋壓機床的數控軟件系統是一個很大的實時多任務處理軟件，它既要管理數控代碼的編輯、編譯、仿真以及機床運行時的插補計算和實時控制，又要負責機床手動操作、文件傳輸、在線幫助等任務。考慮到數控軟件開發的復雜性，在軟件設計時，首先按照數控軟件工程的思想進行了系統的總體設計，將系統軟件劃分成主機應用程序和實時調度程序兩個既獨立又能相互協調的部分。主機應用程序負責實現數控系統的各種基本功能、人機交互、界面顯示等；實時調度程序負責實現位置／速度實時控制、插補驅動等功能。

　　2.3 操作程序總體規劃

　　考慮到機床功能要求及操作的便捷性，采用樹狀結構進行設計，分5種工作模式：錄入模式、自動模式、手動模式、歸零模式、手輪模式。在每種模式下都有各自完整的操作規程，并且各個模式之間在任何情況下都可以任意相互切換。程序分為3級菜單，進入下一級菜單時必須從上一級菜單向下進。

3 ARM嵌入式數控系統數控軟件設計關鍵技術

　　嵌入式系統數控軟件包括嵌入式操作系統和嵌入式應用數控軟件。嵌入式系統的應用軟件是實現整個嵌入式系統功能的關鍵。

　　3.1譯碼模塊的分析與研究

　　3.1.1　數控系統中譯碼功能概述在數控系統中，零件的加工程序是以G代碼、M代碼等組成的一段段代碼程序，每段程序表示一個零件外形幾-M線條的加工或進行一些輔助功能的操作。所謂“譯碼”就是輸入的數控加工程序按一定規則翻譯成CNC裝置中計算機能識別的數據形式，并按約定的格式存放在指定的譯碼結果緩沖器中。具體來講，譯碼就是從數控加工程序緩沖器或MDI緩沖器中逐個讀人字符，先識別出其中的文字碼和數字碼，再將具體的文字或輔助符號譯出，最后根據文字碼所代表的功能，將后續數字碼送到相應譯碼結果緩沖器單元中。另外在譯碼過程中還要進行數控加工程序的錯誤診斷。數控加工的譯碼可由硬件線路來實現，也可以由數控軟件編程來實現I剮。

　3.1.2“G代碼翻譯模塊”與“加工服務模塊”之間的數據交換，“G代碼翻譯模塊”與“加工服務模塊”之間的數據交換是譯碼過程中最重要的一環，要首先定義他們共同的數據類型，以便在以后編程中運用。由于這些數據類型在G代碼翻譯模塊與加工服務模塊中都要使用，因此，要在公共模塊中定義。

　　3.2 A軸液壓控制系統設計

　　3.2.1 A軸液壓控制系統總體規劃

　　本文所設計的多功能旋壓機床的A軸采用液壓驅動，液壓系統中的模擬信號通過PWM接口進行控制信號D／A轉換，由控制器、位移傳感器、伺服閥、液壓缸組成一個閉環反饋系統。

　　3.2.2 A軸液壓控制系統程序設計

　　根據數控系統的要求，通過電液比例伺服閥控制速度，分快速定位S1、工進S2及精確定位S3只擋速度;位置由位移傳感器反饋0.5~1.7V電壓信號(對應于0~70mm行程)控制，按比例力一式進行檢測，位置精度可通過實驗數據調整系統參數獲得。為防止零點漂移，旋輪停止時，將比例閥關閉，而不采用流量為零的控制方式。

　　3.3 圓弧運動程序設計

　　3.3.1 插補原理

　　直線與圓弧是構成工件輪廓的基本要素，但數控旋壓機床的旋輪進給不能嚴格地沿直線或圓弧運動，只能用折線軌跡進行逼近。所謂插補功能就是系統能夠根據進給速度的要求，在運動起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標值去逼近直線或圓弧，使機床運動的軌跡逼近直線或圓弧。由于每個中間點的計算時間直接影響系統的控制速度，而插補中間點的計算精度又影響到整個CNC系統的精度，因此，插補算法對整個數控系統的性能指標至關重要。目前，應用的插*bg法分為兩類：即脈沖增量插補算法和數字采樣插補算法。而圓弧插補中，常用的插補為逐點比較法、最小偏差法、DDA法、直接函數法DFB、角度逼近法等。

　　3.3.2 圓弧運動插補

　　圓弧插補涉及的問題比較多，如圓弧的方向(順圓、逆圓)、象限的區分等。目前圓弧插補算法己日趨成熟，如逐點比較法、DDA法、最小偏差法及其各種改進算法等。和逐點比較法相比，最小偏差法雖然要多計算兩次偏差值，但可以明顯提高插補精度，而且在現有的硬件條件下，計算速度完全可以滿足生產要求。

　　將一個圓分成8卦限，規定在不同的象限，其進給方向不同。如逆時針插*ba,-t，在0卦限，進給方向只能為(+△y)或(-△x，+△y)。

　　3.3.3 基于MCX314As控制芯片的圓弧插補

　　MCX314As運動控制芯片圓弧運動采用最小偏差的位插補驅動，可以進行任意兩軸的圓弧插補運動。在插補運動中，當前位置就是圓弧插補的起始點。用戶設置好圓心坐標、插補終點值及其插補方向后，就可以進行圓弧插補。值得注意的是，坐標的設定值是相對于起始點的相對值，而不是坐標的絕對值。

　　MCX314As運動控制芯片的運動控制原理與最小偏差原理相似，將并7坐標平面分8個卦限。在0、3、4、7卦限內，名的絕對值總是大于y的絕對值，而在1、2、5、6卦限內，y的絕對值總是大于菇的絕對值。

　　可以看出，在0、3、4、7卦限內長軸y軸是連續運動，短軸并軸作插補運動；而另外4個象限則情況相反。插補運動中插補坐標圓點到插補終點的距離范圍是-2，147，483，646~+2，147，483，646之間，插補精度為±1LSB(Least significant bit，插補單位)，插補速度范圍是1PPS～4MPPS。

　　3.4 基于MCX314As控制芯片的圓弧運動程序設計

　　本機床需要2軸的直線插補及圓弧插補運動。旋壓機床圓弧運動的編程方法可分為：半徑編程與圓心坐標編程，編程平面為船平面。將運動庫函數添加到ADS安裝目錄LStationary＼下，將運動函數連接到工程項目中，然后進行程序設計編程。

　　4 總結

　　基于ARM嵌入式數控系統的開發是個復雜的系統，本文對數控系統應用層數控軟件開發過程中的關鍵技術進行了深入的研究。首先對應用層公共模塊進行了設計；其次對譯碼模塊進行了分析研究，給出了由G代碼翻譯模塊到加工服務模塊的數據協議結構；然后，對旋壓數控機床最核心部分的液壓控制程序進行了分析研究，給出了液壓控制主要程序；最后對加工運動中最核心的圓弧插補運動程序的設計進行了研究，分析了MCX314As運動控制芯片的圓弧插補原理，給出了圓弧運動的主要設計程序。