基于運動控制芯片AFDX05的開放式五軸五聯動數控系統的應用

關鍵字：
AFDX05 FPGA SOC 五軸五聯動 G代碼 運動控制器
摘要：
運動控制芯片AFD-X05是基FPGA實現的芯片，能夠完成高速高精度的數控加工。其運動控制的穩定性和可靠性要比DSP系統或基于DSP技術的運動控制芯片如MCX314等要高一個等級。五軸五聯動運動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。特別是它支持五軸直線插補，可以用計算機編寫大型的五軸聯動復雜軟件，通過五軸五聯動運動控制器控制數控機床完成加工，促進國產中高檔數控系統軟件水平的提高。本文介紹用它來快速開發一套五軸銑床數控系統。

一、引言
當前，各種運動控制卡的二次開發的比較復雜。目前國內比較多的工程師都熟悉數控系統的G代碼，在ARM 32位單片機和國產運動控制芯片AFD-X05的基礎上，研制成的可執行G代碼的五軸聯動運動控制器，使得二次開發變簡單了。應用這種支持五軸直線插補的高速高精度的運動控制器，再開發各種專用的數控系統， 工程師們只需將精力放在大型的復雜的軟件開發上面，完全不需要去了解硬件。

二、G代碼五軸聯動運動控制器的硬件系統
2.1 AFDX05運動控制芯片
云山數控研發的AFDX05運動控制芯片，支持任意2~5軸直線插補，任意2軸圓弧插補，多達6級的運動指令緩沖區，特別適合高速多線段或圓弧連續插補的運動控制，另外，還有反向間隙補償，速度控制，加減速控制，位置控制，通用輸入輸出口，8/16 位數據總線，中斷發生，硬件限位，軟件限位，緊急停止，暫停，編碼器信號輸入等功能，驅動脈沖頻率高達8MPPS、插補精度±5LSB。用于控制以脈沖序列方式輸入的伺服電機、步進電機。
“中國芯”AFDX05，更加符合中國人的使用習慣。可以控制最多5軸的點位運動、連續軌跡運動、同步運動等應用。

2.2 ARM 32位單片機
CPU為 S3C44B0X。32M Flash。 脈沖方向差動輸出驅動。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/伺服電機脈沖光耦隔離輸出，最高頻率4MHz。32位邏輯位置和實際位置計數器。RS232通訊。硬件部分已模塊化，無需任何硬件知識即可開發。

三、G代碼五軸聯動運動控制器的軟件系統

3.1 支持的G代碼
G代碼 分組 功能
*G00 1 定位（快速移動）
*G01 1 直線插補（進給速度）
G02 1 順時針圓弧插補
G03 1 逆時針圓弧插補
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
G28 0 返回參考點
G29 0 從參考點返回
G30 0 返回第二參考點
*G40 7 取消刀具半徑補償
G41 7 左側刀具半徑補償
G42 7 右側刀具半徑補償
G43 8 刀具長度補償＋
G44 8 刀具長度補償－
*G49 8 取消刀具長度補償
G52 0 設置局部坐標系
G53 0 選擇機床坐標系
*G54 14 選用1號工件坐標系
G55 14 選用2號工件坐標系
G56 14 選用3號工件坐標系
G57 14 選用4號工件坐標系
G58 14 選用5號工件坐標系
G59 14 選用6號工件坐標系
G60 0 單一方向定位
*G64 15 切削方式
G65 0 宏程序調用
G66 12 模態宏程序調用
*G67 12 模態宏程序調用取消
*G90 3 絕對值指令方式
*G91 3 增量值指令方式
G92 0 工件零點設定
*G98 10 固定循環返回初始點
G99 10 固定循環返回R點

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 程序結束 　
M03 主軸正轉 　
M04 主軸反轉 　
M05 主軸停止 　
M06 刀具交換 　
M08 冷卻開 　
M09 冷卻關 　
M18 主軸定向解除 　
M19 主軸定向 　
M30 程序結束并返回程序頭 　
M50 備用輸出1開 　
M51 備用輸出1關 　
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 調用子程序 　
M99 子程序結束返回／重復執行 　

3.3 宏指令編程
變量號 變量類型 功能
#0 “空” 這個變量總是空的,不能賦值。
#1~#33 地方變量 地方變量只能在宏中使用，以保持操作的結果，關閉電
源時，地方變量被初始化成“空”。宏調用時，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。關閉電源時變量
#100~#149被初始化成“空”，而變量#500~#531保持數
據。公共變量#150~#199和#532~#999可以選用，但是當
這些變量被使用時，紙帶長度減少了8.5米。
#1000~ 系統變量 系統變量用于讀寫各種NC數據項，如當前位置、刀具補償值
#2000~#2059 IO輸入 60路光耦隔離輸入信號

四、三軸銑床數控數控系統開發實例

4.1 參數初始化。
以下參數，五個軸，每個軸的都有。
參數名稱 參數設置 參數單位
脈沖當量 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
加速時間 P07=XXXX 毫秒
正向軟限位 P08=XXXX 毫米
負向軟限位 P09=XXXX 毫米
反向間隙補償 P10=XXXX 毫米
回零速度 P11=XXXX 毫米/分鐘
手動速度 P12=XXXX 毫米/分鐘
最大進給速度 P13=XXXX 毫米/分鐘
系統總刀數 P14=XX 　
M代碼等待時間 P15=XXXX 毫秒
回參考點坐標 P16=XXX.XXXXXX 毫米
主軸編碼器線數 P17=XXXX (/R)
歸零方向 P18=X 　
換刀基準位 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
設置工件坐標系 P25=XXX.XXXXXX 毫米

4.2 發送G代碼，控制機床工作。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。
基于該開放式五軸五聯動數控系統平臺做開發，只需要將G代碼傳送到這個平臺，可以快速開發出一套基于國際標準G代碼加工的專用數控系統。應用開發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專用數控系統。降低數控系統的開發成本，促進數控機床的普及應用。