四軸運動控制器實現(xiàn)平板切割機的自動控制
jic35導讀：在機械加工過程中，板材切割常用方式有手工切割、半自動切割機切割及數(shù)控切割機切割。手工切割靈活方便，但手工切割質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工工作量大，同時勞動條件惡劣，生產(chǎn)效率低。半自動切割機中仿形切割機，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。其它類型半自動切割機雖然降低了工人勞動強度，但其功能簡單，只適合一些較規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控全自動切割相對手動和半自動切割方式來說，可有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，減輕操作者地勞動強度。
本文介紹的是眾為興公司研制的由mc4140cut四軸運動控制器控制的全自動平板切割機控制系統(tǒng)，其中樣機為奧科公司生產(chǎn)的平板切割機，控制器為眾為興公司mc4140cut四軸運動控制器。它實現(xiàn)了平板切割機的自動控制，適應了材料切割的自動控制的需要。整個控制系統(tǒng)的實物圖如圖5.1所示。
1 系統(tǒng)構成
整個系統(tǒng)的框架原理圖見5.1.1。
對于控制精度要求不大的平板切割機，系統(tǒng)采用步進電機實現(xiàn)。利用mc4140cut四軸運動控制器實現(xiàn)時，控制系統(tǒng)構成： mc4140cut四軸運動控制器,步進驅(qū)動器q2-byg403m，56byghm611a二相混合式步進電機。
（1）控制器采用的四mc4140cut，液晶+按鍵屏，128x64點陣圖形液晶顯示屏 256m超大容量存儲空間；該控制器是整個系統(tǒng)的“大腦”，整個系統(tǒng)的反應速度，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zui終取決于控制器本身。所以，它是控制系統(tǒng)的核心。
（2）步進驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，驅(qū)動器的好壞是系統(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步進驅(qū)動器實現(xiàn)該系統(tǒng)。
（3）步進電機也可以采用眾為興的實現(xiàn),文中采用56byghm611a實現(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，運動控制集成芯片和顯示器集成芯片，前三者的關系是：arm工控主板為核心板，相當于“大腦”它控制運動控制集成芯片，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)動器在內(nèi)的顯示器驅(qū)動電路。
（4）主控板，自不必說，是整個控制器的核心主板，它上面集成有很多芯片，包括arm主控cpu，兩片擴展的flash，cpld，一片sdram等等。正是這些電子ic器件，構成了控制系統(tǒng)的控制部分，即整個人工智能系統(tǒng)的“大腦”。
系統(tǒng)構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)動電路和驅(qū)動器。
（2）嵌入式cpu，mc4140cut四軸運動控制器內(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實時時鐘，通用i/o等資源。
（3）dsp運動控制芯片adt-mc814，控制器采用四軸運動控制芯片，此運動控制芯片adt-mc814中集成有中斷/指令/處理模塊和線性，圓弧，位模式三大插補控制模塊。運動控制的指令經(jīng)過arm主cpu發(fā)出后，由此模塊經(jīng)過處理發(fā)送相應的脈沖給電機驅(qū)動器以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
（4）ram，arm主cpu集成有8/16khz的ram，但是它不能滿足系統(tǒng)運行大型程序，存儲特別是由于運算和rtos的多任務調(diào)度以及文件系統(tǒng)的運行都將產(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的運行也將占用一部分ram空間,所以必須擴展一個ram，此芯片外部擴展了一個8m的sdram。
（5）cpld，該控制器外部集成了cpld用于存儲數(shù)據(jù)，該cpld內(nèi)部集成了32個通用邏輯單元。用于存儲控制信號和數(shù)據(jù)等信息。
（6）flash，控制器主控板上集成了兩片flash，一片2m的nor flash，一片256m的nand flash，主要用于存儲系統(tǒng)運行所需的程序代碼，語言字庫，需要斷電和長期保存的系統(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）和存儲單元（fashic）組成，簡單的說就是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，可以使用pc機直接輸入程序，數(shù)據(jù)，也可以通過控制器輸入程序，數(shù)據(jù)。
（8）rs232通信，rs-232c（recommended standard-rs）串行接口是計算機與外設之間以及計算機與測試系統(tǒng)之間zui簡單、zui普遍的連接方法，采用25線連接器。其zui高的單向數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，此時的zui大傳輸距離為15米。適當降低速率，其zui大傳輸距離可達60米。但它只是一對一的傳輸，僅用于簡單或低速的系統(tǒng)，這里用于pc機和控制器之間的串行接口。
其中arm工程主板采用嵌入式結構，是arm7系列嵌入式cpu，內(nèi)核為arm7tdmi。
arm處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。arm商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴。arm是設計公司，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。
當前arm體系結構的擴充包括： 為了改善代碼密度，采用thumb 16位指令集； dsp應用的算術運算指令集；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：無線、消費類電子和圖像應用的開放平臺；存儲、自動化、工業(yè)和網(wǎng)絡應用的嵌入式實時系統(tǒng)；智能卡和sim卡的安全應用。
arm處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集。當前有5個產(chǎn)品系列——arm7、arm9、arm9e、arm10和securcore。
arm7系列是優(yōu)化了用于對價位和功耗敏感的消費應用的低功耗的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•諾依曼結構，提供0.9mips/mhz。
樣機系統(tǒng)中的驅(qū)動器為奧科公司的m542系列驅(qū)動器，使用40vdc系列中的q2byg403可以進行代替，5.1.4為它的實物圖。
具有特點：可驅(qū)動兩相四、六、八輸出線混合式步進電機；雙極恒流斬波方式，斬波頻率20khz；光電隔離信號輸入，輸入信號與tll兼容；靜止時自動減流，zui大驅(qū)動相電流3.；電流方便可調(diào)，細分精度可任意選擇；運行平穩(wěn)，高加速特性；高速大力矩輸出；過壓、過流、過溫保護；單脈沖/雙脈沖控制模式選擇。
可以用于封切機、剪板機、切管機、玻璃切割機、切帶機、商標印刷機、數(shù)控鉆銑機、鉆孔植毛機、雕刻機、彈簧機、繞線機等需要定位的控制系統(tǒng)。
q2byg403細分可根據(jù)sw1的1、2開關設定，如表5.1—a所示：
設置相應的細分后，根據(jù)步進角可以計算出電機的轉(zhuǎn)速，眾為興公司電機的步距角為1.8°，也就是說如果細分設定為a，則電機轉(zhuǎn)速為（360/1.8）*a，就是200a分/轉(zhuǎn)，例如，當細分設計為2時，電機轉(zhuǎn)速即為400分/轉(zhuǎn)。
此步進驅(qū)動器采用差分式接線，其接線圖如圖5.1.5所示。
輸入信號波形與時序如圖5.1.6所示。
樣機中步進電機為奧科公司產(chǎn)品m542系列步進電機，可以用眾為興公司的56mm系列步進電機56byghm611a替代，56byghm611a是眾為興生產(chǎn)的56mm系列步進電機的一種，技術參數(shù)見表5.1—b。
5.2 技術構成
我們所關注的核心技術主要是系統(tǒng)控制部分的核心技術，此系統(tǒng)的控制部分包括mc4140cut運動控制器，q2-byg403m驅(qū)動器。核心技術構成：自動加減速定量驅(qū)動技術，直線和圓弧插補技術，多軸驅(qū)動技術。圖5.2.1是技術構成圖。
恒速驅(qū)動，即定速驅(qū)動，就是以不變的速度輸出驅(qū)動脈沖。如果設定驅(qū)動速度小于初始速度，就沒有加/減速驅(qū)動，而是定速驅(qū)動。當搜尋原點、編碼器z相等信號后如果立即停止的話，不必進行加/減速驅(qū)動，而是一開始就運行低速的定速驅(qū)動。做到定速驅(qū)動，下列參數(shù)應預先設定：范圍，初始速度，驅(qū)動速度。定速驅(qū)動的示意圖如圖5.2.2所示。
直線加/減速驅(qū)動是線性地從驅(qū)動的初始速度加速到速度。定量驅(qū)動時，加速的計數(shù)器記錄加速所累計的脈沖數(shù)。當剩余輸出脈沖數(shù)少于加速脈沖后，就開始自動減速。減速時將用的加速度線性地減速至初始速度。
為了直線加/減速驅(qū)動，下列參數(shù)需預先設定：范圍r，以加速度a加速或者減速，減速度d加/減速度個別設定時的減速度，初始速度sv，驅(qū)動速度v。其示意圖如圖5.2.3所示。
mc4140cut不僅支持對稱直線加/減速驅(qū)動，而且它還支持非對稱直線加/減速驅(qū)動，s曲線加/速驅(qū)動。
對于垂直方向移動對象物，有重力加速度的負擔，所以在這樣加速度和減速度不同的非對稱直線加減速的定量驅(qū)動中，能夠變更上下移動的加速度和減速度。此時可以運行自動減速，事先不用設定手動減速點。圖5.2.4是加速度比減速度大的例子，圖5.2.5是減速度比加速度大的例子。
另外跟通常的直線加減速驅(qū)動一樣需要設定下述的參數(shù)：范圍r，加速度a，減速度d，初始速度sv，驅(qū)動速度v。
驅(qū)動速度加/減速時，可線性地增加/減少加速度以產(chǎn)生s型速度曲線，s曲線加/減速驅(qū)動的運行如圖5.2.6所示。
驅(qū)動開始加速時，加速度以的加速度增加率k從0線性增加到a。因此，這個速度曲線成為二次級拋物線（a區(qū)間）。加速度達到數(shù)值a后保持此數(shù)值，這時速度曲線是直線型的，速度在加速中（b區(qū)間）。目標速度v和當前速度的差值比隨著時間的增加而減少時，加速度趨向0。減少率和增加率相同，的加速度的負增長率k線性地減少，這時速度曲線成為二次拋物線（c區(qū)間）。筆者定義這種部分時間加速度固定的加速驅(qū)動為s曲線加速驅(qū)動。
mc4140cut內(nèi)部集成了adt-854運動控制卡，它支持2-3軸直線插補，圓弧插補，還支持連續(xù)插補。所謂插補，實際上是進行起點和終點之間數(shù)據(jù)點的“密化”。一般計算機數(shù)控系統(tǒng)均具有直線和圓弧插補功能，即插補出起點至終點之間各點的坐標值。
插補是計算機數(shù)控中zui重要的計算任務。圖5.2.7是插補在數(shù)控系統(tǒng)中的位置，插補計算又必須是實時的，即必須在有限的時間內(nèi)完成計算任務。插補程序的運行時間和計算精度影響著整個cnc系統(tǒng)的性能指標。就目前普遍應用的算法而言，可分為兩大類。
脈沖增量插補，即行程標量插補，比較典型的算法有逐點比較法和dda（數(shù)字微分分析器）等。插補的結果是產(chǎn)生單個的行程增量，以一個個脈沖的方式輸出。采用脈沖增量插補輸出的數(shù)控系統(tǒng)，其進給速率主要受插補程序所用時間的限制。主要應用在以步進電機作為驅(qū)動元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采樣插補，即時間標題插補，比較典型的算法有二階遞歸法和擴展dda等。它是計算出插補周期內(nèi)各個坐標軸的增量值，適用于交直流電機伺服驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)。插補程序計算出增量值后，還需繼續(xù)算出跟隨誤差和速度指令，輸出給伺服系統(tǒng)。一般而言插補周期和位置采樣周期一致，也可以不一致。典型的插補和位置采樣周期為10ms，采用數(shù)據(jù)采樣插補算法后，插補程序的時間負荷已不再是限制進給速度的主要原因，速度上限將取決于圓弧弦線誤差以及伺服系統(tǒng)的特性。該直線插補和圓弧插補采用的就是脈沖增量插補中的逐點比較法實現(xiàn)。
直線插補和圓弧插補的功能已經(jīng)在前述有所介紹，這里就不在贅述。
沒有連續(xù)插補功能的控制卡，如果需要在上一插補點結束后繼續(xù)下一插補，只能不斷查詢上一插補是否完成，然后輸出下一插補的數(shù)據(jù)，如果上位機的速度較慢，或者上位機運行多任務操作系統(tǒng)，在兩次插補之間就會出現(xiàn)停頓，會影響插補的效果，并且插補速度很難提高。adt854卡帶有連續(xù)插補功能，可以很好的解決這一問題，它可在上一插補未結束時，輸出下一插補的數(shù)據(jù)，即使在很慢的電腦上，也可達到好的效果。連續(xù)插補是直線→圓弧插補→直線插補→…這樣在每個插補節(jié)點之間不停地驅(qū)動。在連續(xù)插補驅(qū)動中，先讀取連續(xù)插補的允許寫入狀態(tài)和插補驅(qū)動狀態(tài)，如果插補未結束并且允許寫入，即可寫入下一插補命令。因此，在連續(xù)插補過程中從連續(xù)插補驅(qū)動開始至結束的時間必須長于設定下一個插補節(jié)點的數(shù)據(jù)和命令的時間。
mc4140cut控制器中的adt-854運動控制卡不僅支持上述插補功能，而且它還支持使用直線或s 曲線加/減速驅(qū)動（只可做直線插補）運行插補的功能。
在直線插補中可以運行直線加/減速驅(qū)動及s曲線加減速驅(qū)動減速，在圓弧插補、位模式插補中只能用手動減速的直線加/ 減速驅(qū)動不能使用s曲線加/減速驅(qū)動及自動減速
在連續(xù)插補中，只能用手動減速的直線加/減速驅(qū)動，不能用s曲線加/減速驅(qū)動及自動減速。在連續(xù)插補中，要事先設定手動減速點，此手動減速點設定在運行減速的zui終節(jié)點上，并設定從x軸輸出的基本脈沖的數(shù)值。連續(xù)插補時，先把減速設定為無效，然后開始插補驅(qū)動，在要減速的zui終插補節(jié)點上，在寫入插補命令之前，寫入允許減速命令。開始zui終插補節(jié)點的驅(qū)動時，減速才有效。從zui終插補節(jié)點的開始計算主軸輸出的基本脈沖數(shù)大于手動減速點的數(shù)值時，減速就開始。
比如從插補節(jié)點1至5的連續(xù)插補中，在zui終節(jié)點5上用手動減速的話，有下述的程序。
由從節(jié)點5 開始的x軸基本脈沖數(shù)的數(shù)值來設定手動減速點，比如假定減速化費2,000 脈沖，在節(jié)點5上輸出的基本脈沖的總脈沖數(shù)是5000的話，手動減速點就為5000-2000=3000。開始至停止一定要在1個節(jié)點內(nèi)運行減速，減速停止的zui終插補節(jié)點需要從其x或z軸輸出的基本脈沖總數(shù)要大于在減速中花費的脈沖數(shù)。
它支持三軸聯(lián)動，包括x軸、y軸、z軸，分別代表切割也位機的不同方向的運動，其中x軸代表刀臺的前后方向的運動，y軸代表刀位左右方向的運動，z軸代表刀位上下?lián)Q刀的運動。其實物圖如圖5.3.7所示。
這里的切割機只是由來試驗的，所以使用圓珠筆來代替刀具。由上圖可知，刀架臺在x軸方向，y軸方向，z軸方向的運動整體有機結合起來，完成一次對材料的切割任務。
5.4 功能與實現(xiàn)
在這里主要介紹一下它的換刀功能的實現(xiàn)，其刀架臺內(nèi)部結構如圖5.4.1所示。
實際上，切換刀是由z軸電機轉(zhuǎn)動帶動兩個機械聯(lián)動裝置上下運動從而實現(xiàn)的，為了實現(xiàn)換刀功能，必須有傳感器的信息反饋。這里的光電控制開關就是實現(xiàn)這一反饋功能的傳感器，它可以實現(xiàn)速度信息的反饋功能。其實物圖如圖5.4.2所示。
工作臺在x，y軸的聯(lián)動，z軸兩工具刀的互換，三軸獨自運動，就像左右手的運動一樣，相互協(xié)作，做為一個有機的整體，共同完成平板切割的任務。
5.5 結論
實際上，mc4140cut運動控制器不僅適用于平板切割機控制系統(tǒng)，還有點膠機，四軸焊接機等等控制系統(tǒng)。好的運動控制器的選擇有的時候可以使得整個控制系統(tǒng)達到很好的工作效果。眾為興公司的控制器產(chǎn)品并不追求高精度，豪華舒適的效果，但是，它可以滿足大眾追求實用性和價格低廉的要求。mc4140cut就是這樣的一種產(chǎn)品，它在tp3340的基礎上做了適當?shù)母倪M，增加了存儲容量和部分插補功能，可以很好的實現(xiàn)一些對精度要求不高的控制系統(tǒng)，arm嵌入式控制系統(tǒng)的使用使得自動化變的簡單而又可行性高，使得機電一體化更加成為可能，使得工業(yè)自動化控制成為炙手可熱的行業(yè)。實踐證明，mc4140cut四軸運動控制器在平板切割機上的應用，使得平板切割效率大為提高。難怪有人說，運動控制器帶來了第三次工業(yè)革命。
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1 系統(tǒng)構成
整個系統(tǒng)的框架原理圖見5.1.1。
對于控制精度要求不大的平板切割機，系統(tǒng)采用步進電機實現(xiàn)。利用mc4140cut四軸運動控制器實現(xiàn)時，控制系統(tǒng)構成： mc4140cut四軸運動控制器,步進驅(qū)動器q2-byg403m，56byghm611a二相混合式步進電機。
（1）控制器采用的四mc4140cut，液晶+按鍵屏，128x64點陣圖形液晶顯示屏 256m超大容量存儲空間；該控制器是整個系統(tǒng)的“大腦”，整個系統(tǒng)的反應速度，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zui終取決于控制器本身。所以，它是控制系統(tǒng)的核心。
（2）步進驅(qū)動器是整個系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，驅(qū)動器的好壞是系統(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步進驅(qū)動器實現(xiàn)該系統(tǒng)。
（3）步進電機也可以采用眾為興的實現(xiàn),文中采用56byghm611a實現(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，運動控制集成芯片和顯示器集成芯片，前三者的關系是：arm工控主板為核心板，相當于“大腦”它控制運動控制集成芯片，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)動器在內(nèi)的顯示器驅(qū)動電路。
（4）主控板，自不必說，是整個控制器的核心主板，它上面集成有很多芯片，包括arm主控cpu，兩片擴展的flash，cpld，一片sdram等等。正是這些電子ic器件，構成了控制系統(tǒng)的控制部分，即整個人工智能系統(tǒng)的“大腦”。
系統(tǒng)構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)動電路和驅(qū)動器。
（2）嵌入式cpu，mc4140cut四軸運動控制器內(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實時時鐘，通用i/o等資源。
（3）dsp運動控制芯片adt-mc814，控制器采用四軸運動控制芯片，此運動控制芯片adt-mc814中集成有中斷/指令/處理模塊和線性，圓弧，位模式三大插補控制模塊。運動控制的指令經(jīng)過arm主cpu發(fā)出后，由此模塊經(jīng)過處理發(fā)送相應的脈沖給電機驅(qū)動器以驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。
（4）ram，arm主cpu集成有8/16khz的ram，但是它不能滿足系統(tǒng)運行大型程序，存儲特別是由于運算和rtos的多任務調(diào)度以及文件系統(tǒng)的運行都將產(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的運行也將占用一部分ram空間,所以必須擴展一個ram，此芯片外部擴展了一個8m的sdram。
（5）cpld，該控制器外部集成了cpld用于存儲數(shù)據(jù)，該cpld內(nèi)部集成了32個通用邏輯單元。用于存儲控制信號和數(shù)據(jù)等信息。
（6）flash，控制器主控板上集成了兩片flash，一片2m的nor flash，一片256m的nand flash，主要用于存儲系統(tǒng)運行所需的程序代碼，語言字庫，需要斷電和長期保存的系統(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）和存儲單元（fashic）組成，簡單的說就是用固態(tài)電子存儲芯片陣列而制成的硬盤，可以使用pc機直接輸入程序，數(shù)據(jù)，也可以通過控制器輸入程序，數(shù)據(jù)。
（8）rs232通信，rs-232c（recommended standard-rs）串行接口是計算機與外設之間以及計算機與測試系統(tǒng)之間zui簡單、zui普遍的連接方法，采用25線連接器。其zui高的單向數(shù)據(jù)傳輸率為20kbps，此時的zui大傳輸距離為15米。適當降低速率，其zui大傳輸距離可達60米。但它只是一對一的傳輸，僅用于簡單或低速的系統(tǒng)，這里用于pc機和控制器之間的串行接口。
其中arm工程主板采用嵌入式結構，是arm7系列嵌入式cpu，內(nèi)核為arm7tdmi。
arm處理器的三大特點是：耗電少功能強、16位/32位雙指令集和眾多合作伙伴。arm商品模式的強大之處在于它在世界范圍有超過100個的合作伙伴。arm是設計公司，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。
當前arm體系結構的擴充包括： 為了改善代碼密度，采用thumb 16位指令集； dsp應用的算術運算指令集；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：無線、消費類電子和圖像應用的開放平臺；存儲、自動化、工業(yè)和網(wǎng)絡應用的嵌入式實時系統(tǒng)；智能卡和sim卡的安全應用。
arm處理器本身是32位設計，但也配備16位指令集。當前有5個產(chǎn)品系列——arm7、arm9、arm9e、arm10和securcore。
arm7系列是優(yōu)化了用于對價位和功耗敏感的消費應用的低功耗的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•諾依曼結構，提供0.9mips/mhz。
樣機系統(tǒng)中的驅(qū)動器為奧科公司的m542系列驅(qū)動器，使用40vdc系列中的q2byg403可以進行代替，5.1.4為它的實物圖。
具有特點：可驅(qū)動兩相四、六、八輸出線混合式步進電機；雙極恒流斬波方式，斬波頻率20khz；光電隔離信號輸入，輸入信號與tll兼容；靜止時自動減流，zui大驅(qū)動相電流3.；電流方便可調(diào)，細分精度可任意選擇；運行平穩(wěn)，高加速特性；高速大力矩輸出；過壓、過流、過溫保護；單脈沖/雙脈沖控制模式選擇。
可以用于封切機、剪板機、切管機、玻璃切割機、切帶機、商標印刷機、數(shù)控鉆銑機、鉆孔植毛機、雕刻機、彈簧機、繞線機等需要定位的控制系統(tǒng)。
q2byg403細分可根據(jù)sw1的1、2開關設定，如表5.1—a所示：
設置相應的細分后，根據(jù)步進角可以計算出電機的轉(zhuǎn)速，眾為興公司電機的步距角為1.8°，也就是說如果細分設定為a，則電機轉(zhuǎn)速為（360/1.8）*a，就是200a分/轉(zhuǎn)，例如，當細分設計為2時，電機轉(zhuǎn)速即為400分/轉(zhuǎn)。
此步進驅(qū)動器采用差分式接線，其接線圖如圖5.1.5所示。
輸入信號波形與時序如圖5.1.6所示。
樣機中步進電機為奧科公司產(chǎn)品m542系列步進電機，可以用眾為興公司的56mm系列步進電機56byghm611a替代，56byghm611a是眾為興生產(chǎn)的56mm系列步進電機的一種，技術參數(shù)見表5.1—b。
5.2 技術構成
我們所關注的核心技術主要是系統(tǒng)控制部分的核心技術，此系統(tǒng)的控制部分包括mc4140cut運動控制器，q2-byg403m驅(qū)動器。核心技術構成：自動加減速定量驅(qū)動技術，直線和圓弧插補技術，多軸驅(qū)動技術。圖5.2.1是技術構成圖。
恒速驅(qū)動，即定速驅(qū)動，就是以不變的速度輸出驅(qū)動脈沖。如果設定驅(qū)動速度小于初始速度，就沒有加/減速驅(qū)動，而是定速驅(qū)動。當搜尋原點、編碼器z相等信號后如果立即停止的話，不必進行加/減速驅(qū)動，而是一開始就運行低速的定速驅(qū)動。做到定速驅(qū)動，下列參數(shù)應預先設定：范圍，初始速度，驅(qū)動速度。定速驅(qū)動的示意圖如圖5.2.2所示。
直線加/減速驅(qū)動是線性地從驅(qū)動的初始速度加速到速度。定量驅(qū)動時，加速的計數(shù)器記錄加速所累計的脈沖數(shù)。當剩余輸出脈沖數(shù)少于加速脈沖后，就開始自動減速。減速時將用的加速度線性地減速至初始速度。
為了直線加/減速驅(qū)動，下列參數(shù)需預先設定：范圍r，以加速度a加速或者減速，減速度d加/減速度個別設定時的減速度，初始速度sv，驅(qū)動速度v。其示意圖如圖5.2.3所示。
mc4140cut不僅支持對稱直線加/減速驅(qū)動，而且它還支持非對稱直線加/減速驅(qū)動，s曲線加/速驅(qū)動。
對于垂直方向移動對象物，有重力加速度的負擔，所以在這樣加速度和減速度不同的非對稱直線加減速的定量驅(qū)動中，能夠變更上下移動的加速度和減速度。此時可以運行自動減速，事先不用設定手動減速點。圖5.2.4是加速度比減速度大的例子，圖5.2.5是減速度比加速度大的例子。
另外跟通常的直線加減速驅(qū)動一樣需要設定下述的參數(shù)：范圍r，加速度a，減速度d，初始速度sv，驅(qū)動速度v。
驅(qū)動速度加/減速時，可線性地增加/減少加速度以產(chǎn)生s型速度曲線，s曲線加/減速驅(qū)動的運行如圖5.2.6所示。
驅(qū)動開始加速時，加速度以的加速度增加率k從0線性增加到a。因此，這個速度曲線成為二次級拋物線（a區(qū)間）。加速度達到數(shù)值a后保持此數(shù)值，這時速度曲線是直線型的，速度在加速中（b區(qū)間）。目標速度v和當前速度的差值比隨著時間的增加而減少時，加速度趨向0。減少率和增加率相同，的加速度的負增長率k線性地減少，這時速度曲線成為二次拋物線（c區(qū)間）。筆者定義這種部分時間加速度固定的加速驅(qū)動為s曲線加速驅(qū)動。
mc4140cut內(nèi)部集成了adt-854運動控制卡，它支持2-3軸直線插補，圓弧插補，還支持連續(xù)插補。所謂插補，實際上是進行起點和終點之間數(shù)據(jù)點的“密化”。一般計算機數(shù)控系統(tǒng)均具有直線和圓弧插補功能，即插補出起點至終點之間各點的坐標值。
插補是計算機數(shù)控中zui重要的計算任務。圖5.2.7是插補在數(shù)控系統(tǒng)中的位置，插補計算又必須是實時的，即必須在有限的時間內(nèi)完成計算任務。插補程序的運行時間和計算精度影響著整個cnc系統(tǒng)的性能指標。就目前普遍應用的算法而言，可分為兩大類。
脈沖增量插補，即行程標量插補，比較典型的算法有逐點比較法和dda（數(shù)字微分分析器）等。插補的結果是產(chǎn)生單個的行程增量，以一個個脈沖的方式輸出。采用脈沖增量插補輸出的數(shù)控系統(tǒng)，其進給速率主要受插補程序所用時間的限制。主要應用在以步進電機作為驅(qū)動元件的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)采樣插補，即時間標題插補，比較典型的算法有二階遞歸法和擴展dda等。它是計算出插補周期內(nèi)各個坐標軸的增量值，適用于交直流電機伺服驅(qū)動的數(shù)控系統(tǒng)。插補程序計算出增量值后，還需繼續(xù)算出跟隨誤差和速度指令，輸出給伺服系統(tǒng)。一般而言插補周期和位置采樣周期一致，也可以不一致。典型的插補和位置采樣周期為10ms，采用數(shù)據(jù)采樣插補算法后，插補程序的時間負荷已不再是限制進給速度的主要原因，速度上限將取決于圓弧弦線誤差以及伺服系統(tǒng)的特性。該直線插補和圓弧插補采用的就是脈沖增量插補中的逐點比較法實現(xiàn)。
直線插補和圓弧插補的功能已經(jīng)在前述有所介紹，這里就不在贅述。
沒有連續(xù)插補功能的控制卡，如果需要在上一插補點結束后繼續(xù)下一插補，只能不斷查詢上一插補是否完成，然后輸出下一插補的數(shù)據(jù)，如果上位機的速度較慢，或者上位機運行多任務操作系統(tǒng)，在兩次插補之間就會出現(xiàn)停頓，會影響插補的效果，并且插補速度很難提高。adt854卡帶有連續(xù)插補功能，可以很好的解決這一問題，它可在上一插補未結束時，輸出下一插補的數(shù)據(jù)，即使在很慢的電腦上，也可達到好的效果。連續(xù)插補是直線→圓弧插補→直線插補→…這樣在每個插補節(jié)點之間不停地驅(qū)動。在連續(xù)插補驅(qū)動中，先讀取連續(xù)插補的允許寫入狀態(tài)和插補驅(qū)動狀態(tài)，如果插補未結束并且允許寫入，即可寫入下一插補命令。因此，在連續(xù)插補過程中從連續(xù)插補驅(qū)動開始至結束的時間必須長于設定下一個插補節(jié)點的數(shù)據(jù)和命令的時間。
mc4140cut控制器中的adt-854運動控制卡不僅支持上述插補功能，而且它還支持使用直線或s 曲線加/減速驅(qū)動（只可做直線插補）運行插補的功能。
在直線插補中可以運行直線加/減速驅(qū)動及s曲線加減速驅(qū)動減速，在圓弧插補、位模式插補中只能用手動減速的直線加/ 減速驅(qū)動不能使用s曲線加/減速驅(qū)動及自動減速
在連續(xù)插補中，只能用手動減速的直線加/減速驅(qū)動，不能用s曲線加/減速驅(qū)動及自動減速。在連續(xù)插補中，要事先設定手動減速點，此手動減速點設定在運行減速的zui終節(jié)點上，并設定從x軸輸出的基本脈沖的數(shù)值。連續(xù)插補時，先把減速設定為無效，然后開始插補驅(qū)動，在要減速的zui終插補節(jié)點上，在寫入插補命令之前，寫入允許減速命令。開始zui終插補節(jié)點的驅(qū)動時，減速才有效。從zui終插補節(jié)點的開始計算主軸輸出的基本脈沖數(shù)大于手動減速點的數(shù)值時，減速就開始。
比如從插補節(jié)點1至5的連續(xù)插補中，在zui終節(jié)點5上用手動減速的話，有下述的程序。
由從節(jié)點5 開始的x軸基本脈沖數(shù)的數(shù)值來設定手動減速點，比如假定減速化費2,000 脈沖，在節(jié)點5上輸出的基本脈沖的總脈沖數(shù)是5000的話，手動減速點就為5000-2000=3000。開始至停止一定要在1個節(jié)點內(nèi)運行減速，減速停止的zui終插補節(jié)點需要從其x或z軸輸出的基本脈沖總數(shù)要大于在減速中花費的脈沖數(shù)。
它支持三軸聯(lián)動，包括x軸、y軸、z軸，分別代表切割也位機的不同方向的運動，其中x軸代表刀臺的前后方向的運動，y軸代表刀位左右方向的運動，z軸代表刀位上下?lián)Q刀的運動。其實物圖如圖5.3.7所示。
這里的切割機只是由來試驗的，所以使用圓珠筆來代替刀具。由上圖可知，刀架臺在x軸方向，y軸方向，z軸方向的運動整體有機結合起來，完成一次對材料的切割任務。
5.4 功能與實現(xiàn)
在這里主要介紹一下它的換刀功能的實現(xiàn)，其刀架臺內(nèi)部結構如圖5.4.1所示。
實際上，切換刀是由z軸電機轉(zhuǎn)動帶動兩個機械聯(lián)動裝置上下運動從而實現(xiàn)的，為了實現(xiàn)換刀功能，必須有傳感器的信息反饋。這里的光電控制開關就是實現(xiàn)這一反饋功能的傳感器，它可以實現(xiàn)速度信息的反饋功能。其實物圖如圖5.4.2所示。
工作臺在x，y軸的聯(lián)動，z軸兩工具刀的互換，三軸獨自運動，就像左右手的運動一樣，相互協(xié)作，做為一個有機的整體，共同完成平板切割的任務。
5.5 結論
實際上，mc4140cut運動控制器不僅適用于平板切割機控制系統(tǒng)，還有點膠機，四軸焊接機等等控制系統(tǒng)。好的運動控制器的選擇有的時候可以使得整個控制系統(tǒng)達到很好的工作效果。眾為興公司的控制器產(chǎn)品并不追求高精度，豪華舒適的效果，但是，它可以滿足大眾追求實用性和價格低廉的要求。mc4140cut就是這樣的一種產(chǎn)品，它在tp3340的基礎上做了適當?shù)母倪M，增加了存儲容量和部分插補功能，可以很好的實現(xiàn)一些對精度要求不高的控制系統(tǒng)，arm嵌入式控制系統(tǒng)的使用使得自動化變的簡單而又可行性高，使得機電一體化更加成為可能，使得工業(yè)自動化控制成為炙手可熱的行業(yè)。實踐證明，mc4140cut四軸運動控制器在平板切割機上的應用，使得平板切割效率大為提高。難怪有人說，運動控制器帶來了第三次工業(yè)革命。
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