1 引言
旋压是先进制造技术的重要组成部分，具有变形条件好、制晶性能高、范围广、尺寸公差小，以及可制成整体无缝空心零件等优点。数控技术应用了自动控制、计算机技术及精密检测技术等方面的最新成果，在提高生产效率、降低生产成本、保证加工质量及减轻操作人员的劳动强度方面具有突出优点[21。因此，将数控技术引入旋压机床，研制新一代开放式数字化、智能化的旋压机床数控系统越来越受到人们的重视。
原则上讲，用于金属切削机床的商业数控系统都可以用做旋压机床的数控系统。但金属切削机床一般是电机驱动，与旋压机床的液压驱动存在一定差别，如液压油的可压缩性会使系统刚性变差，电一液控制阀的非线性、液压元件的响应频率低都会对系统的动一静特性带来～定影响。西门子公司的840D数控系统是近年来推出的一种专为电一液伺服研制的液压驱动模块删。目前，国内外比较著名的旋压机床生产厂家，多采用840D数控系统，如西班牙的DENN公司ZENN—100型数控旋压机床、北京航空制造工程研究所的SY-8型数控旋压机床，等等。
关于嵌入式的定义有很多种，普遍认同的定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、数控软件硬件可裁剪，适合应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，’这也是嵌入式系统与通用计算机系统最主要的区别。另外，由于嵌入式系统是为特定目的而设计的，因此，它可以最大限度地在硬件和软件上“量身定做”以提高其效率，这样的结果最终导致了实时性的增强。
我国的旋压技术发展已接近国际先进水平，许多自行设计制造的新型、高精度数控旋压设备不断涌现。但其数控系统还停留在引进国外高档专用数控系统或者用工控机，嵌入式系统在数控旋压机床上的应用还属空白。
2 基于ARM嵌入式系统应用层数控软件概要设计
2.1 数控系统要求
为适应国情，并使所研究的成果能面向广大中、小型企业，本文采用基于ARM(Advanced Reduced instruction set computing Machines)嵌入式的经济型数控系统，在旋压机中对液压弹顶装置的轴向进给(A轴)、旋轮座的横向进给(x轴)及纵向进给(z轴)、旋轮的径向进给(通过B轴的转动来实现)实行四轴两联动控制。
2.2 嵌入式系统开发流程
旋压机床的数控软件系统是一个很大的实时多任务处理软件，它既要管理数控代码的编辑、编译、仿真以及机床运行时的插补计算和实时控制，又要负责机床手动操作、文件传输、在线帮助等任务。考虑到数控软件开发的复杂性，在软件设计时，首先按照数控软件工程的思想进行了系统的总体设计，将系统软件划分成主机应用程序和实时调度程序两个既独立又能相互协调的部分。主机应用程序负责实现数控系统的各种基本功能、人机交互、界面显示等；实时调度程序负责实现位置／速度实时控制、插补驱动等功能。
2.3 操作程序总体规划
考虑到机床功能要求及操作的便捷性，采用树状结构进行设计，分5种工作模式：录入模式、自动模式、手动模式、归零模式、手轮模式。在每种模式下都有各自完整的操作规程，并且各个模式之间在任何情况下都可以任意相互切换。程序分为3级菜单，进入下一级菜单时必须从上一级菜单向下进。
3 ARM嵌入式数控系统数控软件设计关键技术
嵌入式系统数控软件包括嵌入式操作系统和嵌入式应用数控软件。嵌入式系统的应用软件是实现整个嵌入式系统功能的关键。
3.1译码模块的分析与研究
3.1.1 数控系统中译码功能概述在数控系统中，零件的加工程序是以G代码、M代码等组成的一段段代码程序，每段程序表示一个零件外形几-M线条的加工或进行一些辅助功能的操作。所谓“译码”就是输入的数控加工程序按一定规则翻译成CNC装置中计算机能识别的数据形式，并按约定的格式存放在指定的译码结果缓冲器中。具体来讲，译码就是从数控加工程序缓冲器或MDI缓冲器中逐个读人字符，先识别出其中的文字码和数字码，再将具体的文字或辅助符号译出，最后根据文字码所代表的功能，将后续数字码送到相应译码结果缓冲器单元中。另外在译码过程中还要进行数控加工程序的错误诊断。数控加工的译码可由硬件线路来实现，也可以由数控软件编程来实现I剐。
3.1.2“G代码翻译模块”与“加工服务模块”之间的数据交换，“G代码翻译模块”与“加工服务模块”之间的数据交换是译码过程中最重要的一环，要首先定义他们共同的数据类型，以便在以后编程中运用。由于这些数据类型在G代码翻译模块与加工服务模块中都要使用，因此，要在公共模块中定义。
3.2 A轴液压控制系统设计
3.2.1 A轴液压控制系统总体规划
本文所设计的多功能旋压机床的A轴采用液压驱动，液压系统中的模拟信号通过PWM接口进行控制信号D／A转换，由控制器、位移传感器、伺服阀、液压缸组成一个闭环反馈系统。
3.2.2 A轴液压控制系统程序设计
根据数控系统的要求，通过电液比例伺服阀控制速度，分快速定位S1、工进S2及精确定位S3只挡速度;位置由位移传感器反馈0.5~1.7V电压信号(对应于0~70mm行程)控制，按比例力一式进行检测，位置精度可通过实验数据调整系统参数获得。为防止零点漂移，旋轮停止时，将比例阀关闭，而不采用流量为零的控制方式。
3.3 圆弧运动程序设计
3.3.1 插补原理
直线与圆弧是构成工件轮廓的基本要素，但数控旋压机床的旋轮进给不能严格地沿直线或圆弧运动，只能用折线轨迹进行逼近。所谓插补功能就是系统能够根据进给速度的要求，在运动起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值去逼近直线或圆弧，使机床运动的轨迹逼近直线或圆弧。由于每个中间点的计算时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点的计算精度又影响到整个CNC系统的精度，因此，插补算法对整个数控系统的性能指标至关重要。目前，应用的插*bg法分为两类：即脉冲增量插补算法和数字采样插补算法。而圆弧插补中，常用的插补为逐点比较法、最小偏差法、DDA法、直接函数法DFB、角度逼近法等。
3.3.2 圆弧运动插补
圆弧插补涉及的问题比较多，如圆弧的方向(顺圆、逆圆)、象限的区分等。目前圆弧插补算法己日趋成熟，如逐点比较法、DDA法、最小偏差法及其各种改进算法等。和逐点比较法相比，最小偏差法虽然要多计算两次偏差值，但可以明显提高插补精度，而且在现有的硬件条件下，计算速度完全可以满足生产要求。
将一个圆分成8卦限，规定在不同的象限，其进给方向不同。如逆时针插*ba,-t，在0卦限，进给方向只能为(+△y)或(-△x，+△y)。
3.3.3 基于MCX314As控制芯片的圆弧插补
MCX314As运动控制芯片圆弧运动采用最小偏差的位插补驱动，可以进行任意两轴的圆弧插补运动。在插补运动中，当前位置就是圆弧插补的起始点。用户设置好圆心坐标、插补终点值及其插补方向后，就可以进行圆弧插补。值得注意的是，坐标的设定值是相对于起始点的相对值，而不是坐标的绝对值。
MCX314As运动控制芯片的运动控制原理与最小偏差原理相似，将并7坐标平面分8个卦限。在0、3、4、7卦限内，名的绝对值总是大于y的绝对值，而在1、2、5、6卦限内，y的绝对值总是大于菇的绝对值。
可以看出，在0、3、4、7卦限内长轴y轴是连续运动，短轴并轴作插补运动；而另外4个象限则情况相反。插补运动中插补坐标圆点到插补终点的距离范围是-2，147，483，646~+2，147，483，646之间，插补精度为±1LSB(Least significant bit，插补单位)，插补速度范围是1PPS～4MPPS。
3.4 基于MCX314As控制芯片的圆弧运动程序设计
本机床需要2轴的直线插补及圆弧插补运动。旋压机床圆弧运动的编程方法可分为：半径编程与圆心坐标编程，编程平面为船平面。将运动库函数添加到ADS安装目录LStationary＼下，将运动函数连接到工程项目中，然后进行程序设计编程。
4 总结
基于ARM嵌入式数控系统的开发是个复杂的系统，本文对数控系统应用层数控软件开发过程中的关键技术进行了深入的研究。首先对应用层公共模块进行了设计；其次对译码模块进行了分析研究，给出了由G代码翻译模块到加工服务模块的数据协议结构；然后，对旋压数控机床最核心部分的液压控制程序进行了分析研究，给出了液压控制主要程序；最后对加工运动中最核心的圆弧插补运动程序的设计进行了研究，分析了MCX314As运动控制芯片的圆弧插补原理，给出了圆弧运动的主要设计程序。
(审核编辑: 智汇胡妮)
