【文章內(nèi)容簡介】 機傳動到直流主軸傳動，而隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的進展，現(xiàn)在又進入了交流主軸伺服系統(tǒng)的時代，目前已很少見到在數(shù)控機床上有使用直流主軸伺服系統(tǒng)了。當(dāng)代電主軸所使用的電機，不僅有異步交流感應(yīng)電機，還有永磁同步電機，后者在相同功率下，外形尺寸較小，且轉(zhuǎn)子為永久磁鐵不發(fā)熱。 高速主軸單元技術(shù)在一些工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)發(fā)展到較高水平，并被廣泛應(yīng)用于高速機床行業(yè)，已經(jīng)產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益。為了滿足國內(nèi)發(fā)展高速、高精度數(shù)控機床的需求，在“九五”期間通過攻關(guān)，～29kW、扭矩為4～、能應(yīng)用于數(shù)控機床和加工中心的電主軸，并且已裝備了部分國產(chǎn)數(shù)控機床。但是從總體上講，國產(chǎn)的電主軸和國外產(chǎn)品相比較，無論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。而高速電主軸單元技術(shù)是制約我國超高速加工技術(shù)的瓶頸。為了趕上高速加工技術(shù)發(fā)展的潮流，我國正在不斷加大對超高速加工關(guān)鍵功能部件—電主軸單元的研究力度。目前，國家高效磨削工程技術(shù)研究中心承擔(dān)了國家“十五”攻關(guān)計劃課題“高速主軸單元的研究開發(fā)與應(yīng)用”，正在為提升我國的電主軸單元技術(shù)水平而不斷努力。 (4) 以直線電動機直接驅(qū)動的直線伺服進給技術(shù)已趨成熟高速高精加工機床的進給驅(qū)動，主要有傳統(tǒng)的“旋轉(zhuǎn)伺服電機+精密高速滾珠絲杠”和新型的“直線電機直接驅(qū)動”兩種類型。 滾珠絲杠由於工藝成熟，應(yīng)用廣泛，不僅精度能達到較高(ISO3408 1級)，而且實現(xiàn)高速化的成本也相對較低，所以迄今仍為許多高速加工機床所采用。當(dāng)前使用滾珠絲杠驅(qū)動的高速加工機床最大移動速度90m/min。但滾珠絲杠畢竟是機械傳動，從伺服電機到移動部件間有一系列機械元件，勢必存在彈性變形、摩擦和反向間隙，相應(yīng)造成運動滯后和其它非線性誤差，目前滾珠絲杠副的移動速度和加速度已提高較多，再進一步提高的余地有限。自1993年，在機床進給上開始應(yīng)用直線電機直接驅(qū)動，它是高速高精加工機床特別是其中的大型機床更理想的驅(qū)動方式。目前使用直線電機的高速高精加工機床最大快移速度已達208m/min，加速度2g(Mazak的HMCF3660L加工中心的水平)，并且還有發(fā)展余地。 與滾珠絲杠傳動相比，直線電機直接驅(qū)動的優(yōu)點是: a. 高剛度。直線電機直接和負(fù)載連接，沒有間隙，有更高的動態(tài)剛度。 b. 更寬的速度范圍。現(xiàn)代電機技術(shù)，很容易實現(xiàn)寬調(diào)速，速度變化范圍可達1:10000以上。例如，美國科爾摩根公司DDL永磁直線電機高速大于5m/s，低速1181。m/s。 c. 加速特性好、運動慣量小、有更高動態(tài)響應(yīng)性能。運行平穩(wěn)，位置精度高(基本上取決于位置反饋檢測元件)。 d. 無行程限制。采用模塊結(jié)構(gòu), 可接長適應(yīng)不同行程要求。 采用直線電機直接驅(qū)動省去了一切中間機械傳動，從根本上減小了機械摩損與傳動誤差，減少維護工作。 e. 軌跡誤差小，高速下可獲得良好的定位精度。電機直接驅(qū)動的優(yōu)點正好彌補滾珠絲杠傳動的不足，與滾珠絲杠傳動相比，其速度提高30倍，加速度提高10倍，最大達10g，剛度提高7倍，最高響應(yīng)頻率達100Hz。直線電機直接驅(qū)動也存在一些缺點和問題，除控制難度大(中間沒有緩沖環(huán)節(jié)和存在端部效應(yīng))外，還存在強磁場對周邊產(chǎn)生磁干擾，影響滾動導(dǎo)軌副的壽命，同時給排屑、裝配、維修帶來困難，以及發(fā)熱大、散熱條件差。需解決散熱、隔磁、足夠的推力、自鎖和移動部件輕量化等方面的問題，才能在機床上實際應(yīng)用，同時成本較高也影響其推廣應(yīng)用。目前這些問題都已得到不同程度的解決，采用者愈來愈多。交流直線伺服電機也有感應(yīng)(異步)式和同步式兩大類，同步式(次級為永久磁鋼)由于效率高、推力密度大、可控性好等優(yōu)點，盡管其對隔磁防塵要求較高和裝配較困難，現(xiàn)在也已成為機床用直線電機的主流。例如，美國Ingersoll銑床公司生產(chǎn)的HVM800高速臥式加工中心，X、Y、Z三軸都采用永磁同步直線伺服電機。 在高速高精加工機床領(lǐng)域，直線電機驅(qū)動和滾珠絲杠驅(qū)動雖然還會并存相當(dāng)長一段時間，但總的趨勢是直線電機驅(qū)動所占比重會愈來愈大，將來很有可能成為此種機床進給驅(qū)動的主流。現(xiàn)在世界各國的知名機床制造商(比如以發(fā)展?jié)L珠絲杠驅(qū)動聞名于世的日本Mazak公司和韓國的大宇公司)都紛紛推出直線電機驅(qū)動的機床，而德國的DMG公司，2001年便已銷售裝有直線電機的機床約1000臺，2002年要翻番，計劃為2000臺。種種跡象表明，直線電機驅(qū)動在高速高精加工機床上的應(yīng)用已進入加速增長期。2 相關(guān)技術(shù)簡介 ARM原理簡介 ARM處理器概述 ARM公司自1990年正式成立以來，在32位RISC(Reduced Instruction Set Computer)開發(fā)領(lǐng)域不斷取得突破，其結(jié)構(gòu)已經(jīng)從V3 發(fā)展到V6?，F(xiàn)在設(shè)計、生產(chǎn)ARM 芯片的國際大公司已經(jīng)超過50家，國內(nèi)中興通信和華為等公司也已經(jīng)購買ARM 公司的芯核用于通信專用芯片的設(shè)計。ARM 微處理作為典型32位RISC 架構(gòu)的處理器，廣泛運用于工控設(shè)備、智能儀表、汽車電子、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、電子商務(wù)、信息家電、智能玩具、通信設(shè)備、移動存儲以及軍事電子領(lǐng)域。具有以下幾個主要特點：、低功耗、低成本； Thumb(16位)和ARM(32位)雙指令集，能很好地兼容8/16位器件；，指令執(zhí)行速度快；；，執(zhí)行效率高；；。隨著ARM技術(shù)的發(fā)展，新的ARM處理器還集成了以下幾個主要特點。：16位指令集，用以改善代碼密度；2. DSP：用于DSP應(yīng)用的算術(shù)運算指令集；：允許直接執(zhí)行Java 代碼的擴充。目前，ARM 處理器有以下幾個系列的產(chǎn)品：ARM7TDMI、StrongARM ARM720T、ARM9TDMI、ARM922T、ARM940T、RM946T、ARM966T、ARM10TDM1 等。自V5以后，ARM 公司提供Piccolo DSP 的芯核給芯片設(shè)計者，用于設(shè)計ARM＋DSP的SoC(System on Chip)結(jié)構(gòu)的芯片。ARM7 處理器是低功耗的32位微處理器，最適合于對價位和功耗要求較高的消費類應(yīng)用，廣泛運用于工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、數(shù)據(jù)通信等領(lǐng)域。目前，ARM7 處理器包括ARM7TDMI、ARM7TDMIS、ARM7EJS 和ARM720T。ARM9微處理器是ARM7處理器的升級，是高性能和低功耗處理器的代表，廣泛運用于無線設(shè)備、儀用儀表、數(shù)字成像、數(shù)字機頂盒和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。目前，ARM9系統(tǒng)微處理器主要有ARM920T、ARM922T、ARM940T等產(chǎn)品。ARM9E(E 表示增強DSP指令)處理器作為可綜合的處理器，使用單一的處理器內(nèi)核，提供微處理器、DSP、Java應(yīng)用系統(tǒng)的解決方案，廣泛運用于工業(yè)控制、無線通信設(shè)備、數(shù)字消費電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備等領(lǐng)域。目前，ARM9E 系統(tǒng)微處理器主要有ARM926EJS、ARM946ES、ARM966ES。ARM11囊括了ThumbCoreSight、TrusZone 等眾多業(yè)界領(lǐng)先技術(shù)，同時由單一的處理器內(nèi)核向多核發(fā)展，為高端的嵌入式應(yīng)用提供了強大的處理平臺。ARM SecurCore系列微處理器專為安全需要而設(shè)計，提供了完善的32 位RISC技術(shù)的安全解決方案，具有低功耗、高性能的特點以及對安全解決方案的支持，廣泛應(yīng)用于對安全性要求較高的應(yīng)用產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)中，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域。目前的ARM SecurCore 系列微處理器包含SecurCore SC100、SecurCoreSC1SecurCore SC200 和SecurCore SC210?；?ARM 的Intel 處理器包括StrongARM 和XScale 兩類產(chǎn)品，其融合了ARM 處理器和Intel公司設(shè)計方案。StrongARM 廣泛運用于消費電子、通信產(chǎn)品、掌上電腦等領(lǐng)域；XScale則廣泛運用于移動數(shù)字電話以及網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品中。 ARM硬件體系結(jié)構(gòu)（1）馮諾依曼體系和哈佛總線眾所周知，早期的微處理器內(nèi)部大多采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)，以Intel公司的X86系統(tǒng)微處理器為代表， 所示，采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)的微處理器的程序空間和數(shù)據(jù)是合在一起的，即取指令和取操作數(shù)都是在同一條總線上，通過時分復(fù)用的方式進行的，其每條指令的執(zhí)行周期為：T＝TF(取指令)＋TD(指令譯碼)＋TE(執(zhí)行指令)＋TS(存儲時間)在高速運行時，不能達到同時取指令和取操作數(shù)的目的，從而形成了傳輸過程的瓶頸。馮諾依曼結(jié)構(gòu)被大多數(shù)微處理器所采用，其中，ARM7處理器即采用此體系結(jié)構(gòu)。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，以DSP 和ARM 為應(yīng)用代表的哈佛總線技術(shù)應(yīng)運而生，如 所示，在采用哈佛總線體系結(jié)構(gòu)的芯片內(nèi)部，程序空間和地址空間是分開的，這就允許同時取指令(來自程序空間)和取操作數(shù)(來自數(shù)據(jù)空間)，從而使運算能力大大提高，目前，絕大多數(shù)的 DSP 以及ARM9 以上系列ARM 處理器內(nèi)核都采用哈佛體系結(jié)構(gòu)，同時，修正的哈佛總線結(jié)構(gòu)還可以在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間相互傳送數(shù)據(jù)。（1）CISC和RISC指令集。復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機的CISC微處理器是臺式計算機系統(tǒng)的中心，其核心為運行指令的電路。指令由完成任務(wù)的多個步驟所組成，例如把數(shù)值傳送進寄存器或進行相加運算，都是需要指令的，這些指令稱為微代碼(microcode)，不同制造商的微處理器有不同的微代碼系統(tǒng)，制造商可按自己的意愿使微代碼做得簡單或復(fù)雜。指令系統(tǒng)越豐富，微處理器編程就越簡單，執(zhí)行速度也越慢，而且設(shè)計這樣的處理器的代價也就越大，但是由于指令系統(tǒng)豐富，對上層的支持會比較好。1979年，美國加州大學(xué)伯克利分校提出了RISC(Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機)的概念，RISC并非只是簡單地減少指令，而是把著眼點放在了如何使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單、合理地提高運算速度上，其8/2 原則促進了RISC 體系結(jié)構(gòu)的開發(fā)。RISC 結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取使用頻率最高的簡單指令，避免復(fù)雜指令；將指令長度固定，指令格式和尋址方式種類減少；以控制邏輯為主，不用或少用微碼控制等措施來達到上述目的。復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)包含一個豐富的微代碼系統(tǒng)，簡化了處理器上運行程序的編制。主要有以下幾個特點：a. 具有大量的指令和尋址方式；b. 大多數(shù)程序只使用少量的指令就能夠運行。精簡指令系統(tǒng)計算機(RISC)有一個精簡的指令系統(tǒng)。從而提高了微理器的效率，但需要更復(fù)雜的外部程序，也就是把在處理器層沒有完成的工作放到了上層進行，而處理器層減少的這些成本可以用在對物理器件速度的提高方面。RISC 有下特點：c. 8/2原則：80%的程序只使用20%的指令；d. 采用 Load/Store 指令模式，凡數(shù)據(jù)由外存到內(nèi)存、內(nèi)存到寄存器方向的流動統(tǒng)一用Load指令，而對于反方向的操作都用Store；e. 用小指令集、多寄存器，指令執(zhí)行簡單快速；f. 統(tǒng)一用單周期指令，從根本上克服了 CISC 指令周期數(shù)不確定、偶發(fā)性不確定、運行失常等缺點。如圖 和RISC 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通道模型的比較。 圖 CISC 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通道模 圖 RISC 體系結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通道模型（2）ARM處理器的指令流水線如圖 的指令流水線結(jié)構(gòu)，ARM7TDMI 采用3級流水線，分別為讀取指令、解碼指令和移位及ALU操作。圖 ARM7TDMI 的指令流水線結(jié)構(gòu)ARM7TDMI 處理器有兩種操作狀態(tài)：a. ARM狀態(tài)：32位，按字排列的ARM指令集；b. Thumb狀態(tài)：16位，按半字排列的Thumb指令集。ARM7TDMI核的操作狀態(tài)可能通過BX指令(分支和交換指令)在ARM狀態(tài)和Thumb狀態(tài)之間切換。 ARM 處理器內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）ARM7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及主要特點 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，包括Address Register(地址寄存器)、Address Incrementer(地址累加器)、Resister Bank(寄存器塊)、Booth’s Multiplier(乘法器)、32位ALU單元、Read/Write Data Register(讀/寫數(shù)據(jù)寄存器)、邏輯控制單元等部分。圖 ARM7 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ARM7內(nèi)核主要特點可綜合為以下幾點：a. 32位的RISC 結(jié)構(gòu)處理器(包括32 位地址線和數(shù)據(jù)線)；b. Little/Big Endian(小端/大端)操作模式；c. 高性能 RISC；d. 較低的電壓損耗；e. 適用于對電源比較敏感的應(yīng)用中；f. 快速中斷響應(yīng)；g. 適用于實時系統(tǒng)；h. 支持虛擬內(nèi)存；j. 支持高級語言；k. 具有簡單但功能強大的指令系統(tǒng)。（2）ARM7功能結(jié)構(gòu)簡介根據(jù)ARM7的功能可以將其劃分為以下幾個部分。a. Clocks時鐘管理模塊。由MEM時鐘輸入線MCLK和長時間等待信號線nWAIT組成，主要用來管理系統(tǒng)時鐘。b. Processor Mode處理器工作模式選擇模塊。由處理器模式信號線nM[4:0]組成，輸出信號為內(nèi)部狀態(tài)位的反向，表示處理器的操作模式。c. Interrupts 中斷模塊。主要由外部中斷信號線組成，用來處理系統(tǒng)外部所有的請求中斷信號。e. Bus Controls 總線控制模塊。由總線使能信號線DBE 和APE 信號線組成，主要用來控制系統(tǒng)總線時序。