引言

　　近年來，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展礼文，尤其是計算機集成制造系統(tǒng)〔ComputerInt egratedM anufacturingS ystems,CI MS)的發(fā)展离饺，產品更新速度的不斷加快猿池，中小批量生產比重的加大以及數(shù)控系統(tǒng)應用領域的不斷擴大，使得用戶對CNC系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)多元化:在通信組網方面要求CNC系統(tǒng)可以與CAD/CAM/CAPP等系統(tǒng)實現(xiàn)通信;在系統(tǒng)的靈活性疼尺、可移植性方面則要求CNC系統(tǒng)具有模塊化和可重新配置的特點可根據(jù)不同的用戶需求罚蛾，迅速、高效氛侨、低成本的構建面向用戶的控制系統(tǒng)缩笤。

　　而傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)由于專用性強，功能擴展困難显午，軟件移植性差赎丢，組網通訊能力差等等缺點，明顯已跟不上發(fā)展的要求钟助。

　　為了滿足對數(shù)控系統(tǒng)更具柔性福压、靈活性和通用性的要求，出現(xiàn)了對開放式數(shù)控系統(tǒng)結構的研究或舞。目前荆姆，世界上許多國家都對此投人了大量的人力、物力和財力映凳，并取得了不小的成果胆筒，例如歐洲的。SAGA (Open即~ Architecture for Control within Automation)诈豌、美國的OMAC(偽,en Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Eavironmeat)i31o個 人 計 算機(PC)仆救，由于其硬件的標準化、高速運算能力矫渔、開放總線彤蔽、網絡功能以及豐富的軟件資源等，使得它在改善CNC系統(tǒng)的用戶界面庙洼、圖形顯示顿痪、動態(tài)仿真、數(shù)控編程油够、故障診斷蚁袭、網絡通訊等功能方面表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢;系統(tǒng)設計者也可以將各種功能模塊(如軸運動控制器,LO接口卡等)接人系統(tǒng)，將〔;AD/CAM軟件裝進系統(tǒng)運行并直接控制機床加工程序虹烈。因此淆逛，基于1C的開放式數(shù)控系統(tǒng)已成為數(shù)控系統(tǒng)開放化的主要方向∩言溃基于PC倒你，主要是IPC(工業(yè)PC機)的開放式數(shù)控系統(tǒng)按數(shù)控部件與PC的連接，有如下形式:

　　(1) 利 用 單片機或DSP作為數(shù)控軸的運動控制部件诺骏，采用雙端口存儲技術或串/并行通信與主機(PC)交換數(shù)據(jù)灌罐，實現(xiàn)CNC控制;

　　(2)利 用 PC高速運算能力敌菩，將硬件功能軟化，用于CNC控制的硬件只是簡單的接口;

　　(3)利 用 EPCD,CPLD等大規(guī)模器件坡循，作為基于l疏拱，的專用數(shù)字一脈沖伺服接口卡，控制執(zhí)行電機的運動肯拨。

　　隨 著 家 具制造業(yè)榕每、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展雪猪，尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高栏尚，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點的CNC雕銑機在國內有了較大的發(fā)展只恨。為了順應市場的需求译仗，我們設計開發(fā)了一種基于PC的高速雕銑機的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設計官觅，在功能實現(xiàn)上纵菌，采用模塊化的設計思想;在結構上，采用“位置控制卡+PC”的形式休涤，也就是以上介紹的基于PC開放式數(shù)控系統(tǒng)的第三種形式咱圆，并設計了基于CPLD的位置控制卡來實現(xiàn)數(shù)字一脈沖伺服接口和其他v0接口功能。

　　1 高速CNC雕銑機數(shù)控系統(tǒng)組成

　　1.1 系統(tǒng)結構及各部分功能

　　PC 10 4是 一種專門為嵌人式控制而定義的工業(yè)控制總線功氨，其信號定義和PLAT基本一致序苏，但電氣和機械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的捷凄、小型忱详、堆棧式結構的嵌人式控制系統(tǒng)，與普通PC,ISA總線控制系統(tǒng)相比有如下特點

　　(1)尺 寸 結構小:標準模塊的機械尺寸是3.6x 3 .8英寸昵乾，即卯x 96mmo

　　(2)堆 棧 式連接:總線以“針”和“孔”形式層疊連接.即PC104總線模塊之間牺缰，總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連田蕴，這種層疊封裝有極好的抗震性歼取。

　　(3)輕 松 總線驅動:減少元件數(shù)量和電源消耗，4-A總線驅動即可使模塊正常工作负稚，每個模塊卜2M能耗踱措。

　　正是由于PC104體積小，功耗小央改，聯(lián)接可靠毕嘹，采用PC104作為主機，可以大大減小CNC控制器的體積系統(tǒng)更加緊湊可靠仑锥。

　　因此沸幅，這里選用PCIO4工控機作為上位機矗夯，搭建了“位置控制卡+ PC104”的開放式形式數(shù)控系統(tǒng)。

　　根 據(jù) 功 能的不同可將系統(tǒng)分成如下各模塊:系統(tǒng)管理模塊聪弊、運動控制模塊施翰、數(shù)字一脈沖伺服接口模塊、電氣控制模塊购城、機床面板操作模塊和伺服驅動模塊吕座。下面分別加以簡要介紹。

　　(1)管 理 模塊和運動控制模塊

　　這 部 分 功能主要由上位機PC104實現(xiàn)瘪板，主要任務是管理和組織整個CNC系統(tǒng)有條不紊地工作吴趴，主要包括加工程序的輸人、編輯編譯侮攀，中斷管理锣枝，故障的自診斷，完成各種控制算法和插補算法響應操作面板和鍵盤的輸人兰英，同時還要把運動控制器反饋的數(shù)據(jù)惊橱，機床工作狀態(tài)，在CRT上顯示出來箭昵。

　　(2)數(shù) 字 一脈沖伺服接口模塊和電氣控制模塊

　　基 于 CP LD的位置控制卡在每個插補周期內接收來自上位機(PC104)的位置信息税朴，將其轉換成主軸及進給系統(tǒng)的控制信息(一定頻率和個數(shù)的脈沖)，實現(xiàn)精確的位置控制;同時實現(xiàn)其他輔助電路功能家制，如主軸起停正林，工件的夾緊、松開裕消，冷卻液開/關等功能桃铛。即實現(xiàn)了數(shù)字一脈沖接口功能和電氣控制功能口

　　(3)機 床 面板操作模塊和伺服驅動模塊

　　機 床 操 作面板則用單片機進行管理。單片機實時對面板各按鍵進行掃描顶怠，并計算出鍵值假磺，通過串口與上位機進行通信。

　　驅動 器 為 $ANYOQ 系列腻学，采用位置控制方式努扶，位置控制卡發(fā)出的脈沖與方向信號分別差分輸出至驅動器∪茫卡上的輸出口通過中間繼電器控制驅動器的伺服ON的接通晦了，而輸人口也通過中間繼電器讀人驅動器輸出的伺服準備好以及伺服報警等信號

　　2 基于CPLD的四軸位置控制卡設計

　　2.1 位里控制卡組成及各部分功能分析

　　該四軸位置控制卡的總體結構。主要由三部分構成:輸人部分啰氏、輸出部分和CPLII部分普统。

　　輸入部分包括手脈輸人，2脈沖反饋輸人赘双，20路特殊輸人和32路普通輸人埋村。其中的52路輸人主要用來管理各種限位開關珍特、回零檢測開關、刀具鎖緊開關等魔吐。信號經光電隔離(部分信號還需整形)后次坡，送人相應的鎖存器和輸人口，以便進一步處理画畅。

　　輸出部分中一部分輸出控制各進給軸伺服系統(tǒng)的指令脈沖砸琅、另一個為D/A輸出控制主軸伺服系統(tǒng);32路數(shù)字輸出主要用來控制冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)的開關、使能各個軸的何服系統(tǒng)等轴踱。

　　C PL D 部 分是該位置控制卡的主要部分症脂，主要實現(xiàn)如下功能:

　　(1)根 據(jù) 上位機(PC104)的指令產生特定頻率與數(shù)目的脈沖，并傳遞給四個進給軸〔X,Y ,Z ,C )的伺服驅動器淫僻，以脈沖控制方式控制電機;

　　(2)為 上 位機提供插補周期的定時;

　　(3) 根 據(jù) 上位機指令诱篷，實現(xiàn)輸人輸出部分的片選譯碼功能;

　　(4) 對 光 隔，整形后的手脈信號進行四倍頻鑒向計數(shù)雳灵。

　　下 面 就 來專門介紹這部分的設計實現(xiàn)棕所。

　　2.2 C PL D 部 分設 計 與 仿 真

　　Al ters 公 司是一家專門從事邏輯器件生產的廠家，自該公司成立10余年來悯辙，一直致力于高密度可編程邏輯器件的研發(fā)與生產地垢，成為業(yè)界的佼佼者。Alters的CPLD器件高密度预署，高速度及在線配置功能尊伟，使得原來由分立元件構成的電路集成在一個芯片上，而且通過編程聂歹，電路功能可隨意改變野疟，大大增強了電路的集成度以及設計的靈活性和可靠性。并和EPROM配合使用時乘步，用戶可以反復地編程廷碴、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現(xiàn)不同的功能榨降。

　　因此 就用，這 里選用Alters公司的FLEXIOK器件來實現(xiàn)上述譯碼、倍頻,ii數(shù)等功能沧气。

　　同 時 Al ters公司提供的MAX+ PLUS Q開發(fā)工具裕砖，快速蜒鸣、直觀牍懂、易于使用，可大大縮短開發(fā)周期绸罗，減少工作量意推，而且可以在設計階段進行仿真驗證豆瘫，大大提高了設計的可靠性。整個過程分為設計輸人菊值、編譯外驱、仿真與驗證、配置四個階段腻窒。

　　位置控制卡的C PL D部分具體設計過程如下:

　　首 先 分 析該部分電路功能昵宇，將其分成若干模塊:插補周期定時模塊、小數(shù)分頻模塊儿子、譯碼模塊以及脈沖信號的四倍頻及計數(shù)模塊瓦哎，而后分別對各個電路模塊進行設計。其中根據(jù)需要選用不同的輸人方式柔逼，像定時模塊蒋譬、小數(shù)分頻模塊計數(shù)模塊等，可以用原理圖輸人法設計;譯碼模塊則用VHDL設計;最后的頂層文件用原理圖輸人愉适。將各個模塊設計并輸入后寓蔼，經MAX+ PLUS I軟件中的compiler編譯器進行編譯，在編譯器窗口中將顯示各種出錯信息韩艾，設計者可根據(jù)顯示信息對設計進行修改筛六。一旦編譯通過，MAX + PLUSn軟件在幾秒中內自動完成建立網表吭芯、邏輯綜合什氮、適配、劃分宜抓、時域分析舟道、裝配等工作，且生成多個后續(xù)工作需要的文件矫第。編譯通過后再用MAX+ PLUS I軟件的Simulator仿真器和liming Analyzer分析工具進行功能仿真和時序仿真遍沟，可驗證各個電路模塊的功能是否正確。如果有錯誤則返回原設計予以改正浑擎。并重新編譯倚务、仿真，直到沒有其他錯誤沼死。最后生成可用于下載的阿或sof文件着逐。

　　'ID來實現(xiàn)的手脈信號的四倍頻鑒向電路波形仿真結果。其中A,B為經差分接收及光隔整形后的手脈信號意蛀，OA, OB為鑒向倍頻后的輸出信號耸别。

　　3 系統(tǒng)的開放性及其抗干擾設計

　　上 面 所 介紹的基于PC的高速雕銑機的開放式數(shù)控系統(tǒng)由于采用了“位置控制卡+代，的形式，結構簡單秀姐，可靠慈迈，易擴展。

　　在設計中省有，不管是系統(tǒng)整體設計還是像位置控制卡的CPLD部分的局部設計痒留，都注重模塊化的設計理念，將各部分功能模塊化蠢沿，并進行相應的硬件或邏輯設計伸头。系統(tǒng)各模塊間基本上都是通過標準接口來實現(xiàn)互連通信，因此舷蟀，各部分可根據(jù)實際需要選用組合熊锭，也可單獨應用到其他的數(shù)控系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的靈活性和可擴展性大大提高隧渠。如基于CPL1)的位置控制卡俯态，以插針插槽的形式，連人PC04總線元八，直接與上位機進行通信玻桶，從而可移植到與PC104兼容的不同PC機上;操作面板模塊則通過標準串口與上位機通信。從一定程度來說聪萨，該系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了開放化要求假盼。

　　數(shù) 控機 床 是機械、電子盘另，強電惋探、弱電，硬件和軟件緊密結合的自動化產物巩荧，在其運行過程中抗海，伴隨著電磁能量的轉換，一方面它對周圍環(huán)境產生影響福耐，另一方面其本身受到來自所處環(huán)境各方的電磁干擾葫羡，直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的可靠運行。因此昌罩，在進行系統(tǒng)設計時哭懈，抗干擾問題是不容忽視的。通過分析茎用，可知干擾源主要來自三個方面:空間電磁場干擾遣总、電網干擾和系統(tǒng)內部干擾，解決干擾問題要從系統(tǒng)的硬件和軟件兩個方面考慮轨功。軟件 的方 法有軟件濾波旭斥，軟件看門狗，軟件冗余，故障自檢等措施琉预。

　　硬 件 方 面針對干擾源董饰，采取了不同的措施蒿褂，如:

　　(1) 對 于 編碼器脈沖輸人信號圆米，采用差分輸人，并通過高速光藕進行隔離啄栓，再經整形電路整形;

　　(2) 對 于 開關量輸人娄帖，可先用光輛隔離，抑制共模干擾卜判，并用電容來抑制常模干擾仔省。

　　(3)合 理 設計印刷電路板。

　　4 結束語

　　數(shù)控 系 統(tǒng) 的開放化是順應現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求众攻，滿足數(shù)控系統(tǒng)制造商红集、機床生產商及用戶對數(shù)控系統(tǒng)靈活性，可重組可擴展性等要求的必然趨勢条稍，因此判懒，要在綜合考慮機床應用要求，控制軸數(shù)悟惰、開發(fā)周期等等各方面因素的情況下刀雳，充分考慮開放性，以模塊化為指導思想估曾，合理設計整個數(shù)控系統(tǒng)粪世。

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