關(guān)鍵詞:開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng);CNC雌銳機(jī);CPID;位笠拉制卡

0 引言

近年來(lái)缅糟，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，尤其是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)〔ComputerInt egratedM anufacturingS ystems,CI MS)的發(fā)展祷愉，產(chǎn)品更新速度的不斷加快窗宦，中小批量生產(chǎn)比重的加大以及數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，使得用戶對(duì)CNC系統(tǒng)的需求呈現(xiàn)多元化:在通信組網(wǎng)方面要求CNC系統(tǒng)可以與CAD/CAM/CAPP等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通信;在系統(tǒng)的靈活性谣辞、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(diǎn)可根據(jù)不同的用戶需求迫摔，迅速沐扳、高效泥从、低成本的構(gòu)建面向用戶的控制系統(tǒng)。

而傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)由于專用性強(qiáng)沪摄，功能擴(kuò)展困難躯嫉，軟件移植性差，組網(wǎng)通訊能力差等等缺點(diǎn)杨拐，明顯已跟不上發(fā)展的要求祈餐。

為了滿足對(duì)數(shù)控系統(tǒng)更具柔性擂啥、靈活性和通用性的要求，出現(xiàn)了對(duì)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究萤翔。目前俺乓，世界上許多國(guó)家都對(duì)此投人了大量的人力、物力和財(cái)力讼谅，并取得了不小的成果檀丝，例如歐洲的。SAGA (Open即~ Architecture for Control within Automation)挟晒、美國(guó)的OMAC(偽,en Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Eavironmeat)i31o個(gè) 人 計(jì) 算機(jī)(PC)残神，由于其硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、高速運(yùn)算能力寸快、開(kāi)放總線新浦、網(wǎng)絡(luò)功能以及豐富的軟件資源等，使得它在改善CNC系統(tǒng)的用戶界面汞阔、圖形顯示笋条、動(dòng)態(tài)仿真、數(shù)控編程企舌、故障診斷稿施、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能方面表現(xiàn)出了無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì);系統(tǒng)設(shè)計(jì)者也可以將各種功能模塊(如軸運(yùn)動(dòng)控制器,LO接口卡等)接人系統(tǒng)，將〔;AD/CAM軟件裝進(jìn)系統(tǒng)運(yùn)行并直接控制機(jī)床加工程序培他。因此鹃两，基于1C的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已成為數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化的主要方向∫荩基于PC俊扳，主要是IPC(工業(yè)PC機(jī))的開(kāi)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(jī)或DSP作為數(shù)控軸的運(yùn)動(dòng)控制部件猛遍，采用雙端口存儲(chǔ)技術(shù)或串/并行通信與主機(jī)(PC)交換數(shù)據(jù)馋记，實(shí)現(xiàn)CNC控制;

    (2)利 用 PC高速運(yùn)算能力，將硬件功能軟化懊烤，用于CNC控制的硬件只是簡(jiǎn)單的接口;

    (3)利 用 EPCD,CPLD等大規(guī)模器件梯醒，作為基于l，的專用數(shù)字一脈沖伺服接口卡腌紧，控制執(zhí)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)茸习。

隨 著 家 具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)壁肋、模具業(yè)的發(fā)展号胚，尤其是模具業(yè)對(duì)表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足逊汤，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點(diǎn)的CNC雕銑機(jī)在國(guó)內(nèi)有了較大的發(fā)展崎亚。為了順應(yīng)市場(chǎng)的需求湘胚，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于PC的高速雕銑機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉炒，在功能實(shí)現(xiàn)上虑佳，采用模塊化的設(shè)計(jì)思想;在結(jié)構(gòu)上，采用“位置控制卡+PC”的形式殃玻，也就是以上介紹的基于PC開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的第三種形式串飘，并設(shè)計(jì)了基于CPLD的位置控制卡來(lái)實(shí)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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)控制總線雁痪，其信號(hào)定義和PLAT基本一致钳砰，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻完全不同，是一種優(yōu)化的猴襟、小型许话、堆棧式結(jié)構(gòu)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(diǎn)

    (1)尺 寸 結(jié)構(gòu)小:標(biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.6x 3 .8英寸曼庆，即卯x 96mmo

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

    (3)輕 松 總線驅(qū)動(dòng):減少元件數(shù)量和電源消耗械拍，4-A總線驅(qū)動(dòng)即可使模塊正常工作，每個(gè)模塊卜2M能耗装盯。

正是由于PC104體積小坷虑，功耗小，聯(lián)接可靠埂奈，采用PC104作為主機(jī)迄损，可以大大減小CNC控制器的體積系統(tǒng)更加緊湊可靠。

因此账磺，這里選用PCIO4工控機(jī)作為上位機(jī)芹敌，搭建了“位置控制卡+ PC104”的開(kāi)放式形式數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示垮抗。

圖 1 高速數(shù)控雕銑機(jī)組成框圖

根 據(jù) 功 能的不同可將系統(tǒng)分成如下各模塊:系統(tǒng)管理模塊氏捞、運(yùn)動(dòng)控制模塊、數(shù)字一脈沖伺服接口模塊冒版、電氣控制模塊翅剔、機(jī)床面板操作模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊。下面分別加以簡(jiǎn)要介紹策谅。

    (1)管 理 模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊

    這 部 分 功能主要由上位機(jī)PC104實(shí)現(xiàn)着阿，主要任務(wù)是管理和組織整個(gè)CNC系統(tǒng)有條不紊地工作，主要包括加工程序的輸人崔深、編輯編譯茁帚，中斷管理，故障的自診斷泳信，完成各種控制算法和插補(bǔ)算法響應(yīng)操作面板和鍵盤的輸人娶痕，同時(shí)還要把運(yùn)動(dòng)控制器反饋的數(shù)據(jù)，機(jī)床工作狀態(tài)筝仓，在CRT上顯示出來(lái)数截。

    (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(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)接收來(lái)自上位機(jī)(PC104)的位置信息，將其轉(zhuǎn)換成主軸及進(jìn)給系統(tǒng)的控制信息(一定頻率和個(gè)數(shù)的脈沖)趾双，實(shí)現(xiàn)精確的位置控制;同時(shí)實(shí)現(xiàn)其他輔助電路功能俗退，如主軸起停，工件的夾緊甜殖、松開(kāi)满葛，冷卻液開(kāi)/關(guān)等功能。即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字一脈沖接口功能和電氣控制功能口

    (3)機(jī) 床 面板操作模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊

    機(jī) 床 操 作面板則用單片機(jī)進(jìn)行管理罢屈。單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)面板各按鍵進(jìn)行掃描嘀韧，并計(jì)算出鍵值，通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信缠捌。

    驅(qū)動(dòng) 器 為 $ANYOQ 系列锄贷，采用位置控制方式，位置控制卡發(fā)出的脈沖與方向信號(hào)分別差分輸出至驅(qū)動(dòng)器曼月∫耆矗卡上的輸出口通過(guò)中間繼電器控制驅(qū)動(dòng)器的伺服ON的接通，而輸人口也通過(guò)中間繼電器讀人驅(qū)動(dòng)器輸出的伺服準(zhǔn)備好以及伺服報(bào)警等信號(hào)

2 基于CPLD的四軸位置控制卡設(shè)計(jì)

    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(jié)構(gòu)如圖2所示哑芹。主要由三部分構(gòu)成:輸人部分因惭、輸出部分和CPLII部分。

    輸入部分包括手脈輸人绩衷，2脈沖反饋輸人蹦魔，20路特殊輸人和32路普通輸人。其中的52路輸人主要用來(lái)管理各種限位開(kāi)關(guān)咳燕、回零檢測(cè)開(kāi)關(guān)唐故、刀具鎖緊開(kāi)關(guān)等。信號(hào)經(jīng)光電隔離(部分信號(hào)還需整形)后征拆，送人相應(yīng)的鎖存器和輸人口父系，以便進(jìn)一步處理。

    輸出部分中一部分輸出控制各進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)的指令脈沖虫棕、另一個(gè)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(lái)控制冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)椒蜜、使能各個(gè)軸的何服系統(tǒng)等。

    C PL D 部 分是該位置控制卡的主要部分车榆，主要實(shí)現(xiàn)如下功能:

    (1)根 據(jù) 上位機(jī)(PC104)的指令產(chǎn)生特定頻率與數(shù)目的脈沖厌留，并傳遞給四個(gè)進(jìn)給軸〔X,Y ,Z ,C )的伺服驅(qū)動(dòng)器炼岖，以脈沖控制方式控制電機(jī);

    (2)為 上 位機(jī)提供插補(bǔ)周期的定時(shí);

    (3) 根 據(jù) 上位機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)輸人輸出部分的片選譯碼功能;

    (4) 對(duì) 光 隔囊像，整形后的手脈信號(hào)進(jìn)行四倍頻鑒向計(jì)數(shù)楔侣。

    下 面 就 來(lái)專門介紹這部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

    2.2 C PL D 部 分設(shè) 計(jì) 與 仿 真

    Al ters 公 司是一家專門從事邏輯器件生產(chǎn)的廠家禾门，自該公司成立10余年來(lái)株惶，一直致力于高密度可編程邏輯器件的研發(fā)與生產(chǎn)，成為業(yè)界的佼佼者够颠。Alters的CPLD器件高密度熙侍，高速度及在線配置功能，使得原來(lái)由分立元件構(gòu)成的電路集成在一個(gè)芯片上履磨，而且通過(guò)編程蛉抓，電路功能可隨意改變，大大增強(qiáng)了電路的集成度以及設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性蹬耘。并和EPROM配合使用時(shí)芝雪，用戶可以反復(fù)地編程、擦除综苔、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同的EPROM就可實(shí)現(xiàn)不同的功能惩系。

    因此 ，這 里選用Alters公司的FLEXIOK器件來(lái)實(shí)現(xiàn)上述譯碼如筛、倍頻,ii數(shù)等功能堡牡。

    同 時(shí) Al ters公司提供的MAX+ PLUS Q開(kāi)發(fā)工具，快速杨刨、直觀晤柄、易于使用，可大大縮短開(kāi)發(fā)周期吊冬，減少工作量擒摸，而且可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真驗(yàn)證，大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性量伏。整個(gè)過(guò)程分為設(shè)計(jì)輸人兴氧、編譯、仿真與驗(yàn)證畴贵、配置四個(gè)階段(如圖3所示)厦冤。

    位置控制卡的C PL D部分具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下:

    首 先 分 析該部分電路功能，將其分成若干模塊:插補(bǔ)周期定時(shí)模塊幅秉、小數(shù)分頻模塊奔豫、譯碼模塊以及脈沖信號(hào)的四倍頻及計(jì)數(shù)模塊，而后分別對(duì)各個(gè)電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中根據(jù)需要選用不同的輸人方式袄洁，像定時(shí)模塊员漩、小數(shù)分頻模塊計(jì)數(shù)模塊等，可以用原理圖輸人法設(shè)計(jì);譯碼模塊則用VHDL設(shè)計(jì);最后的頂層文件用原理圖輸人孝承。將各個(gè)模塊設(shè)計(jì)并輸入后献丑，經(jīng)MAX+ PLUS I軟件中的compiler編譯器進(jìn)行編譯末捣，在編譯器窗口中將顯示各種出錯(cuò)信息侠姑，設(shè)計(jì)者可根據(jù)顯示信息對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。一旦編譯通過(guò)箩做，MAX + PLUSn軟件在幾秒中內(nèi)自動(dòng)完成建立網(wǎng)表莽红、邏輯綜合、適配邦邦、劃分安吁、時(shí)域分析、裝配等工作燃辖，且生成多個(gè)后續(xù)工作需要的文件鬼店。編譯通過(guò)后再用MAX+ PLUS I軟件的Simulator仿真器和liming Analyzer分析工具進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真，可驗(yàn)證各個(gè)電路模塊的功能是否正確黔龟。如果有錯(cuò)誤則返回原設(shè)計(jì)予以改正妇智。并重新編譯、仿真氏身，直到?jīng)]有其他錯(cuò)誤巍棱。最后生成可用于下載的阿或sof文件。

圖2 基于CP切的四軸位置控制卡的總體結(jié)構(gòu)

圖 3 CP LD 設(shè) 計(jì) 流 程 圖

圖 4就 是 用MAX+PLUSI 對(duì)通過(guò)爱亡。'ID來(lái)實(shí)現(xiàn)的手脈信號(hào)的四倍頻鑒向電路波形仿真結(jié)果穴你。其中A,B為經(jīng)差分接收及光隔整形后的手脈信號(hào)，OA, OB為鑒向倍頻后的輸出信號(hào)泊铸。

圖 4 四 倍 頻 及 鑒 向 電 路 仿 真波形

3 系統(tǒng)的開(kāi)放性及其抗干擾設(shè)計(jì)

上 面 所 介紹的基于PC的高速雕銑機(jī)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)由于采用了“位置控制卡+代乓收，的形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單者侄，可靠愧棋，易擴(kuò)展。

在設(shè)計(jì)中晚号，不管是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)還是像位置控制卡的CPLD部分的局部設(shè)計(jì)戳橱，都注重模塊化的設(shè)計(jì)理念，將各部分功能模塊化殃忠，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件或邏輯設(shè)計(jì)了奋。系統(tǒng)各模塊間基本上都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)互連通信，因此，各部分可根據(jù)實(shí)際需要選用組合秉馏，也可單獨(dú)應(yīng)用到其他的數(shù)控系統(tǒng)耙旦，使得系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性大大提高。如基于CPL1)的位置控制卡萝究，以插針插槽的形式免都，連人PC04總線，直接與上位機(jī)進(jìn)行通信帆竹，從而可移植到與PC104兼容的不同PC機(jī)上;操作面板模塊則通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口與上位機(jī)通信绕娘。從一定程度來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放化要求栽连。

數(shù) 控機(jī) 床 是機(jī)械险领、電子，強(qiáng)電秒紧、弱電绢陌，硬件和軟件緊密結(jié)合的自動(dòng)化產(chǎn)物，在其運(yùn)行過(guò)程中熔恢，伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換脐湾，一方面它對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，另一方面其本身受到來(lái)自所處環(huán)境各方的電磁干擾叙淌，直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行隶秒。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)钱淳，抗干擾問(wèn)題是不容忽視的桨挂。通過(guò)分析，可知干擾源主要來(lái)自三個(gè)方面:空間電磁場(chǎng)干擾恳瞄、電網(wǎng)干擾和系統(tǒng)內(nèi)部干擾布布，解決干擾問(wèn)題要從系統(tǒng)的硬件和軟件兩個(gè)方面考慮。軟件 的方 法有軟件濾波漩践，軟件看門狗鹃封，軟件冗余，故障自檢等措施肝唁。

硬 件 方 面針對(duì)干擾源趟伺，采取了不同的措施，如:

    (1) 對(duì) 于 編碼器脈沖輸人信號(hào)处冰，采用差分輸人酸疹，并通過(guò)高速光藕進(jìn)行隔離，再經(jīng)整形電路整形;

    (2) 對(duì) 于 開(kāi)關(guān)量輸人赞辩，可先用光輛隔離雌芽，抑制共模干擾，并用電容來(lái)抑制常模干擾。

    (3)合 理 設(shè)計(jì)印刷電路板世落。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)控 系 統(tǒng) 的開(kāi)放化是順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求淮腾，滿足數(shù)控系統(tǒng)制造商、機(jī)床生產(chǎn)商及用戶對(duì)數(shù)控系統(tǒng)靈活性屉佳，可重組可擴(kuò)展性等要求的必然趨勢(shì)谷朝，因此，要在綜合考慮機(jī)床應(yīng)用要求武花，控制軸數(shù)圆凰、開(kāi)發(fā)周期等等各方面因素的情況下，充分考慮開(kāi)放性髓堪，以模塊化為指導(dǎo)思想送朱，合理設(shè)計(jì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)娘荡。