隨著家具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展，尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，zui近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點(diǎn)的CNC雕銑機(jī)在國內(nèi)有了較大的發(fā)展。為了順應(yīng)市場的需求，我們設(shè)計開發(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，在功能實(shí)現(xiàn)上，采用模塊化的設(shè)計思想；在結(jié)構(gòu)上，采用/位置控制卡+PC的形式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，并設(shè)計了基于CPLD的位置控制卡來實(shí)現(xiàn)數(shù)字-脈沖伺服接口和其他I/O接口功能。

1、高速CNC雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能

PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線其信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機(jī)械規(guī)范卻*不同，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)的嵌入式控制系統(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)?。簶?biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)械尺寸是3.6×3.8英寸，即90×96mm。

（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，總線的連接是通過上層的針和下層的孔相互咬和相連，這種層疊封裝有*的抗震性。

（3） 輕松總線驅(qū)動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊1~2W能耗。

正是由于PC104體積小，功耗小，聯(lián)接可靠，采用PC104作為主機(jī)，可以大大減小CNC控制器的體積，系統(tǒng)更加緊湊可靠因此，這里選用PC104工控機(jī)作為上位機(jī)，搭建了“位置控制卡+PC104”的開放式形式數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。

圖 1 高速數(shù)控雕銑機(jī)組成框圖

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、運(yùn)動控制模塊、數(shù)字-脈沖伺服接口模塊、電氣控制模塊、機(jī)床面板操作模塊和伺服驅(qū)動模塊。下面分別加以簡要介紹。

（1） 管理模塊和運(yùn)動控制模塊

這部分功能主要由上位機(jī)PC104實(shí)現(xiàn)，主要任務(wù)是管理和組織整個CNC系統(tǒng)有條不紊地工作，主要包括加工程序的輸入、編輯編譯，中斷管理，故障的自診斷，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入，同時還要把運(yùn)動控制器反饋的數(shù)據(jù)，機(jī)床工作狀態(tài)，在CRT上顯示出來。

（2） 數(shù)字-脈沖伺服接口模塊和電氣控制模塊

基于CPLD的位置控制卡在每個插補(bǔ)周期內(nèi)接收來自上位機(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數(shù)的脈沖），實(shí)現(xiàn)的位置控制；同時實(shí)現(xiàn)其他輔助電路功能，如主軸起停，工件的夾緊、松開，冷卻液開/關(guān)等功能。即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字-脈沖接口功能和電氣控制功能。

（3） 機(jī)床面板操作模塊和伺服驅(qū)動模塊

機(jī)床操作面板則用單片機(jī)進(jìn)行管理。單片機(jī)實(shí)時對面板各按鍵進(jìn)行掃描，并計算出鍵值，通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。驅(qū)動器為SANYOQ系列，采用位置控制方式，位置控制卡發(fā)出的脈沖與方向信號分別差分輸出至驅(qū)動器?？ㄉ系妮敵隹谕ㄟ^中間繼電器控制驅(qū)動器的伺服ON的接通，而輸入口也通過中間繼電器讀入驅(qū)動器輸出的伺服準(zhǔn)備好以及伺服報警等信號。

2、基于CPLD的四軸位置控制卡設(shè)計

位置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。主要由三部分構(gòu)成：輸入部分、輸出部分和CPLD部分。輸入部分包括手脈輸入，Z脈沖反饋輸入，20路特殊輸入和32路普通輸入。其中的52路輸入主要用來管理各種限位開關(guān)、回零檢測開關(guān)、刀具鎖緊開關(guān)等。信號經(jīng)光電隔離（部分信號還需整形）后，送入相應(yīng)的鎖存器和輸入口，以便進(jìn)一步處理。

圖2 基于CP切的四軸位置控制卡的總體結(jié)構(gòu)

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、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(guān)、使能各個軸的伺服系統(tǒng)等。

CPLD部分是該位置控制卡的主要部分，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，并傳遞給四個進(jìn)給軸（X，Y，Z，C）的伺服驅(qū)動器，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；

（3） 根據(jù)上位機(jī)指令，實(shí)現(xiàn)輸入輸出部分的片選譯碼功能；

（4） 對光隔，整形后的手脈信號進(jìn)行四倍頻鑒向計數(shù)。

下面就來專門介紹這部分的設(shè)計實(shí)現(xiàn)。

CPLD部分設(shè)計與仿真

Altera公司是一家專門從事邏輯器件生產(chǎn)的廠家，自該公司成立10余年來，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*。A1tera的CPLD器件高密度，高速度及在線配置功能，使得原來由分立元件構(gòu)成的電路集成在一個芯片上，而且通過編程，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)計的靈活性和可靠性。并和EFROM配合使用時，用戶可以反復(fù)地編程、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(shí)現(xiàn)不同的功能。

因此，這里選用Altera公司的FLEX10K器件來實(shí)現(xiàn)上述譯碼、倍頻、計數(shù)等功能。

同時Altera公司提供的MAX+PLUS開發(fā)工具，快速、直觀、易于使用，可大大縮短開發(fā)周期，減少工作量，而且可以在設(shè)計階段進(jìn)行仿真驗(yàn)證，大大提高了設(shè)計的可靠性。整個過程分為設(shè)計輸入、編譯、仿真與驗(yàn)證、配置四個階段（如圖3所示）。

圖 3 CPLD設(shè)計流程圖

位置控制卡的CPLD部分具體設(shè)計過程如下：

首先分析該部分電路功能，將其分成若干模塊：插補(bǔ)周期定時模塊、小數(shù)分頻模塊、譯碼模塊以及脈沖信號的四倍頻及計數(shù)模塊，而后分別對各個電路模塊進(jìn)行設(shè)計。其中根據(jù)需要選用不同的輸入方式，像定時模塊、小數(shù)分頻模塊計數(shù)模塊等，可以用原理圖輸入法設(shè)計；譯碼模塊則用VHDL設(shè)計；zui后的頂層文件用原理圖輸入。將各個模塊設(shè)計并輸入后，經(jīng)MAX+PLUS軟件中的Compiler編譯器進(jìn)行編譯，在編譯器窗口中將顯示各種出錯信息，設(shè)計者可根據(jù)顯示信息對設(shè)計進(jìn)行修改。一旦編譯通過，MAX+PLUS軟件在幾秒中內(nèi)自動完成建立網(wǎng)表、邏輯綜合、適配、劃分、時域分析、裝配等工作，且生成多個后續(xù)工作需要的文件。編譯通過后再用MAX+PLUS軟件的Simulator仿真器和Timing Analyzer分析工具進(jìn)行功能仿真和時序仿真，可驗(yàn)證各個電路模塊的功能是否正確。如果有錯誤則返回原設(shè)計予以改正。并重新編譯、仿真，直到?jīng)]有其他錯誤。zui后生成可用于下載的pof或sof文件。

圖4就是用MAX+PLUS對通過CPLD來實(shí)現(xiàn)的手脈信號的四倍頻鑒向電路波形仿真結(jié)果。其中A、B為經(jīng)差分接收及光隔整形后的手脈信號，OA、OB為鑒向倍頻后的輸出信號。

圖4 四倍頻及鑒向電路仿真波形

3、系統(tǒng)的開放性及其抗干擾設(shè)計

上面所介紹的基于PC的高速雕銑機(jī)的開放式數(shù)控系統(tǒng)由于采用了“位置控制卡+PC”的形式，結(jié)構(gòu)簡單，可靠，易擴(kuò)展。在設(shè)計中，不管是系統(tǒng)整體設(shè)計還是像位置控制卡的CPL部分的局部設(shè)計，都注重模塊化的設(shè)計理念，將各部分功能模塊化，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件或邏輯設(shè)計。系統(tǒng)各模塊間基本上都是通過標(biāo)準(zhǔn)接口來實(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，也可單獨(dú)應(yīng)用到其他的數(shù)控系統(tǒng)，使得系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性大大提高。如基于CPLD的位置控制卡，以插針插槽的形式，連入PC104總線，直接與上位機(jī)進(jìn)行通信，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標(biāo)準(zhǔn)串口與上位機(jī)通信。從一定程度來說，該系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了開放化要求。

數(shù)控機(jī)床是機(jī)械、電子，強(qiáng)電、弱電，硬件和軟件緊密結(jié)合的自動化產(chǎn)物，在其運(yùn)行過程中，伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，一方面它對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響，另一方面其本身受到來自所處環(huán)境各方的電磁干擾，直接影響著數(shù)控系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計時，抗干擾問題是不容忽視的。通過分析，可知干擾源主要來自三個方面：空間電磁場干擾、電網(wǎng)干擾和系統(tǒng)內(nèi)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。

軟件的方法有軟件濾波，軟件看門狗，軟件冗余，故障自檢等措施。

硬件方面針對干擾源，采取了不同的措施，如：

（1） 對于編碼器脈沖輸入信號，采用差分輸入，并通過高速光耦進(jìn)行隔離，再經(jīng)整形電路整形；
（2） 對于開關(guān)量輸入，可先用光耦隔離，抑制共模干擾，并用電容來抑制常模干擾。
（3） 合理設(shè)計印刷電路板。

4、結(jié)束語

數(shù)控系統(tǒng)的開放化是順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求，滿足數(shù)控系統(tǒng)制造商、機(jī)床生產(chǎn)商及用戶對數(shù)控系統(tǒng)靈活性，可重組可擴(kuò)展性等要求的必然趨勢，因此，要在綜合考慮機(jī)床應(yīng)用要求，控制軸數(shù)，開發(fā)周期等等各方面因素的情況下，充分考慮開放性以模塊化為指導(dǎo)思想，合理設(shè)計整個數(shù)控系統(tǒng)