0、引言

    近年來，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，尤其是計算機集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)的發(fā)展，產(chǎn)品更新速度的不斷加快，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)域的不斷擴大，使得用戶對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)實現(xiàn)通信；在系統(tǒng)的靈活性、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，迅速、高效、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，功能擴展困難，軟件移植性差，組網(wǎng)通訊能力差等等缺點，明顯已跟不上發(fā)展的要求。為了滿足對數(shù)控系統(tǒng)更具柔性、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(jié)構(gòu)的研究。目前，世界上許多國家都對此投入了大量的人力，物力和財力，并取得了不小的成果，例如歐洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、美國的OMAC (Open Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Environment)。

    個人計算機(PC)，由于其硬件的標準化、高速運算能力、開放總線、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、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊等功能方面表現(xiàn)出了無可比擬的優(yōu)勢；系統(tǒng)設(shè)計者也可以將各種功能模塊(如軸運動控制器、I/O接口卡等)接入系統(tǒng)，將CAD/CAM軟件裝進系統(tǒng)運行并直接控制機床加工程序。因此，基于PC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。基于PC，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，采用雙端口存儲技術(shù)或串/并行通信與主機(PC)交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)CNC控制；

    (2) 利用PC高速運算能力，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，作為基于IPC的專用數(shù)字-脈沖伺服接口卡，控制執(zhí)行電機的運動。

    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，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(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的高速雕銑機的數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計，在功能實現(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，但電氣和機械規(guī)范卻完全不同，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：

    (1) 尺寸結(jié)構(gòu)小：標準模塊的機械尺寸是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，這種層疊封裝有極好的抗震性。

    (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，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工控機作為上位機，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)控雕銑機組成框圖

   圖1高速數(shù)控雕銑機組成框圖根據(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、運動控制模塊、數(shù)字-脈沖伺服接口模塊、電氣控制模塊、機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) 管理模塊和運動控制模塊

    這部分功能主要由上位機PC104實現(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算法，響應(yīng)操作面板和鍵盤的輸入，同時還要把運動控制器反饋的數(shù)據(jù)，機床工作狀態(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周期內(nèi)接收來自上位機(PC104)的位置信息，將其轉(zhuǎn)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，如主軸起停，工件的夾緊、松開，冷卻液開/關(guān)等功能。即實現(xiàn)了數(shù)字-脈沖接口功能和電氣控制功能。

    (3) 機床面板操作模塊和伺服驅(qū)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，并計算出鍵值，通過串口與上位機進行通信。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。卡上的輸出口通過中間繼電器控制驅(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，以便進一步處理。

圖2 基于CPLD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。