一种高速cnc雕铣机数控系统的设计
曹豪英 王小椿 张彬
摘要：丈章简要介绍了当前数控系统的开放化趋势，以及基于PC的数控系统的不同开放化形式，在此基础上，详细介绍了一种高速数控雄枕机数控系统的模块化设计思想及其基于CPLD的四轴位里控制卡的设计。
关键词：开放式数控系统；CNC雕铣机；CPID；位笠拉制卡
0 引言
近年来，随着现代制造业的发展，尤其是计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)的发展，产品更新速度的不断加快，中小批量生产比重的加大以及数控系统应用领域的不断扩大，使得用户对CNC系统的需求呈现多元化：在通信组网方面要求CNC系统可以与CAD/CAM/CAPP等系统实现通信；在系统的灵活性、可移植性方面则要求CNC系统具有模块化和可重新配置的特点，可根据不同的用户需求，迅速、高效、低成本的构建面向用户的控制系统。
而传统的CNC系统由于专用性强，功能扩展困难，软件移植性差，组网通讯能力差等等缺点，明显已跟不上发展的要求。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和通用性的要求，出现了对开放式数控系统结构的研究。目前，世界上许多国家都对此投入了大量的人力，物力和财力，并取得了不小的成果，例如欧洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、美国的OMAC (Open Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Environment)。
个人计算机(PC)，由于其硬件的标准化、高速运算能力、开放总线、网络功能以及丰富的软件资源等，使得它在改善CNC系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等功能方面表现出了无可比拟的优势；系统设计者也可以将各种功能模块(如轴运动控制器、I/O接口卡等)接入系统，将CAD/CAM软件装进系统运行并直接控制机床加工程序。因此，基于PC的开放式数控系统已成为数控系统开放化的主要方向。基于PC，主要是IPC(工业PC机)的开放式数控系统按数控部件与PC的连接，有如下形式：
(1) 利用单片机或DSP作为数控轴的运动控制部件，采用双端口存储技术或串/并行通信与主机(PC)交换数据，实现CNC控制；
(2) 利用PC高速运算能力，将硬件功能软化，用于CNC控制的硬件只是简单的接口；
(3) 利用EPCD、CPLD等大规模器件，作为基于IPC的专用数字-脉冲伺服接口卡，控制执行电机的运动。
随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。为了顺应市场的需求，我们设计开发了一种基于PC的高速雕铣机的数控系统。该系统的设计，在功能实现上，采用模块化的设计思想；在结构上，采用/位置控制卡+PC的形式也就是以上介绍的基于PC开放式数控系统的第三种形式，并设计了基于CPLD的位置控制卡来实现数字-脉冲伺服接口和其他I/O接口功能。
1、高速CNC雕铣机数控系统组成
系统结构及各部分功能
PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线其信号定义和PC/AT基本一致，但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统，与普通PC、ISA总线控制系统相比有如下特点：
(1) 尺寸结构小：标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸，即90×96mm。
(2) 堆栈式连接：总线以“针”和“孔”形式层叠连接，即PC104总线模块之间，总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连，这种层叠封装有极好的抗震性。
(3) 轻松总线驱动：减少元件数量和电源消耗，4mA总线驱动即可使模块正常工作，每个模块1~2W能耗。
正是由于PC104体积小，功耗小，联接可靠，采用PC104作为主机，可以大大减小CNC控制器的体积，系统更加紧凑可靠因此，这里选用PC104工控机作为上位机，搭建了“位置控制卡+PC104”的开放式形式数控系统，系统的组成框图如图1所示。
图 1 高速数控雕铣机组成框图
(1) 管理模块和运动控制模块
这部分功能主要由上位机PC104实现，主要任务是管理和组织整个CNC系统有条不紊地工作，主要包括加工程序的输入、编辑编译，中断管理，故障的自诊断，完成各种控制算法和插补算法，响应操作面板和键盘的输入，同时还要把运动控制器反馈的数据，机床工作状态，在CRT上显示出来。
(2) 数字-脉冲伺服接口模块和电气控制模块
基于CPLD的位置控制卡在每个插补周期内接收来自上位机(PC104)的位置信息，将其转换成主轴及进给系统的控制信息一定频率和个数的脉冲)，实现精确的位置控制；同时实现其他辅助电路功能，如主轴起停，工件的夹紧、松开，冷却液开/关等功能。即实现了数字-脉冲接口功能和电气控制功能。
(3) 机床面板操作模块和伺服驱动模块
机床操作面板则用单片机进行管理。单片机实时对面板各按键进行扫描，并计算出键值，通过串口与上位机进行通信。驱动器为SANYOQ系列，采用位置控制方式，位置控制卡发出的脉冲与方向信号分别差分输出至驱动器。卡上的输出口通过中间继电器控制驱动器的伺服ON的接通，而输入口也通过中间继电器读入驱动器输出的伺服准备好以及伺服报警等信号。
2、基于CPLD的四轴位置控制卡设计
位置控制卡组成及各部分功能分析
该四轴位置控制卡的总体结构如图2所示。主要由三部分构成：输入部分、输出部分和CPLD部分。输入部分包括手脉输入，Z脉冲反馈输入，20路特殊输入和32路普通输入。其中的52路输入主要用来管理各种限位开关、回零检测开关、刀具锁紧开关等。信号经光电隔离(部分信号还需整形)后，送入相应的锁存器和输入口，以便进一步处理。
图2 基于CP切的四轴位置控制卡的总体结构
CPLD部分是该位置控制卡的主要部分，主要实现如下功能：
(1) 根据上位机(PC104)的指令产生特定频率与数目的脉冲，并传递给四个进给轴(X，Y，Z，C)的伺服驱动器，以脉冲控制方式控制电机；
(2) 为上位机提供插补周期的定时；
(3) 根据上位机指令，实现输入输出部分的片选译码功能；
(4) 对光隔，整形后的手脉信号进行四倍频鉴向计数。
下面就来专门介绍这部分的设计实现。
CPLD部分设计与仿真
Altera公司是一家专门从事逻辑器件生产的厂家，自该公司成立10余年来，一直致力于高密度可编程逻辑器件的研发与生产，成为业界的佼佼者。A1tera的CPLD器件高密度，高速度及在线配置功能，使得原来由分立元件构成的电路集成在一个芯片上，而且通过编程，电路功能可随意改变，大大增强了电路的集成度以及设计的灵活性和可靠性。并和EFROM配合使用时，用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的EPROM就可实现不同的功能。
因此，这里选用Altera公司的FLEX10K器件来实现上述译码、倍频、计数等功能。
同时Altera公司提供的MAX+PLUS开发工具，快速、直观、易于使用，可大大缩短开发周期，减少工作量，而且可以在设计阶段进行仿真验证，大大提高了设计的可靠性。整个过程分为设计输入、编译、仿真与验证、配置四个阶段(如图3所示)。
图 3 CPLD设计流程图
首先分析该部分电路功能，将其分成若干模块：插补周期定时模块、小数分频模块、译码模块以及脉冲信号的四倍频及计数模块，而后分别对各个电路模块进行设计。其中根据需要选用不同的输入方式，像定时模块、小数分频模块计数模块等，可以用原理图输入法设计；译码模块则用VHDL设计；最后的顶层文件用原理图输入。将各个模块设计并输入后，经MAX+PLUS软件中的Compiler编译器进行编译，在编译器窗口中将显示各种出错信息，设计者可根据显示信息对设计进行修改。一旦编译通过，MAX+PLUS软件在几秒中内自动完成建立网表、逻辑综合、适配、划分、时域分析、装配等工作，且生成多个后续工作需要的文件。编译通过后再用MAX+PLUS软件的Simulator仿真器和Timing Analyzer分析工具进行功能仿真和时序仿真，可验证各个电路模块的功能是否正确。如果有错误则返回原设计予以改正。并重新编译、仿真，直到没有其他错误。最后生成可用于下载的pof或sof文件。
图4就是用MAX+PLUS对通过CPLD来实现的手脉信号的四倍频鉴向电路波形仿真结果。其中A、B为经差分接收及光隔整形后的手脉信号，OA、OB为鉴向倍频后的输出信号。
图4 四倍频及鉴向电路仿真波形
上面所介绍的基于PC的高速雕铣机的开放式数控系统由于采用了“位置控制卡+PC”的形式，结构简单，可靠，易扩展。在设计中，不管是系统整体设计还是像位置控制卡的CPL部分的局部设计，都注重模块化的设计理念，将各部分功能模块化，并进行相应的硬件或逻辑设计。系统各模块间基本上都是通过标准接口来实现互连通信，因此，各部分可根据实际需要选用组合，也可单独应用到其他的数控系统，使得系统的灵活性和可扩展性大大提高。如基于CPLD的位置控制卡，以插针插槽的形式，连入PC104总线，直接与上位机进行通信，从而可移植到与PC104兼容的不同PC机上；操作面板模块则通过标准串口与上位机通信。从一定程度来说，该系统较好的实现了开放化要求。
数控机床是机械、电子，强电、弱电，硬件和软件紧密结合的自动化产物，在其运行过程中，伴随着电磁能量的转换，一方面它对周围环境产生影响，另一方面其本身受到来自所处环境各方的电磁干扰，直接影响着数控系统的可靠运行。因此，在进行系统设计时，抗干扰问题是不容忽视的。通过分析，可知干扰源主要来自三个方面：空间电磁场干扰、电网干扰和系统内部干扰，解决干扰问题要从系统的硬件和软件两个方面考虑。
软件的方法有软件滤波，软件看门狗，软件冗余，故障自检等措施。
硬件方面针对干扰源，采取了不同的措施，如：
(1) 对于编码器脉冲输入信号，采用差分输入，并通过高速光耦进行隔离，再经整形电路整形；
(2) 对于开关量输入，可先用光耦隔离，抑制共模干扰，并用电容来抑制常模干扰。
(3) 合理设计印刷电路板。
4、结束语
数控系统的开放化是顺应现代制造业发展要求，满足数控系统制造商、机床生产商及用户对数控系统灵活性，可重组可扩展性等要求的必然趋势，因此，要在综合考虑机床应用要求，控制轴数，开发周期等等各方面因素的情况下，充分考虑开放性以模块化为指导思想，合理设计整个数控系统。
