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*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)?。簶藴誓K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*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)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?？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，主要實現(xiàn)如下功能：
（1） 根據(jù)上位機（pc104）的指令產(chǎn)生特定頻率與數(shù)目的脈沖，并傳遞給四個進給軸（x，y，z，c）的伺服驅(qū)動器，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，實現(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就可實現(xiàn)不同的功能。
因此，這里選用altera公司的flex10k器件來實現(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)計階段進行仿真驗證，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分析工具進行功能仿真和時序仿真，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(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準接口來實現(xiàn)互連通信，因此，各部分可根據(jù)實際需要選用組合，也可單獨應(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，直接與上位機進行通信，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，該系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了開放化要求。
數(shù)控機床是機械、電子，強電、弱電，硬件和軟件緊密結(jié)合的自動化產(chǎn)物，在其運行過程中，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)的可靠運行。因此，在進行系統(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、機床生產(chǎn)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，因此，要在綜合考慮機床應(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思想，合理設(shè)計整個數(shù)控系統(tǒng)