摘要:丈章簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前數(shù)控系統(tǒng)的開放化趨勢(shì)，以及基于pc的數(shù)控系統(tǒng)的不同開放化形式，在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了一種高速數(shù)控雄枕機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)思想及其基于cpld的四軸位里控制卡的設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞:開放式數(shù)控系統(tǒng);cnc雌銳機(jī);cpid;位笠拉制卡

0 引言

　　近年來(lái)，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，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(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、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，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(qiáng)，功能擴(kuò)展困難，軟件移植性差，組網(wǎng)通訊能力差等等缺點(diǎn)，明顯已跟不上發(fā)展的要求。

　　為了滿足對(duì)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(duì)開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究。目前，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，并取得了不小的成果，例如歐洲的。saga (open即~ architecture for control within automation)、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)，由于其硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、高速運(yùn)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(dòng)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(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。因此，基于1c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�；趐c，主要是ipc(工業(yè)pc機(jī))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(jī)或dsp作為數(shù)控軸的運(yùn)動(dòng)控制部件，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)，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，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，作為基于l，的專用數(shù)字一脈沖伺服接口卡，控制執(zhí)行電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。

　　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(duì)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(diǎn)的cnc雕銑機(jī)在國(guó)內(nèi)有了較大的發(fā)展。為了順應(yīng)市場(chǎng)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)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(jì)，在功能實(shí)現(xiàn)上，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，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(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，其信號(hào)定義和plat基本一致，但電氣和機(jī)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，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，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(dòng):減少元件數(shù)量和電源消耗，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。

　　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pcio4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。

　　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(dòng)控制模塊、數(shù)字一脈沖伺服接口模塊、電氣控制模塊、機(jī)床面板操作模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊。下面分別加以簡(jiǎn)要介紹。

　　(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)，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、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人，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)，在crt上顯示出來(lái)。

　　(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)，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，如主軸起停，工件的夾緊、松