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引言 / C# B- D) i' m( [
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)〔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)。 # W9 e+ a6 ?/ f/ i& j8 q9 d
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。 - B: H7 b1 A% a7 t' `- o8 I0 l
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人了大量的人力、物力和財力，并取得了不小的成果，例如歐洲的。SAGA (Open即~ Architecture for Control within Automation)、美國的OMAC(偽,en Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Eavironmeat)i31o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,LO接口卡等)接人系統(tǒng)，將〔;AD/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?；赑C，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: : p3 z2 e1 K* \) @/ O
(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; * J( I1 i# f& N. ]' q1 D
(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;
4 c0 Z# y) I1 X (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)行電機的運動。 6 ]8 ?8 a. X4 @ b5 J" `, P
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)字一脈沖伺服接口和其他v0接口功能。
1 r4 t6 Y0 L$ X5 h8 `7 k# ` R1 高速CNC雕銑機數(shù)控系統(tǒng)組成 * b" a0 O/ J4 Y1 m5 ]
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能 2 r! q5 z3 w* _3 n8 ^( w, L; K
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，其信號定義和PLAT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
2 l; D, h- t: Y# T* t (1)尺 寸 結(jié)構(gòu)小:標準模塊的機械尺寸是3.6x 3 .8英寸，即卯x 96mmo ) f1 k% d- p) w5 |
(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。
4 j6 A3 g# z" n, s5 n9 ~7 ? (3)輕 松 總線驅(qū)動:減少元件數(shù)量和電源消耗，4-A總線驅(qū)動即可使模塊正常工作，每個模塊卜2M能耗。
2 n- J9 z) w" q' H; G! [ 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。
& {. ?: U# _3 \/ h 因此，這里選用PCIO4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。
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圖 1 高速數(shù)控雕銑機組成框圖
8 N$ j& \: Q. O% Z 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)字一脈沖伺服接口模塊、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。 * Q0 R/ ~. }! c
(1)管 理 模塊和運動控制模塊
: ~1 o9 i! d5 R4 J+ m9 |- z 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算法響應(yīng)操作面板和鍵盤的輸人，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。 ' v( e# H9 u% Z& S3 v
(2)數(shù) 字 一脈沖伺服接口模塊和電氣控制模塊
7 N2 D/ M" W x 基 于 CP LD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)字一脈沖接口功能和電氣控制功能口 3 n7 y: {- b |+ V+ K7 R! S
(3)機 床 面板操作模塊和伺服驅(qū)動模塊
; Y) t5 p* ]5 A 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。 * D; {3 O+ R- b; x- \% S
驅(qū)動 器 為 $ANYOQ 系列，采用位置控制方式，位置控制卡發(fā)出的脈沖與方向信號分別差分輸出至驅(qū)動器?？ㄉ系妮敵隹谕ㄟ^中間繼電器控制驅(qū)動器的伺服ON的接通，而輸人口也通過中間繼電器讀人驅(qū)動器輸出的伺服準備好以及伺服報警等信號 ; n: A# k8 F" B7 C/ @6 Z
2 基于CPLD的四軸位置控制卡設(shè)計
7 M9 o1 V% ~; f 2.1 位里控制卡組成及各部分功能分析
2 M1 P8 C" y, E3 A* n! B 該四軸位置控制卡的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要由三部分構(gòu)成:輸人部分、輸出部分和CPLII部分。 / c8 P$ p- Y! h
輸入部分包括手脈輸人，2脈沖反饋輸人，20路特殊輸人和32路普通輸人。其中的52路輸人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，送人相應(yīng)的鎖存器和輸人口，以便進一步處理。
+ N' H$ |9 C, }2 i* X 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)、使能各個軸的何服系統(tǒng)等。 \4 L0 _4 P( M) j. l& s/ `( t! Y
C PL D 部 分是該位置控制卡的主要部分，主要實現(xiàn)如下功能: % R6 r" X4 l4 c" y5 \6 n
(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; 0 B4 @. D' v0 l! m
(2)為 上 位機提供插補周期的定時; ! E3 @0 o8 q4 C9 Q9 X7 \
(3) 根 據(jù) 上位機指令，實現(xiàn)輸人輸出部分的片選譯碼功能;
- w& H& a; n6 W& n (4) 對 光 隔，整形后的手脈信號進行四倍頻鑒向計數(shù)。 9 @9 a0 ]6 j9 S7 V Q( b
下 面 就 來專門介紹這部分的設(shè)計實現(xiàn)。
' ?8 @/ Y7 G' L 2.2 C PL D 部 分設(shè) 計 與 仿 真
7 n9 X' ?0 p( F4 R1 k+ r& ` Al ters 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)界的佼佼者。Alters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EPROM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就可實現(xiàn)不同的功能。
! h% K4 V3 ~$ l- t+ W4 o# G5 { 因此 ，這 里選用Alters公司的FLEXIOK器件來實現(xiàn)上述譯碼、倍頻,ii數(shù)等功能。
+ S: y, R y) s1 T 同 時 Al ters公司提供的MAX+ PLUS Q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)計輸人、編譯、仿真與驗證、配置四個階段(如圖3所示)。 " r/ m% j) V( ]* i! m" @9 T
位置控制卡的C PL D部分具體設(shè)計過程如下:
, w( |* S$ D! D 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)需要選用不同的輸人方式，像定時模塊、小數(shù)分頻模塊計數(shù)模塊等，可以用原理圖輸人法設(shè)計;譯碼模塊則用VHDL設(shè)計;最后的頂層文件用原理圖輸人。將各個模塊設(shè)計并輸入后，經(jīng)MAX+ PLUS I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 + PLUSn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 I軟件的Simulator仿真器和liming 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。最后生成可用于下載的阿或sof文件。 4 ~6 N3 x9 [* F% @) K( c q# }
圖2 基于CP切的四軸位置控制卡的總體結(jié)構(gòu)
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圖 3 CP LD 設(shè) 計 流 程 圖
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圖 4就 是 用MAX+PLUSI 對通過。'ID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。
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圖 4 四 倍 頻 及 鑒 向 電 路 仿 真波形
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3 系統(tǒng)的開放性及其抗干擾設(shè)計 $ [) ?6 @2 `+ V* b& L [
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+代，的形式，結(jié)構(gòu)簡單，可靠，易擴展。
) s/ L$ D. k9 e" t5 ^' _9 z* p 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CPLD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CPL1)的位置控制卡，以插針插槽的形式，連人PC04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。 $ I4 W% F! ?9 e* ^% l0 t
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。 0 D. r/ }) p: \: r) R6 w6 h
硬 件 方 面針對干擾源，采取了不同的措施，如:
, A6 v/ W) A# h1 o# L. q5 \2 c9 S' v (1) 對 于 編碼器脈沖輸人信號，采用差分輸人，并通過高速光藕進行隔離，再經(jīng)整形電路整形;
; u% f6 C. v' L4 M (2) 對 于 開關(guān)量輸人，可先用光輛隔離，抑制共模干擾，并用電容來抑制常模干擾。 ) q+ K5 h: l0 R& {) |
(3)合 理 設(shè)計印刷電路板。 1 m7 w8 B; J7 G( F# b; R
4 結(jié)束語
1 I' b4 B* i; i5 W 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(dǎo)思想，合理設(shè)計整個數(shù)控系統(tǒng)。
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發(fā)表于 2012-10-10 10:18:49
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