一种高速CNC雕铣机数控系统的设计

    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

   图1高速数控雕铣机组成框图根据功能的不同，可将系统分成如下各模块：系统管理模块、运动控制模块、数字-脉冲伺服接口模块、电气控制模块、机床面板操作模块和伺服驱动模块。下面分别加以简要介绍。

    (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CPLD的四轴位置控制卡的总体结构

    输出部分中一部分输出控制各进给轴伺服系统的指令脉冲、另一个为D/A输出，控制主轴伺服系统；32路数字输出主要用来控制冷却系统和润滑系统的开关、使能各个轴的伺服系统等。