一种高速CNC雕铣机数控系统的设计

    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。

图3 CPLD涉及流程图

    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)。位置控制卡的CPLD部分具体设计过程如下：

    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

    3、系统的开放性及其抗干扰设计

    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。