0 引言     

    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)。     

    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。     

    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(biāo)準(zhǔn)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CAD/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�；�于PC，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:     

    (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;    

    (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;    

    (3)利用EPCD,CPLD等大規(guī)模器件，作為基于PC的專用數(shù)字一脈沖伺服接口卡，控制執(zhí)行電機的運動。     

    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 高速CNC雕銑機數(shù)控系統(tǒng)組成     

    1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能     

    PC104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:     

    (1)尺寸結(jié)構(gòu)小:標(biāo)準(zhǔn)模塊的機械尺寸是3.6x 3 .8英寸。     

    (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: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。

     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。

圖 1 高速數(shù)控雕銑機組成框圖

 2 基于CPLD的四軸位置控制卡設(shè)計     

    2.1 位里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CPLII部分。     

    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。     

    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。     

    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)輸人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)。     

    2.2 CPLD部分設(shè)計與仿真     

    Alters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。     

    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。    

    同時Alters公司提供的MAX+ PLUSQ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)。

    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。