高速CNC雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

老鷹

 引言

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    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(hù)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(hù)需求，迅速,、高效,、低成本的構(gòu)建面向用戶(hù)的控制系統(tǒng)。

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    而傳統(tǒng)的CNC系統(tǒng)由于專(zhuān)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,。

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    為了滿(mǎn)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(kāi)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(kāi)放總線(xiàn)、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(hù)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)已成為數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化的主要方向,�,；�于PC，主要是IPC(工業(yè)PC機(jī))的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)按數(shù)控部件與PC的連接,，有如下形式:

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    (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;

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    (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;

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    (3)利 用 EPCD,CPLD等大規(guī)模器件,，作為基于l，的專(zhuān)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(kāi)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(kāi)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

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    1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能

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    PC 10 4是 一種專(zhuān)門(mén)為嵌人式控制而定義的工業(yè)控制總線(xiàn),，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(xiàn)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

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    (2)堆 棧 式連接:總線(xiàn)以“針”和“孔”形式層疊連接.即PC104總線(xiàn)模塊之間，總線(xiàn)的連接是通過(guò)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,。

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    (3)輕 松 總線(xiàn)驅(qū)動(dòng):減少元件數(shù)量和電源消耗，4-A總線(xiàn)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,。

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    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(kāi)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(jī)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(pán)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,、松開(kāi)，冷卻液開(kāi)/關(guān)等功能,。即實(shí)現(xiàn)了數(shù)字一脈沖接口功能和電氣控制功能口

    (3)機(jī) 床 面板操作模塊和伺服驅(qū)動(dòng)模塊

    機(jī) 床 操 作面板則用單片機(jī)進(jìn)行管理,。單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)面板各按鍵進(jìn)行掃描，并計(jì)算出鍵值,，通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信,。

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    驅(qū)動(dòng) 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(hào)分別差分輸出至驅(qū)動(dòng)器,。卡上的輸出口通過(guò)中間繼電器控制驅(qū)動(dòng)器的伺服ON的接通,，而輸人口也通過(guò)中間繼電器讀人驅(qū)動(dòng)器輸出的伺服準(zhǔn)備好以及伺服報(bào)警等信號(hào)

2 基于CPLD的四軸位置控制卡設(shè)計(jì)

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    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:輸人部分、輸出部分和CPLII部分,。

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    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(lái)管理各種限位開(kāi)關(guān),、回零檢測(cè)開(kāi)關(guān),、刀具鎖緊開(kāi)關(guān)等。信號(hào)經(jīng)光電隔離(部分信號(hào)還需整形)后,，送人相應(yīng)的鎖存器和輸人口,，以便進(jìn)一步處理。

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    輸出部分中一部分輸出控制各進(jìn)給軸伺服系統(tǒng)的指令脈沖,、另一個(gè)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(lái)控制冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的開(kāi)關(guān),、使能各個(gè)軸的何服系統(tǒng)等。

    C PL D 部 分是該位置控制卡的主要部分,，主要實(shí)現(xiàn)如下功能:

    (1)根 據(jù) 上位機(jī)(PC104)的指令產(chǎn)生特定頻率與數(shù)目的脈沖,，并傳遞給四個(gè)進(jìn)給軸〔X,Y ,Z ,C )的伺服驅(qū)動(dòng)器，以脈沖控制方式控制電機(jī);

    (2)為 上 位機(jī)提供插補(bǔ)周期的定時(shí);

    (3) 根 據(jù) 上位機(jī)指令,，實(shí)現(xiàn)輸人輸出部分的片選譯碼功能;

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    (4) 對(duì) 光 隔,，整形后的手脈信號(hào)進(jìn)行四倍頻鑒向計(jì)數(shù)。

    下 面 就 來(lái)專(zhuān)門(mén)介紹這部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),。

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    2.2 C PL D 部 分設(shè) 計(jì) 與 仿 真

    Al ters 公 司是一家專(zhuān)門(mén)從事邏輯器件生產(chǎn)的廠(chǎng)家,，自該公司成立10余年來(lái)，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(xiàn)配置功能,，使得原來(lái)由分立元件構(gòu)成的電路集成在一個(gè)芯片上,，而且通過(guò)編程，電路功能可隨意改變,，大大增強(qiáng)了電路的集成度以及設(shè)計(jì)的靈活性和可靠性,。并和EPROM配合使用時(shí)，用戶(hù)可以反復(fù)地編程,、擦除,、使用或者在外圍電路不動(dòng)的情況下用不同的EPROM就可實(shí)現(xiàn)不同的功能。

    因此 ,，這 里選用Alters公司的FLEXIOK器件來(lái)實(shí)現(xiàn)上述譯碼,、倍頻,ii數(shù)等功能。

    同 時(shí) Al ters公司提供的MAX+ PLUS Q開(kāi)發(fā)工具,，快速,、直觀(guān)、易于使用,，可大大縮短開(kāi)發(fā)周期，減少工作量，而且可以在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仿真驗(yàn)證,，大大提高了設(shè)計(jì)的可靠性,。整個(gè)過(guò)程分為設(shè)計(jì)輸人、編譯,、仿真與驗(yàn)證,、配置四個(gè)階段(如圖3所示)。

    位置控制卡的C PL D部分具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下:

    首 先 分 析該部分電路功能,，將其分成若干模塊:插補(bǔ)周期定時(shí)模塊,、小數(shù)分頻模塊、譯碼模塊以及脈沖信號(hào)的四倍頻及計(jì)數(shù)模塊,，而后分別對(duì)各個(gè)電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),。其中根據(jù)需要選用不同的輸人方式，像定時(shí)模塊,、小數(shù)分頻模塊計(jì)數(shù)模塊等,，可以用原理圖輸人法設(shè)計(jì);譯碼模塊則用VHDL設(shè)計(jì);最后的頂層文件用原理圖輸人。將各個(gè)模塊設(shè)計(jì)并輸入后,，經(jīng)MAX+ PLUS I軟件中的compiler編譯器進(jìn)行編譯,，在編譯器窗口中將顯示各種出錯(cuò)信息，設(shè)計(jì)者可根據(jù)顯示信息對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改,。一旦編譯通過(guò),，MAX + PLUSn軟件在幾秒中內(nèi)自動(dòng)完成建立網(wǎng)表、邏輯綜合,、適配,、劃分、時(shí)域分析,、裝配等工作,，且生成多個(gè)后續(xù)工作需要的文件。編譯通過(guò)后再用MAX+ PLUS I軟件的Simulator仿真器和liming Analyzer分析工具進(jìn)行功能仿真和時(shí)序仿真,，可驗(yàn)證各個(gè)電路模塊的功能是否正確,。如果有錯(cuò)誤則返回原設(shè)計(jì)予以改正。并重新編譯,、仿真,，直到?jīng)]有其他錯(cuò)誤。最后生成可用于下載的阿或sof文件,。

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圖2 基于CP切的四軸位置控制卡的總體結(jié)構(gòu)

圖 3 CP LD 設(shè) 計(jì) 流 程 圖

    圖 4就 是 用MAX+PLUSI 對(duì)通過(guò),。'ID來(lái)實(shí)現(xiàn)的手脈信號(hào)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(hào),，OA, OB為鑒向倍頻后的輸出信號(hào),。

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圖 4 四 倍 頻 及 鑒 向 電 路 仿 真波形

3 系統(tǒng)的開(kāi)放性及其抗干擾設(shè)計(jì)

    上 面 所 介紹的基于PC的高速雕銑機(jī)的開(kāi)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(jiǎn)單,，可靠,，易擴(kuò)展。

    在設(shè)計(jì)中,，不管是系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)還是像位置控制卡的CPLD部分的局部設(shè)計(jì),，都注重模塊化的設(shè)計(jì)理念，將各部分功能模塊化,，并進(jìn)行相應(yīng)的硬件或邏輯設(shè)計(jì),。系統(tǒng)各模塊間基本上都是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)互連通信，因此,，各部分可根據(jù)實(shí)際需要選用組合,，也可單獨(dú)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(kuò)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(xiàn),，直接與上位機(jī)進(jìn)行通信,，從而可移植到與PC104兼容的不同PC機(jī)上;操作面板模塊則通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)串口與上位機(jī)通信。從一定程度來(lái)說(shuō),，該系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放化要求,。

    數(shù) 控機(jī) 床 是機(jī)械、電子,，強(qiáng)電,、弱電，硬件和軟件緊密結(jié)合的自動(dòng)化產(chǎn)物,，在其運(yùn)行過(guò)程中,，伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，一方面它對(duì)周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生影響,，另一方面其本身受到來(lái)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(yùn)行。因此,，在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),，抗干擾問(wèn)題是不容忽視的。通過(guò)分析,，可知干擾源主要來(lái)自三個(gè)方面:空間電磁場(chǎng)干擾,、電網(wǎng)干擾和系統(tǒng)內(nèi)部干擾，解決干擾問(wèn)題要從系統(tǒng)的硬件和軟件兩個(gè)方面考慮,。軟件 的方 法有軟件濾波,，軟件看門(mén)狗,，軟件冗余，故障自檢等措施,。

    硬 件 方 面針對(duì)干擾源,，采取了不同的措施，如:

    (1) 對(duì) 于 編碼器脈沖輸人信號(hào),，采用差分輸人，并通過(guò)高速光藕進(jìn)行隔離,，再經(jīng)整形電路整形;

    (2) 對(duì) 于 開(kāi)關(guān)量輸人,，可先用光輛隔離，抑制共模干擾,，并用電容來(lái)抑制常模干擾,。

    (3)合 理 設(shè)計(jì)印刷電路板。

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4 結(jié)束語(yǔ)

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    數(shù)控 系 統(tǒng) 的開(kāi)放化是順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求,，滿(mǎn)足數(shù)控系統(tǒng)制造商,、機(jī)床生產(chǎn)商及用戶(hù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)靈活性，可重組可擴(kuò)展性等要求的必然趨勢(shì),，因此,，要在綜合考慮機(jī)床應(yīng)用要求，控制軸數(shù),、開(kāi)發(fā)周期等等各方面因素的情況下,，充分考慮開(kāi)放性，以模塊化為指導(dǎo)思想,，合理設(shè)計(jì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng),。

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lyl801112

謝謝啊，

xuze88

謝了

絲杠05373765588

好東西,，用到絲杠和主軸吧,，(*^__^*) 嘻嘻……我好好的看看

風(fēng)雨中龐

謝謝哈、,、,、