0、引言

    近年來，隨著現代制造業的發展，尤其是計算機集成制造系統(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)的發展，產品更新速度的不斷加快，中小批量生產比重的加大以及數控系統應用領域的不斷擴大，使得用戶對CNC系統的需求呈現多元化：在通信組網方面要求CNC系統可以與CAD/CAM/CAPP等系統實現通信；在系統的靈活性、可移植性方面則要求CNC系統具有模塊化和可重新配置的特點，可根據不同的用戶需求，迅速、高效、低成本的構建面向用戶的控制系統。

    而傳統的CNC系統由于專用性強，功能擴展困難，軟件移植性差，組網通訊能力差等等缺點，明顯已跟不上發展的要求。為了滿足對數控系統更具柔性、靈活性和通用性的要求，出現了對開放式數控系統結構的研究。目前，世界上許多國家都對此投入了大量的人力，物力和財力，并取得了不小的成果，例如歐洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、美國的OMAC (Open Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Environment)。

    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、網絡功能以及豐富的軟件資源等，使得它在改善CNC系統的用戶界面、圖形顯示、動態仿真、數控編程、故障診斷、網絡通訊等功能方面表現出了無可比擬的優勢；系統設計者也可以將各種功能模塊(如軸運動控制器、I/O接口卡等)接入系統，將CAD/CAM軟件裝進系統運行并直接控制機床加工程序。因此，基于PC的開放式數控系統已成為數控系統開放化的主要方向。基于PC，主要是IPC(工業PC機)的開放式數控系統按數控部件與PC的連接，有如下形式：

    (1) 利用單片機或DSP作為數控軸的運動控制部件，采用雙端口存儲技術或串/并行通信與主機(PC)交換數據，實現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等大規模器件，作為基于IPC的專用數字-脈沖伺服接口卡，控制執行電機的運動。

    隨著家具制造業、廣告招牌業、模具業的發展，尤其是模具業對表面加工要求的提高，以及傳統電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優點的CNC雕銑機在國內有了較大的發展。為了順應市場的需求，我們設計開發了一種基于PC的高速雕銑機的數控系統。該系統的設計，在功能實現上，采用模塊化的設計思想；在結構上，采用/位置控制卡+PC的形式也就是以上介紹的基于PC開放式數控系統的第三種形式，并設計了基于CPLD的位置控制卡來實現數字-脈沖伺服接口和其他I/O接口功能。

    1、高速CNC雕銑機數控系統組成

    系統結構及各部分功能

    PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線其信號定義和PC/AT基本一致，但電氣和機械規范卻完全不同，是一種優化的、小型、堆棧式結構的嵌入式控制系統，與普通PC、ISA總線控制系統相比有如下特點：

    (1) 尺寸結構小：標準模塊的機械尺寸是3.6×3.8英寸，即90×96mm。

    (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) 輕松總線驅動：減少元件數量和電源消耗，4mA總線驅動即可使模塊正常工作，每個模塊1~2W能耗。

    正是由于PC104體積小，功耗小，聯接可靠，采用PC104作為主機，可以大大減小CNC控制器的體積，系統更加緊湊可靠因此，這里選用PC104工控機作為上位機，搭建了“位置控制卡+PC104”的開放式形式數控系統，系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 高速數控雕銑機組成框圖

   圖1高速數控雕銑機組成框圖根據功能的不同，可將系統分成如下各模塊：系統管理模塊、運動控制模塊、數字-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動模塊。下面分別加以簡要介紹。

    (1) 管理模塊和運動控制模塊

    這部分功能主要由上位機PC104實現，主要任務是管理和組織整個CNC系統有條不紊地工作，主要包括加工程序的輸入、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，響應操作面板和鍵盤的輸入，同時還要把運動控制器反饋的數據，機床工作狀態，在CRT上顯示出來。

    (2) 數字-脈沖伺服接口模塊和電氣控制模塊

    基于CPLD的位置控制卡在每個插補周期內接收來自上位機(PC104)的位置信息，將其轉換成主軸及進給系統的控制信息一定頻率和個數的脈沖)，實現精確的位置控制；同時實現其他輔助電路功能，如主軸起停，工件的夾緊、松開，冷卻液開/關等功能。即實現了數字-脈沖接口功能和電氣控制功能。

    (3) 機床面板操作模塊和伺服驅動模塊

    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。驅動器為SANYOQ系列，采用位置控制方式，位置控制卡發出的脈沖與方向信號分別差分輸出至驅動器。卡上的輸出口通過中間繼電器控制驅動器的伺服ON的接通，而輸入口也通過中間繼電器讀入驅動器輸出的伺服準備好以及伺服報警等信號。

    2、基于CPLD的四軸位置控制卡設計

    位置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構如圖2所示。主要由三部分構成：輸入部分、輸出部分和CPLD部分。輸入部分包括手脈輸入，Z脈沖反饋輸入，20路特殊輸入和32路普通輸入。其中的52路輸入主要用來管理各種限位開關、回零檢測開關、刀具鎖緊開關等。信號經光電隔離(部分信號還需整形)后，送入相應的鎖存器和輸入口，以便進一步處理。

圖2 基于CPLD的四軸位置控制卡的總體結構

    輸出部分中一部分輸出控制各進給軸伺服系統的指令脈沖、另一個為D/A輸出，控制主軸伺服系統；32路數字輸出主要用來控制冷卻系統和潤滑系統的開關、使能各個軸的伺服系統等。