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。

   

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