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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，zui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*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*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CP切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。

CPLD部分是該位置控制卡的主要部分，主要實現如下功能：

（1） 根據上位機（PC104）的指令產生特定頻率與數目的脈沖，并傳遞給四個進給軸（X，Y，Z，C）的伺服驅動器，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） 根據上位機指令，實現輸入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。

下面就來專門介紹這部分的設計實現。

CPLD部分設計與仿真

Altera公司是一家專門從事邏輯器件生產的廠家，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與生產，成為業界的*。A1tera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計的靈活性和可靠性。并和EFROM配合使用時，用戶可以反復地編程、擦除、使用或者在外圍電路不動的情況下用不同的EPROM就可實現不同的功能。

因此，這里選用Altera公司的FLEX10K器件來實現上述譯碼、倍頻、計數等功能。

同時Altera公司提供的MAX+PLUS開發工具，快速、直觀、易于使用，可大大縮短開發周期，減少工作量，而且可以在設計階段進行仿真驗證，大大提高了設計的可靠性。整個過程分為設計輸入、編譯、仿真與驗證、配置四個階段（如圖3所示）。

圖 3 CPLD設計流程圖

位置控制卡的CPLD部分具體設計過程如下：

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、小數分頻模塊、譯碼模塊以及脈沖信號的四倍頻及計數模塊，而后分別對各個電路模塊進行設計。其中根據需要選用不同的輸入方式，像定時模塊、小數分頻模塊計數模塊等，可以用原理圖輸入法設計；譯碼模塊則用VHDL設計；zui后的頂層文件用原理圖輸入。將各個模塊設計并輸入后，經MAX+PLUS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，設計者可根據顯示信息對設計進行修改。一旦編譯通過，MAX+PLUS軟件在幾秒中內自動完成建立網表、邏輯綜合、適配、劃分、時域分析、裝配等工作，且生成多個后續工作需要的文件。編譯通過后再用MAX+PLUS軟件的Simulator仿真器和Timing 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計予以改正。并重新編譯、仿真，直到沒有其他錯誤。zui后生成可用于下載的pof或sof文件。

圖4就是用MAX+PLUS對通過CPLD來實現的手脈信號的四倍頻鑒向電路波形仿真結果。其中A、B為經差分接收及光隔整形后的手脈信號，OA、OB為鑒向倍頻后的輸出信號。

圖4 四倍頻及鑒向電路仿真波形

3、系統的開放性及其抗干擾設計

上面所介紹的基于PC的高速雕銑機的開放式數控系統由于采用了“位置控制卡+PC”的形式，結構簡單，可靠，易擴展。在設計中，不管是系統整體設計還是像位置控制卡的CPL部分的局部設計，都注重模塊化的設計理念，將各部分功能模塊化，并進行相應的硬件或邏輯設計。系統各模塊間基本上都是通過標準接口來實現互連通信，因此，各部分可根據實際需要選用組合，也可單獨應用到其他的數控系統，使得系統的靈活性和可擴展性大大提高。如基于CPLD的位置控制卡，以插針插槽的形式，連入PC104總線，直接與上位機進行通信，從而可移植到與PC104兼容的不同PC機上；操作面板模塊則通過標準串口與上位機通信。從一定程度來說，該系統較好的實現了開放化要求。

數控機床是機械、電子，強電、弱電，硬件和軟件緊密結合的自動化產物，在其運行過程中，伴隨著電磁能量的轉換，一方面它對周圍環境產生影響，另一方面其本身受到來自所處環境各方的電磁干擾，直接影響著數控系統的可靠運行。因此，在進行系統設計時，抗干擾問題是不容忽視的。通過分析，可知干擾源主要來自三個方面：空間電磁場干擾、電網干擾和系統內部干擾，解決干擾問題要從系統的硬件和軟件兩個方面考慮。

軟件的方法有軟件濾波，軟件看門狗，軟件冗余，故障自檢等措施。

硬件方面針對干擾源，采取了不同的措施，如：

（1） 對于編碼器脈沖輸入信號，采用差分輸入，并通過高速光耦進行隔離，再經整形電路整形；
（2） 對于開關量輸入，可先用光耦隔離，抑制共模干擾，并用電容來抑制常模干擾。
（3） 合理設計印刷電路板。

4、結束語

數控系統的開放化是順應現代制造業發展要求，滿足數控系統制造商、機床生產商及用戶對數控系統靈活性，可重組可擴展性等要求的必然趨勢，因此，要在綜合考慮機床應用要求，控制軸數，開發周期等等各方面因素的情況下，充分考慮開放性以模塊化為指導思想，合理設計整個數控系統