高速CNC雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
發(fā)布日期:2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽:2036
0 引言
近年來,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(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。
為了滿足對(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(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CAD/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;赑C,主要是IPC(工業(yè)PC機(jī))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(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;
(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;
(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(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
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(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。
(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(dòng):減少元件數(shù)量和電源消耗,4-A總線驅(qū)動(dòng)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(jī),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(jī)作為上位機(jī),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(jī)組成框圖
(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。
(2)數(shù)字一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(gè)插補(bǔ)周期內(nèi)接收來自上位機(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,冷卻液開/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,通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。
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?ㄉ系妮敵隹谕ㄟ^中間繼電器控制驅(qū)動(dòng)器的伺服ON的接通,而輸入口也通過中間繼電器讀人驅(qū)動(dòng)器輸出的伺服準(zhǔn)備好以及伺服報(bào)警等信號(hào)。
2.1 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(cè)開關(guān)、刀具鎖緊開關(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。
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)字輸出主要用來控制冷卻系統(tǒng)和潤(rùn)滑系統(tǒng)的開關(guān)、使能各個(gè)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(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;
(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)。
下面就來專門介紹這部分的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。
2.2 CPLD部分設(shè)計(jì)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(gè)芯片上,而且通過編程,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器件來實(shí)現(xiàn)上述譯碼、倍頻,ii數(shù)等功能。
同時(shí)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(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CPLD部分具體設(shè)計(jì)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(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,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。
上面所介紹的基于PC的高速雕銑機(jī)的開放式數(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標(biāo)準(zhǔn)接口來實(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,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標(biāo)準(zhǔn)串口與上位機(jī)通信。從一定程度來說,該系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了開放化要求。
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)行過程中,伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換,一方面它對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生影響,另一方面其本身受到來自所處環(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),抗干擾問題是不容忽視的。通過分析,可知干擾源主要來自三個(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,并通過高速光藕進(jìn)行隔離,再經(jīng)整形電路整形;
(2) 對(duì)于開關(guān)量輸人,可先用光輛隔離,抑制共模干擾,并用電容來抑制常模干擾。
(3)合理設(shè)計(jì)印刷電路板。
4 結(jié)束語
數(shù)控系統(tǒng)的開放化是順應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展要求,滿足數(shù)控系統(tǒng)制造商、機(jī)床生產(chǎn)商及用戶對(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)、開發(fā)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(dǎo)思想,合理設(shè)計(jì)整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)。
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