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高速CNC雕铣机数控系统的设计
2010-04-08 10:16:17
 0、引言

    近年来,随着现代制造业的发展,尤其是计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing Systems,CIMS)的发展,产品更新速度的不断加快,中小批量生产比重的加大以及数控系统应用领域的不断扩大,使得用户对CNC系统的需求呈现多元化:在通信组网方面要求CNC系统可以与CAD/CAM/CAPP等系统实现通信;在系统的灵活性、可移植性方面则要求CNC系统具有模块化和可重新配置的特点,可根据不同的用户需求,迅速、高效、低成本的构建面向用户的控制系统。

    而传统的CNC系统由于专用性强,功能扩展困难,软件移植性差,组网通讯能力差等等缺点,明显已跟不上发展的要求。为了满足对数控系统更具柔性、灵活性和通用性的要求,出现了对开放式数控系统结构的研究。目前,世界上许多国家都对此投入了大量的人力,物力和财力,并取得了不小的成果,例如欧洲的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation)、美国的OMAC (Open Modular Architecture Controller)和日本的OSE(Open System Environment)。

    个人计算机(PC),由于其硬件的标准化、高速运算能力、开放总线、网络功能以及丰富的软件资源等,使得它在改善CNC系统的用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯等功能方面表现出了无可比拟的优势;系统设计者也可以将各种功能模块(如轴运动控制器、I/O接口卡等)接入系统,将CAD/CAM软件装进系统运行并直接控制机床加工程序。因此,基于PC的开放式数控系统已成为数控系统开放化的主要方向。基于PC,主要是IPC(工业PC机)的开放式数控系统按数控部件与PC的连接,有如下形式:

    (1) 利用单片机或DSP作为数控轴的运动控制部件,采用双端口存储技术或串/并行通信与主机(PC)交换数据,实现CNC控制;

    (2) 利用PC高速运算能力,将硬件功能软化,用于CNC控制的硬件只是简单的接口;

    (3) 利用EPCD、CPLD等大规模器件,作为基于IPC的专用数字-脉冲伺服接口卡,控制执行电机的运动。

    随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展,尤其是模具业对表面加工要求的提高,以及传统电火花加工的不足,最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。为了顺应市场的需求,我们设计开发了一种基于PC的高速雕铣机的数控系统。该系统的设计,在功能实现上,采用模块化的设计思想;在结构上,采用/位置控制卡+PC的形式也就是以上介绍的基于PC开放式数控系统的第三种形式,并设计了基于CPLD的位置控制卡来实现数字-脉冲伺服接口和其他I/O接口功能。

    1、高速CNC雕铣机数控系统组成

    系统结构及各部分功能

    PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线其信号定义和PC/AT基本一致,但电气和机械规范却完全不同,是一种优化的、小型、堆栈式结构的嵌入式控制系统,与普通PC、ISA总线控制系统相比有如下特点:

    (1) 尺寸结构小:标准模块的机械尺寸是3.6×3.8英寸,即90×96mm。

    (2) 堆栈式连接:总线以“针”和“孔”形式层叠连接,即PC104总线模块之间,总线的连接是通过上层的针和下层的孔相互咬和相连,这种层叠封装有极好的抗震性。

    (3) 轻松总线驱动:减少元件数量和电源消耗,4mA总线驱动即可使模块正常工作,每个模块1~2W能耗。

    正是由于PC104体积小,功耗小,联接可靠,采用PC104作为主机,可以大大减小CNC控制器的体积,系统更加紧凑可靠因此,这里选用PC104工控机作为上位机,搭建了“位置控制卡+PC104”的开放式形式数控系统,系统的组成框图如图1所示。


图1 高速数控雕铣机组成框图

   图1高速数控雕铣机组成框图根据功能的不同,可将系统分成如下各模块:系统管理模块、运动控制模块、数字-脉冲伺服接口模块、电气控制模块、机床面板操作模块和伺服驱动模块。下面分别加以简要介绍。

    (1) 管理模块和运动控制模块

    这部分功能主要由上位机PC104实现,主要任务是管理和组织整个CNC系统有条不紊地工作,主要包括加工程序的输入、编辑编译,中断管理,故障的自诊断,完成各种控制算法和插补算法,响应操作面板和键盘的输入,同时还要把运动控制器反馈的数据,机床工作状态,在CRT上显示出来。

   

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