近年來，隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，尤其是計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(Computer Integrated Manufacturing Systems，CIMS)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)了對開放式數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(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；系統(tǒng)設(shè)計者也可以將各種功能模塊(如軸運(yùn)動控制器、I/O接口卡等)接入系統(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PC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)動控制部件，采用雙端口存儲技術(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控制的硬件只是簡單的接口；
(3) 利用EPCD、CPLD等大規(guī)模器件，作為基于IPC的專用數(shù)字-脈沖伺服接口卡，控制執(zhí)行電機(jī)的運(yùn)動。
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)在國內(nèi)有了較大的發(fā)展。為了順應(yīng)市場的需求，我們設(shè)計開發(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，在功能實(shí)現(xiàn)上，采用模塊化的設(shè)計思想；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)計了基于CPLD的位置控制卡來實(shí)現(xiàn)數(shù)字-脈沖伺服接口和其他I/O接口功能。
1、高速CNC雕銑機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及各部分功能
PC104是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線其信號定義和PC/AT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)的嵌入式控制系統(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)?。簶?biāo)準(zhǔn)模塊的機(jī)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(qū)動：減少元件數(shù)量和電源消耗，4mA總線驅(qū)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(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PC104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
圖1高速數(shù)控雕銑機(jī)組成框圖根據(jù)功能的不同，可將系統(tǒng)分成如下各模塊：系統(tǒng)管理模塊、運(yùn)動控制模塊、數(shù)字-脈沖伺服接口模塊、電氣控制模塊、機(jī)床面板操作模塊和伺服驅(qū)動模塊。下面分別加以簡要介紹。
(1) 管理模塊和運(yùn)動控制模塊
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CNC系統(tǒng)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(bǔ)算法，響應(yīng)操作面板和鍵盤的輸入，同時還要把運(yùn)動控制器反饋的數(shù)據(jù)，機(jī)床工作狀態(tài)，在CRT上顯示出來。
