基于cpld的嵌入式折弯机数控系统

基于cpld的嵌入式折弯机数控系统

自20世纪80年代以来，该项目的折扣机在中国得到了广泛应用。但目前国内专门用于折弯机的数控系统较少,大多数折弯机数控系统都是购买国外的产品,如瑞士的CYBELEC公司DNC系统、荷兰DELEM公司DA65系统、意大利ESA/GV公司KVARA2004数控系统等。虽然国外产品性能稳定、功能齐全,但价格较高,结构复杂,调试维修困难。当今,开放式数控系统正在工业领域得到广泛应用。其中,工控机通过总线连接专用运动控制卡的数控系统最为流行。为此,我们设计了一种基于PC的折弯机数控系统。该系统设计时,在功能上,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,即基于PC开放式数控系统,并设计了基于CPLD的位置控制卡来实现数字一脉冲伺服接口和其他I/O接口功能。2折弯机数控系统设计PC104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,是一种紧凑型的IEEE-P996总线规范,其信号定义和PLAT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;(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,4-A总线驱动即可使模块正常工作,每个模块1～2W能耗。PC104具有体积小,功耗低,联接可靠的特点,因此,采用PC104作为主机,可以显著减小CNC控制器的体积,使系统更加紧凑可靠。所设计的数控折弯机系统采用PC104处理器为核心控制器件,硬件管理采用LATTICE公司的复杂可编程门阵列(CPLD)ISPMACH4032V实现,硬件的功能可以通过软件配置,而应用层的功能如伺服控制等均由PC机完成。目前大多数折弯机数控系统总体控制结构如图1所示:由图1可见,折弯机数控系统主要可分为4个部分:机床侧的各种接口信号、CPLD位置卡、PC104控制模块、外围辅助设备。各个部分基本作用如下:(1)机床侧的各种接口信号折弯机的Y1、Y2轴由液压同步阀控制;上模压力由比例压力阀控制。而同步阀和压力阀都由控制卡提供的不同大小电流来控制。挡料板前后移动X轴及上下移动V轴,由控制卡发送的脉冲信号控制;(2)CPLD控制卡模块控制卡模块主要是接受上位机提供的位置信息并将其转换为伺服轴(X、R轴)的脉冲信息,实现精确的定位。控制卡还要将上位机的数字信号转换成不同大小的电流信号,由电流信号来控制伺服电磁阀。同时它还要实现其他的辅助电路功能,如限位信号、上模下降的各个过程控制;(3)PC104控制模块PC104模块主要是管理和组织整个数控系统按预定目标有序工作,主要任务有中断管理、故障自诊断及各种算法等。同时它还要对机床反馈的各种信号和操作面板上的各种输入给予响应、编辑等;(4)外围辅助设备外围辅助设备主要提供人机界面(HMI)、程序存储等功能。3cpld控制卡的设计3.1cpld控制模块该控制卡的总体硬件结构如图2所示。4路模拟电流控制信号主要是控制4个液压伺服阀;2路脉冲信号控制步进电机运动;左右滑块的位置由光栅检测差动输入到CPLD。CPLD部分是该控制卡的核心部分,主要实现的功能如下:(1)CPLD根据上位机(PC104)的数据信号产生预定频率与数目的脉冲,以脉冲控制方式控制辅助电机(X、R轴等);(2)根据上位机程序指令,实现输入输出部分的片选译码功能;(3)对光栅检测信号进行鉴向、倍频、计数。3.2cpld的概述选用Lattice公司的ispMACH4032V来实现控制卡中的译码、倍频、计数等功能。Lattice的CPLD颇有特色,在业界具有很强的竞争力,特别是ispMACH4000系列更是具有极高的性价比,使用十分广泛。选用Lattice公司的开发工具ispLEVERProjectNavigator进行设计和仿真。开发过程主要包括设计输入、编译综合、仿真验证、配置烧写。它们之间的关系如图3所示。CPLD的简要设计过程如下:首先分析控制卡中CPLD部分电路的功能,并将其分成若干实现模块:小数分频模块、译码模块以及鉴向分频计数模块,而后分别对各个电路模块进行单独设计。其中根据需要选用不同的输人方式,例如定时模块、小数分频模块、计数模块等,可以采用原理图输人法设计;译码模块则用VHDL设计较好;最后的顶层文件可以用原理图输人方式。将各个模块设计并输入后,经ispLEVER软件中的Synplify编译器进行编译综合,在编译器窗口中将显示各种出错信息,设计者可根据显示信息对设计进行修改。一旦编译综合通过,将可以通过WareformEditor窗口进行功能仿真。同时我们可以在Processesforcurrentsource窗口中完善各项编译,输入和定制各种约束。最后生成的*.jed文件经LSCispVMSystem烧制到目标板上。4简化平台的硬件结构本项设计是一种基