計算機數控機芯板的製作方法

2023-05-28 13:52:36 2

專利名稱：計算機數控機芯板的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種計算機數控系統裝置，更確切地說是涉及一種計算機數控接口模板。
現有的數控系統裝置，如日本FANUC系統、德國西門子系統等的數控系統裝置硬體，包括CRT與鍵盤一體化的操作面板、主機箱等，且與IBM PC計算機完全不兼容，由於整套產品售價昂貴，給數控系統用戶如工具機廠帶來很大的經濟負擔，而且售出後的數控系統操作面板已經定型，與工具機光機聯機時則缺乏靈活性。還有一些數控系統裝置如日本大隈公司的OSP，美國Autocon公司的Delta 60M-40M，其系統裝置硬體雖與IBM PC機完全兼容或部分兼容，但也由操作面板和主機箱等構成數控系統裝置。
本實用新型的目的是設計一種計算機數控機芯板，即將由數控軟體加位控板構成的數控核心技術濃縮在一塊PC/AT總線接口板上，構成數控機芯板，插置在計算機主機(IBM PC/AT及其兼容機)上，再插置一塊普通的數字I/O板就可構成一個完整的計算機數控系統。
本實用新型計算機數控機芯板，由數控工具機軸控制部分和固化有數控系統軟體的電子盤部分構成，數控工具機軸控制部分和電子盤部分與PC總線連接，其特徵在於所述的數控工具機軸控制部分包括數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路、工具機主軸伺服電機的開環控制電路、手搖脈衝發生器信號讀入電路和解碼電路；解碼電路輸入接PC總線，解碼電路輸出分別連接數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路、工具機主軸伺服電機的開環控制電路和手搖脈衝發生器信號讀入電路的片選信號端；數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的I/O端、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路的輸出端、工具機主軸伺服電機開環控制電路的輸入端及手搖脈衝發生器信號讀入電路的輸出端接板內數據總線；數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的輸入端接伺服電機進給軸A、B、I反饋脈衝信號，數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的輸出端輸出控制伺服電機進給軸的±10V信號；工具機進給軸原點/限位信號讀入電路的輸入端接工具機進給軸的原點、限位信號；工具機主軸伺服電機的開環控制電路輸出端輸出控制主軸伺服電機的±10V信號；手搖脈衝發生器信號讀入電路輸入端接輸出A、B脈衝的手搖脈衝發生器。
所述的數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路由輸入接進給軸伺服電機反饋脈衝A、B、I編碼信號的差分濾波器，輸入接差分濾波器輸出的伺服電機位控晶片，輸入接伺服電機位控晶片輸出的D/A轉換器，輸入接D/A轉換器輸出的放大器和輸入接放大器輸出的電子開關連接構成；伺服電機位控晶片的I/O端接板內數據總線，電子開關輸出所述的控制伺服電機進給軸的±10V信號。
所述的工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路由輸入接工具機進給軸的原點、限位信號的光電隔離電路和輸入接光電隔離電路輸出的並行I/O接口電路連接構成，並行I/O接口電路的數據端接板內數據總線。
所述的工具機主軸伺服電機的開環控制電路由輸入接板內數據總線的D/A轉換器，輸入接D/A轉換器輸出的放大器和輸入接放大器輸出的電子開關連接構成，電子開關輸出控制主軸伺服電機的±10V信號。
所述的手搖脈衝發生器信號讀入電路由輸入接手搖脈衝發生器輸出A、B脈衝信號的差分濾波器和輸入接差分濾波器輸出的可逆計數器晶片連接構成，可逆計數器晶片的輸出端接板內數據總線。
所述的數控工具機軸控制部分和電子盤部分製作成一塊或兩塊IBM PC微型計算機及其兼容機的PC/AT總線接口模板。
本實用新型的伺服軸控制主要是針對交直流伺服電機的驅動，為三軸驅動，所涉及的伺服電機位控晶片是一種智能晶片，片內有算術邏輯處理單元及ROM、RAM，ROM中固化有數字PID算法，RAM用於存放PID算法的有關係數和中間計算結果，計算機通過位控晶片的口地址與位控晶片進行通信，位控晶片輸出的數位訊號經D/A轉換、放大、電子開關後變成±10V的VCMD信號來控制伺服控制單元，而位控晶片通過差分濾波器接收的反饋信號則為一般數空工具機伺服電機光電編碼器的A、B、I脈衝信號，伺服電機位控晶片是完成數控工具機伺服軸位置閉環控制的主要部件。
為了接收工具機某一伺服軸的正負極限(限位L1MIT)開關信號、原點信號(HOME)及一轉的脈衝信號(I)，本實用新型用並行I/O接口電路並通過光電隔離器來接收這些信號，再通過板內數據總線讀入PC機中。
PC機控制完成D/A數模轉換器並通過放大器、電子開關實現對主軸的控制(±10V)，PC機通過總線也可隨時讀到手搖脈衝發生器的信號。
下面結合實施例及附圖進一步說明本實用新型的技術

圖1.數控工具機軸控制部分原理框圖圖2.圖1中光電隔離電路電路圖圖3.圖1中差分濾波電路電路圖圖4.圖1中解碼電路及並行I/O接口電路圖圖5.圖1中伺服電機位控、D/A、放大、電子開關電路圖圖6.圖1中主軸電機控制及手搖脈衝發生器信號讀入電路圖圖7.電子盤部分電路圖參見圖1.數控工具機軸控制部分包括PC總線101、數據總線102、地址總線103、控制總線104，數據總線驅動電路105、解碼電路106、板內數據總線107、片選信號線108、109、110和111、並行I/O接口電路112、光電隔離電路113、伺服電機位控晶片114、差分濾波器115、D/A轉換器116、放大器117、電了開關118、D/A轉換器119、放大器120、電子開關121、可逆計數器122和差分濾波器123。
並行I/O接口112和光電隔離電路113連接構成工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路。伺服電機位控晶片114、差分濾波器115、D/A轉換器116、放大器117和電子開關118連接構成數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路，因為是三軸驅動，因而應有三套同樣的控制電路，圖中省略另兩套電路。D/A轉換器119、放大器120、電子開關121連接構成工具機主軸伺服電機的開環控制電路。手搖脈衝發生器接口122連接差分濾波器123構成手搖脈衝發生器信號讀入電路。圖中H為原點信號、L為限位信號。
地址總線103的A0、A1信號及控制總線104的IOW信號分別接並行I/O接口112，解碼器106輸出的片選信號108、109、110、111分別控制並行I/O接口112、伺服電機位控晶片114、D/A轉換器119和手搖脈衝發生器接口122的工作。板內數據總線107分別連接並行I/O接口112，伺服電機位控晶片114、D/A轉換器119和手搖脈衝發生器接口122的I/O端。並行I/O接口還輸出PC6信號用於控制電子開關118、121，PC7用作手搖脈衝發生器接口122的復位信號，差分濾波器115輸出的I信號接並行I/O接口112。
參見圖2.光電隔離器，採用TLP521，實施例共使用九個光電隔離器，包括三個H信號(H0、H1、H2)和六個極限點信號(LA0、LB0、LA1、LB1、LA2、LB2)。輸出信號至圖4解碼電路及並行I/O接口電路。
參見圖3.差分濾波器採用75175線接收器，實施例共使用六個差分濾波器，輸出三組A、B、I信號(伺服電機反饋信號A0、B0、I0、A1、B1、I1、A2、B2、I2)給圖5的位控晶片和一對A、B信號給圖6的可逆計數器。
參見圖4.為圖1中數據總線驅動105、解碼電路106及並行I/O接口112的實施電路。
圖中標有JA/XX或JB/XX的是來自PC總線的信號，D0-1至D0-7為板內數據總線。U1(74ALS245)為三態輸出八總線收發器。U2(74ALS520)為八位數據比較器，與拔動開關K1一起完成本機芯板地址先擇。U4(74ALS244)為總線驅動器，U5(74ALS138)為解碼器，U9(8255)為並行I/O接口片。
解碼電路用A4-A9及IOR、IOW來決定機芯板地址，用A0-A3四根地址線來決定片選信號，A0與A1、A2、A3組合可尋址16個I/O口地址，其中U5-Y0給圖7的電子盤，U5-Y1、U5-Y2產生本圖中U9的片選信號，U5-Y6產生圖6中U20的片選信號，U5-Y4產生圖6中U12的片選信號，U5-Y5(U5-Y6、U5-Y7)產生圖5中U10的片選信號(分別用於片選三個位控晶片)。U9用於接收工具機某一伺服軸的正負極限(LIMIT)開關信號、原點(HOME)信號、一轉脈衝信號I等I/O信號。
參見圖5.為圖1中伺服電機位控114、D/A轉換器116、放大器117和電子開關118的實施電路圖。
U10(LM628)為位控晶片，是美國國家半導體公司的通用位控晶片，佔用兩個八位口地址，計算機可通過這兩個八位口地址與LM628進行通信，可由軟體設定其為12位數位訊號輸出方式。由於LM628輸出數據口為8位，所以當LM628採用12位方式輸出命令數據時，需對12位數據的高6位與低6位，進行分時輸出，LM628的8位數據輸出線D7-D2產生高6低6位數位訊號，D0、D1產生高低6位的時序信號。其中高6位經過U16(74LS378)鎖存器與U18(AD767)12位數模D/A轉換器相連，低6位直接與U18連接。U18的AD767為普通的12位D/A晶片，輸出可用硬體設定為±5V及±10V等量程。本實施例設定輸出為±5V方式。U21(HA-OP27)為模擬放大器，將767產生的±5V信號兩倍放大後產生標準的VCMD±10V信號，即輸出伺服控制單元的控制信號。圖中U24A為電子開關(ADG212A)，控制信號PC6來自圖4。
實施例有三個完全相同的圖5電路，分別用於三軸的位控信號的控制處理，接收A、B、I反饋脈衝信號，完成對數控工具機伺服軸的位置閉環控制。
參見圖6，為圖1中D/A轉換器119、放大器120、電子開關121和可逆計數器122的實施電路。
U17(74ALS373)為數據鎖存器，U20(AD767)為12位D/A轉換器，U23(HA-OP27)為模擬放大器，U24C(ADG212A)為電子開關。由於數/模轉換採用12位方式，所以佔用了兩個8位I/O口地址，在數模轉換時先送高8位、再送低4位，經767、HA-OP27後變成±10V模擬信號控制主軸。
可逆計數器U12(HCTL2016)用於接收手搖輪的脈衝發生器A、B信號，該晶片也佔用兩個8位口地址。
參見圖7.為電子盤部分的實施電路圖，主要包括數據總線驅動、解碼電路和存貯器。
圖中U37(74ALS245)為總線收發器，U38(74ALS520)為數據比較器，與拔動開關K2一起完成對電子盤的地址選擇。
U39(74ALS138)為解碼器，U40(74LS373)為八D鎖存器，U35(電子盤的擴展ROM BIOS 2732)為EPROM，U36(27CO40)為ROM，存放數控系統軟體及DOS作業系統，MER為來自PC總線的控制信號，在IBM PC/AT及PC高檔兼容機中，內存C8000H至D0000H一般為擴展的ROM區，所以選擇C8000H至CAFFFH作為電子盤的BIOS及512KB ROM有效地址(共8KB)。
由於電子盤的容量較大，如單純用內存地址線尋512KB地址將與原PC機的內存相衝突，所以在電子盤尋址時採用地址線與8位數據線(由一個8位I/O口產生)聯合尋址，用A19-A13及MER來決定板地址，在板地址範圍內留出8K的有效內存地址，用A12-A10地址線再次解碼分解為8個1K信號，前4K留給U35，接著的2K參與對U36的尋址。如前所述，機芯板上前兩個I/O口地址留給了電子盤，其中第1個I/O口參與對U36的尋址，這個I/O的數據經U40鎖存後對U36晶片的地址進行分頁，共分了256頁，每頁2K。即用2K的內存地址與一個8位I/O口地址的數據線進行聯合尋址，實現512KB的地址尋址。
實施例電子盤在使用時與普通軟盤一樣方便，電子盤對作業系統來說就象軟盤一樣。
本實用新型將數控系統的核心技術濃縮在一塊或兩塊總線接口板上，其優點是降低硬體成本，給工具機製造廠帶來很大的靈活性；用戶擁有數控機芯板後，可完全自主地選擇IBM PC/AT及其兼容機，由於IBM PC兼容機、各種工業級微機的結構、價格差別極大，因此構成數控系統的最終結構形式及總成本可由用戶掌握控制；由於本實用新型的主機硬體平臺為IBM PC或兼容機，因此隨著微機性能的不斷提高，用本機芯板組成的數控系統的硬體水平也將得到提高。
權利要求1.一種計算機數控機芯板，由數控工具機軸控制部分和固化有數控系統軟體的電子盤部分構成，數控工具機軸控制部分和電子盤部分與PC總線連接，其特徵於所述的數控工具機軸控制部分包括數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路、工具機主軸伺服電機的開環控制電路、手搖脈衝發生器信號讀入電路和解碼電路；解碼電路輸入接PC總線，解碼電路輸出分別連接數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路、工具機主軸伺服電機的開環控制電路和手搖脈衝發生器信號讀入電路的片選信號端；數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的I/O端、工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路的輸出端、工具機主軸伺服電機開環控制電路的輸入端及手搖脈衝發生器信號讀入電路的輸出端接板內數據總線；數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的輸入端接伺服電機進給軸A、B、I反饋脈衝信號，數控工具機伺服軸位置閉環控制電路的輸出端輸出控制伺服電機進給軸的±10V信號；工具機進給軸原點/限位信號讀入電路的輸入端接工具機進給軸的原點、限位信號；工具機主軸伺服電機的開環控制電路輸出端輸出控制主軸伺服電機的±10V信號；手搖脈衝發生器信號讀入電路輸入端接輸出A、B脈衝的手搖脈衝發生器。
2.根據權利要求1所述的計算機數控機芯板，其特徵在於所述的數控工具機伺服軸的位置閉環控制電路由輸入接進給軸伺服電機反饋脈衝A、B、I編碼信號的差分濾波器，輸入接差分濾波器輸出的伺服電機位控晶片，輸入接伺服電機位控晶片輸出的D/A轉換器，輸入接D/A轉換器輸出的放大器和輸入接放大器輸出的電子開關連接構成；伺服電機位控晶片的I/O端接板內數據總線，電子開關輸出所述的控制伺服電機進給軸的±10V信號。
3.根據權利要求1所述的計算機數控機芯板，其特徵在於所述的工具機進給軸的原點/限位信號讀入電路由輸入接工具機進給軸的原點、限位信號的光電隔離電路和輸入接光電隔離電路輸出的並行I/O接口電路連接構成，並行I/O接口電路的數據端接板內數據總線。
4.根據權利要求1所述的計算機數控機芯板，其特徵在於所述的工具機主軸伺服電機的開環控制電路由輸入接板內數據總線的D/A轉換器，輸入接D/A轉換器輸出的放大器和輸入接放大器輸出的電子開關連接構成，電子開關輸出控制主軸伺服電機的±10V信號。
5.根據權利要求1所述的計算機數控機芯板，其特徵在於所述的手搖脈衝發生器信號讀入電路由輸入接手搖脈衝發生器輸出A、B脈衝信號的差分濾波器和輸入接差分濾波器輸出的可逆計數器晶片連接構成，可逆計數器晶片的輸出端接板內數據總線。
6.根據權利要求1所述的計算機數控機芯板，其特徵在於所述的數控工具機軸控制部分和電子盤部分製作成一塊或兩塊IBM PC微型計算機及其兼容機的PC/AT總線接口模板。
專利摘要本實用新型涉及一種計算機數控接口模板，將由數控軟體加位控板構成的數控核心技術濃縮成PC/AT總線接口板。包括由工具機伺服軸位置閉環控制電路、工具機伺服軸限位/原點開關信號讀入電路、工具機主軸伺服電機±10V電壓的開環控制電路和手搖脈衝發生器信號讀入電路組成的數控工具機軸控制部分及固化有數控系統軟體的電子盤部分。可製作成一塊或分作成兩塊機芯板，插在IBMPC及兼容機上，再插上普通數字I/O板即構成一計算機數控系統。
文檔編號G05B19/18GK2229672SQ9522273
公開日1996年6月19日 申請日期1995年10月6日 優先權日1995年10月6日
發明者曹一峰, 趙玉紅, 郭麗 申請人:曹一峰, 趙玉紅, 郭麗