模塊化嵌入式數控系統的製作方法
2023-06-01 15:46:51
專利名稱：模塊化嵌入式數控系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及數控工具機的數控系統，尤其涉及一種模塊化嵌入式數控系統裝置。
背景技術：
從所周知，工業是國民經濟的基礎，工具機是工業的基礎，而數控系統又是數控工具機的核心。目前我國的國產數控系統同進口數控系統比較，無論從性能方面，還是質量方面都存在著相當大的差距，以至於中國數控工具機行業所使用的中高檔數控系統，幾乎被進口數控系統所壟斷。而國外數控系統的發展趨勢主要是以高速，高效率，高精度，多功能，複合加工的數控工具機配置的數控系統為主流，目前這類具有多軸多通道複合加工控制功能的數控系統限制向中國進口。嚴重地影響了我國高檔數控工具機的發展。
目前國內市場流通的數控系統主要分為2大類，以單片機為核心的數控系統和以PC平臺為核心的開放式數控系統。上述2類數控系統都是沿襲傳統數控系統的結構，採用整體控制結構，軟體只能是面向過程的一體化結構，使管理系統和驅動系統無法成為各自獨立的模塊，因而無法實現多軸多通道控制，導致目前只能徘徊在單機最大5-8軸的驅動控制及單通道插補聯動的相對落後的狀態。
發明內容
本發明的提出，旨在從根本上改變傳統的數控硬體結構和數控專用軟體的設計方法，突破現有數控系統結構對數控系統軟硬體開發的束縛，採用模塊化可重構嵌入式數控系統軟體庫和數控硬體控制模塊來創建新的軟硬體平臺，通過數控內部串行網絡總線和數控通道管理控制技術，實現多通道驅動控制及多通道內置標準PLC輸入/輸出控制。
本發明的技術解決方案是這樣實現的一種模塊化嵌入式數控系統裝置，包括標準的PLC輸入/輸出接口模塊及與外部設備連接的全部外部接口，其特徵在於該數控系統裝置還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫的CUP管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸驅動控制軟體庫的1軸、2軸或4軸驅動控制模塊，和內部固化模塊化嵌入式PLC管理控制軟體庫的PLC管理控制模塊以及各模塊間實現網絡連接的數控內部串行網絡總線和多通道(路徑)管理控制軟體包。
本發明的技術解決方案還包括所述的內部固化模塊化嵌入式可重構數控作業系統軟體庫的CPU管理控制模塊由ARM CPU主控板和標準的PLC輸入/輸出接口模塊組成，ARM CPU內部集合了所有必要的外部接口，還增加了CAN串行網絡總線接口。
所述的內部固化模塊化嵌入式可重構數控作業系統軟體庫包括系統顯示，鍵盤管理，文件編輯和方式管理等數控系統的基本操作功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式可重構數控作業系統軟體庫還包括根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控網絡管理協議和DZ-LINK管理控制函數庫，可以實現大於110節點的數控內部網絡高速控制及管理。
所述的內部固化模塊化嵌入式可重構數控作業系統軟體庫還包括數控多通道(路徑)管理控制函數庫，可實現1-110通道的管理及控制。可實現最大100通道的驅動管理控制和最大10通道的PLC管理控制。
本發明的技術解決方案還包括所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸、2軸或4軸的驅動模塊由ARM CPU，CAN網絡接口和1軸、2軸或4軸專用運動控制晶片中的一種所組成，專用運動控制晶片包括MCX104，MCX312，MCX314AS或DSP構成的運動控制晶片，可以自動實現1軸、2軸或4軸驅動進給脈衝的全部動作，如自動加減速，定位控制，脈衝反饋計數等控制功能，以及具有伺服驅動器相關輸入/輸出的控制功能和自動實現多軸直線/圓弧插補及聯動功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸、2軸或4軸的驅動模塊還包括由標準12位D/A轉換器構成的主軸輸出控制迴路，實現0-10V的模擬電壓輸出控制主軸轉數。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸、2軸或4軸的驅動模塊採用標準晶片AM26LS32構成主軸脈衝編碼器反饋輸入迴路，將反饋信號輸入到可編程邏輯控制晶片CPLD，在CPLD內進行計數，實現主軸速度反饋，處理後的反饋信號變換成主軸同步脈衝直接輸入到1軸、2軸或4軸專用運動控制晶片中的一種，實現主軸-伺服驅動的同步脈衝控制功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸、2軸或4軸的驅動模塊還包括手搖脈衝發生器輸入迴路，將手搖脈衝發生器輸入脈衝信號，手搖脈衝倍率選擇信號和手搖脈衝發生器軸選擇信號經過CPLD處理器處理後，直接輸入到專用運動控制晶片中，實現手搖脈衝發生器的驅動控制。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫具有1通道的主軸模擬輸出，1通道的主軸速度反饋及1通道的手搖脈衝發生器的控制功能，以及獨立完成1軸驅動控制，2軸插補，2軸聯動控制或3軸插補，4軸聯動驅動控制的全部功能。
所述的內部固化模塊化嵌入式1軸、2軸或4軸的驅動控制軟體庫還包括(1)可實現節點的網絡高速控制及管理，根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控內部串行網絡總線管理協議及子局節點管理控制函數庫；(2)可實現多通道管理控制的數控多通道(路徑)管理控制軟體包。系統可以根據用戶需要選擇配置驅動通道，最大可以配置100個驅動通道；(3)驅動模塊的獨立CPU管理系統，該系統能實現驅動模塊的伺服控制；各通道獨立完成4軸伺服驅動的進給控制，以及3軸直線/圓弧插補和4軸聯動控制。
本發明的技術解決方案還包括所述的內部固化模塊化嵌入式PLC控制軟體庫的PLC管理控制模塊由ARMCPU，可編程邏輯控制晶片CPLD，CAN網絡接口和一組標準PLC輸入/輸出接口模塊所組成，由PLC管理控制模塊的內部並行總線接口，最大可以連接16個標準PLC輸入/輸出模塊。
所述的內部固化模塊化嵌入式PLC控制軟體庫包括(1)可實現節點的網絡高速控制及管理，根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控內部串行網絡總線管理協議及子局節點管理控制函數庫；(2)可實現多通道管理控制的數控多通道(路徑)管理控制軟體包。系統可以根據用戶需要選擇配置PLC控制通道，最大可以配置10個PLC控制通道；(3)可實現由PLC控制模塊內部並行總線控制的PLC輸入/輸出接口模塊管理函數庫。系統每個通道可以根據用戶需要選擇配置最多16個PLC輸入/輸出接口模塊；(4)實現由PLC控制模塊獨立完成PLC的輸入/輸出控制的獨立CPU管理系統；(5)PLC控制模塊內部固化嵌入式標準PLC代碼編譯控制軟體函數庫。
與現有技術相比較，本發明的優點顯而易見的，首先，從根本上改變了傳統數控系統的軟體及硬體結構，將傳統數控系統的一體化結構改變成由模塊化嵌入式數控硬體控制模塊和模塊化可重構嵌入式數控軟體庫結構，通過數控內部串行網絡總線和數控多通道(路徑)管理控制軟體包，實現多通道驅動控制及多通道內置PLC輸入/輸出控制。這樣，就實現了每個驅動通道都可以獨立的進行3軸插補，4軸聯動，使用通道即可實現全部驅動控制軸的目的，可以在很短時間內，完成用戶要求的1-多軸(最大400軸驅動)的自動化設備數控系統產品的開發。其次，系統還具有高效率，高精度和高可靠性的特點，適用範圍廣，性價比高，適用於設備製造行業的各種數控設備中。
圖1模塊化嵌入式數控系統的數控硬體控制模塊的基本結構原理框圖。
圖2模塊化嵌入式數控系統的CPU管理控制模塊工作原理框圖。
圖3模塊化嵌入式數控系統的1軸規格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖4模塊化嵌入式數控系統的2軸規格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖5模塊化嵌入式數控系統的4軸規格驅動控制模塊工作原理框圖。
圖6模塊化嵌入式數控系統的PLC控制模塊工作原理框圖。
圖7模塊化嵌入式數控系統的PLC輸入/輸出接口模塊工作原理框圖。
圖8模塊化嵌入式數控系統的模塊化嵌入式軟體庫流程框圖。
具體實施例方式
如圖所示的一種模塊化嵌入式數控系統，是由模塊化可重構嵌入式數控軟體庫和數控硬體控制模塊構成，通過數控內部串行網絡總線和數控多通道(路徑)管理控制軟體包，實現多通道驅動控制及多通道內置PLC輸入/輸出控制。
1.模塊化可重構嵌入式數控軟體庫模塊化嵌入式數控系統的模塊化可重構嵌入式數控軟體庫由功能豐富的模塊化數控函數庫和數控數據結構庫構成。通過對作業系統引導程序的初始設定，可根據產品的需要引導連結相關的數控軟體函數庫。模塊化嵌入式數控系統具有較強的開放性的特點，可以根據用戶的要求追加用戶指定的功能函數庫，在短時間內完成各類通用和專用設備數控系統的軟體開發。
(1)模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫(固化在CPU管理控制模塊的作業系統)。
(2)模塊化嵌入式驅動控制軟體庫(固化在驅動控制模塊的獨立的控制系統)。
(3)模塊化嵌入式PLC控制軟體庫(固化在PLC控制模塊的獨立的控制系統)。
2.數控硬體控制模塊模塊化嵌入式數控系統的數控硬體控制模塊應用ARM，DSP及CPLD現代控制技術及網絡通訊技術，採用32位多CPU控制，32位ARM CPU處理器內部具有三級流水線控制的並行處理功能，運算頻率達到75-200M。採用多CPU控制技術，使每一個模塊都能夠具有獨立的管理控制功能，實現高速高精度的1-多軸位置控制。
數控硬體控制模塊由三種標準工業產品組合模塊構成(1)CPU管理控制模塊(可用於主CPU管理控制模塊及PLC控制模塊)；(2)驅動控制模塊(含1軸、2軸或4軸3種規格的驅動模塊)；(3)PLC輸入/輸出接口模塊(輸入56點/輸出32點)。
採用以上三種自行研製的標準工業產品模塊(5個規格產品)，可以實現各種數控系統的模塊化組合，基本滿足1-多軸的各種通用和專用設備數控系統的硬體控制要求。
(1)CPU管理控制模塊CPU控制管理模塊採用32位ARM CPU主板，標準系統顯示器接口，系統鍵盤接口，系統控制總線。顯示器接口兼容LCD驅動和CRT驅動，支持240×160，320×240，640×480，800×600，1024×768等多種規格的LCD顯示及觸控螢幕顯示操作。CPU管理控制模塊配有標準USB接口和標準乙太網接口，實現現代化生產的網絡通訊，可提供用戶間的信息交換。數控系統中採用U盤存儲技術。內置模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫。
(2)驅動控制模塊驅動控制模塊配置獨立的32位ARMCPU控制，採用MCX104，MCX312，MCX3 14AS專用運動控制晶片。可以自動實現高速度高精度的全閉環位置控制以及直線插補和圓弧插補，驅動速度可達到4000KPPS進給脈衝輸出。可實現240米/分進給速度的控制。配有主軸控制輸出接口，主軸速度反饋接口和手搖脈衝發生器輸入接口，可以實現主軸同步控制功能。
驅動控制模塊包括1軸、2軸或4軸3種規格的標準產品化驅動控制模塊；內置模塊化嵌入式驅動控制軟體庫；驅動控制模塊可以獨立完成3軸插補和4軸聯動。
(3)PLC控制模塊PLC控制模塊採用獨立的32位ARM CPU控制，內置模塊化嵌入式PLC控制軟體庫，具有獨立的標準PLC控制功能。可以自動完成PLC程序的編譯和PLC全部執行過程的獨立控制。
模塊化嵌入式數控系統通過數控內部串行網絡總線，最多可以配置10個PLC控制通道，每個PLC控制模塊為1個獨立的PLC控制通道。每個獨立的PLC控制通道具有獨立的PLC控制功能。
每個PLC控制模塊內部的並行控制總線上可以配置最大16個PLC輸入/輸出接口模塊。每個PLC輸入/輸出接口模塊上有56個輸入點和32個輸出點。可以實現最大896點輸入(1×16×56)和512點輸出(1×16×56)的標準PLC控制。
採用組合模塊化控制技術結構，模塊化嵌入式數控系統可以根據用戶的通用設備和專用設備的具體要求配置PLC控制模塊和PLC輸入/輸出接口模塊。可以實現最大8960點輸入(10×16×56)和5120點輸出(10×16×32)的標準PLC控制。
3.數控內部串行網絡總線模塊化嵌入式數控系統的數控硬體控制模塊具有獨立的管理控制功能，採用數控內部串行網絡總線，大大地減少了系統內部配線，有效地提高了數控系統的抗幹擾特性，實現模塊化嵌入式數控系統的多節點通訊控制。
4.多通道管理核心控制技術模塊化嵌入式數控系統的數控硬體控制模塊具有獨立的管理控制功能，應用多通道管理核心控制技術的數控多通道(路徑)管理控制軟體包，可以實現最大100個獨立驅動通道和最大10個獨立PLC控制通道的控制管理，每個驅動通道都可以獨立的進行3軸插補，4軸聯動，驅動通道可以實現全部驅動軸的聯動控制；每個PLC控制通道都可以獨立地完成PLC控制。
權利要求
1.一種模塊化嵌入式數控系統裝置，包括標準PLC輸入/輸出接口模塊和與外部設備連接的全部外部接口，其特徵在於該數控系統裝置還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫的CPU管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊，和內部固化模塊嵌入式PLC控制軟體庫的PLC管理控制模塊以及前述各模塊間實現網絡連接的數控內部串行網絡總線和數控多通道(路徑)管理控制軟體包。
2.根據權利要求1所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫的CPU管理控制模塊由ARM CPU主控板和標準的PLC輸入/輸出接口模塊組成，ARM CPU內部集合了所有必要的外部接口，還增加了CAN串行網絡總線接口。
3.根據權利要求2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫包括系統顯示，鍵盤管理，文件編輯和方式管理等數控的基本操作功能。
4.根據權利要求2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫還包括根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控網絡管理協議和DZ-LINK管理控制函數庫，可以實現大於110節點的數控內部網絡高速控制及管理。
5.根據權利要求2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫還包括數控多通道(路徑)管理控制函數庫，可實現1-110通道的管理及控制。可實現最大100通道的驅動管理控制和最大10通道的PLC管理控制。
6.根據權利要求1或2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊由ARM CPU，CAN網絡接口和1軸、2軸或4軸專用的MCX或者DSP運動控制晶片中的一種所組成，可以自動實現1軸、2軸或4軸驅動進給脈衝的全部動作，如自動加減速，定位控制，脈衝反饋計數等控制功能，以及具有伺服驅動器相關輸入/輸出的控制功能和自動實現多軸直線/圓弧插補及聯動功能。
7.根據權利要求6所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括由標準12位D/A轉換器構成的主軸輸出控制迴路，實現0-10V的模擬電壓輸出控制主軸轉數。
8.根據權利要求6所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括採用標準晶片AM26LS32構成主軸脈衝編碼器反饋輸入迴路，將反饋信號輸入到可編程邏輯控制晶片CPLD，在CPLD內進行計數，實現主軸速度反饋，處理後的反饋信號變換成主軸同步脈衝直接輸入到1軸、2軸或4軸專用運動控制晶片中的一種，實現主軸-伺服驅動的同步脈衝控制功能。
9.根據權利要求6所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括手搖脈衝發生器輸入迴路，將手搖脈衝發生器輸入脈衝信號，手搖脈衝倍率選擇信號和手搖脈衝發生器軸選擇信號經過CPLD處理器處理後，直接輸入到專用運動控制晶片中，實現手搖脈衝發生器的驅動控制。
10.根據權利要求6所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊具有1通道的主軸模擬輸出，1通道的主軸速度反饋及1通道的手搖脈衝發生器的控制功能，以及獨立完成1軸驅動控制，2軸插補，2軸聯動控制或3軸插補，4軸聯動驅動控制的全部功能。
11.根據權利要求6所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊還包括(1)可實現節點的網絡高速控制及管理，根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控內部串行網絡總線管理協議及子局節點管理控制函數庫；(2)可實現多通道管理控制的數控多通道(路徑)管理控制軟體包，系統可以根據用戶需要選擇配置驅動通道，最大可以配置100個驅動通道；(3)驅動模塊的獨立CPU管理系統，該系統能實現驅動模塊的伺服控制；各通道獨立完成4軸伺服驅動的進給控制，以及3軸直線/圓弧插補和4軸聯動控制。
12.根據權利要求1或2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化PLC控制軟體庫的PLC控制模塊由ARM CPU，可編程邏輯控制晶片CPLD，CAN網絡接口和一組標準PLC輸入/輸出接口模塊所組成，由PLC管理控制模塊的內部並行總線接口，最大可以連接16個標準PLC輸入/輸出模塊。
13.根據權利要求1 2所述的模塊化嵌入式數控系統裝置，其特徵在於所述的內部固化模塊化PLC控制軟體庫還包括(1)可實現節點的網絡高速控制及管理，根據標準CAN網絡通訊協議自行研發的DZ-LINK數控內部串行網絡總線管理協議及子局節點管理控制函數庫；(2)可實現多通道管理控制的數控多通道(路徑)管理控制軟體包，系統可以根據用戶需要選擇配置PLC控制通道，最大可以配置10個PLC控制通道；(3)可實現由PLC控制模塊內部並行總線控制的PLC輸入/輸出接口模塊管理函數庫，系統每個通道可以根據用戶需要選擇配置最多16個PLC輸入/輸出接口模塊；(4)實現由PLC控制模塊獨立完成PLC的輸入/輸出控制的獨立CPU管理系統；(5)PLC控制模塊內部固化嵌入式標準PLC代碼編譯控制軟體函數庫。
全文摘要
本發明公開一種模塊化嵌入式數控系統裝置，包括標準PLC輸入/輸出接口模塊和與外部設備連接的外部接口，其特徵在於還包括內部固化模塊化可重構嵌入式數控作業系統軟體庫的CPU管理控制模塊，內部固化模塊化嵌入式1軸，2軸或4軸的驅動控制軟體庫的1軸，2軸或4軸的驅動控制模塊，和內部固化模塊嵌入式PLC控制軟體庫的PLC管理控制模塊以及前述各模塊間實現網絡連接的數控內部串行網絡總線和多通道(路徑)管理控制軟體包。該系統應用數控內部CAN串行網絡總線和數控多通道技術，採用模塊化的數控硬體控制模塊，使數控系統可以按用戶要求進行模塊化組合，具有高效率，高精度，高性價比的優勢，適用於設備製造業的各種數控設備中。
文檔編號G05B19/18GK1624612SQ20041010103
公開日2005年6月8日 申請日期2004年12月2日 優先權日2004年12月2日
發明者齊放 申請人:齊放