適合批量模式的工具機數控系統的製作方法
2023-06-06 19:44:39
本實用新型涉及機械自動化領域，具體來說是一種適合批量模式的工具機數控系統。
背景技術：
對工具機製造廠來說，許多數控工具機是直接根據用戶的需要設計的，控制器生產商提供的數控系統大多是全功能的通用系統，數控系統中的許多參數都需要根據工具機的實際情況設定，系統要提供設定參數的接口，以供工具機製造商調整和修改。有些情況下，工具機製造廠並不需要全功能數控系統中的所有功能，而是希望選裝自己所需要的功能，譬如，對於生產產量大且相似程度高的產品所用的數控工具機而言，並不需要過於複雜的數控系統，簡單夠用就好。另一方面，工具機的種類越來越多，構造越來越複雜，在控制方面的特殊要求也越來越多。
在這些情況下，就希望有一種具有簡潔界面簡單實用的數控系統，既能滿足那些生產產量大且相似程度高的產品的用戶需求，又能讓工具機製造廠將自己的加工經驗融入到已有的數控系統中去，提高產品的品質又降低了成本。所以，對工具機製造廠來說，適合單一品種大批量型生產模式的工具機數控系統具有一定的市場競爭力。
技術實現要素：
本實用新型的目的在於針對上述現有技術中存在的問題，提出一種適合批量模式的工具機數控系統，該工具機數控系統基於ARM和FPGA的嵌入式，具有簡單實用、高速、高精度和高可靠性的優點，並且後期檢修方便以及安全性高。
為實現上述技術目的，本實用新型通過如下技術方案予以實現：
一種適合批量模式的工具機數控系統，包括工具機本體、伺服電機、主電機和數控系統，數控系統包括ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、鍵盤、滑鼠、主控面板、主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器，其特徵在於：所述的工具機本體包括主軸和多個進給軸，所述的ARM Cortex A9核心板與FPGA核心板構成上位機與下位機的主從式結構系統，ARM Cortex A9核心板上連接有鍵盤、滑鼠和主控面板，所述的主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器連接在FPGA核心板上；工具機本體的主軸和多個進給軸分別與主軸驅動器和進給軸驅動器連接，並且主軸驅動器連接主電機，進給軸驅動器連接伺服電機。
優選的，所述ARM Cortex A9核心板上運行的作業系統是RT-Thread作業系統。
優選的，所述ARM Cortex A9核心板連接有eMMC存儲器。
以上所述的ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、RT-Thread作業系統和eMMC存儲器，這些均是現有的通用技術。
ARM Cortex A9核心板作為上位機，主要完成的工作有:人機界面工作；G代碼文件的編輯及輸入；G代碼粗插補以及主軸和進給軸運動控制；工具機操作模式和工具機狀態管理；軟體PLC功能；實時監控功能等。
ARM Cortex A9核心板對FPGA核心板發送設置參數命令、運動指令及其他控制指令，以完成與FPGA核心板的交互通信，是嵌入式數控系統實用平臺的核心部分。
FPGA核心板主要實現ARM Cortex A9核心板發送過來的運動指令，根據ARM Cortex A9核心板粗插補運算的計算結果，進行精插補，並利用其脈衝發生模塊，將插補結果轉化為脈衝信號，經過接口板發送給伺服放大器，通過進給軸驅動器交流伺服電機做進給運動。同時，接收伺服電機編碼器反饋信號，進行鑑相和計算，從而得到進給軸的位置信息，並反饋給上位機ARM Cortex A9核心板，與之進行交互來完成控制策略。
採用的主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器與數控工具機相匹配。
本實用新型提出的數控系統具有簡潔界面簡單實用的優點，既能滿足生產產量大且相似程度高的產品的用戶需求，又能讓工具機製造廠將自己的加工經驗融入到已有的數控系統中去，不但有利於提高產品的品質又降低了生產成本。
附圖說明
圖1為本實用新型實施例中提供的硬體系統框圖。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本實用新型做進一步描述。
一種基於ARM和FPGA的嵌入式數控系統，包括工具機本體、伺服電機、主電機和數控系統，工具機本體包括主軸和多個進給軸，數控系統包括ARM Cortex A9核心板、FPGA核心板、鍵盤、滑鼠、主控面板、主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器，ARM Cortex A9核心板與FPGA核心板構成上位機與下位機的主從式結構系統， ARM Cortex A9核心板上連接有鍵盤、滑鼠和主控面板，並負責將運動控制指令通過並行總線發送給FPGA核心板，FPGA核心板連接主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器，主軸驅動器連接主電機，進給軸驅動器連接伺服電機。
本實施例所採用的ARM處理器是英國Acorn有限公司設計的低功耗成本的第一款RISC微處理器。ARM（Advanced RISC Machines ）和FPGA（Field－Programmable Gate Array現場可編程門陣列）的嵌入式數控系統，這兩個術語在電子行業屬於常識，不用特別說明。
所述進給軸驅動器有X軸驅動器、Y軸驅動器和Z軸驅動器，分別控制伺服電機的X軸、Y軸和Z軸；主軸驅動器、編碼器和進給軸驅動器通過接口板和FPGA核心板相連。
ARM Cortex A9核心板上運行的作業系統是RT-Thread2.1.0；數控系統的應用軟體運行於RT-Thread之上。數控系統的應用軟體包括代碼輸入、參數設置、解碼模塊、刀補模塊、速度處理模塊、插補運算模塊、位置控制和輸入輸出模塊等。
ARM Cortex A9核心板連接有eMMC存儲器，數控系統的數控程序存儲在eMMC存儲器上，運行數據分別存儲於內存映射緩衝區和資料庫。
ARM Cortex A9核心板將控制指令發送至FPGA核心板，並由FPGA對相應的進給軸驅動器和主軸驅動器進行控制，進給軸驅動器和主軸驅動器設置在數控工具機上，用於驅動主軸電機和伺服電機完成不同的生產操作流程。
通過上述技術方案，本實用新型實施例所揭示的數控系統通過ARM Cortex A9核心板實現人機互動功能和數控功能，由於數控流程由ARM Cortex A9核心板和作業系統RT-Thread2.1.0負責完成，因此可保證數控的實時性及精確度。
數控系統的工作流程是：G代碼經過解碼，結果放到解碼緩衝區中，而刀具補償從解碼緩衝區中得到數據，經過其處理，放入到刀補緩衝區中，以供速度預處理使用，經預處理之後的數據被放入插補緩衝區中，這些數據經插補處理後形成控制指令，進行工具機的位置控制。在許多情況下，插補運算和位置控制須同時進行，要求有較強的實時性，所以插補運算相關的刀補緩衝區和插補緩衝區為內存映射區構成。
以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。