CN102914998B

CN102914998B - 嵌入式小型四轴开放式数控系统

Info

Publication number: CN102914998B
Application number: CN201210472051.5A
Authority: CN
Inventors: 庄源昌; 郑湃; 张飞; 朱兴华
Original assignee: Changzhou Digit Control Technique Institute
Current assignee: Changzhou Digit Control Technique Institute
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: CN102914998A

Abstract

本发明解决了通用PC平台开放式数控系统成本高，可靠性差的问题，公开了一种嵌入式小型四轴开放式数控系统。本发明包括PC管理层，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层；所述PC管理层包括计算机，所述嵌入式智能终端层包括至少一个嵌入式智能终端，所述硬件执行层包括运动控制模块，IO控制模块和模拟量控制模块；上述的PC管理层和嵌入式智能终端交互层采用以太网连接，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层采用CAN总线连接。本发明在用于车间管理时，由于避免了大量传统PC的使用，使得整个数控系统的成本更低，与此同时还实现了更高的可靠性；整个数控系统的兼容性和可扩展性更强；能提高车间生产管理的效率。

Description

嵌入式小型四轴开放式数控系统

技术领域

本发明涉及数控系统领域，具体应用于车间的生产管理。

背景技术

开放式数控系统的主要目的是解决变化频繁的需求与封闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的柔性。目前开放式数控系统的主要的解决方案，多数是基于PC架构平台的数控系统，主要是工控机和运动控制卡和PLC的组合模式。这种方式只要配置通用的工控主机和运动控制卡，人机交互面板，网络接口等，即可构建出数控系统的硬件平台。利用通用的操作系统和通用的软件开发环境，即可快速的建立数控系统的软件平台。

但是，这种模式在结构上和性能上都存在很大的局限性：

1、成本高，由于采用的是通用的PC平台，PC机中大部分的硬件模块是数控系统中并不需要的，这样就大大增加了数控系统的运行成本，也增加了设备的体积，无法针对运动控制系统的特点进行软、硬件的剪裁，造成了系统硬件的极大浪费。在小型运动设备上，大都因成本过高而无法采用。

2、可靠性差，通用PC架构由于采用的是通用的操作系统，系统运行时更多的是运行数控系统中不需要的服务软件，这些任务不仅影响了系统的实时性，还容易造成系统运行的崩溃，增加了系统的维护成本。

传统的以单片机为控制核心的封闭式数控系统，本身被设计用于专用领域，软硬件设置合理，能够充分发挥系统的控制能力，满足了低成本的需求，而且能够直接访问底层硬件，实时性好，系统的可靠性高。但是，一旦系统定型，用户就很难进行原有功能的改进、监控、诊断和新功能的增加，无法适应当今制造业市场变化与竞争，也不能满足现代制造业向信息化、敏捷制造模式发展的需要。

发明内容

为了弥补通用PC平台的开放式数控系统成本高，可靠性差的缺点，本发明提供一种嵌入式小型四轴开放式数控系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用智能终端和硬件执行模块分离的设计理念，通讯通过CAN总线，具有开放性，与此同时PC管理平台通过网络通讯管理智能终端。

具体的，嵌入式小型四轴开放式数控系统，包括PC管理层，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层；所述PC管理层包括计算机，所述嵌入式智能终端层包括至少一个嵌入式智能终端，所述硬件执行层包括运动控制模块，IO控制模块和模拟量控制模块；

上述的PC管理层和嵌入式智能终端交互层采用以太网连接，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层采用CAN总线连接。

进一步的是：上述PC管理层内的计算机安装服务软件，所述嵌入式智能终端层的嵌入式智能终端安装人机界面软件，所述硬件执行层内安装有用于实现各控制模块功能的执行软件；

上述的服务软件包括车间管理软件系统和远程访问软件系统，上述的人机界面软件包括智能终端软件系统，上述的执行软件包括运动模块软件系统，IO控制模块软件系统和模拟量模块软件系统。

进一步的是：上述智能终端软件系统包括人员管理软件，计划管理软件，数据库管理软件，仿真加工软件，数控编程软件和系统控制软件；所述远程访问软件系统包括系统升级软件，远程操作软件和远程监测软件；上述智能终端软件系统包括人机交互软件，现场示教软件，数控编程软件，设备调试软件，参数设置软件和总线通讯软件；

上述运动模块软件系统包括总线通讯软件，协议解析软件，命令执行软件，伺服控制软件和硬件插补软件；所述IO控制模块软件系统包括总线通讯软件，输入监测软件和输出控制软件；所述模拟量模块软件系统包括总线通讯软件，温度检测软件，电流检测软件，电压监测软件和DA输出软件。

上述的运动控制模块控制连接XYZU四轴伺服机构；所述IO控制模块控制连接限位开关和电磁阀；所述模拟量模块控制连接温度、电流和电压检测装置。

在更具体的系统设计中，上述的嵌入式智能终端包括ARM11核心模块，该模块采用ARM11架构的处理器S3C6410，主频667MHz；ARM11核心模块包含有FLASH，SRAM1和SRAM2；串口0和串口1和S3C6410的串口控制器相连；USB1和USB2和S3C6410的USB控制器相连；对用户输入事件响应的按键和触摸输入单元与ARM11核心模块普通引脚相连；完成状态显示任务的LCD采用7寸屏，分辨率800x480，与S3C6410的显示控制器相连；实现SD卡数据存储功能的SD卡与S3C6410的SD总线控制器相连，实现与上位PC的网络通讯功能的网络RJ45与ARM11核心模块的网络控制器相连；实现与下位的CAN总线通讯任务的CAN接口与ARM11核心模块的CAN总线控制器相连；

上述嵌入式智能终端采用嵌入式操作系统LINUX和触摸屏。

在进一步的系统设计中：上述硬件执行层包括ARM7模块，该模块内部设置ARM7处理器和运动控制芯片；ARM7模块上连接有电源模块，所述电源模块采用用于实现电气地与数字地隔离的DC5V□5V隔离电源芯片；ARM7模块上还连接有实现ARM7处理器的复位，电压检测和掉电数据保存功能的外围硬件；硬件执行层串口串口0与ARM7处理器上的串口控制器相连；硬件执行层CAN接口和ARM7处理器上的CAN控制器相连；实现逻辑控制功能的IO控制单元与ARM7处理器的普通输入输出引脚相连；运动控制芯片通过ARM7处理器上地址和16位数据总线与处理器交互数据；4轴XYZU差分输出模块和4轴XYZU编码器模块与运动控制芯片相连。

本数控系统中，所述的运动控制模块，IO控制模块和模拟量模块均设置有实现CAN总线通讯功能的CAN总线结构和控制机构。

具体用于车间管理时，上述PC管理层安装于车间的中央控制室或调度房，在计算机上安装车间管理软件；所述嵌入式智能终端安装于具体的需要进行单机人机交互的机械设备的控制桌面上；所述运动控制模块，IO控制模块和模拟量模块安装于机械设备的控制电柜中。

上述机械设备包括全自动点胶机、电脑花样缝纫机或直角坐标机器人。

本发明的有益效果是：1、小型化，系统采用嵌入式操作系统，能够最大限度的降低整个数控系统体积，使的系统更易于安装。

2、开放化，由于系统采用了模块化的设计，各个模块都是基于CAN总线通讯的，易于扩展，易于网络化操作，易于平台无关化。

3、利于二次开发，由于硬件上采用了触摸屏，系统上采用了嵌入式的操作系统LINUX，通过提供设备驱动函数，用户可以利用高级编程语言，去设计自己的功能界面。

4、操作方便，能在线示教和使用G代码编程，实时显示运行状态，参数都通过填表的方式输入设置。

5、远程监控，融合了数控技术和网络技术，实现了低成本的集群控制。

综上所述，本发明在用于车间管理时，由于避免了大量传统PC的使用，使得整个数控系统的成本更低，与此同时还实现了更高的可靠性；整个数控系统的兼容性和可扩展性更强；能提高车间生产管理的效率。

附图说明

图1为本发明的硬件模块图；

图2为本发明的软件功能结构框图；

图3为本发明的硬件单元结构图。

附图标记说明：

1□车间管理软件,2□远程访问软件,3□以太网，4□嵌入式智能终端1,5□嵌入式智能终端n，6□CAN总线，7运动控制模块，8□IO控制模块，9模拟量模块，10□车间管理软件系统，11□远程访问软件系统，12□智能终端软件系统，13□运动模块软件系统，14□IO控制模块软件系统，15□模拟量模块软件系统，16□网络结构，317□网络RJ45，18□USB1,19□串口0,20□串口1，21□USB2，22□S3C6410，23□FLASH，24□SRAM1,25□SRAM2,26□按键，27□触摸输入单元，28□LCD，29□SD卡，30□CAN接口,31□硬件执行层串口0,32□硬件执行层CAN接口，33□CAN控制器，34□电源模块，35□外围硬件，36□IO控制单元，37□运动控制芯片，38□4轴XYZU差分输出单元，39□4轴XYZU编码器单元。

具体实施方式

下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：

图1、图2和图3示出了本发明的具体实施方式，如图1所示，本发明嵌入式小型四轴开放式数控系统包括PC管理层，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层；所述PC管理层包括计算机，所述嵌入式智能终端层包括至少一个嵌入式智能终端，所述硬件执行层包括运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量控制模块9；上述的PC管理层和嵌入式智能终端交互层采用以太网3连接，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层采用CAN总线6连接。以上所述及以下所述的PC为常用于数控系统中的计算机；以上及以下所述的CAN是控制器局域网络(ControllerAreaNetwork)的简称；运动控制模块7能够实现运动控制固件，包括总线通讯，协议解析，命令执行，伺服控制，硬件插补等固件功能。IO控制模块8能够实现IO控制固件，包括总线通讯，输入监测，输出控制等固件功能。

模拟量模块9能够实现模拟控制固件，包括总线通讯，温度检测，电流检测，电压检测，DA输出等固件功能。

本数控系统可以通过实际的管理服务需求开发应用程序，因与硬件无关化，所以应用程序具有较高的兼容性和扩展性。

针对上述数控系统的硬件模块结构，本数控系统包括有与其相应的软件系统，具体的软件功能结构如图2所示，其中：上述PC管理层内的计算机安装服务软件，所述嵌入式智能终端层的嵌入式智能终端安装人机界面软件，所述硬件执行层内安装有用于实现各控制模块功能的执行软件；

上述的服务软件包括车间管理软件系统10和远程访问软件系统11，上述的人机界面软件包括智能终端软件系统12，上述的执行软件包括运动模块软件系统13，IO控制模块软件系统14和模拟量模块软件系统15。PC管理层主要为上层管理软件，负责车间日常的管理，计划的制定，工作调度，生产服务，技术指导，监督控制等，也可远程进行程序升级，系统维护等工作。服务软件如车间管理软件系统1和远程访问软件系统2等，生成具体的生产计划，通过网络下发到指定的智能终端上，用户根据具体的生产任务，在智能终端上进行操作，可以进行现场示教，数控编程，设备调试，参数设置等操作，用户的操作命令在智能终端上通过CAN总线下发到各执行模块上，如运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量模块9等自定义模块，各个模块通过CAN总线实时通讯协议执行相应的命令，完成如电机启停控制，插补运动，原点检测，电磁阀输出，电流电压值监测等设备操作。

上述的软件系统中：智能终端软件系统12包括人员管理软件，计划管理软件，数据库管理软件，仿真加工软件，数控编程软件和系统控制软件；所述远程访问软件系统11包括系统升级软件，远程操作软件和远程监测软件；所述智能终端软件系统12包括人机交互软件，现场示教软件，数控编程软件，设备调试软件，参数设置软件和总线通讯软件；所述运动模块软件系统13包括总线通讯软件，协议解析软件，命令执行软件，伺服控制软件和硬件插补软件；所述IO控制模块软件系统14包括总线通讯软件，输入监测软件和输出控制软件；所述模拟量模块软件系统15包括总线通讯软件，温度检测软件，电流检测软件，电压监测软件和DA输出软件。

上述运动控制模块7控制连接XYZU四轴伺服机构；所述IO控制模块控制8连接限位开关和电磁阀；所述模拟量模块9控制连接温度、电流和电压检测装置。

我们为图1所示的数控系统设计出了一套具体的硬件单元：其中，嵌入式智能终端包括ARM11核心模块，该模块采用ARM11架构的处理器S3C6410，主频667MHz；ARM11核心模块包含有FLASH，SRAM1和SRAM2；以上及以下所述的FLASH为闪存，SRAM为内存；串口0和串口1和S3C6410的串口控制器相连；USB1和USB2和S3C6410的USB控制器相连；对用户输入事件响应的按键26和触摸输入单元27ARM11核心模块普通引脚相连；完成状态显示任务的LCD28采用7寸屏，分辨率800x480，与S3C6410的显示控制器相连；实现SD卡数据存储功能的SD卡与S3C6410的SD总线控制器相连，实现与上位PC的网络通讯功能的网络RJ45与ARM11核心模块的网络控制器相连；实现与下位的CAN总线通讯任务的CAN接口30与ARM11核心模块的CAN总线控制器相连；

上述的LCD是指液晶显示屏，当然也可以用LED显示屏，不能将上述LCD的尺寸和分辨率限制成本发明必须的规格，LCD在本发明中主要为一种显示设备，任何能实现与其类似的显示功能的元器件都落在本发明的保护范围之内；

上述嵌入式智能终端采用嵌入式操作系统LINUX和触摸屏；上述硬件执行层的具体硬件单元包括ARM7模块，该模块内部设置ARM7处理器和运动控制芯片37；ARM7模块上连接有电源模块34，所述电源模块34采用用于实现电气地与数字地隔离的DC5V□5V隔离电源芯片；ARM7模块上还连接有实现ARM7处理器的复位，电压检测和掉电数据保存功能的外围硬件35；串口0与ARM7处理器上的串口控制器相连；硬件执行层CAN接口32和ARM7处理器上的CAN控制器33相连；实现逻辑控制功能的IO控制单元36与ARM7处理器的普通输入输出引脚相连；运动控制芯片37通过ARM7处理器上地址和16位数据总线与处理器交互数据；4轴XYZU差分输出模块38和4轴XYZU编码器模块39与运动控制芯片37相连。

本发明中，上述的运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量模块9均设置有实现CAN总线通讯功能的CAN总线结构和控制机构。可以根据实际应用情况，通过CAN总线进行模块的扩展，经过简单的配置即可实现多个运动轴和多点IO控制功能。

上述PC管理层安装于车间的中央控制室或调度房，在计算机上安装车间管理软件；所述嵌入式智能终端安装于具体的需要进行单机人机交互的机械设备的控制桌面上；所述运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量模块9安装于机械设备的控制电柜中。在车间管理的应用过程中，PC管理层主要安装于车间的中央控制室或调度房，在普通PC机上安装车间管理软件系统1，嵌入式智能终端安装于具体的需要单机人机交互的机械设备的控制桌面上，比如全自动点胶机、电脑花样缝纫机或直角坐标机器人等设备，用于完成用户现场编程，示教，调试，参数设置等功能。运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量模块9则安装于机械设备的控制电柜中。运动控制模块7主要完成机械设备上伺服电机的运动速度控制，位置控制和插补运动。IO控制模块8主要完成设备上开关量传感器的信号输入和生产加工过程逻辑顺序控制。模拟量模块9主要完成模拟信号采集，检测和上传记录，故障诊断等功能。

管理者在中央控制室或调度房，通过车间管理软件系统1，根据实际的工作内容，配置控制参数，选择需要的嵌入式智能终端n，车间管理软件系统1通过用户的参数设置，生成代码加工程序和任务伪代码，通过以太网3下发到嵌入式智能终端或嵌入式智能终端上，并存储在智能终端的SD卡29上，以便操作用户选择加工程序，进行工件加工。嵌入式智能终端应用嵌入式操作系统LINUX，采用C++等高级语言，根据需控制的机械设备的运动特征，定制用户控制界面，参数设置界面和示教界面等，完成良好的人机交互功能。操作用户根据管理用户的指令，选择要加工的工件，嵌入式智能终端将当前要加工的工件程序，通过CAN总线6，实时下发到运动控制模块7，IO控制模块8和模拟量模块9，执行硬件模块根据当前的运动和控制指令，解析CAN协议内容，执行相应的命令，输出脉冲控制信号和方向信号，完成系统的工件加工程序，通过运动控制模块7的编码器接口，接收伺服驱动器或光栅尺的编码器反馈，获得伺服电机的当前运动位置，配合IO控制模块8实现机械设备各个部件的加工工艺逻辑，完成工件加工的过程控制，模拟量模块9将设备的电流或电压等状态信息通过CAN总线6实时上传给嵌入式智能终端，供终端进行控制决策和故障诊断。

每个运动控制模块7可以实现4个伺服电机的控制。每个IO控制模块8拥有16路光电隔离输入，16路继电器输出。每个模拟量模块9提供8路模拟信号采集0～10V，2路模拟输出10～10V。每个模块都拥有CAN总线通讯功能，可以根据实际应用情况，通过CAN总线进行模块的扩展，经过简单的配置即可实现多个运动轴和多点IO控制功能。这样可使用户或设备制造商根据实际需要对数控软件和硬件进行重组，实现对数控系统的定制，容易实现功能的变更和新功能的添加，实现快速的定制系统。

上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，一切以本发明的思想为基础进行的在本领域普通技术人员所具备的知识范围内的改进都落在本发明的保护范围内。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims

1.嵌入式小型四轴开放式数控系统，其特征在于：包括PC管理层，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层；所述PC管理层包括计算机，所述嵌入式智能终端层包括至少一个嵌入式智能终端，所述硬件执行层包括运动控制模块(7)，IO控制模块(8)和模拟量控制模块(9)；上述的PC管理层和嵌入式智能终端交互层采用以太网(3)连接，嵌入式智能终端交互层和硬件执行层采用CAN总线(6)连接；所述PC管理层内的计算机安装服务软件，所述嵌入式智能终端层的嵌入式智能终端安装人机界面软件，所述硬件执行层内安装有用于实现各控制模块功能的执行软件；上述的服务软件包括车间管理软件系统(10)和远程访问软件系统(11)，上述的人机界面软件包括智能终端软件系统(12)，上述的执行软件包括运动模块软件系统(13)，IO控制模块软件系统(14)和模拟量模块软件系统(15)；所述智能终端软件系统(12)包括人员管理软件，计划管理软件，数据库管理软件，仿真加工软件，数控编程软件和系统控制软件；所述远程访问软件系统(11)包括系统升级软件，远程操作软件和远程监测软件；所述智能终端软件系统(12)包括人机交互软件，现场示教软件，设备调试软件，参数设置软件和总线通讯软件；所述运动模块软件系统(13)包括总线通讯软件，协议解析软件，命令执行软件，伺服控制软件和硬件插补软件；所述IO控制模块软件系统(14)包括总线通讯软件，输入监测软件和输出控制软件；所述模拟量模块软件系统(15)包括总线通讯软件，温度检测软件，电流检测软件，电压监测软件和DA输出软件；所述运动控制模块(7)控制连接XYZU四轴伺服机构；所述IO控制模块(8)控制连接限位开关和电磁阀；所述模拟量模块(9)控制连接温度、电流和电压检测装置；所述的嵌入式智能终端包括ARM11核心模块，该模块采用ARM11架构的处理器S3C6410(22)，主频667MHz；ARM11核心模块包含有FLASH(23)，SRAM1(24)和SRAM2(25)；串口0(19)和串口1(20)和S3C6410(22)的串口控制器相连；USB1(18)和USB2(21)和S3C6410(22)的USB控制器相连；对用户输入事件响应的按键(26)和触摸输入单元(27)与ARM11核心模块普通引脚相连；完成状态显示任务的LCD(28)采用7寸屏，分辨率800x480，与S3C6410(22)的显示控制器相连；实现SD卡数据存储功能的SD卡(29)与S3C6410(22)的SD总线控制器相连，实现与上位PC的网络通讯功能的网络RJ45(17)与ARM11核心模块的网络控制器相连；实现与下位的CAN总线通讯任务的CAN接口(30)与ARM11核心模块的CAN总线控制器相连；上述嵌入式智能终端采用嵌入式操作系统LINUX和触摸屏；所述硬件执行层包括ARM7模块，该模块内部设置ARM7处理器和运动控制芯片(37)；ARM7模块上连接有电源模块(34)，所述电源模块(34)采用用于实现电气地与数字地隔离的DC5V-5V隔离电源芯片；ARM7模块上还连接有实现ARM7处理器的复位，电压检测和掉电数据保存功能的外围硬件(35)；硬件执行层串口0(31)与ARM7处理器上的串口控制器相连；硬件执行层CAN接口(32)和ARM7处理器上的CAN控制器(33)相连；实现逻辑控制功能的IO控制单元(36)与ARM7处理器的普通输入输出引脚相连；运动控制芯片(37)通过ARM7处理器上地址和16位数据总线与处理器交互数据；4轴XYZU差分输出模块(38)和4轴XYZU编码器模块(39)与运动控制芯片(37)相连；所述的运动控制模块(7)，IO控制模块(8)和模拟量模块(9)均设置有实现CAN总线通讯功能的CAN总线结构和控制机构；所述PC管理层安装于车间的中央控制室或调度房，在计算机上安装车间管理软件；所述嵌入式智能终端安装于具体的需要进行单机人机交互的机械设备的控制桌面上；所述运动控制模块(7)，IO控制模块(8)和模拟量模块(9)安装于机械设备的控制电柜中；所述机械设备包括全自动点胶机、电脑花样缝纫机或直角坐标机器人。