CN101169646A

CN101169646A - 分布式开放体系结构的数控系统

Info

Publication number: CN101169646A
Application number: CNA2007100536589A
Authority: CN
Inventors: 周会成; 唐小琦; 周向东; 陈吉红; 白玉成; 左自辉; 任清荣
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-26
Also published as: CN100517144C

Abstract

本发明涉及一种分布式开放体系结构的数控系统，包括：第一工业PC机，用于数控加工程序和PLC程序的输入、编辑、显示及程序管理，以及将所述数控系统PLC程序编辑后，生成并发送PLC梯形图或C语言程序；第二工业PC机，通过以太网与所述上位机连接，用于处理数控加工程序的译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制处理以及接收PLC梯形图或C语言程序；多功能接口板，与所述下位机连接，用于运行所述PLC梯形图或C语言程序、开关量的输入/输出，以及模拟、脉冲或数字的信号传输。本发明提出了一种分布式开放体系结构的数控系统，使得系统的硬件安装灵活，软件功能分配合理，更容易满足开放性的要求。

Description

分布式开放体系结构的数控系统

技术领域

本发明涉及数控领域，更具体地说，涉及一种分布式开放体系结构的数控系统。

背景技术

目前机床数控系统的体系结构，主要有以下几种：

1.封闭式数控系统。采用专用芯片，必须使用专门的开发工具，功能扩展、改变和维修困难。这类系统主要有：FANUC 0系列、三菱(MITSUBISHI)M50、西门子(Siemens)810。

2.“PC嵌入NC”结构的开放式数控系统。数控系统制造商不愿放弃多年来积累的数控硬件和软件技术，又想利用计算机丰富的软件资源而开发的产品。因此，在现有封闭式数控系统的基础上，增加一台PC机，用于数控系统的显示、编辑、文件管理等。这种系统具有一定的开放性，但由于其NC部分的体系结构不开放，用户无法介入系统核心。这类系统结构复杂、功能强大，价格昂贵。如FANUC16i、18i、21i系统、Siemens 840D系统、Num1060系统。

3.“NC嵌入PC”结构的开放式数控系统。该数控系统是PC+运动控制卡的结构。通常采用高速DSP作为CPU，具有很强的运动控制和PLC控制能力，并且可单独使用。开放的函数库供用户在WINDOWS平台下自行开发构造所需的控制系统。如美国Delta Tau公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC数控系统、日本MAZAK公司用三菱电机的MELDASMAGIC 64构造的MAZATROL 640 CNC等。

4.全软件型开放式数控系统

采用单个PC，CNC软件全部装在PC机中，硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部I/O之间的标准化通用接口。这种他提供给用户最大的选择和灵活性。用户可利用开放的CNC内核，开发所需能，构成各种类型的数控系统。其典型产品有美国MDSI公司的OpenCNC、德国PowerAutomation公司的PA8000 NT和HEIDENHAIN iTNC 530。

但是，这些结构的数控系统如第一种和第二种开放性不够，第三种和第四种性能难以提高。特别是数控系统的PLC运算，需要占用大量的CPU资源，因而降低了系统性能，而某些系统采用独立的PLC，则增加了系统成本及复杂性。现代开放式高性能数控系统软件通常比较复杂，需要有高性能的硬件平台作为基础，随着数控系统性能的进一步提高，单CPU结构的系统已很难满足这种需求。

发明内容

为了解决现有技术中的存在的开放性、性能等问题，本发明提出了一种分布式开放体系结构的数控系统，由多功能接口板的第二现场可编程门阵列完成PLC的运算，从而增加了系统的灵活性、提高了PLC的响应速度，减小系统的插补周期，由此提高了数控系统的性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种分布式开放体系结构的数控系统，包括：

第一工业PC机，用于数控系统加工程序和PLC程序的输入、编辑、显示及程序管理，以及将所述数控系统PLC程序编辑后，生成并发送PLC梯形图或C语言程序；

第二工业PC机，通过以太网与所述第一工业PC机连接，用于处理数控系统(加工)程序的译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制处理以及接收PLC梯形图或C语言程序；

多功能接口板，与所述第二工业PC机连接，用于运行所述PLC梯形图或C语言程序、开关量的输入/输出，以及模拟量、脉冲量或数字量信号的传输。

所述多功能接口板与所述第二工业PC机是通过PC104总线或PCI总线连接。

所述多功能接口板包括：

第一现场可编程门阵列，其内部的双端口存储器作为所述第二工业PC机和第二现场可编程门阵列的数据传输通道，也可以作为插补和PLC运算结果的输出缓冲单元，还可以作为与伺服驱动器的接口；

RAM存储器，用于存储所述PLC梯形图或C语言程序；

第二现场可编程门阵列，与所述第一现场可编程门阵列交互，用于生成NIOS系统，并作为主轴、手操盒、数控工程面板及输入、输出接口，并且所述NIOS系统运行所述PLC梯形图或C语言程序；

FLASH存储器，用于存放第二现场可编程门阵列NIOS的系统程序。

所述的数控系统还包括：

伺服驱动器接口，与所述第一现场可编程门阵列接口；

采用模拟电压输出接口的伺服驱动器，通过伺服驱动器接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收第一现场可编程门阵列通过D/A转换器输出的各个轴的速度信号，并且进一步地，所述第一现场可编程门阵列读取伺服电机的位置和速度信号，交由所述第二工业PC机进行处理。

所述的数控系统还包括：

伺服驱动器接口，与所述第一现场可编程门阵列接口；

伺服驱动器，通过伺服驱动器接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收各个轴的速度信号转换成与轴运动速度成正比的脉冲和方向信号，并且进一步地，所述第一现场可编程门阵列读取伺服电机的位置和速度信号，交由所述第二工业PC机进行处理。

所述的数控系统还包括：

伺服驱动器接口，与所述第一现场可编程门阵列接口，并与实时以太网交换机接口，实时以太网交换机与星形以太网总线接口；

各伺服驱动器，通过星形以太网总线接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收各个轴的速度信号及所述第二现场可编程门阵列的PLC逻辑运算结果，并且所述第一现场可编程门阵列通过以太网环形总线读取伺服电机的位置信号和I/O接口单元的输入信号，交由所述第二计算机进行处理。

所述的数控系统还包括：

伺服驱动器接口，与所述第一现场可编程门阵列接口，并与环形以太网总线接口；

各伺服驱动器，通过环形以太网总线接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收各个轴的速度信号及所述第二现场可编程门阵列的PLC逻辑运算结果，并且所述第一现场可编程门阵列通过以太网环形总线读取伺服电机的位置信号和I/O接口单元的输入信号，交由所述第二计算机进行处理。

因此，本发明提出了一种分布式开放体系结构的数控系统，使得系统的硬件安装灵活，软件功能分配合理，更容易满足开放性的要求。特别是将PLC的运算放到多功能板的FPGA2来完成，一方面增加了系统的灵活性、提高了PLC的响应速度，另一方面又可以减小系统的插补周期，因而提高了数控系统的性能。

附图说明

图1为本发明分布式开放体系结构的数控系统的结构示意图。

图2所示是分布式开放体系结构的数控系统外接模拟量接口伺服拓扑结构示意图。

图3所示是分布式开放体系结构的数控系统外接脉冲量接口伺服拓扑结构示意图。

图4是分布式开放体系结构数控系统星形以太网总线拓扑结构示意图。

图5是分布式开放体系结构数控系统环形以太网总线拓扑结构示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明分布式开放体系结构的数控系统的结构示意图。所示分布式开放体系结构的数控系统包括第一工业PC机101，用于数控系统加工程序和PLC程序的输入、编辑、显示及程序管理，以及将所述数控系统PLC程序编辑后，生成并发送PLC梯形图或C语言程序；第二工业PC机102，通过以太网100与所述第一工业PC机101连接，用于处理数控系统(加工)程序的译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制处理以及接收PLC梯形图或C语言程序；多功能接口板103，与所述第二工业PC机102连接，用于运行所述PLC梯形图或C语言程序、开关量的输入/输出，以及模拟量、脉冲量或数字量信号的传输。

该数控系统由三大模块组成：第一工业PC机101(即称之为上位机)、第二工业PC机102(即下位机)和多功能接口板103。上位机是一台高性能的X86体系结构的工业PC，CPU主频600M以上，内存256M以上，运行WinCE或其它Windows操作系统，外接显示器10、键盘20、CF卡等存贮介质30和USB设备40。

下位机也是一台高性能的X86体系结构的工业PC，CPU主频300M以上，内存256M以上，运行DOS、Linux、UC/OS等实时性较强的操作系统。下位机与上位机通过其自带的以太网相连接。

多功能接口板103是一块自制的板卡，它通过PC104总线或PCI总线与下位机102连接。继续参见图1，多功能接口板103的具体结构示意图。示例性的多功能接口板103包括第一现场可编程门阵列(FPGA1)201，与下位机102连接，用于与下位机和第二现场可编程门阵列的数据传输通道、插补和PLC运算结果的输出缓冲单元以及作为与伺服驱动器的接口；第二现场可编程门阵列(FPGA2)202，与FPGA1交互，用于生成NIOS系统，并作为主轴50、手操盒60、数控工程面板70及输入、输出80的接口，并且所述NIOS系统运行所述PLC梯形图或C语言程序。存储器203，具体在图中示出为FLASH2031和RAM2032但并不限于此，用于存放第二现场可编程门阵列NIOS的系统程序及存放所述PLC梯形图或C语言程序。FPGA2还可带有I/O总线扩展接口90。而且工程面板按健信号输入由FPGA2中的NIOS完成，提高了键盘的响应时间，使系统操作更加快速便捷。

多功能接口板103与伺服驱动器信号接口104连接可以是模拟量、脉冲量，也可以是总线或其它数字量形式，可以根据需要及伺服驱动器的形式由开发人员选择。通过该伺服驱动器信号接口输出数据的方式分两种情况：

对于非数字量接口的数控系统，下位机送来的插补输出命令，通过脉冲或模拟量的方式输出到伺服驱动器中，同时接收伺服驱动器送来的电机码盘信号，作为电机的实际位置检测或作为电机的位置反馈控制信号。

对于数字量接口的数控系统，下位机送来的插补输出命令以及FPGA2送来的PLC运算结果同时送到FPGA1内置的双端口RAM中，然后打包通过总线方式输出。

本发明分布式开放体系结构的数控系统相比于传统的数控系统其进一步改进在于：上位机完成了数控系统PLC的编辑后，生成的PLC梯形图或C语言程序下载到多功能接口板的存贮器如RAM中，由FPGA2中的NIOS系统运行，这种方式不占用上下位机CPU的资源，比采用独立的PLC价格更加低廉，且具有更好的开放性和灵活性、集成度也更好。

除了在上述描述的上位机、下位机和多功能接口板的功能之外还包括以下所描述的各个功能。上位机、下位机和多功能接口板的任务划分如下：

(1)上位机任务包括：

程序编辑模块。主要功能有：

字符的基本编辑功能；

程序的剪切、粘贴、块拷贝、块删除、行删除、保存、另存等；

程序的删除、拷贝等；

选择当前加工程序；

编辑当前加工程序。

系统参数管理模块。主要功能有：

系统全局参数

通道参数

轴参数

PLC控制参数

几何误差补偿参数(二、三维)

用户自定义参数(温度补偿、力等)

刀具参数管理模块。主要功能包括刀具参数的编辑与管理，包括刀具半径、刀具磨损、刀具长度、刀具寿命等等。

梯形图编辑模块。主要功能有：

梯形图的编辑；

梯形图的编译；

梯形图的下载；

梯形图的仿真。

程序图形模拟仿真(校验功能)

线框图形的3维仿真；

加工区域定义功能。

系统状态监视；

机床坐标系坐标显示；

工件坐标系坐标显示；

相对坐标系坐标显示；

上述坐标包括编程位置、实际位置、剩余进给、补偿值、进给速度；

当前加工程序显示；

激活的G功能显示；

激活的M功能显示；

加工时间；

进给速度；

主轴速度(主轴状态)；

进给倍率和主轴倍率；

当前执行程序显示；

程序号和通道号；

执行程序行信息。

坐标系管理

机床坐标编辑；

工件坐标系编辑；

G53功能

相对坐标系编辑。

系统历史记录管理

系统历史记录查看；

系统历史记录删除。

机床状态显示与诊断功能

机床给定和实际位置显示；

I/O状态显示；

伺服系统状态显示；

故障诊断功能。

(2)下位机任务

1)G代码解释

实现超前解释；

程序的断点现场恢复；

回退功能

自定义关键字解释功能；

G代码扩展功能接口。

2)刀具补偿功能

左刀补功能；

右刀补功能；

长度补偿功能。

3)插补功能

速度预处理；

直线插补；

圆弧插补；

曲线插补。

4)位置控制功能

指令位置输出；

位置反馈；

位置误差计算。

(3)多功能模块任务

工程面板管理；

主轴控制；

PLC逻辑运算；

输入输出控制；

轴输出控制。

如图2所示是分布式开放体系结构的数控系统外接模拟量接口伺服拓扑结构示意图。此时，多功能接口板103的伺服驱动器信号接口为模拟电压型，采用模拟电压输出接口的伺服驱动器302。如图所示FPGA1将双口RAM中各个轴的速度信号通过D/A转换器输出到伺服驱动器302，同时FPGA1读取伺服电机303的位置和速度信号，送到双口RAM，交由下位机102进行处理。

如图3所示是分布式开放体系结构数控系统外接脉冲量接口伺服驱动器拓扑结构示意图。此时，多功能接口板103的伺服驱动器信号接口为脉冲型，采用脉冲型加方向型接口的伺服驱动器。如图所示FPGA1将双口RAM中各个轴的速度信号转换成与轴运动速度成正比的脉冲和方向信号，输出到伺服驱动器302，同时读取伺服电机303的位置和速度信号，送到双口RAM，交由下位机102处理。

图4是分布式开放体系结构数控系统星形以太网总线拓扑结构示意图。此时，多功能接口板103的伺服驱动器信号接口为星形以太网总线，采用总线型接口的伺服驱动器502。FPGA1将双口RAM中各个轴的速度信号及FPGA2的PLC逻辑运算结果通过星形以太网总线300经交换机控制设备如实时以太网交换机200发送到各伺服驱动器502和I/O接口单元504中，同时通过以太网总线读取伺服电机503的位置信号和I/O接口单元的输入信号，送到双口RAM，交由下位机102处理。

图5是分布式开放体系结构数控系统环形以太网总线拓扑结构示意图。此时，多功能接口板103的伺服驱动器信号接口为环形以太网总线。FPGA1将双口RAM中各个轴的速度信号及FPGA2的PLC逻辑运算结果通过以太网环形总线400发送到各伺服驱动器402和PLC接口单元404中，同时通过以太网环形总线读取伺服电机403的位置信号和I/O接口单元405的输入信号，送到双口RAM，交由下位机处理。

因此，本发明通过上、下位机采用X86工控机自带的以太网连接，具有很好的灵活性；并且整个系统采用了双CPU和双FPGA的分布式结构，软件任务分配更加合理，任务相对独立，有利于提高开发效率；尤其中PLC梯形图或C语言程序由FPGA2中的NIOS系统运行，提高了PLC的扫描速度，且不占用上下位机CPU资源，可减小系统的插补周期、提高数控系统性能，集成度高、价格低廉。上位机采用WINDOWS操作系统，下位机可采用LINUX、DOS或其它实时性好的操作系统，兼顾了开放性的要求；伺服驱动器的接口信号可以是模拟量、脉冲量，也可以采用数字量，如基于以太网技术的星形或环形的总线形式，开发人员根据需要及伺服驱动器的形式由进行选择；

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种分布式开放体系结构的数控系统，其特征在于包括：

第一工业PC机，用于数控加工程序和数控系统PLC程序的输入、编辑、显示及程序管理，以及将所述数控系统PLC程序编辑后，生成并发送PLC梯形图或C语言程序；

第二工业PC机，通过以太网与所述第一工业PC机连接，用于处理数控加工程序的译码、刀具补偿、速度处理、插补和位置控制处理以及接收PLC梯形图或C语言程序；

多功能接口板，与所述第二工业PC机连接，用于运行所述PLC梯形图或C语言程序、开关量的输入/输出，以及模拟、脉冲或数字的信号传输。

2.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于所述多功能接口板与所述第二工业PC机是通过PC104总线或PCI总线连接。

3.根据权利要求1或2所述的数控系统，其特征在于所述多功能接口板包括：

RAM存储器，用于存储所述PLC梯形图或C语言程序；

4.根据权利要求3所述的数控系统，其特征在于所述多功能接口板包括：模拟量的伺服驱动器信号接口，与所述第一现场可编程门阵列连接。

5.根据权利要求4所述的数控系统，其特征在于还包括：

伺服驱动器，通过所述模拟量的伺服驱动器信号与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收第一现场可编程门阵列通过D/A转换器输出的各个轴的速度信号，并且进一步地，所述第一现场可编程门阵列读取伺服电机的位置和速度信号，交由所述第二工业PC机进行处理。

6.根据权利要求3所述的数控系统，其特征在于所述多功能接口板包括：脉冲量的伺服驱动器信号接口，与所述第一现场可编程门阵列连接。

7.根据权利要求6所述的数控系统，其特征在于还包括：

伺服驱动器，通过脉冲量的伺服驱动器信号接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收各个轴的速度信号转换成与轴运动速度成正比的脉冲和方向信号，并且进一步地，所述第一现场可编程门阵列读取伺服电机的位置和速度信号，交由所述第二工业PC机进行处理。

8.根据权利要求3所述的数控系统，其特征在于所述多功能接口板包括：数字量的伺服驱动器信号接口，与所述第一现场可编程门阵列连接。

9.根据权利要求8所述的数控系统，其特征在于还包括：

伺服驱动器，通过所述数字量的伺服驱动器信号接口与所述第一现场可编程门阵列通信，用于接收各个轴的速度信号及所述第二现场可编程门阵列的PLC逻辑运算结果，并且所述第一现场可编程门阵列通过总线读取伺服电机的位置信号和I/O接口单元的输入信号，交由所述第二工业PC机进行处理。

10.根据权利要求1所述的数控系统，其特征在于所述第一工业PC机和所述第一工业PC机分别是自带以太网的X86工控机。