CN101470437A - 基于windows平台的数控刨边机控制系统 - Google Patents

Abstract

基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统。本发明涉及刨边机数控装置。它与刨边机的各驱动电机相连，它由安装有WINDOWS操作系统的嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板组成，本系统按以下步骤进行：往嵌入式工业控制计算机内输入设定数据，在显示器上显示待运行图形；启动设备运行，根据设定数据进刀，接着使目标点按待运行图形运动；控制系统操控设备退刀，再根据设定数据进刀，进行下一刀切削；完成。本发明具有稳定可靠、实时性好、精度高、操作简易、方便升级、安全性高、性价比高的特点。

Description

基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统

技术领域

本发明涉及刨边机，尤其涉及计算机控制的刨边机的数控装置。

背景技术

现行数控刨边机控制系统主要分成两大类：第一类机械控制系统，电器控制机床来回运动，通过手摇或者机械传动控制刀具升降进退。第二类是电器控制方式，刀具工作采用电机，要求高的采用步进电机。

经对现有技术进行检索分析，不难发现存在以下问题：

1)刀具系统比较庞大，需要耗费大量的成本。调试极不方便。

2)实时响应性差，速度和精度都达不到理想要求。

3)功能单一化，不利于功能扩展。

4)维护和操作都不方便，系统稳定性差。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供了一种自动化控制程度高，可实现多轴联动，从而能进行直线、弧线板边加工的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统。

本发明的技术方案是：与刨边机的各驱动电机相连，它由安装有WINDOWS操作系统的嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板组成，嵌入式工业控制计算机包括数据输入装置、显示器，嵌入式工业控制计算机与运动控制卡、I/O接口板通过PCI总线连接；嵌入式工业控制计算机内设记载有根据输入数据形成图形的程序、根据运动控制卡反馈的数据形成运行轨迹的程序、实现运动控制卡和I/O接口板的PCI总线驱动的程序、I/O接口的监控和诊断的程序、根据设定数据实现目标点运行速度控制的程序的存储器；所述的驱动电机包括与运动控制卡连接的完成机床来回运动的变频电机、完成刀具升降进退的伺服电机，I/O接口板通过PCI总线实现机床运动、刀具工作、抬刀等一系列动作，同时也担负着机床限位等开关信号的读入的任务；它按以下步骤进行：

1)、往嵌入式工业控制计算机内输入设定数据，在显示器上显示待运行图形；

2)、启动设备运行，根据设定数据进刀，接着使目标点按待运行图形运动；

3)、控制系统操控设备退刀，再根据设定数据进刀，进行下一刀切削；

4)、完成。

所述的刀架上设有自动换刀架，自动换刀架连接嵌入式工业控制计算机，嵌入式工业控制计算机内的存储器上设记载有根据设定的切削进刀量进行处理并传输给自动换刀架动作的程序的区域。

所述的运动控制卡由相互连接的DSP、FPGA、PCI接口芯片组成；DSP内设记载有直线和弧线运动轨迹插补程序、多轴同步运行程序、进度控制程序的存储区。

所述的运动控制卡与变频电机相连，精度高，主驱动电机采用变频电机可靠性高。

所述的I/O接口板实现机床运动、刀具工作、抬刀等一系列动作，同时担负着机床限位等开关信号的读入的任务。

在刨边机刀架运行路径上设有限位、报警装置；报警装置连接嵌入式工业控制计算机，嵌入式工业控制计算机内的存储器上设记载有根据报警装置反馈的数据进行处理并传输给I/O接口板的程序的区域。

本发明采用了嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板(输入输出控制卡)、人机通讯设备和数控管理模块，伺服系统、变频系统；使得运行目标点既能实现直线运行，也能实现弧线运行。在设备上设置了限位装置，同时在刀架与嵌入式工业控制计算机中设置了数据采集、处理系统，使设备具备了报警功能，提高了设备的安全性。本发明还具有稳定可靠、实时性好、精度高、操作简易、方便升级、安全性高、性价比高的特点。

附图说明

图1是本发明的线路连接示意图

图中虚线框内为数控管理系统；

图2是本发明中运动控制卡的线路连接示意图

图中虚线框内为运动控制卡；

图3是本发明加工直边板时的示意图

图中1为刀架，2为板料，3为工作台；

图4是本发明加工弧形板时的示意图

图5是本发明加工弧形板时切削步骤示意图

图中4是先切削区，5是设定的板料的边线。

具体实施方式

本发明采用嵌入式工业控制计算机与运动控制卡通过PCI总线相连接，构成整个数控系统的数控管理系统。与系统外部的交流伺服电机构成伺服闭环系统，与变频系统一起担负着命令机床按指定运动轨迹刨削的任务，同时也起着速度控制、中断信号处理等作用；实现一系列开关量的输出控制任务，同时也担负着机床限位开关信号的读入的任务；嵌入式工业控制计算机的人机通讯设备包括LCD/VGA(显示接口)、USB(闪存盘接口)、PS/2(键盘接口)、软盘驱动器，这些接口集成在嵌入式工业计算机的主板上，这部分用于实现人机通讯操作。此外在嵌入式工业计算机的存储器上，记载有根据输入数据形成图形的程序、根据运动控制卡反馈的数据形成运行轨迹的程序、实现运动控制卡和I/O接口板的PCI总线驱动的程序、I/O接口的监控和诊断的程序、根据设定数据实现目标点运行速度控制、用于实现图形和文件系统管理、信息传递、接口驱动等多种任务的程序用于实现对整个数控设备的控制。嵌入式工业计算机是整个数控管理系统的核心，它担负着对整个系统管理的任务。

数控管理系统中有数控管理模块，它是在WINDOWS系统平台上进行的，具体实现的任务包括：数控管理系统的多任务调度策略，加工文件的图形变换，在WINDOWS环境下实现运动控制卡，I/O接口板的PCI总线驱动，I/O接口的监控和诊断，前后两条线段连接处的转角速度控制功能，数控系统的图形用户界面，文件管理系统，人机交互方式等任务。

运动控制系统包括：DSP(数字信号微处理器)、FPGA(可编程逻辑器件)和PCI接口，具体结构和功能如下：

1)采用PCI专用接口芯片，通过PCI总线与嵌入式工业控制计算机相连。系统工作时，PCI接口只需通过PCI总线从嵌入式工业控制计算机接受控制命令，然后将这些命令通过FPGA传送给DSP执行，DSP通过FPGA将刨削过程中的一系列数据信息由PCI接口反馈到嵌入式工业计算机，实现嵌入式工业控制计算机和运动控制卡的数据双向传输。

2)采用DSP微处器作为运动控制单元，包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，进度控制，同时具备线段处理功能，即DSP事先规划好所有线段的轨迹控制策略，然后发出脉冲信号控制电机运转。

DSP通过驱动接口电路驱动交流伺服电机，变频系统，通过FPGA将数据发送到PCI接口，再由PCI接口将信息传递给嵌入式工业控制计算机。

DSP自身完成与运动有关的控制，几乎不占用嵌入式工业控制计算机的时间，这样嵌入式工业控制计算机可处理其它控制和检测任务。同时，DSP具有可程序化的能力，可以通过下载部分过程控制码在DSP内部执行，确保了运动控制的开放性和实时性。

3)采用可编程逻辑器件(FPGA)作为接口芯片与DSP微处理器的中介，实现DSP和PCI接口之间的数据双向传输，并辅助完成DSP的运动控制功能。

从数据信息传送方向来分析，可以将整个系统的工作过程分为两个部分。第一部分是数据信息的正向传送过程，加工文件代码由人机通讯部分(键盘和软驱)输入、通过数控管理模块的图形接口函数转换成刨削信息存放在嵌入式工业控制计算机的内存中。随后，嵌入式工业控制计算机快速将这些信息分别传送给运动控制卡和I/O接口板。运动控制卡与变频系统、与交流伺服电机的驱动装置相连，按照嵌入式工业控制计算机发出的指令，将脉冲控制信号发送给电机驱动器，实现对机床运动轨迹的控制和速度控制(即插补动算)。同时，嵌入式工业控制计算机将开关量信息通过PCI总线传递给I/O接口板来控制外部继电器的通断。

另一部分是数据信息的反向传送。交流伺服电机及其驱动装置和变频系统通过信号传输线将经过脉冲处理的位置信号传送运动控制卡。运动控制卡接收到这些位置信号后，利用它们继续完成插补任务，同时，将这些信息通过PCI总线传递给嵌入式工业计算机。安装在嵌入式工业控制计算机上的数控管理模块经过数据处理，在显示器上实时显示当前机床的位置和速度信息。

本发明可在WINDOWS环境下实现PCI总线驱动，PCI总线传输速度快，稳定性较好。DSP指令执行速度快，其发出的最大频率可以达到250KHz，确保机床最高动行速度可达15000mmpm，控制精度达到8000个(脉冲)/mm，实现高效、高精度的进行运动控制，实时性强且便于升级。FPGA不仅可以实现基本的双口RAM(数据存储器)功能，并且是可编程的，大大增加了运动控制卡功能控制的灵活性。数控管理模块在WINDOWS系统上运行，其可靠性、稳定性方面非常适合恶劣的生产环境，且功能强大，操作简便，界面友好，很好地满足了刨削工艺的特殊要求。

在刨边机刀架运行路径上设有限位、报警装置；报警装置连接嵌入式工业控制计算机，嵌入式工业控制计算机内的存储器上设记载有根据报警装置反馈的数据进行处理并传输给I/O接口板的程序的区域。

总之，嵌入式工业控制计算机、基于PCI+DSP+FPGA技术的运动控制卡、I/O接口板、人机通讯设备、基于WINDOWS平台的数控管理模块的优化组合，使得本控制系统稳定性好且不易受工业现场干扰源干扰；运算能力强，处理速度快；具有丰富的接口并能通过串口与远程计算机进行通讯；并易于调试、维护和升级。

本发明结构简单，各组成部分相对独立，部分硬件可直接采购市售商品为组成部分，加上已经开发成熟的数控管理模块，整个控制系统与现行的控制系统相比，不仅性能提高、而且装配简单。

如图1所示，本发明优选实施方式的基本组成包括嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板、人机通讯设备、数控管理模块、变频系统、伺服驱动7个部分组成。

1)嵌入式工业控制计算机采用一台工业专用计算机，带PCI、LCD/VGA、USB、PS/2软驱接口，也可以采用带以上接口的其它型号嵌入式工业控制计算机，目前已有满足上述要求的嵌入式工业计算机出售。

2)人机通讯设备由LCD/VGA显示器、工业键盘、U盘、软盘等组成，通过LCD/VGA、USB、PS/2、软驱等接口与嵌入式工业控制计算机相连，实现人机通讯。

3)I/O接口板通过PCI总线实现机床运动，刀具工作，抬刀等一系列动作，同时也担负着机床限位等开关信号读入的任务。

人机通讯设备、I/O接口板在国内外电子产品生产厂家均有购买，可直接采用市售商品为组成部分。

数控管理模块安装在嵌入式控制计算机上，在WINDOWS平台上工作。

如图2所示，本发明的运动控制卡采用开放式结构的控制板上，主要有DSP、FPGA、PCI接口芯片组成。DSP选用工作频率高达100MHz的高速浮点型微理芯片，FPGA采用多达2万门的可编程逻辑器件，PCI接口芯片采用PCI9052专用芯片。除此之外，还包括驱动器接口电路和外围电路，它们由普通的电子元器件构成。

运动控制卡通过PCI总线实现数据的双向传递，达到电机控制和数据信息实时反馈的目的。

运动控制卡通过PCI接口接收嵌入式工业控制计算机发出的命令，DSP内部实现电机控制的预处理任务，然后通过插补动算，发出脉冲信号控制机床按指定轨迹和速度运行。同时，DSP通过PCI接口实时反馈数据给嵌入式工业控制计算机。驱动器接口电路用于放大DSP发出的脉冲信号，它直接和电机驱动器连接，外围电路是各芯片正常工作的必要元器件。

本发明在加工直线边的板料时，如图3，将板料2固定在工作台3上，操作设备，使刀架1按照设定的直线轨迹运行，完成刨销加工。

本发明在加工弧形边的板料时，如图4，将板料2固定在工作台3上，操作设备，使刀架1按照设定的弧形线轨迹运行，完成刨销加工。

在加工弧形边的板料时，如图5，一般情况下板坯是直边板，考虑切削量对刀具的影响，首先加工先切削区4，逐步将刀架3运行轨迹与设定的板料的边线5重合，完成加工。

Claims (6)

1、基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，与刨边机的各驱动电机相连，其特征在于，它由安装有WINDOWS操作系统的嵌入式工业控制计算机、运动控制卡、I/O接口板组成，嵌入式工业控制计算机包括数据输入装置、显示器，嵌入式工业控制计算机与运动控制卡、I/O接口板通过PCI总线连接；嵌入式工业控制计算机内设记载有根据输入数据形成图形的程序、根据运动控制卡反馈的数据形成运行轨迹的程序、实现运动控制卡和I/O接口板的PCI总线驱动的程序、I/O接口的监控和诊断的程序、根据设定数据实现目标点运行速度控制的程序的存储器；所述的驱动电机包括与运动控制卡连接的完成机床来回运动的变频电机、完成刀具升降进退的伺服电机，I/O接口板通过PCI总线实现机床运动、刀具工作、抬刀等一系列动作，同时也担负着机床限位等开关信号的读入的任务；它按以下步骤进行：

1)、往嵌入式工业控制计算机内输入设定数据，在显示器上显示待运行图形；

2)、启动设备运行，根据设定数据进刀，接着使目标点按待运行图形运动；

3)、控制系统操控设备退刀，再根据设定数据进刀，进行下一刀切削；

4)、完成。

2、根据权利要求1所述的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，其特征在于，所述的刀架上设有自动换刀架，自动换刀架连接嵌入式工业控制计算机，嵌入式工业控制计算机内的存储器上设记载有根据设定的切削进刀量进行处理并传输给自动换刀架动作的程序的区域。

3、根据权利要求1所述的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，其特征在于，所述的运动控制卡由相互连接的DSP、FPGA、PCI接口芯片组成；DSP内设记载有直线和弧线运动轨迹插补程序、多轴同步运行程序、进度控制程序的存储区。

4、根据权利要求1所述的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，其特征在于，所述的运动控制卡与变频电机相连，精度高，主驱动电机采用变频电机可靠性高。

5、根据权利要求1所述的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，其特征在于，所述的I/O接口板实现机床运动、刀具工作、抬刀等一系列动作，同时担负着机床限位等开关信号的读入的任务。

6、根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于WINDOWS平台的数控刨边机控制系统，其特征在于，在刨边机刀架运行路径上设有限位、报警装置；报警装置连接嵌入式工业控制计算机，嵌入式工业控制计算机内的存储器上设记载有根据报警装置反馈的数据进行处理并传输给I/O接口板的程序的区域。

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