CN102339037A

CN102339037A - 多轴数控系统

Info

Publication number: CN102339037A
Application number: CN2011101914919A
Authority: CN
Inventors: 谢星葵; 杨虎
Original assignee: Shenzhen Huazhong Numerical Control Co Ltd
Current assignee: Shenzhen Huazhong Numerical Control Co Ltd
Priority date: 2011-07-08
Filing date: 2011-07-08
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2031-07-08
Also published as: CN102339037B

Abstract

本发明涉及一种多轴数控系统，其用于对伺服系统进行数据通信控制，所述伺服系统包括多个主轴驱动单元、多个伺服驱动单元和多个输入输出模块，所述多轴数控系统包括现场可编程门阵列，以作为与所述伺服系统进行数据通信控制的接口；所述多个主轴驱动单元、所述多个伺服驱动单元、所述多个输入输出模块和所述现场可编程门阵列，通过现场总线的通行方式，构成环形以太网的连接结构。通过工业以太网技术，实施该多轴数控系统，简化布线结构，提高数控系统的网络化通信能力。采用现场总线接口的多处理器结构的硬件平台，实现该数控系统的高速、高精度、高可靠性和开放性，提升了我国制造业装备技术水平和国际竞争力。

Description

多轴数控系统

技术领域

本发明涉及多轴数控系统，更具体地说，涉及一种用于对伺服系统进行数据通信控制的多轴数控系统。

背景技术

数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对先进制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键，是制造业实现自动化、网络化、柔性化和集成化的基础。其中，五轴联动数控又是数控技术中难度最大，应用范围最广的技术。它集计算机控制、高性能伺服驱动和精密加工技术于一体，应用于复杂曲面的高效、精密和自动化加工。五轴联动数控机床是发电、船舶、航天航空、模具和高精密仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备。采用五轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具的最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。国际上将五轴联动数控技术作为一个国家工业化水平的标志。

目前，振兴装备制造业已经成为国家的重大发展战略，国家为包括数控机床产业在内的装备制造业振兴提供了良好的政策环境，并给予了特殊重要的地位。在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006～2020年)》中，“高档数控机床和基础制造技术”被列为十六个重大专项之一。重大专项是为了实现国家目标，通过核心技术的突破和资源集成，在一定时限内完成重大战略产品、关键共性技术和重大工程，是我国科技发展的重中之重。《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》将数控机床确定为“十一五”规划中装备制造业振兴的重点之一。《国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见》中确定振兴装备制造业为主要任务，即实现十六个重点突破的关键领域，其中，第十二项便是“发展大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件，改变大型、高精度数控机床大部分依靠进口的现状，满足机械、航空航天等工业发展的需要”。

西方国家在高档数控机床(系统)方面，目前还处于垄断地位，并严格对我国限制出口。1999年的考克斯报告，专门提到中国把从美国进口的16台二手四、五轴联动数控机床用于军工生产，要求对我国加强禁运。这说明研究和发展五轴联动数控系统技术在国家经济建设中，具有超越一般市场价值的战略地位。

为了改变这种不利局面，我们必须考虑在现有的研究成果基础上，开发出具有我国自主知识产权的高性能数控系统，掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空芯”。我们以资源、环境和市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。

现有技术中数控系统和伺服系统之间采用特殊的指令线连接，每个伺服系统都需要单独的指令线同数控系统产生通讯。如图1所示，每个伺服驱动都需要添加独立的指令线，由此，对于多轴数控系统，存在控制过程复杂、接线烦杂、不易调试和成本高等弊端。另外，采用普通指令线的方式使用的是模拟量或脉冲串方式的信号传输方式，这种方式极易受到外界环境的干扰，造成不可预料的错误。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的每个伺服驱动都需要添加独立的指令线，由此，对于多轴数控系统，存在控制过程复杂、接线烦杂、不易调试和成本高等弊端。另外，采用普通指令线的方式使用的是模拟量或脉冲串方式的信号传输方式，这种方式极易受到外界环境的干扰，造成不可预料的错误等缺陷，提供一种多轴数控系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种多轴数控系统，其用于对伺服系统进行数据通信控制，所述伺服系统包括多个主轴驱动单元、多个伺服驱动单元和多个输入输出模块，所述多轴数控系统包括现场可编程门阵列，以作为与所述伺服系统进行数据通信控制的接口；所述多个主轴驱动单元、所述多个伺服驱动单元、所述多个输入输出模块和所述现场可编程门阵列，通过现场总线的通行方式，构成环形以太网的连接结构。

在本发明所述的多轴数控系统中，还包括多个处理器；其中，一个处理器作为通用计算机开发平台的主处理器，用于装载多种应用程序；别的处理器用于执行数字控制过程中的数据处理。

在本发明所述的多轴数控系统中，还包括主处理器、与所述主处理器通信连接的运动控制处理器和与所述运动控制处理器通信连接的PLC处理器；其中，所述主处理器作为通用计算机开发平台，用于装载多种应用程序；所述运动控制处理器用于执行数字控制过程中的解释、插补及位置控制的实时性任务；所述PLC处理器用于执行数字控制的PLC处理任务。

在本发明所述的多轴数控系统中，所述主处理器和运动控制处理器采用工业以太网进行数据通信。

在本发明所述的多轴数控系统中，所述运动控制处理器和PLC处理器分别与所述现场可编程门阵列通信连接，且所述运动控制处理器、PLC处理器和现场可编程门阵列之间均采用32位高速并行总线接口进行数据通信。

在本发明所述的多轴数控系统中，还包括分别与所述主处理器连接的网络接口、USB接口、键盘、显示器、硬盘和存储器。

在本发明所述的多轴数控系统中，还包括与运动控制处理器连接的存储器和外设接口。

在本发明所述的多轴数控系统中，主处理器是通用工业微机；所述运动控制处理器是X86系列处理器、DSP处理器或ARM嵌入式微处理器。所述PLC处理器是DSP处理器或ARM嵌入式微处理器。

在本发明所述的多轴数控系统中，所述多个主轴驱动单元、所述多个伺服驱动单元和所述多个输入输出模块，通过现场总线的通行方式，构成串联的连接结构。

实施本发明的多轴数控系统，具有以下有益效果：通过工业以太网技术，实施该多轴数控系统，简化布线结构，提高数控系统的网络化通信能力。采用现场总线接口的多处理器结构的硬件平台，实现该数控系统的高速、高精度、高可靠性和开放性，提升了我国制造业装备技术水平和国际竞争力。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明现有的多轴数控系统的结构示意图；

图2是本发明多轴数控系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图2所示，本发明的多轴数控系统1主要是用于数控机床中对伺服系统2进行数据通信控制，多轴数控系统1将和伺服系统2进行数据的交换。该伺服系统2可包括多个主轴驱动单元21、多个伺服驱动单元22和多个输入输出模块23。在一优选实施例中，可包括N个主轴驱动单元21、N个伺服驱动单元22和N个输入输出模块23。

为了使得该多轴数控系统1可和多个主轴驱动单元21、多个伺服驱动单元22和多个输入输出模块23进行数据交换，该多轴数控系统1包括现场可编程门阵列14，以作为与伺服系统2进行数据通信控制的接口。为了降低该多轴数控系统1和伺服系统2之间的连接结构的复杂度，可通过现场总线的通信方式，将该现场可编程门阵列14与多个主轴驱动单元21、多个伺服驱动单元22和多个输入输出模块23之间连接成环形以太网结构，其中，多个主轴驱动单元21、多个伺服驱动单元22和多个输入输出模块23，通过现场总线的通行方式，构成串联的连接结构。由此无论伺服系统2具有多少个控制轴，数控系统1和伺服系统2之间的连线始终只有两个。

在具体工作中，该现场可编程门阵列14的主要任务是完成现场总线的通信，外接伺服系统2的主轴驱动单元21、伺服驱动单元22、输入输出模块23、PLC等。

为了实现该多轴数控系统1对数据处理的精确和高速，该多轴数控系统1可包括多个处理器；其中，一个处理器作为通用计算机开发平台的主处理器，用于装载多种应用程序；别的处理器用于执行数字控制过程中的数据处理。

在一优选实施例中，该多轴数控系统1可包括三个处理器，即主处理器11、与该主处理器11通信连接的运动控制处理器12和与该运动控制处理器12通信连接的PLC处理器13。

在具体设计时，该主处理器11可以是通用工业微机，具有计算机的所有外设接口，可工作于Windows、WinCE或Linux等各种操作系统。主处理器11的具体任务为人机交互、文件管理和网络通信等功能。该主处理器11采用通用计算机，可继承通用计算机的开发平台及其丰富的软件资源，可装载各个应用程序，有利于系统升级换代，更有利于提高开发速度。该运动控制处理器12可采用高性能X86系列处理器，或者也可以采用高性能DSP数字信号处理器、再或采用ARM(Advanced RISC Machines)等嵌入式微处理器，工作于Linux操作系统或嵌入式操作系统。承担数控程序中的解释、插补及位置控制等实时性较强的任务。主处理器11和运动控制处理器12之间的数据传输实时性要求不太高，通常可采用工业以太网进行数据通信。PLC处理器13可以是高性能DSP或ARM等嵌入式微处理器，是专用于数控装置PLC程序的处理器，其目的是提高PLC程序的运行和对外的响应速度，最快响应时间可达微秒级。其输入输出数据经现场可编程门阵列14由现场总线完成。PLC处理器13和现场可编程门阵列14之间的数据通信采用32位高速并行总线接口。

工作中，运动控制处理器12的插补命令及PLC处理器13的PLC处理结果通过现场总线输出，同时伺服驱动单元22、主轴驱动单元21、PLC的有关输入信息通过现场总线输入到运动控制处理器12和PLC处理器13中。另外，该多轴数控系统1还可以通过现场总线，对伺服系统2进行参数设置、参数辨识、参数自整定等工作，从而可以减少伺服驱动单元22的调试时间，提高伺服驱动单元22的性能。

根据实际应用的需要，主处理器11可分别连接的网络接口、USB接口、键盘、显示器、硬盘和存储器。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多轴数控系统，用于对伺服系统进行数据通信控制，所述伺服系统包括多个主轴驱动单元、多个伺服驱动单元和多个输入输出模块，其特征在于，所述多轴数控系统包括现场可编程门阵列，以作为与所述伺服系统进行数据通信控制的接口；所述多个主轴驱动单元、所述多个伺服驱动单元、所述多个输入输出模块和所述现场可编程门阵列，通过现场总线的通行方式，构成环形以太网的连接结构。

2.根据权利要求1所述的多轴数控系统，其特征在于，还包括多个处理器；其中，一个处理器作为通用计算机开发平台的主处理器，用于装载多种应用程序；别的处理器用于执行数字控制过程中的数据处理。

3.根据权利要求1所述的多轴数控系统，其特征在于，还包括主处理器、与所述主处理器通信连接的运动控制处理器和与所述运动控制处理器通信连接的PLC处理器；其中，所述主处理器作为通用计算机开发平台，用于装载多种应用程序；所述运动控制处理器用于执行数字控制过程中的解释、插补及位置控制的实时性任务；所述PLC处理器用于执行数字控制的PLC处理任务。

4.根据权利要求3所述的多轴数控系统，其特征在于，所述主处理器和运动控制处理器采用工业以太网进行数据通信。

5.根据权利要求3所述的多轴数控系统，其特征在于，所述运动控制处理器和PLC处理器分别与所述现场可编程门阵列通信连接，且所述运动控制处理器、PLC处理器和现场可编程门阵列之间均采用32位高速并行总线接口进行数据通信。

6.根据权利要求3所述的多轴数控系统，其特征在于，还包括分别与所述主处理器连接的网络接口、USB接口、键盘、显示器、硬盘和存储器。

7.根据权利要求3所述的多轴数控系统，其特征在于，还包括与运动控制处理器连接的存储器和外设接口。

8.根据权利要求3～7任一所述的多轴数控系统，其特征在于，主处理器是通用工业微机；所述运动控制处理器是X86系列处理器、DSP处理器或ARM嵌入式微处理器。所述PLC处理器是DSP处理器或ARM嵌入式微处理器。

9.根据权利要求1～7任一所述的多轴数控系统，其特征在于，所述多个主轴驱动单元、所述多个伺服驱动单元和所述多个输入输出模块，通过现场总线的通行方式，构成串联的连接结构。