CN102650870A

CN102650870A - 嵌入式五轴联动控制系统

Info

Publication number: CN102650870A
Application number: CN2012101542893A
Authority: CN
Inventors: 姜铭; 李鹭扬; 朱望东; 孙钊
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-08-29

Abstract

本发明涉及一种嵌入式五轴联动控制系统，属于数控加工控制系统技术领域，主要特点是设置主CPU系统和对应X轴驱动等若干轴的各从CPU系统；主CPU系统（6）的相关接口通过总线与各从CPU系统对应接口连接、通过通讯线路和外设的PC机的相应接口连接、通过通讯线路和外部设备的对应接口连接；各从CPU系统中驱动电路（J1）的相关接口通过通讯线路与相应的轴驱动的接口连接，本发明在相应编程的支持下，具有开放性，拓展性好，多级CPU控制，采用并行处理技术，实现五轴数控加工的高效、高性价比的控制系统，通过采用在加工前传送加工G代码、主从CPU多级控制、并行处理、圆弧插补等技术，实现五轴数控加工系统的拓扑结构和控制方法的创新。

Description

嵌入式五轴联动控制系统

技术领域

本发明涉及一种嵌入式五轴联动控制系统，属于数控加工控制系统技术领域。

技术背景

目前开放的五轴数控加工系统主要有：1）PC十CNC，其代表厂家为西门子、FANUC等国外厂家，国内的代表为华中数控，其特点是追求高精高速的加工，在NC系统上增加一块PC板，提供键盘使用户能把PC和CNC联系在一起，以提高人机界面的功能，比较典型的产品有840D等，由于其价格高昂，以一套840D为例，其价格在40-50万元之间，这类国外的控制系统一般装配在销售价格在250-300万以上的数控加工系统，国内华中数控的五轴数控系统价格在9-10万元之间，一般装配在销售价格在80-150万之间的数控加工系统；2）基于PC的CNC系统这种系统以PC机为平台，开发数控系统的各种功能，通过伺服卡传送数据，控制坐标轴电机的运动。这类系统有时也称为Soft NC。3）PC嵌入式，这种系统的基本结构为：CNC十PC主板，即把一块CNC板插入传统的PC机器中，CNC主要运行以坐标轴运动为主的实时控制，或者CNC作为数控功能运行，而PC板作为用户的人机接口平台。

上述控制系统，均未能实现一个CPU系统控制一个轴的运动、多CPU系统采用并行结构同步控制多轴（五个轴的运动和机床切削速度）；且目前基于PC的CNC系统和PC嵌入式均是单个CPU和响应的功能模块之间采用串性通讯，由于传输速度慢，无法实时传递空间曲线插补功能（圆弧插补）所需要的大量数据，故目前均采用直线插补算法，精度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种嵌入式五轴联动控制系统，解决现有的开放的五轴数控加工系统存在的上述不足，通过本发明实现五轴数控加工的高效、高性价比的控制系统，通过采用在加工前传送加工G代码、主从CPU多级控制、并行处理、圆弧插补等技术，实现五轴数控加工系统的拓扑结构和控制方法的创新。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种嵌入式五轴联动控制系统，其特征是，设置主CPU系统6和对应X轴驱动9、Y轴驱动16、Z轴驱动15、A轴驱动14、B轴驱动13和控制切削速度驱动12的从CPU系统1、3、4、5、8、10；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路2与各从CPU系统1、3、4、5、8、10的对应接口连接；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外设的PC机的相应接口连接；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外部设备的对应接口连接；各从CPU系统1、3、4、5、8、10中驱动电路J1的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路与相应的X轴驱动9、Y轴驱动16、Z轴驱动15、A轴驱动14、B轴驱动13和控制切削速度驱动12的接口连接。

所述的主CPU系统6与各从CPU系统1、3、4、5、8、10均包含数据储存器J3、通讯线路J4、CPU J5、程序存储器J6、接口电路J2、驱动电路J1和辅助电路组成；CPU J5的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路J4与数据储存器J3、程序存储器J6、接口电路J2的对应接口连接，接口电路J2的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路J4与驱动电路J1的对应接口连接。

所述的主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和主CPU系统6中的接口电路J2的对应接口连接，接口电路J2的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外部设备的对应接口连接。

本发明在相应编程的支持下，与现有的五轴联动控制系统相比，具有如下特点：1）具有开放性，拓展性好，本系统加工时是根据G代码进行工作，而和机床的类型、CAM软件的类型无关； 2）多级CPU控制，该系统具有多级CPU，其中主CPU负责和PC机、从CPU的通讯，以及PLC的控制，各从CPU控制相对的轴的运动； 3）采用并行处理技术各从CPU为并行关系，依据时序协调各从CPU的工作，各从CPU之间无通讯，在加工过程中，除出现意外情况需要中断外，各从CPU系统只需在时序协调下控制相应的轴运动，而无其他的通讯工作，整个系统运行速度快；4）离线通讯，并行实时控制，在工件加工前，主CPU接收外接的PC机传递的G代码，并将其传递给各从CPU（各从CPU接收一样的代码），工件加工时，在指令和时序的控制与协调下，各从CPU运用相同的插补程序，读取各自数据存储器中相同的G代码，并运算出各自轴控制运动所需要的指令，并将其发送到各自的驱动器，从而实现各自的轴的运动控制，和五轴的联动功能； 5）运行圆弧插补程序，精度高，各从CPU运行圆弧插补程序控制相应的轴运动，插补精度高；6）性价比高，各CPU 运用通用CPU，通过系统的拓扑创新设计，提高整体系统的速度、控制精度，一套生产成本仅数千元；7）可实现刀具速度的自动调节控制刀具切削运动的从CPU，可以根据G代码，运算出刀具和工件表面的相对位置（主要是和切削面的角度关系），并据此调节刀具的切削运动，从而保证加工表面光洁度的一致性。

附图说明

图1为本发明结构框图；

图2为本发明中主CPU系统、各从CPU系统的电路框图。

具体实施方式

结合附图和实施例进一步说明本发明，如图1所示，本发明由主CPU系统6和对应X轴驱动9、Y轴驱动16、Z轴驱动15、A轴驱动14、B轴驱动13和控制切削速度驱动12的从CPU系统1、3、4、5、8、10构成；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路2与各从CPU系统1、3、4、5、8、10的对应接口连接；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外设的PC机的相应接口连接；主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外部设备的对应接口连接；各从CPU系统1、3、4、5、8、10中驱动电路J1的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路与相应的X轴驱动9、Y轴驱动16、Z轴驱动15、A轴驱动14、B轴驱动13和控制切削速度驱动12的接口连接。

如图2所示，主CPU系统6与各从CPU系统1、3、4、5、8、10均包含数据储存器J3、通讯线路J4、CPU J5、程序存储器J6、接口电路J2、驱动电路J1和辅助电路构成， CPU J5通过通讯线路J4实现与数据存储器J3、程序存储器J6、接口电路J2的数据信号、控制信号、地址信号的传递，接口电路J2和驱动电路J1通过通讯线路J4实现数据信号、控制信号、地址信号的传递。

如图1所示，主CPU系统6负责和外接的PC机7之间的通讯，主CPU系统6的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和主CPU系统6中的接口电路J2的对应接口连接，接口电路J2的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路对外接的可编程逻辑控制器及相关外部设备的控制，以及外部设备状态信号的读取。

主CPU系统6控制并协调从CPU系统1、从CPU系统3、从CPU系统4、从CPU系统5、从CPU系统8、从CPU系统10的工作；从CPU系统1、从CPU系统3、从CPU系统4、从CPU系统5、从CPU系统8、从CPU系统10之间为并行关系。

进行五轴加工之前，PC机将加工的G代码通过通讯线路2传输给主CPU系统6，并由主CPU系统6通过通讯线路2将G代码依次传递从CPU系统1、从CPU系统3、从CPU系统4、从CPU系统5、从CPU系统8、从CPU系统10的数据存储器J3；PC机发出的控制命令通过主CPU系统6同时传递给从CPU系统1、从CPU系统3、从CPU系统4、从CPU系统5、从CPU系统8、从CPU系统10，各从CPU系统为并行关系，主CPU系统6依据时序协调各从CPU系统的工作；各从CPU运行的程序存储器J6存放相同的圆弧插补算法，依据圆弧插补算法，从CPU系统1的数据存储器J3存放X轴的运动控制程序，从CPU系统3的数据存储器J3存放Y轴的运动控制程序，从CPU系统4的数据存储器J3存放Z轴的运动控制程序，从CPU系统5的数据存储器J3存放A轴的运动控制程序，从CPU系统8的数据存储器J3存放B轴的运动控制程序，从CPU系统10的数据存储器J3存放调节主轴运动速度的控制程序和刀具切削速度的自动调节。

工作原理：嵌入式五轴联动控制系统由多CPU系统和相关电路组成，各CPU系统之间通过通讯线路实现数据、地址、控制信号的传输，各CPU系统均有数据存储器和程序存储器，其中程序存储器存放运行的程序，数据存储器存放加工G代码；主CPU系统6负责和PC机之间的通讯、各从CPU系统的协调控制、实现对PLC及相关外部设备的控制等；进行五轴加工之前，PC机将加工的G代码通过通讯线路传输给主CPU系统，并由主CPU系统通过通讯线路将G代码依次传递给各从CPU系统，各从CPU系统的数据存储器存放加工G代码；加工时，PC机发出的控制命令通过主CPU系统同时传递给各从CPU系统，各从CPU系统之间为并行关系，在主CPU系统的协调控制下，各从CPU运行的程序存储器存放的圆弧插补程序，从各自的数据存储器中读取加工的G代码，各从CPU系统分别控制各自的轴运动，从CPU系统10根据加工的G代码判别刀具和加工表面的关系，并据此自动调节刀具的切削速度，以保证加工表面质量的一致性。

如加工过程中出现以外情况，外接的PC机7通过主CPU系统6发出中断指令，各从CPU系统1、3、4、5、8、10根据中断指令执行相应的中断服务程序。

本发明实施例中的数据储存器采用 62256，CPU采用DSP，程序存储器采用2764，接口电路并行通讯采用8255、串行通讯采用SPI，辅助电路包括电容、地址锁存器、译码电路等，译码电路中的译码器采用138。

Claims

1.一种嵌入式五轴联动控制系统，其特征是，设置主CPU系统（6）和对应X轴驱动（9）、Y轴驱动（16）、Z轴驱动（15）、A轴驱动（14）、B轴驱动（13）和控制切削速度驱动（12）的从CPU系统（1、3、4、5、8、10）；主CPU系统（6）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路（2）与各从CPU系统（1、3、4、5、8、10）的对应接口连接；主CPU系统（6）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外设的PC机的相应接口连接；主CPU系统（6）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外部设备的对应接口连接；各从CPU系统（1、3、4、5、8、10）中驱动电路（J1）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路与相应的X轴驱动（9）、Y轴驱动（16）、Z轴驱动（15）、A轴驱动（14）、B轴驱动（13）和控制切削速度驱动（12）的接口连接。

2.根据权利要求1所述的嵌入式五轴联动控制系统，其特征是，所述的主CPU系统（6）与各从CPU系统（1、3、4、5、8、10）均包含数据储存器（J3）、通讯线路（J4）、CPU（J5）、程序存储器（J6）、接口电路（J2）、驱动电路（J1）和辅助电路组成；CPU（J5）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路（J4）与数据储存器（J3）、程序存储器（J6）、接口电路（J2）的对应接口连接，接口电路（J2）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路（J4）与驱动电路（J1）的对应接口连接。

3.根据权利要求1所述的嵌入式五轴联动控制系统，其特征是，所述的主CPU系统（6）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和主CPU系统（6）中的接口电路（J2）的对应接口连接，接口电路（J2）的数据接口、控制接口、地址接口通过通讯线路和外部设备的对应接口连接。

4.根据权利要求1所述的嵌入式五轴联动控制系统，其特征是，主CPU系统（6）控制并协调从CPU系统（1）、从CPU系统（3）、从CPU系统（4）、从CPU系统（5）、从CPU系统（8）、从CPU系统（10）的工作；从CPU系统（1）、从CPU系统（3）、从CPU系统（4）、从CPU系统（5）、从CPU系统（8）、从CPU系统（10）之间为并行关系。

5.权利要求1所述的嵌入式五轴联动控制系统的控制方法，其特征是，进行五轴加工之前，外接的PC机（7）将加工的G代码通过通讯线路（2）传输给主CPU系统（6），并由主CPU系统（6）通过通讯线路（2）将G代码依次传递给从CPU系统（1）、从CPU系统（3）、从CPU系统（4）、从CPU系统（5）、从CPU系统（8）、从CPU系统（10）的数据储存器（J3）；PC机（7）发出的控制命令通过主CPU系统（6）同时传递给从CPU系统（1）、从CPU系统（3）、从CPU系统（4）、从CPU系统（5）、从CPU系统（8）、从CPU系统（10）；各从CPU（1、3、4、5、8、10）运行的程序存储器（J6）存放相同的圆弧插补算法，依据圆弧插补算法，从CPU系统（1）的数据存储器（J3）存放X轴的运动控制程序，从CPU系统（3）的数据存储器（J3）存放Y轴的运动控制程序，从CPU系统（4）的数据存储器（J3）存放Z轴的运动控制程序，从CPU系统（5）的数据存储器（J3）存放A轴的运动控制程序，从CPU系统（8）的数据存储器（J3）存放B轴的运动控制程序，从CPU系统（10）的数据存储器（J3）存放调节主轴运动速度的控制程序；这样，实现了在外接PC机（7）控制下的六个从CPU系统的并行运算及控制，结合其运行的圆弧插补算法，实现高精度的联动插补控制和刀具切削速度的自动调节。