CN102830658A - 一种用于多轴数控机床的嵌入式数控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于多轴数控机床的数控系统。系统采用了“双CPU架构”的设计思想，以三星ARM9系列S3C2440A微处理器为控制核心，完成数控程序的输入、键盘输入、LCD显示、程序的解释、粗插补等主要功能；从CPU为辅助设备，接收主控中心发出的信号，实现精插补功能；同时，系统扩展了人机交互模块、通讯模块、伺服模块、输入输出模块等。系统可控制六轴，具有最多达六轴联动的功能；具有3路模拟量输出功能，可控制三个模拟主轴；具有16入、16出的I/O接口功能；具有直线、圆弧插补功能，能实现最快移动速度不低于12000mm/min；可接8寸彩色显示屏，增加输入、输出信息量。系统原理框图如附图所示。

Description

一种用于多轴数控机床的嵌入式数控系统

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及一种可用于多轴数控机床的计算机数字控制系统(CNC数控系统)。

背景技术

数字控制是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种方法。计算机数控技术是先进制造技术的基础，在国内外受到普遍的重视，发展较快。本发明的多轴数控系统，是指能够满足车、铣、车铣复合、钻等加工工艺，可控制六个轴，任意多轴(最多到六轴)联动的复合加工设备的控制系统。系统以ARM9核系列的S3C2440A为核心，具有总体性能稳定，开发成本低，实时性强，符合开放式系统的发展方向的优点。

发明内容

系统以S3C2440A为控制核心，采用双CPU结构，并扩展外围电路，实现设计目标。其中，嵌入式系统硬件是嵌入式系统软件环境运行的前提，它提供了嵌入式软件运行的物理平台和通信接口。系统的硬件平台主要是由ARM最小系统、人机交互模块、通信模块、I/O模块、伺服模块等组成。系统总体结构框图如附图1所示。

其中ARM最小系统是整个数控系统的控制核心，周围的扩展模块都是基于这个部分而设计的；通信模块负责系统核心板与上位机、U盘等外界设备的通讯；人机交互模块包括液晶显示器、键盘和手轮，完成加工过程中人机交互功能；隔离和转换模块能够保证信号正常的传输；I/O模块实现核心板与机床之间的信号传递，包括刀具定位信息、机床零点信息，限位信息及切削液开关等。

插补运算在加工过程中占有重要地位，为减小ARM微处理器运行负荷，保证插补精度和插补速度，系统采用双CPU方式，主控部分计算粗插补，然后将插补数据传给从CPU，从CPU只负责精插补运算，快速移动可达12000mm/min，满足设计要求。

系统采用双CPU模式，主控制器完成数控程序的输入、编辑、通讯、键盘响应、LCD显示、程序解释、粗插补等主要功能，从CPU只负责精插补运算，使主控制器能够在运动过程中，有时间响应键盘输入、LCD显示、程序预读、解释、粗插补等工作。为节省通讯时间，主、从CPU之间的数据通讯采用并口方式。从CPU采用低成本的8位机即可满足插补运算要求。

为了加快数控系统的开发，同时提高系统的稳定性和可靠性，本系统采用了核心板加扩展板的设计思想，利用核心板提供的接口扩展数控系统所需要的其它模块。核心板包含ARM9的最小系统，主要完成系统启动、RAM/ROM扩展、初始化等工作。包括时钟系统、调试测试接口、供电系统、存储器和复位系统。硬件结构如附图2所示。

ARM核心板集成了S3C2440A、SDRAM、NandFlash、晶振、电源系统等。通过200引脚的插卡式连接器与扩展板相连。在总共200条接口线里面，包含有电源线、地线、用户扩展可能要用到的地址线、数据线等。

人机交互模块

本系统人机交互模块主要包括LCD液晶显示器、键盘和手轮。数控系统的实时运行状态通过LCD显示，例如NC代码的输入/编辑显示、运行程序显示以及一些机床运转状态显示等；键盘主要完成代码输入，机床主轴正反转、急停等特殊按键功能；手轮主要用于加工过程中快速移动等人机交互功能。

在机床人机交互模块中，LCD液晶显示器是不可缺少的重要部分，核心微处理器S3C2440A具有内置的LCD控制器，可提供控制LCD的全部信号。本系统中，LCD显示屏可配接8时彩色屏，尺寸较大，显示内容丰富。

键盘采用8×8矩阵形式，工作于循环扫描方式，配上一个I/O线，可扩展键盘数量至128个键，完全满足数控系统按键的要求。

手轮与系统的接口，采用差分方式输入，可判断手轮转动方向，并配有倍率选择开关，满足调试或手动加工的需要。

通信模块

通信模块主要是指串行接口、网络接口和USB接口，通过网络接口进行网络文件系统(NFS)的上传下载；通过USB接口读取U盘信息，实现机床与外界存储设备的通讯。其中串行接口采用电子工业协会推荐的RS-485标准，传输距离远，误差小。

伺服模块

伺服模块主要接受控制模块发出的电动机伺服控制信号，如进给脉冲和方向信号等，通过驱动电路，进行电流环、速度环和位置环的精确控制，驱动伺服电动机，实现多轴联动的轨迹控制。

若要实现多轴联动，控制部分和伺服电机之间需要相应的接口电路，保证信号的正常传输。本系统伺服模块设计主要包括强电弱电隔离、差分电路和D/A转换模块。

差分输出电路。系统与驱动器之间由于传输距离、工作环境的影响，需要对接口电路专门设计以提高信号的驱动能力和抗干扰能力。差分信号具有高速度、低噪声、低功耗、低电磁干扰、低成本等方面的优势，所以本系统在进给信号接口将控制信号进行差分处理以后再进行传输。

D/A转换模块。通过微处理器S3C2440A自身的PWM脉宽调制定时器可产生脉冲信号，进而实现对主轴转速的控制。D/A模块的作用就是将处理器产生的脉冲信号转换为模拟信号，通过模拟量实现对主轴转速的控制。

输入输出模块

输入输出模块，主要用于数控系统与机床之间的信息传替，包括：主轴的正、反转、起动与停止，刀位转动指令与刀位信息，机床坐标零点信息、限位信息，冷却液开关等。通过光电隔离、数据锁存器与主控制器数据总线相连。

本发明的优点在于：

采用双CPU结构形式，主控制器采用32位的ARM9内核的处理器，可以实现数控操作所需要的大部分功能，极大地减小了总体芯片的面积以及系统的复杂程度。从CPU主要负责精插补的工作，可采用低成本的8位CPU，使总的硬件成本降低。能控制6个司服轴，并可实现多轴联动功能。在要求快移速度和加工速度适中的经济型数控机床领域有着广阔的应用前景。

说明书附图

图1为系统组成原理框图；

图2为核心板基本结构框图；

图3为系统与外设接口示意图。

图面说明

1、编码器接口2、手轮接口3、键盘接口4、I/O接口5、主CPU6、模拟量输出接口7、RS485通讯接口8、液晶屏显示接口9、从CPU10、伺服驱动接口

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细说明。

本系统采用双CPU结构，并扩展了外围电路，可实现对多轴数控机床的控制。主CPU(5)是控制核心，它接收外围电路的各种输入信息，经分析处理去控制不同的对象。数控程序可以从键盘(3)输入，输入结果可显示在显示屏(8)上，可对数控程序进行修改、校正，还可通过RS485(7)接口，从其它计算机传输数控程序。数控程序执行后，主CPU(5)解释程序，并将部分显示结果发送到液晶显示屏(8)上，根据插补算法，将粗插补结果发送到从CPU(9)上，从CPU(9)进行精插补计算，并通过伺服驱动接口(10)电路驱动电机带动各个坐标轴按插补结果进行运动，并将插补结果显示到液晶显示屏(8)上。

系统还可通过模拟量输出接口(6)输出3路模拟信号，可以控制3路模拟主轴。

程序在运行过程中，可通过键盘(3)进行适当的干预，如程序暂停、急停、进给速度调节等。

编码器接口(1)主要用来接收主轴旋转信息，便于螺纹切削。

在程序运行之前，如需对刀，可通过手轮接口(2)进行对刀，以便确定工件坐标系。

I/O接口(4)主要用于机床限位信息的采集、辅助功能的实现，如机床X、Y、Z等坐标的极限位置、冷却液的开关、主轴的启停等功能的实现。

Claims (6)

1.一种可用于多轴数控机床的数控系统。其特征在于，采用“双CPU架构”的设计结构，以三星ARM9系列S3C2440A微处理器为控制核心，完成数控程序的输入、键盘输入、LCD显示、程序的解释、粗插补等主要功能；从CPU采用STC12C54芯片，为辅助设备，其接收主控中心发出的信号，通过进一步运算实现精插补功能。

2.根据权利要求1所述的可用于多轴数控机床的数控系统，其特征在于，可实现多轴联动功能，可实现三轴、四轴、五轴、六轴联动功能。

3.根据权利要求1或2所述的可用于多轴数控机床的数控系统，其特征在于，具有3路模拟量输出功能，可控制三个模拟主轴。

4.根据权利要求1、2、3所述的可用于多轴数控机床的数控系统，其特征在于，具有16入、16出的I/O接口功能。

5.根据权利要求1所述的可用于多轴数控机床的数控系统，其特征在于，具有直线、圆弧插补功能，能实现最快移动速度不低于12000mm/min。

6.根据权利要求1所述的可用于多轴数控机床的数控系统，其特征在于，可接8吋彩色液晶显示屏，显示加工过程信息丰富。 

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