CN102880112A - 一种数控系统下位机以及其对数控设备控制的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种数控系统下位机，包括一FPGA芯片，所述FPGA芯片内设置有USB接口模块、数据流控制模块、模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块；USB接口模块与上位机和数据流控制模块相连；模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块均与数据流控制模块相连。本发明所述的数控系统下位机利用现场可编程门阵列技术，将整个数据缓存卡数字控制器包括数据流控制、多轴电机控制、USB接口、继电器控制以及模拟量控制电路全集成在单一芯片中，使得控制电路的尺寸减小、元器件减少、可靠性得到提高。本发明还同时提供了一种数控系统下位机实现对数控设备控制的方法。

Description

一种数控系统下位机以及其对数控设备控制的方法

技术领域

 本发明属于数控系统领域，具体涉及一种数控系统下位机。

背景技术

数控系统是数字控制系统简称，早期是由硬件电路构成的称为硬件数控，19世纪70年代以后，硬件电路元件逐步由专用的计算机代替称为计算机数控系统。计算机数控（Computerized numerical control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。计算机数控系统是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。计算机数控系统的硬件一般由数控装置、输入/输出装置、驱动装置和机床电器逻辑控制装置等组成。目前常规的数控系统下位机基本都是针对不同的功能模块采用不同的独立电路完成，这样使得电路设计繁琐，模块间通信互联复杂，电路板面积增加，工作可靠性降低。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种数控系统下位机；该数控系统下位机以FPGA为核心，电路设计简单，模块间通信在片内完成，电路板面积小，系统可靠性高。本发明还同时提供了一种数控系统下位机对数控设备控制的方法。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种数控系统下位机，包括一FPGA芯片，所述FPGA芯片内设置有USB接口模块、数据流控制模块、模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块；

USB接口模块，用于通过USB总线进行数据收发，以实现与数控系统上位机的通信；

多轴电机控制模块，用于以并行方式控制多轴伺服电机控制器；

数据流控制模块，用于以脱机模式或流模式对加工数据流进行控制；所述脱机模式是指下位机在接收并存储上位机发送的加工数据流之后，再把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；所述流模式是指下位机在接收上位机发送的加工数据流的同时，把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；

模拟量控制模块，用于接收外围模拟量的输入和设置外围模拟量的输出；

继电器控制模块，用于对数控系统的开关元件的工作与否进行时序控制；

USB接口模块与上位机和数据流控制模块相连；模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块均与数据流控制模块相连。

进一步的，所述数控系统下位机还包括SD存储卡，所述SD存储卡用于存储脱机模式下的加工数据流。

进一步的，所述FPGA芯片内还设置有保护功能控制模块，保护功能控制模块与据流控制模块相连。

进一步的，所述多轴电机控制模块包括多个单轴伺服电机控制器子模块。

进一步的，所述开关元件包括磨料阀、喷嘴、泄流阀和高压泵。

本发明还同时提供了一种数控系统下位机实现对数控设备控制的方法，包括以下步骤：

（1）通过USB接口模块与数控系统上位机建立连接；

（2）通过USB接口模块接收上位机发送的控制数据和控制命令；

（3）若当前的工作方式为脱机模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则判断下位机内是否存储有控制数据，若有，则将控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；若没有，则不做操作；

控制命令为“暂停”，则停止控制数据的发送，并记录控制数据运行的实时位置；

（4）若当前的工作方式为流模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则实时将接收到的控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；

控制命令为“暂停”，则清除缓冲数据，停止控制数据的发送；

（5）返回步骤（2）。

本发明所述的数控系统下位机利用现场可编程门阵列技术，将整个数据缓存卡数字控制器包括数据流控制、多轴电机控制、USB接口、继电器控制以及模拟量控制电路全集成在单一芯片中，使得控制电路的尺寸减小、元器件减少、可靠性得到提高。

附图说明

图1为本发明所述数控系统下位机的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种数控系统下位机，包括一FPGA芯片，所述FPGA芯片内设置有USB接口模块、数据流控制模块、模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块。USB接口模块与上位机和数据流控制模块相连；模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块均与数据流控制模块相连。

USB接口模块，用于通过USB总线进行数据收发，以实现与数控系统上位机的通信；USB接口模块完成数据收发功能时，接收和发送分别申请独立的FIFO，接收数据由USB芯片直接写入FPGA芯片上FIFO，发送数据直接写入片上FIFO，由USB自动收发数据管理。

多轴电机控制模块，用于以并行方式控制多轴伺服电机控制器；本发明利用硬件描述语言，采用IP设计思想，设计了伺服电机控制接口IP核，完成独立一路伺服电机控制器硬件电路实现，从而通过复制的方式构建多轴步进电机控制器的可编程片上系统，其扩展方便、可移植性高、具有广泛的适用性。本发明所述多轴电机控制模块优选通过多个单轴伺服电机控制器子模块实现，当然也可以只通过一个总控制模块来实现。

数据流控制模块，用于以脱机模式或流模式对加工数据流进行控制；所述脱机模式是指下位机在接收并存储上位机发送的加工数据流之后，再把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；所述流模式是指下位机在接收上位机发送的加工数据流的同时，把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；在脱机模式下，加工数据流存储在下位机内，用户可以直接启动数控设备，从下位机获取加工数据，而脱离上位机独立运行。从而可以减少用户数据处理单元的硬件投入，方便用户建立加工中心。

模拟量控制模块，用于接收外围模拟量的输入和设置外围模拟量的输出；

继电器控制模块，用于对数控系统的开关元件的工作与否进行时序控制；对于高能束水道数据系统而言，所述开关元件包括磨料阀、喷嘴、泄流阀和高压泵等。

为了便于存储存储脱机模式下的加工数据流，所述数控系统下位机还包括SD存储卡，所述SD存储卡用于存储脱机模式下的加工数据流。当然本发明也可以采用其他存储介质代替SD存储卡，在流模式下可以不采用SD存储卡。

为了能够在外围连接设备异常时，及时可靠的保护设备及人身安全，所述FPGA芯片内还设置有保护功能控制模块，保护功能控制模块与数据流控制模块相连。在高压泵气压过高或者欠压、磨料不足等影响设备正常工作时启动保护功能控制模块，检测到上述任一情况发生时，停止设备运行。

本发明还同时提供了一种数控系统下位机实现对数控设备控制的方法，包括以下步骤：

（1）通过USB接口模块与数控系统上位机建立连接；

下位机运行前，首先需要上位机安装USB驱动程序以识别下位机，然后上位机与下位机之间通过FPGA芯片的接收FIFO和发送FIFO进行数据交换，上位机下发数据，在发送FIFO非满的情况下，可以对发送FIFO进行写入操作，如果上位机检测到FPGA芯片的接收FIFO非空，则可以对接收FIFO进行读取操作。由于加工数据以及指令都是数据流来实现，在进入接收后2ms内未收到完整数据，则视为超时，自动丢弃已接收到数据，回传对应命令失败应答，若下位机未检测到对应的命令，不做响应。

（2）通过USB接口模块接收上位机发送的控制数据和控制命令；所述的控制命令包括启动、暂停等，控制数据是指加工数据流。

（3）若当前的工作方式为脱机模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则判断下位机内是否存储有控制数据，若有，则将控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；若没有，则不做操作；启动命令的下发需要上位机已经将控制数据完整保存到了下位机之后再执行。

控制命令为“暂停”，则停止控制数据的发送，并记录控制数据运行的实时位置；正常运行时暂停，上位机点击继续运行，下位机根据记录的运行位置，继续控制数据的执行；

（4）若当前的工作方式为流模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则实时将接收到的控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；

控制命令为“暂停”，则清除缓冲数据，停止控制数据的发送；需要重新启动时，上位机根据实时保存的行号来重新计算路径规划，下发给下位机进行运行；流模式的退出，需要暂停命令，否则保持最后一次运行状态。

（5）返回步骤（2），等待接收上位机发送的控制数据和控制命令。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种数控系统下位机，其特征在于，包括一FPGA芯片，所述FPGA芯片内设置有USB接口模块、数据流控制模块、模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块；

USB接口模块，用于通过USB总线进行数据收发，以实现与数控系统上位机的通信；

多轴电机控制模块，用于以并行方式控制多轴伺服电机控制器；

数据流控制模块，用于以脱机模式或流模式对加工数据流进行控制；所述脱机模式是指下位机在接收并存储上位机发送的加工数据流之后，再把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；所述流模式是指下位机在接收上位机发送的加工数据流的同时，把加工数据流通过多轴电机控制模块发送给各轴的伺服电机控制器；

模拟量控制模块，用于接收外围模拟量的输入和设置外围模拟量的输出；

继电器控制模块，用于对数控系统的开关元件的工作与否进行时序控制；

USB接口模块与上位机和数据流控制模块相连；模拟量控制模块、继电器控制模块和多轴电机控制模块均与数据流控制模块相连。

2.根据权利要求1所述的数控系统下位机，其特征在于，所述数控系统下位机还包括SD存储卡，所述SD存储卡用于存储脱机模式下的加工数据流。

3.根据权利要求1所述的数控系统下位机，其特征在于，所述FPGA芯片内还设置有保护功能控制模块，保护功能控制模块与据流控制模块相连。

4.根据权利要求1所述的数控系统下位机，其特征在于，所述多轴电机控制模块包括多个单轴伺服电机控制器子模块。

5.根据权利要求1所述的数控系统下位机，其特征在于，所述开关元件包括磨料阀、喷嘴、泄流阀和高压泵。

6.一种数控系统下位机实现对数控设备控制的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）通过USB接口模块与数控系统上位机建立连接；

（2）通过USB接口模块接收上位机发送的控制数据和控制命令；

（3）若当前的工作方式为脱机模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则判断下位机内是否存储有控制数据，若有，则将控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；若没有，则不做操作；

控制命令为“暂停”，则停止控制数据的发送，并记录控制数据运行的实时位置；

（4）若当前的工作方式为流模式，则判断控制命令：

控制命令为“启动”，则实时将接收到的控制数据发送给各轴驱动器以及与数控系统的开关元件相连的继电器；

控制命令为“暂停”，则清除缓冲数据，停止控制数据的发送；

（5）返回步骤（2）。

Images