CN103135495A

CN103135495A - 一种数控切割机控制系统

Info

Publication number: CN103135495A
Application number: CN2013100405003A
Authority: CN
Inventors: 唐厚君; 方万; 沈月芬
Original assignee: HUZHOU JIAODA NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HUZHOU JIAODA NUMERICAL CONTROL TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2013-02-02
Filing date: 2013-02-02
Publication date: 2013-06-05

Abstract

本发明涉及一种工业控制自动化技术领域的控制系统，尤其是一种数控切割机控制系统。该系统包括：工业控制计算机，包括PCI总线及通用外设接口；运动控制卡，通过PCI接口连接于工业控制计算机的PCI总线中用于控制切割机伺服电机；输入输出控制卡，连接于工业控制计算机的PCI总线中用于输入输出开关信号；人机交互设备，连接于工业控制计算机的通用外设接口。本发明的数控切割机控制系统本发明系统结构简单，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、成本降低，而且装配、使用、升级极为简单。

Description

一种数控切割机控制系统

技术领域

本发明涉及一种工业控制自动化技术领域的控制系统，尤其是一种数控切割机控制系统。

背景技术

现行数控切割机控制系统主要分成两大类，第一类控制系统采用计算机直接对电机进行运动控制，它没有运动控制卡，由计算机直接和电机驱动器、继电器驱动板和机床限位开关连接，完成所有的电机控制任务和输入输出口的读写任务，这样结构的控制系统由软件实现插补运算。第二类控制系统采用运动控制专用芯片对电机进行运动控制。它采用计算机加运动控制专用芯片组成控制系统。该芯片中已经做好了运动控制算法，而且还给外界提供了一些应用接口。它们都属于封闭式结构的数控系统，各地数控厂商都设计了自己的专用硬件系统和软件系统。这种封闭式的结构使数控系统的开发成本极高，开发周期很长，升级困难，可靠性、可扩展性、可维护性和易用性极差，二次开发困难。

经对现有技术文献的检索发现，林金南在“数控系统的发展趋势――开放式数控系统”（《机床与液压》2003.NO.6）一文中描述了现有数控切割机控制系统存在的以下不足可以理解为：

1、软件为数控制造商所占有，机床制造商难以体现其独立性；

2、需要开发专用的硬件来追随硬件的进步，一般相对滞后；

3、功能单一化，只适用于机床行业；

4、第一类控制系统使用软件插补极耗系统资源，在切割过程中没有可视化界面，切割软件的功能也不够丰富，实时响应性差，而且速度和精度都达不到现在切割机的工艺要求；

5、第二类控制系统通常采用Windows操作系统，由于其自身的不稳定性，会造成整个控制系统的不稳定。而且Windows属于商业软件，由于版权问题无疑会提高数控系统的成本；

6、第二类系统的电机运动采用专用芯片来完成实时采样插补，但是采用专用芯片的系统散热差、系统的算法固定、不易维护、无法进行算法的升级与更新，价格也比较昂贵。在科技飞速发展的今天，新技术与新标准不断涌，技术的更新周期大大加快，采用专用芯片的系统其生命周期必会缩短，给用户带来极大的技术风险和损失。

发明内容

本发明提供一种有效提高性能、降低成本、而且装配、使用、升级极为简单数控切割机控制系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

它包括：

工业控制计算机，所述的工业控制计算机包括PCI总线及通用外设接口，所述的工业控制计算机中安装有系统平台，所述的系统平台中包括数控管理模块；

运动控制卡，包括一进行电机控制的数字信号微处理器以及与数字信号微处理器连接并通讯的可编程控制器、PCI接口、驱动接口电路及外围电路；通过PCI接口连接于工业控制计算机的PCI总线中，并通过驱动接口电路连接并驱动切割机伺服电机；

输入输出控制卡，连接于工业控制计算机的PCI总线中，包括多路输入信号端和多路输出信号端以及连接工业控制计算机PCI总线的PCI接口，所述的多路输入信号端读入切割机限位开关信号；所述的多路输出信号端输出切割机继电器开关量控制信号；

人机交互设备，连接于工业控制计算机的通用外设接口，用于内容显示、指令输入及数据通信。

优选地，所述的数据管理模块处理任务包括：数控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，割缝补偿的设置，I/O接口的监控和诊断，前后两条切割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，人机交互操作处理。

优选地，所述的运动控制卡的数字信号微处理器的电机控制包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，速度控制，线段预处理。

优选地，所述的工业控制计算机为嵌入式计算机。

优选地，所述的系统平台为windows系统平台。

优选地，所述的通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口。

优选地，所述的人机交互设备包括显示器、鼠标、键盘、移动存储设备。

由于采用了上述方案，本发明的数控切割机控制系统本发明系统结构简单，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、成本降低，而且装配、使用、升级极为简单。

附图说明

图1是本发明实施例系统整体模块结构示意图

图2是本发明实施例的运动控制卡模块组成示意图；

图3是本发明实施例的输入输出控制卡模块组成示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本实施例中所述的数控切割机控制系统包括：

工业控制计算机1，所述的工业控制计算机包括PCI总线及通用外设接口，PCI总线接入点为板载的PCI插槽，所述的工业控制计算机中安装有系统平台11，所述的系统平台中包括数控管理模块12，其中，系统平台为操作系统，可以为通用的操作系统和嵌入式的操作系统，本实施例中的工业控制计算机为嵌入式计算机，操作系统为windows系统。上述的通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口，用于连接显示设备、键盘鼠标等输入设备已经移动存储设备进行数据读写和数控管理模块的升级。选用华北工控型号RPC-206 6-PCI槽工业专用计算机，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，目前已有满足上述接口要求的嵌入式工业控制计算机出售。

运动控制卡2，包括一进行电机控制的数字信号微处理器21，以下简称DSP，以及与数字信号微处理器21连接并通讯的可编程控制器22，以下简称FPGA、PCI接口23、驱动接口电路24及外围电路25；通过PCI接口22连接于工业控制计算机的PCI总线中，并通过驱动接口电路24连接并驱动切割机伺服电机。

本实施例中，DSP选用工作频率高达100MHz的高速浮点型微处理芯片，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；运动控制卡安插在嵌入式工业控制计算机内部的PCI槽上，它们之间通过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，然后通过插补运算，发出脉冲信号控制切割机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； FPGA作为PCI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。

本实施例中，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。

输入输出控制卡3，也成为I/O接口板，连接于工业控制计算机的PCI总线中，包括多路输入信号端31和多路输出信号端32以及连接工业控制计算机PCI总线的PCI接口33，所述的多路输入信号端读入切割机限位开关信号；所述的多路输出信号端输出切割机继电器开关量控制信号；

人机交互设备4，连接于工业控制计算机的通用外设接口，用于内容显示、指令输入及数据通信。

工作时，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（键盘或软驱）输入、通过数控管理模块的图形接口函数转换成切割信息存放在嵌入式工业控制计算机新开辟的内存中。随后，嵌入式工业控制计算机快速地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（即插补运算）。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过程。交流伺服电机及其驱动装置通过信号传输线将经过脉冲处理的位置信号传送给运动控制卡。运动控制卡接收到这些位置信息后，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控制计算机。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。

本实施例中，所述的数据管理模块处理任务包括：数控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，割缝补偿的设置，I/O接口的监控和诊断，前后两条切割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，人机交互操作处理。以上各项任务内容与实现方式可以参照现有的控制软件。

本实施例中，所述的运动控制卡的数字信号微处理器的电机控制包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，速度控制，线段预处理。以上各电机动作控制可以参见现有的切割机动作指令。

与现有系统相比，本发明具有实质性特点和显著进步：嵌入式工业控制计算机稳定可靠。在Windows环境下实现PCI总线驱动，而且PCI总线传输速度快，稳定性较好。DSP指令执行速度快，其发出的脉冲最大频率可以达到250KHz，确保机床最高运行速度可达15000mmpm，控制精度能够达到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于恶劣的生产环境，且功能强大，操作简便，界面友好，很好地满足了切割工艺的特殊要求。

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。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.数控切割机控制系统，其特征在于，该系统包括：

2.如权利要求1所述的数控切割机控制系统，其特征在于，所述的数据管理模块处理任务包括：数控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，割缝补偿的设置，I/O接口的监控和诊断，前后两条切割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，人机交互操作处理。

3.如权利要求2所述的数控切割机控制系统，其特征在于所述的运动控制卡的数字信号微处理器的电机控制包括直线和圆弧线段的插补，多轴同步运动，速度控制，线段预处理。

4.如权利要求3所述的数控切割机控制系统，其特征在于所述的工业控制计算机为嵌入式计算机。

5.如权利要求4所述的数控切割机控制系统，其特征在于所述的系统平台为windows系统平台。

6.如权利要求5所述的数控切割机控制系统，其特征在于所述的通用外设接口包括LCD/VGA、USB、PS/2和/或软盘驱动器接口。

7.如权利要求6所述的数控切割机控制系统，其特征在于所述的人机交互设备包括显示器、鼠标、键盘、移动存储设备。